luận án tiến sĩ kiến trúc ứng dụng hình học fractal trong thiết kế tổ hợp kiến trúc tại việt nam

LÊ THỊ PHƯƠNG CHI ỨNG DỤNG HÌNH HỌC FRACTAL TRONG THIẾT KẾ TỔ HỢP KIẾN TRÚC TẠI VIỆT NAM Chuyên ngành: Kiến trúc Mã số: 9580101 LUẬN ÁN TIẾN SĨ Hà Nội - Năm 2022... TRƯỜNG ĐẠI HỌC XÂY DỰ

LÊ THỊ PHƯƠNG CHI

ỨNG DỤNG HÌNH HỌC FRACTAL TRONG THIẾT KẾ TỔ HỢP KIẾN TRÚC TẠI VIỆT NAM

Chuyên ngành: Kiến trúc

Mã số: 9580101

LUẬN ÁN TIẾN SĨ

Hà Nội - Năm 2022

TRƯỜNG ĐẠI HỌC XÂY DỰNG HÀ NỘI

LÊ THỊ PHƯƠNG CHI

ỨNG DỤNG HÌNH HỌC FRACTAL TRONG THIẾT

KẾ TỔ HỢP KIẾN TRÚC TẠI VIỆT NAM

Chuyên ngành: Kiến trúc

Mã số: 9580101

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC

1 GS.TS DOÃN MINH KHÔI

2 PGS.TS ĐẶNG VĂN CỨ

Hà Nội - Năm 2022

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan: Đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi Các số liệu kết quả nghiên cứu trong luận án là trung thực và chưa từng được ai công bố trong bất kỳ công trình khoa học nào

Tôi xin chịu trách nhiệm về tính xác thực của các kết quả nghiên cứu được công

bố trong luận án này

Nghiên cứu sinh

LÊ THỊ PHƯƠNG CHI

LỜI CẢM ƠN

Tôi xin chân thành cảm ơn Trường Ðại học Xây dựng Hà Nội, Khoa Kiến trúc

và Quy hoạch, Phòng Quản lý Đào tạo, Phòng Khoa học và Công nghệ, Viện kiến trúc và Quy hoạch UAI, Bộ môn Kiến trúc dân dụng, Bộ môn Hình họa - Vẽ kỹ thuật

và các nhà khoa học trong lẫn ngoài trường đã hỗ trợ, giúp đỡ tôi trong suốt thời gian qua

Tôi xin đặc biệt bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới GS.TS Doãn Minh Khôi và PGS.TS Đặng Văn Cứ là những người thầy đã hết lòng hướng dẫn, giúp đỡ tôi hoàn thành nghiên cứu này

Tôi cũng chân thành cảm ơn toàn thể bạn bè, đồng nghiệp và nhất là gia đình

đã luôn sát cánh bên tôi, ủng hộ, động viên, khích lệ tôi hoàn thành luận án

Tác giả luận án Nghiên cứu sinh

LÊ THỊ PHƯƠNG CHI

MỤC LỤC

Trang phụ bìa

LỜI CAM ĐOAN………i

LỜI CẢM ƠN……….ii

MỤC LỤC……….….iii

DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT……… vii

DANH MỤC CÁC BẢNG……… ……… viii

DANH MỤC CÁC SƠ ĐỒ……… ……… ix

DANH MỤC CÁC HÌNH………x

MỞ ĐẦU 1 Lý do chọn đề tài…… 1

2 Mục đích và mục tiêu nghiên cứu 2

3 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu 3

4 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài nghiên cứu… 3

5 Phương pháp nghiên cứu 4

6 Các đóng góp mới của luận án 5

7 Cấu trúc của luận án……… 6

8 Giải thích một số khái niệm và thuật ngữ sử dụng trong luận án 6

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ ỨNG DỤNG HÌNH HỌC FRACTAL TRONG TỔ HỢP KIẾN TRÚC 1.1 Tổng quan về sự hình thành và phát triển của hình học Fractal…….…… 9

1.1.1 Quá trình ra đời, phát triển của hình học Fractal 9

1.1.2 So sánh sự khác biệt giữa hình học Fractal, hình học Euclid và hình học Topo 10

1.1.3 Hình học Fractal trong đồ họa máy tính 14

1.2 Tình hình ứng dụng hình học Fractal trong thiết kế tổ hợp kiến trúc trên thế giới và tại Việt Nam ……… ……….……… ……….16 1.2.1 Tình hình ứng dụng hình học Fractal trong thiết kế tổ hợp kiến trúc trên thế

giới 16

1.2.2 Thực trạng ứng dụng hình học Fractal trong thiết kế tổ hợp kiến trúc tại Việt Nam 29

1.2.2.1 Biểu hiện của hình học Fractal trong kiến trúc cổ Việt Nam 29

1.2.2.1 Biểu hiện của hình học Fractal trong kiến trúc hiện đại Việt Nam 31

1.3 Tổng quan các công trình nghiên cứu có liên quan.……… ………….38

1.4 Nhận xét chung và vấn đề đặt ra cho nghiên cứu……… ……… 42

1.4.1 Nhận xét chung 42

1.4.2 Vấn đề đặt ra cho nghiên cứu 43

CHƯƠNG 2 CƠ SỞ KHOA HỌC ỨNG DỤNG HÌNH HỌC FRACTAL TRONG TỔ HỢP KIẾN TRÚC TẠI VIỆT NAM 2.1 Cơ sở lý thuyết 44

2.1.1 Cơ sở lý thuyết về tổ hợp hình học Fractal 44

2.1.1.1 Phương pháp tạo hình Fractal theo tư duy hình khởi tạo - hình phát sinh 44

2.1.1.2 Các đặc điểm của tổ hợp hình học Fractal 46

2.1.1.3 Một số tổ hợp hình học Fractal căn bản 48

2.1.1.3 Một số hình thức phân loại trong hình học Fractal 51

2.1.2 Cơ sở lý thuyết về tổ hợp kiến trúc 53

2.1.2.1 Ngôn ngữ và quy luật tạo hình của tổ hợp kiến trúc 53

2.1.2.2 Đặc điểm của tổ hợp kiến trúc 53

2.1.2.3 Phép phát triển của tổ hợp kiến trúc 58

2.1.2.4 Phép biến thể của tổ hợp kiến trúc… 60

2.1.3 So sánh giữa tổ hợp hình học Fractal và tổ hợp kiến trúc 61

2.1.3.1 Sự tương thích .61

2.1.3.2 Sự khác biệt 66

2.2 Cơ sở bài học kinh nghiệm thực tiễn……… 69

2.2.1 Các tiêu chí phân loại và căn cứ ứng dụng hình học Fractal từ thực tiễn 69

2.2.2 Kinh nghiệm thiết kế tổ hợp theo cấp độ ứng dụng linh hoạt hình học Fractal 69

2.2.2.1 Ứng dụng nguyên mẫu 71

2.2.2.2 Ứng dụng sáng tạo 72

2.2.2.3 Ứng dụng linh hoạt, tự do 73

2.2.3 Kinh nghiệm thiết kế tổ hợp kiến trúc theo sự phát triển linh hoạt hình thái kiến trúc 76

2.2.3.1.Kiến trúc phát triển theo chiều rộng 76

2.2.3.2 Kiến trúc phát triển theo chiều cao 77

2.2.3.3 Kiến trúc phát triển theo khối lớn 79

2.2.4 Kinh nghiệm thiết kế tổ hợp kiến trúc theo khả năng phát triển linh hoạt phong cách kiến trúc 80

2.2.4.1.Kiến trúc hữu cơ, phỏng sinh học 80

2.2.4.2 Kiến trúc dựa theo tạo hình truyền thống 82

2.2.4.3 Kiến trúc công nghệ 83

2.3 Các yếu tố tác động tới việc ứng dụng hình học Fractal vào tổ hợp kiến trúc tại Việt Nam……….85

2.3.1 Điều kiện tự nhiên……… 85

2.3.2 Yếu tố văn hóa xã hội, con người………… 87

2.3.3 Sự phát triển của công nghệ 90

2.4 Cơ sở pháp lý và nhu cầu ứng dụng hình học Fractal vào tổ hợp kiến trúc tại Việt Nam……… ……… 92

2.5 Khái quát những vấn đề chính trong xây dựng cơ sở khoa học 94

CHƯƠNG 3 ĐỀ XUẤT ỨNG DỤNG HÌNH HỌC FRACTAL TRONG THIẾT KẾ TỔ HỢP KIẾN TRÚC 3.1 Quan điểm, nguyên tắc ứng dụng 95

3.1.1 Quan điểm 95

3.1.2 Nguyên tắc 96

3.2 Đề xuất các giải pháp ứng dụng hình học Fractal trong thiết kế tổ hợp kiến trúc 98

3.2.1 Đề xuất phạm vi ứng dụng hình học Fractal trong thiết kết tổ hợp kiến trúc tại Việt Nam 98

3.2.2 Đề xuất ứng dụng hình học Fractal trong các phương pháp thiết kế tạo hình

kiến trúc 99

3.2.2.1 Tạo hình bằng phương pháp biến đổi tổ hợp hình học Fractal 99

3.2.2.2 Tạo hình bằng phương pháp tổ hợp dạng lưới hình học Fractal 103

3.2.2.3 Đề xuất tạo hình ứng dụng bằng ngôn ngữ máy tính 107

3.2.3 Đề xuất ứng dụng hình học Fractal trong triển khai các giai đoạn thiết kế 113

3.2.3.1 Giai đoạn 1 - Thiết kế ý tưởng 113

3.2.3.2 Giai đoạn 2 - Thiết kế sơ bộ 115

3.2.3.3 Giai đoạn 3 - Thiết kế chi tiết 125

3.3 Ứng dụng hình học Fractal trong thiết kế tổ hợp kiến trúc - trường hợp trung tâm văn hóa quận Nam Từ Liêm, Hà Nội, Việt Nam 128

3.3.1 Giới thiệu dự án 128

3.3.2 Thiết kế ý tưởng (giai đoạn 1) 129

3.3.3 Thiết kế sơ bộ (giai đoạn 2) 131

3.3.3.1 Giải pháp tạo hình Fractal ứng dụng để khai triển tổ hợp 131

3.3.3.2 Giải pháp ứng dụng tạo hình Fractal trong bước triển khai tổ hợp 132

3.3.4 Thiết kế chi tiết (giai đoạn 3) ) 135

3.4 Đánh giá và bàn luận về kết quả nghiên cứu 139

KẾT LUẬN 143

Kết luận 143

Kiến nghị 145

DANH MỤC CÁC BÀI BÁO KHOA HỌC ĐÃ CÔNG BỐ CỦA TÁC GIẢ 146

TÀI LIỆU THAM KHẢO 147 PHỤ LỤC

DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT

Ctr:

Ds:

NCS:

KTS:

SV:

THHH:

THKT:

TMB : VD:

Công trình Kích thước tự đồng dạng Nghiên cứu sinh

Kiến trúc sư Sinh viên

Tổ hợp hình học

Tổ hợp kiến trúc Tổng mặt bằng

VD

DANH MỤC CÁC BẢNG

Bảng 1.1 So sánh hình học Fractal với hình học Euclid và Topo

Bảng 2.1 Hệ thống quy luật tạo hình tổ hợp kiến trúc

Bảng 2.2 Các dạng bố cục trong hình học Fractal và tổ hợp kiến trúc kèm VD

Bảng 2.3 Tóm tắt các yếu tố tự nhiên theo vùng miền Việt Nam

Bảng 3.1 Tóm tắt, đánh giá các phương pháp tạo hình dựa theo hình học Fractal đã

đề xuất

Bảng 3.2 Nguyên tắc thiết lập hai tạo hình ứng dụng Fractal cho giải pháp kết hợp lập trình

Bảng 3.3 Kết quả quá trình thử nghiệm tạo hình và biến thể trên máy tính

Bảng 3.4 Một số dạng triển tổ hợp Fractal từ hình khởi tạo gốc là hình vuông phù hợp các kiểu bố cục kiến trúc

Bảng 3.5 Thống kê các hạng mục công trình nhà văn hóa

DANH MỤC CÁC SƠ ĐỒ

Sơ đồ 2.1 Giải pháp ứng dụng nguyên mẫu hình học Fractal trong thiết kế tổ hợp kiến trúc quảng trường Federation Melbourn, Australia

Sơ đồ 2.2 Giải pháp ứng dụng sáng tạo hình học Fractal trong thiết kế tổ hợp kiến trúc Bảo tàng Louvre Abu Dhabi

Sơ đồ 2.3 Giải pháp ứng dụng sáng tạo hình học Fractal trong thiết kế tổ hợp kiến trúc dự án Housing Block Moscow

Sơ đồ 2.4 Giải pháp ứng dụng linh hoạt tự do hình học Fractal trong thiết kế tổ hợp Khu nhà ở thu nhập thấp Belapur

Sơ đồ 2.5 Giải pháp ứng dụng công trình "khách sạn hoa sen” - “Lotus hotel" trên sa mạc thiết kể bởi Plat Architects

Sơ đồ 2.6 Mối quan hệ giữa hình học Fractal - Tự nhiên - Kiến trúc

Sơ đồ 2.7 Giải pháp ứng dụng hình học Fractal trong tổ hợp công trinh

Sơ đồ 3.1 Các giai đoạn chính trong thiết kế tổ hợp kiến trúc

Sơ đồ 3.2 Các cấp độ ứng dụng hình học Fractal trong thiết kế kiến trúc

Sơ đồ 3.3 Phạm vi ứng dụng hiệu quả hình học Fractal trong THKT tại Việt Nam

Sơ đồ 3.4 Hệ thống một số bước và nhóm lệnh hỗ trợ tạo hình ứng dụng Fractal trong các phần mềm đồ họa kiến trúc phổ thông tại Việt Nam hiện nay

Sơ đồ 3.5 Giải pháp tạo hình Fractal ứng dụng nhiều phần mềm đồ họa

Sơ đồ 3.6 Đề xuất quy trình tạo hình ứng dụng Fractal kết hợp giải pháp lập trình

Sơ đồ 3.7 Sơ đồ xây dựng Lệnh GhepLuoi_Vuong

Sơ đồ 3.8 Sơ đồ xây dựng Lệnh Dragon block

Sơ đồ 3.9 Định hướng ứng dụng hình học Fractal trong giai đoạn 1: Thiết kế ý tưởng

Sơ đồ 3.10 Ứng dụng hình học Fractal trong giai đoạn 2: Thiết kế sơ bộ

Sơ đồ 3.11 Xây dựng THHH dựa trên nguyên lý đồng dạng Fractal, ứng dụng cho khai triển THKT

Sơ đồ 3.12 Ứng dụng hình học Fractal trong giai đoạn 3: thiết kế chi tiết

Sơ đồ 3.13 Sự liên hệ giữa ý tưởng tạo hình và giải pháp tạo hình ứng dụng

DANH MỤC CÁC HÌNH

Hình 0.1.VD về tổ hợp hình học Fractal trong toán học và tự nhiên ………….… ….7

Hình 02 VD tổ hợp dạng gạch chong chóng từ một số hình khối đơn giản và ứng dụng thực tiễn cụ thể………8

Hình 1.1 Một số VD ứng dụng của hình học Fractal ……… …… 10

Hình 1.2 Một số VD về các loại hình ảnh đồ họa nghệ thuật Fractal…… ……… 15

Hình 1.3 Đền Kandariya Mahadeva, Ấn độ với kiến trúc đền núi với các biểu hiện của hình học Fractal ……… 16

Hình 1.4 Mặt bằng Palmer House của Frank Lloyd Wright……… 17

Hình 1.5 Sơ đồ hợp khối đồng dạng và mô hình tòa nhà 11A của Peter Eisenman 18

Hình 1.6 Bọt biển Menger và tòa nhà Lideta mercato của Xavier Vilalta …………18

Hình 1.7 Tam giác Sierpinksi và Bảo tàng quốc gia Ai Cập……….19

Hình 1.8 Phương án thiết kế bảo tàng xoắn ốc V&A của Daniel Libeskind và sơ đồ THHH Fractal áp dụng cho bề mặt công trình……… 21

Hình 1.9 Công trình Serpentine Gallery Pavilion 2002 và thiết kế sơ đồ lưới dạng Fractal áp dụng cho cấu trúc vỏ bao che……….………22

Hình 1.10 VD một số công trình hiện đại với phân vị mặt tiền phức tạp….….…….22

Hình 1.11 Trung tâm nghiên cứu hóa dầu King Abdullah………….………23

Hình 1.12 Hệ giàn mái bảo tàng "The Louvre" ở Abu Dhabi ……… 24

Hình 1.13 Sân bay Mumbai, Ấn Độ……… 25

Hình 1.14 Cấu trúc dạng Fractal của tháp Eiffel………25

Hình 1.15 Dự án "Monalisa Pavilion" và ý tưởng tổ hợp từ hình học Fractal………26

Hình 1.16 Kiến trúc lớn trên thế giới khai thác cấu trúc hình học có tính Fractal….27 Hình 1.17 Minh họa sự tương đồng giữa cấu trúc dạng lưới Fractal trong tự nhiên và kiến trúc……….……27

Hình 1.18 Minh họa sự tương đồng giữa tổ hợp lưới dạng Fractal trong tự nhiên và cấu trúc vỏ bề mặt phương án tháp sinh học……… ……….28

Hình 1.19 Mặt đứng cổng vào nhà thờ Phát diệm và các chi tiết mang tinh đệ quy 29

Hình 1.20 Mặt đứng tháp Po Klong Garai và chi tiết mái vòm được lặp lại……… 30

Hình 1.21 Mặt đứng nhà thờ lớn Hà Nội và hệ cửa vòm đồng dạng……….31

Hình 1.22 Cầu thép Long Biên, Hà nội (1902).……….…… 31

Hình 1.23 Kiến trúc nội ngoại thất của trường đại học RMIT-thành phố Hồ Chí Minh và thảm Sierpinski trong hình học Fractal …….……….….… 32

Hinh 1.24 Bảo tàng Hà nội ……….…33

Hình 1.25 Tòa nhà quốc hội Việt Nam với phân vị đứng đồng dạng……….33

Hình 1.26 Cấu trúc lược Cantor trong hình học Fractal và kiến trúc đại học FPT (TP Hồ Chí Minh) ……… …… ………… 34

Hình 1.27 Mặt bằng và mặt đứng công trình Vietnam Pavillion tại triển lãm Milan 2015 ……… ………… 34

Hình 1.28 Kiến trúc công trình Naman Spa do MIA thiết kế năm 2015 ……… 35

Hình 1.29 Kiến trúc công trình Straw Pavilion do MIA thiết kế năm 2021……….36

Hình 1.30 Một số kiến trúc hiện đại Việt Nam với mặt tiền ứng dụng tạo hình đồng dạng……… ………37

Hình 1.31 Đề xuất ứng dụng thiết kế hình dạng mặt đứng và mặt bằng kiến trúc theo nhịp điệu có tính Fractal trong âm nhạc của Carl Bovill……… 38

Hình 1.32 Thiết kế tổ hợp nhà tháp dựa trên hình học Fractal của James Harris… 39

Hình 1.33 Phương án thiết kế kế tấm chắn nắng ứng dụng hình học Fractal theo phương pháp thiết kế tham số của Maycon Sedrez và cộng sự……… 40

Hình 1.34 Phương án thiết kế mái dựa trên hình học Fractal của Iasef Rian…… …41

Hình 2.1 VD về Hình khởi tạo, hình phát sinh, mức trong tam giác Sierpinski…….44

Hình 2.2 VD về tạo ra biến thể ngẫu nhiên trong quá trình xây dựng thảm Sierpinski……… ……… 45

Hình 2.3 Cảnh quan đồ họa dựa trên nguyên tắc hình học Fractal ………45

Hình 2.4 VD về hình dạng bất thường của Fractal trong tự nhiên và toán học…… 46

Hình 2.5 Một số VD về tính chất tự đồng dạng của Fractal……….47

Hình 2.6 Quá trình xây dựng Đường Von Kock……….……….49

Hình 2.7 Quá trình xây dựng Đường Minkowski……… ……….49

Hình 2.8 Quá trình xây dựng Tam giác Sierpinski……… ……49

Hình 2.9 Quá trình xây dựng Thảm Sierpinski……… …….50

Hình 2.10 Qúa trình xây dựng Bọt biển Menger ……….…… 50

Hình 2.11 VD phân loại Fractal theo mức độ tự đồng dạng……… 51

Hình 2.12 VD đồng dạng thống kê ……… 51

Hình 2.13 VD phân loại Fractal theo quy luật đồng dạng……….…….52

Hình 2.14 Minh họa tổ hợp kiểu tập trung …… ……… ……54

Hình 2.15 Minh họa tổ hợp kiểu chuỗi ……… …….55

Hình 2.16 Minh họa tổ hợp kiểu hành lang ……….…….55

Hình 2.17 Minh họa tổ hợp kiểu đơn nguyên, phân đoạn ………56

Hình 2.18 Sự biểu cảm của tổ hợp kiến trúc dưới tác động của yếu tố hình học… 57

Hình 2.19 Một số VD về áp dụng các biện pháp thẩm mỹ trong kiến trúc …………58

Hình 2.20 VD sơ đồ phát triển tổ hợp một phương án nhà hát ……… 59

Hình 2.21 Sự phát triển tổ hợp dựa trên yếu tố điển hình và cá biệt ……… 59

Hình 2.22 VD các dạng biến thể tổ hợp……….… … 60

Hình 2.23 Minh họa các hình thức tạo ra biến thể trong THKT ……….… 60

Hình 2.24 VD các tổ hợp Fractal phân theo ngôn ngữ tổ hợp.……… 61

Hình 2.25 VD về xây dựng các tổ hợp Fractal từ dạng hình học căn bản………… 62

Hình 2.26.VD nguyên lý liên kết của tổ hợp KT thể hiện trong tổ hợp Fractal.… 63

Hình 2.27 VD minh họa về sự tương đồng của hình học Fractal với phát triển THKT 64

Hình 2.28 Các biến thể từ hoa tuyết Kock khi thay đổi phương của yếu tố phát sinh.65 Hình 2.29 Một số phương án THKT bắt nguồn từ tổ hợp căn bản của hình học Fractal …… ……….67

Hình 2.30 Hoa tuyết Kock và các THKT nhà ở phát triển dựa theo tổ hợp này.…….68

Hình 2.31 VD hình thức tổ hợp công trình cao tầng thông thường……… 77

Hình 2.32 Một số VD minh họa kinh nghiệm ứng dụng hình học đồng dạng trong thiết kế nhà cao tầng……….……… 78

Hình 2.33 VD về phân vị diện bao ngoài của các công trình có khối tích lớn…….79

Hình 2.34 Yếu tố tự nhiên phân theo ngôn ngữ tổ hợp: điểm, tuyến, diện, khối… 80

Hình 2.35 VD về hình học Fractal trong kiến trúc cổ đặc trưng theo khu vực trên thế giới 82