Kỹ thuật - Công nghệ mới trong kiến trúc Phỏng sinh học

CHUYÊN ĐỀ KỸ THUẬT KIẾN TRÚC

CÔNG NGHỆ MỚI TRONG THIẾT KẾ - XÂY DỰNG 1. Nguyễn Bình Vĩnh Đức 2. Phan Văn An 3. Nguyễn Phạm Thái Anh 4. Võ Duy Ý Nhiên 5. Tào Bảo Thái 6. Đỗ Thành Trung

KỸ THUẬT - CÔNG NGHỆ MỚI TRONG

KIẾN TRÚC SINH HỌC Kiến trúc mô phỏng sinh học không chỉ gắn với sự phát triển hình dạng và cấu trúc mà còn là sự tiến bộ vượt bậc của kỹ thuật và công nghệ.

I. SƠ LƯỢC VỀ KHẢ NĂNG TỰ TỔ CHỨC VÀ THAY ĐỔI HÌNH THỨC CỦA KIẾN TRÚC

- Ý tưởng ban đầu: sự thích nghi đối với môi trường sẽ dẫn đến sự tự tổ chức cơ thể và hình thức thay đổi khác nhau ở sinh vật sống.

- Hệ thống tự tổ chức ở kiến trúc được cho là một quá trình thích nghi của công trình bao gồm 2 công việc: sự cảm nhận các yếu tố môi trường và sự nắm bắt các hệ thống và cấu trúc chính, qua đó có những thay đổi hình thái tự động mà không chịu sự điều khiển từ bên ngoài.

- Trong đó 4 vấn đề quan tâm chính bao gồm: + Tính cảm biến môi trường + Tính tự động hóa + Cấu tạo vật liệu + Khả năng ứng dụng

Hình chụp X-ray của hoa lục bình ở các giai đoạn phát triển khác nhau. Sự phát triển hình thái chịu ảnh hưởng bởi môi trường có thể là một mô hình tham khảo cho thiết kế kiến trúc.

II. TÍNH CẢM BIẾN: MÔ HÌNH TÍNH TOÁN SỰ PHÁT TRIỂN PHỤ THUỘC VÀO MÔI TRƯỜNG Sự tự tổ chức và phân chia các chứa năng trong tế bào của các sinh vật sống đã cung cấp các dữ liệu quan trọng cho kiến trúc.

- Hiện nay, khoa học công nghệ phát triển cho chúng ta những cái nhìn chi tiết vào cấu tạo cấp phân tử của các loài sinh vật.

- Từ đó xuất hiện những kỹ thuật mô phỏng quy trình tăng trưởng của thực vật - cho thấy sự khác biệt của từng loài, từng cá thể tùy thuộc vào môi trường mà chúng sinh sống.

- Khả năng tự tổ chức cơ thể trong sinh học: là một quá trình, trong đó từng tế bào được kích thích để phát triển một chức năng cụ thể tùy thuộc theo môi trường sống, mà không phụ thuộc vào bất cứ sự hướng dẫn hay biến đổi nào bên ngoài cơ thể.

Hình chụp qua kính hiển vi đã tô màu lá cây tía tô (Melissa officinalis) với nhiều sợi lông nhỏ nằm trên bề mặt lá. Các sợi lông này có 2 chức năng: bảo vệ chống lại động vật ăn lá và giảm lượng nước bốc hơi. Cạnh bên là các khí khẩu - cấu trúc nhỏ, tròn đóng vai trò trao đổi khí và hơi nước từ bề mặt lá. Độ phóng đại: 900 lần ở kích thước 6x7cm.

- Các yếu tố ảnh hưởng: gen kiểm soát tăng trưởng tế bào, gen quy định hình thái và các nội tiết tố xúc tác.

- Hậu quả: Các tế bào chuyên biệt có cùng một nguồn gốc như nhau, nhưng trong quá trình phát triển có sự khác biệt chức năng và hình thái rất lớn.

II. TÍNH CẢM BIẾN: MÔ HÌNH TÍNH TOÁN SỰ PHÁT TRIỂN PHỤ THUỘC VÀO MÔI TRƯỜNG

- Những tính năng rất nhỏ bé trên cây cối (cấp độ tế bào) lại ảnh hưởng rất lớn đến việc cây đó có tồn tại được trong môi trường khắc nghiệt hay không. Từ đây dẫn đến 1 bài học trong kiến trúc: tính năng không giới hạn quy mô.

- Mô hình kiến trúc đa hình: Cảm biến về môi trường

Tham số parametric và các dữ liệu có sẵn

Hình thức kiến trúc

Với mỗi một thông số điều kiện môi trường khác nhau, mô hình kiến trúc sẽ "thay đổi" và "phát triển" khác nhau ở mức độ từng module một trong tổng thể mô hình.

Studio 3D và 4D cinema gần đây có chức năng mô phỏng lông - tóc chính xác tùy theo luồng không khí. Kỹ thuật này đã được dùng trong phim ảnh như King Kong và hứa hẹn sẽ có giá trị trong thiết kế kiến trúc.

Phyllotaxis (phyllo: lá + taxis: sự sắp xếp) là nghiên cứu về sự sắp xếp các đơn vị module lặp đi lặp lại với cùng 1 liên kết, xuất phát từ sự sắp xếp lá trên cùng 1 gốc, thu nhỏ vào hình nón ở dứa, hoa cúc, hướng dương... Thuật toán này cho ra 1 hàm số có khả năng sắp xếp các điểm trên những vòng tròn đồng tâm có bán kính cách đều nhau, với 1 hằng số góc giữa các điểm. Kết quả là tất cả các lá hay điểm này đều có bề mặt tiếp xúc với môi trường lớn nhất, không che khuất hay chồng lấp lên nhau.

II. TÍNH CẢM BIẾN: MÔ HÌNH TÍNH TOÁN SỰ PHÁT TRIỂN PHỤ THUỘC VÀO MÔI TRƯỜNG - Chương trình tính toán L-system (Lindenmayer): tạo nên 1 cấu trúc kỹ thuật số từ sự sắp xếp các đối tượng theo 1 trình tự được quy định.

- Lý thuyết chính: nghiên cứu về mô hình phát triển của sinh vật đa bào - nhà sinh vật học người Hungary Aristid Lindenmayer (1968) - Mô phòng sự tăng trưởng và phát triển của cây: dựa trên toán học - sự sắp xếp liên tục hoặc rời rạc theo lập trình của các thành phần, bao gồm: tế bào, module nhánh cây, chồi, lá.

- Tạo ra 1 số lượng lớn các tham số và kết quả khác nhau, dưới dạng đồ họa dễ hiểu.

- Lợi ích: 1. Cung cấp hiểu biết cơ bản về sự phát triển có cơ chế 2. Thể hiện sự tương tác giữa các thành phần trong quá trình chúng phát triển 3. Cung cấp khái niệm mới trong thiết kế kiến trúc: sự tương tác giữa hệ thống tham số và môi trường.

Mô hình cây cẩm chướng dại (Lychnis coronaria) tạo ra bởi ngôn ngữ L-system trên phần mềm L-Studio, được phát triển bởi Sở Khoa học máy tính tại Đại học Calgary.

II. TÍNH CẢM BIẾN: MÔ HÌNH TÍNH TOÁN SỰ PHÁT TRIỂN PHỤ THUỘC VÀO MÔI TRƯỜNG

- Các mức độ nghiên cứu sinh học: 1. Cá thể sinh vật: hình thái, hành vi và phản xạ đáp ứng với kích thích 2. Quần thể sinh vật: 1 nhóm sinh vật cụ thể trong 1 môi trường sống cụ thễ: sự tăng số lượng, tương tác giữa các cá thể và các cá thể với môi trường.

- Dựa trên những nghiên cứu ở mức độ quần thể, Calgary team đã đề xuất 1 công cụ mô phỏng sự phân bố không gian trong cộng đồng thực vật, phân tích từ 2 dữ liệu chính: điều kiện môi trường và mật độ thực vật, sử dụng phần mềm L-system.

- Mô hình này có tiềm năng rất lớn trong ứng dụng kiến trúc: quy hoạch đô thị: xác định sự phân bố tối ưu của nhà ở hoặc cao ốc tùy theo môi trường nhất định, dựa trên sự tương tác giữa các căn nhà và giữa chúng với môi trường xung quanh.

Mô hình quần thể hoa đồng nội (Indian paintbrush) được tạo ra với phần mềm L-Studio, với các thông số môi trường bao gồm độ ẩm, ánh sáng, độ dài ngày đêm, gió, loại đất và mật độ cây.

III. TÍNH TỰ ĐỘNG HÓA - TỰ TỔ CHỨC: VỀ HÌNH THỨC - CẤU TẠO

- Trong cơ chế sinh học, các phần tử tự gắn kết với nhau, bằng cách tập hợp những vật chất rời rạc, yếu ớt thành một cấu trúc bền chắc. Cấu trúc của thực vật có những đặc tính và cách phản ứng lại với tác động ngoài khác hắn với các kết cấu nhân tạo trong kĩ thuật xây dựng hiện nay.

- Đặc trưng của nó là tính dư thừa và tính dị biệt.

Chi tiết mặt cắt ngang bên trong thân tre cho thấy sự cấu thành của thân tre bao gồm : các tế bào trụ dài , bó sợi (thịt tre) và các ống dẫn truyền nước.

III. TÍNH TỰ ĐỘNG HÓA - TỰ TỔ CHỨC: VỀ HÌNH THỨC - CẤU TẠO

- Tính dư thừa: Trong xây dựng, sự dư thừa đi ngược lại với hiệu suất công việc, nhưng đối với sinh học lại mang tính chất thiết yếu. Điều này được giải thích như sau: + Trong mỗi mô sinh học có nhiều hơn số tế bào cần thiết để thực hiện trao đổi chất. + Trong cấp độ tổ chức tế bào cao hơn, các mô này được sắp xếp để có khả năng đáp ứng đủ và dư cho hoạt động của toàn bộ cơ chế.

- Phần dư này để dùng thích nghi với sự thay đổi, tác động của môi trường.

- Sự dị biệt: chính nhờ dị biến mà chúng ta có đa dạng sinh học, các cá thể dị biến xuất hiện khi có sự tác động của môi trường ngoài để tạo ra một chủng mới thích nghi cao hơn. + Những tiến trình xác định luôn cho ra những sản phẩm giống hệt nhau từ cơ sở ban đầu, tiến trình ngẫu nhiên không bao giờ cho ra 2 sản phẩm giống nhau. + Chúng ta đang xây dựng rập khuôn hàng loạt và thiết kế theo hướng kết cấu kiên cố trước sự thay đổi của môi trường. Sinh học không làm thế, chúng sử dụng phần dư thừa để tự biến đổi cấu trúc bằng nhiều cách khác nhau để thích nghi với sự thay đổi của môi trường.

III. TÍNH TỰ ĐỘNG HÓA - TỰ TỔ CHỨC: VỀ HÌNH THỨC - CẤU TẠO

Mô hình 3D mô phỏng hình thái của thân tre. Hình dạng ngoài của thân tre là dạng ống được lặp lại bên trong lóng tre; cắt ngang lóng tre, ta thấy dạng ống tiếp tục lặp lại ở các thớ tre không đồng bộ với nhau.

Có sự khác biệt trong kích thước và hình dáng của các thớ sợi.

TRE: - Khác các loại cây khác, tre mọc chủ yếu theo chiều đứng với tỉ lệ chiều cao và đường kính thân rất lớn.

- Thân cây gồm 50% mô trụ, 40% thớ sợi và 10% ống dẫn nước và chất dinh dưỡng. Nhưng sự phân bố của chúng không đồng đều, theo cả chiều ngang và dọc, vòng ngoài thân tre và ở phần ngọn, mật độ thớ nhiều hơn (thịt dày hơn) --> phần ngọn chịu lực tốt hơn.

- Mô hình này được dùng để chế tạo ra vật liệu sợi composite như: sợi cacbon, sợi thủy tinh bằng các phân bố các bó sợi vào một khuôn cối nào đó.

Thân tre có cấu trúc bề mặt bên trong được dàn trải giúp chịu được lực căng theo cả 2 chiều. Chỗ giao của các phần tử trong mạng lưới phan bổ ở những điểm chịu lực cao nhất.

III. TÍNH TỰ ĐỘNG HÓA - TỰ TỔ CHỨC: VỀ HÌNH THỨC - CẤU TẠO

Dạng rẽ quạt và nếp gấp của lá cọ giúp chịu lực tốt hơn so với các loại lá có hình thù khác hay không có nếp gấp.

CỌ - Sự phân bố các thớ sợi trong thân cọ khác với tre ở chỗ: mật độ thớ sợi cao nhất ở vòng ngoài thân và ít hơn ở trong; và càng gần gốc thì mật độ thớ sợi cao hơn rất nhiều so với ở phần ngọn (giống như phần lớn các cây khác).

- Lá cọ có dạng rẻ quạt gồm nhiều nếp gấp, phân tích cho thấy các gờ dưới của lá cọ chịu lực tốt hơn các gờ trên (tác động gió, hay nước mưa...)

- Điểm tiếp xúc giữa phần lá và thân cọ gợi ra một vấn đề khác biệt giữa sinh học và công nghệ xây dựng. Đó là sự liên tục. Khác với trong xây dựng, điểm tiếp xúc trong sinh học không hề có đường bao, đường viền, nơi một điểm này kết thúc và điểm kia bắt đầu, cấu trúc sợi là liên tục.

--> Giải pháp thiết kế không có các khớp nối mà là một thể thống nhất hay nghiên cứu ra một loại vật liệu mang tính liên tục ?

III. TÍNH TỰ ĐỘNG HÓA - TỰ TỔ CHỨC: VỀ CÁC QUÁ TRÌNH HOẠT ĐỘNG

- Tính tự động hóa trong việc phân chia chức năng các thành phần trong cơ thể sống thể hiện từ những bộ phận lớn (thân, cành, lá, rễ) cho đến cấp tế bào và cả cấp phân tử.

- Chính nhờ sự phân chia rõ rệt đó, các quá trình hoạt động sinh hóa - vật lý trong cơ thể sống được đảm bảo diễn ra liên tục và đều đặn.

Hình ảnh đồ họa màng photphi-lipit bao xung quanh các tế bào sống, bao gồm các phần tử ưu nước (tan) và kỵ nước (không tan). Màng này bao gồm 3 lớp, trong đó 2 lớp bảo vệ 2 bên là các phần tử ưa nước (màu vàng và trắng), đóng vai trò là điểm liên hệ giữa các phân tử bên ngoài và bên trong tế bào. Chuỗi axit béo kỵ nước được thể hiện màu xanh, được xếp ở giữa đóng vai trò bảo vệ.

III. TÍNH TỰ ĐỘNG HÓA - TỰ TỔ CHỨC: VỀ CÁC QUÁ TRÌNH HOẠT ĐỘNG Hình chụp qua kính hiển vi đã tô màu lá cây Mao lương (Helleborus niger).

Trong trung tâm của lá có rất nhiều tế bào chứa lục lạp (hạt màu xanh lá cây). Đây là những quang bào nhỏ tích hợp trong lá, có chức năng sử dụng ánh sáng mặt trời để chuyển CO2 thành đường. Độ phóng 750 lần ở kích thước 4x5 inch.

Hiện tượng tảo nở tạo nên sóng màu xanh ở Biển Đỏ, xảy ra vào giữa mùa xuân và mùa thu do sự tăng đột ngột lượng ánh sáng mặt trời. Tảo là một thành phần có sẵn đã được sử dụng trong quang hợp nhân tạo để cung cấp năng lượng và cải thiện môi trường.

Phản ứng sinh học sử dụng tảo tạo ra khí hydro để dùng làm nguyên liệu đốt hơi nước. Ảnh chụp năm 2003, tại Đại học Nantes, Pháp. -->

QUÁ TRÌNH CHUYỂN HÓA - Trao đổi chất trong sinh vật sống là quá trình vật lý - sinh hóa dùng để sản xuất và lưu trữ năng lượng.

- Quá trình này đã được nghiên cứu chi tiết thông qua quá trình quang hợp, cho phép con người sử dụng nó trong việc phát triển và ứng dụng công nghệ tiên tiến.

- Một trong những tiềm năng lớn nhất là sản xuất nhiên liệu sạch. trên quy mô công nghiệp, giúp đem lại 1 lợi ích rất lớn khi tính bền vững và thích ứng khí hậu.

- Khai thác quang hợp nhân tạo có thể tạo nên khả năng tự cung cấp năng lượng của các tòa nhà và không gây ô nhiễm. Ứng dụng trong tương lai là trong các lĩnh vực năng lượng mặt trời, xử lý sinh học, sản xuất nhiên liệu sạch.

III. TÍNH TỰ ĐỘNG HÓA - TỰ TỔ CHỨC: VỀ CÁC QUÁ TRÌNH HOẠT ĐỘNG Hình chụp qua kính hiển vi đã tô màu của vật liệu đa năng PCM trong sợi vải sơn: viên nang siêu nhỏ màu xanh. Các PCM này có khả năng hấp thụ và giải phóng nhiệt tạo ra bởi người mặc vải, qua đó làm chiếc áo ấm lên hoặc mát lại.

- Nếu nhiệt độ cơ thể người mặc nóng lên khi tập thể dục, các PCM hấp thu nhiệt và tan chảy một phần, ngăn ngừa nhiệt phản xạ về cơ thể.

- Nếu sau đó nhiệt độ cơ thể người mặc hạ xuống, các PCM sẽ bị đông lạnh, trả lại nhiệt mà chúng đã hấp thu làm áo ấm lên.

Quá trình tan chảy / đông lại của PCM diễn ra trong chu kỳ gần như vô hạn.

Công nghệ này đang được phát triển bởi Outlast Technologies, Hoa Kỳ.

QUÁ TRÌNH CÂN BẰNG NỘI MÔI (MÔI TRƯỜNG BÊN TRONG) - Là một hệ thống mở giúp duy trì môi trường bên trong luôn ở trạng thái ổn định.

Ví dụ như ổn định nhiệt độ cơ thể.

- Bao gồm 3 quá trình nhỏ: + Quá trình phân tích thông số nội môi, đo đạc sự chênh lệch của các thông số đó so với mức độ ổn đình. sau đó truyền tín hiệu đến 1 trung tâm kiểm soát. + Quá trình trung tâm kiểm soát phân tích các số liệu và đưa ra giải pháp thích hợp. + Quá trình truyền thông tin từ trung tâm kiểm soát đến từng cơ quan chức năng, các cơ quan chức năng tự điều chỉnh cơ chế và biên độ hoạt động để cân bằng các giá trị nội môi về mức ổn định.

IV. CẤU TẠO VẬT LIỆU Trong sự tự tổ chức của thực vật, ta thấy các cấu trúc bền vững được hợp thành từ sự sắp xếp cấp bậc các cấu trúc thấp hơn như cấp cơ quan, cấp tế bào (Cellular). Điểm then chốt trong sự cấu thành vật liệu mới chính là ở vật liệu cấp tế bào hay còn gọi là vật liệu rỗng.

CẤU TẠO VẬT LIỆU TỰ NHIÊN - Vật liệu rỗng trong tự nhiên có nhiều kích cỡ khác nhau: cấu trúc san hô, bọt biển, gỗ, xương...

- Chúng đều có điểm chung là cấu trúc bên trong dạng vỏ, các lỗ trống chứa không khí hoặc dịch, bề mặt vỏ là dạng lỏng hoặc rắn.

- Dạng hình học của vỏ là đa diện đều, được sắp xếp theo một trật tự nhất định, ví dụ như tổ ong.

Mẩu xương san hô: phần vỏ quyết định hình thái cấu trúc của san hô, các lỗ rỗng có kích thước bất kỳ, chứa tủy bên trong.

IV. CẤU TẠO VẬT LIỆU

Ảnh chụp bọt xà phòng, thể hiện sự đa dạng của các đa diện cấu tạo nên vật liệu xốp.

Ảnh chụp từ kính hiển vi mẫu sơn bọt, trong đó các đa diện có kích thước đa dạng, có đa diện đóng và đa diện mở.

IV. CẤU TẠO VẬT LIỆU Ảnh chụp từ kính hiển vi 1 mẩu xương bọt biển. Khi chúng lắp ráp cơ thể lại với nhau sẽ tạo thành 1 bộ xương dạng lưới hoặc cấu trúc tổ ông.

CẤU TẠO VẬT LIỆU XÂY DỰNG MỚI - Vật liệu xây dựng mới hầu hết đều là vật liệu polime: dựa trên phản ứng hóa học polyme có các gốc tự do, kết hợp nhiều monome (mắt xích đơn) tạo thành polyme (chuỗi mắc xích). Dưới cấp độ phân tử, phản ứng này có thể cho ra sản phẩm là một phân tử có dạng tổ ong.

- Các vật liệu polyme ban đầu ở dạng hạt hoặc sợi, sau đó được đan lai hoặc kết hợp thành một cấu trúc lớn hơn.

Nghiên cứu của Thomas Von Girsewald và Juan Subercaseaux, Emergent Technologies and Design programme, AAGraduate School of Architecture, 2005.

Cấu trúc hình học được lắp ráp từ những module có hình dạng xương bọt biển 3 chiều, với góc cách đã được tính toán tối ưu là 109° 28’ 16”.

152 module lồng ghép với nhau sẽ tạo thành 1 lưới dạng tam giác. Hệ thống tham số cho phép cấu trúc lưới này thay đổi hình dáng 114 lần. Khi đó trọng tâm kết cấu được di dời nhưng liên kết giữa các module vẫn đảm bảo.

- Các monome hiện nay đang dùng để tạo ra polyme hay copolyme (>1 monome): hợp kim (metal), chất dẻo (plastic), tinh thể lỏng (liquid crystals), tơ nhện (spider silk), ceramic (gốm),...

IV. CẤU TẠO VẬT LIỆU

- BỌT NHÔM

SỢI KEVLAR

- HỢP KIM ĐÔNG ĐẶC TRỰC TIẾP (DIRECTIONALLY SOLIDIFIED METAL)

- Là một loại sợi có cấu trúc mạch dài và định hướng cao.

- Sợi Kevlar có độ bền gấp 5 lần thép nhưng cũng rất dẻo dai nên thường được sử dụng làm vật liệu chế tạo áo giáp chống đạn.

- Hiện nay, Kevlar có nhiều ứng dụng khác nhau: lốp xe đạp, thuyền buồm...

- Tỷ lệ sức bền trên trọng lượng cao độ bền kéo, mạnh hơn 5 lần thép trên cơ sở cùng trọng lượng.

- CERAMIC CHỐNG TRẦY (FLAW-TOLERANT CERAMICS) + Ứng dụng bông sợi gốm CERAMIC - Cách nhiêt cho lò nung ngành xi- măng, ngành ceramic, ngành luyện kim, hóa dâu, ngành thủy tinh.

- Chịu lửa và cách nhiệt thiết bị xử lý nhiệt.

- Gạch chịu nhiệt cho lò luyện nhôm.

- Cách nhiêt cho vách, thành lò và thiết bị chịu nhiệt cao. + Ưu điểm bông sợi gốm CERAMIC - Giữ, hấp thu và dẩn nhiệt thấp.

- Rất dẻo dai, bền với lực nén ép.

- Kích cỡ chính xác, độ phẳng cao.

- Cấu trúc rất đồng nhất, sản lượng máy rất cao.

- Rất dễ thi công và sữa chữa.

- Qui trình sản xuất liên tục, sản phẩm rất sắc sảo và tính ổn định cao.

- Rất bền với hóa chất và kháng nhiệt rất tốt.

SỢI THỦY TINH - Sợi thủy tinh được kéo ra từ các loại thủy tinh kéo sợi được (thủy tinh dệt).

- Khi đó các sợi này sẽ mất những nhược điểm của thủy tinh khối, như: giòn, dễ nứt gãy, mà trở nên có nhiều ưu điểm cơ học hơn - Có đường kính nhỏ vài chục micro mét.

- Thành phần của thủy tinh dệt có thể chứa thêm những khoáng chất như: silic, nhôm, magiê,... tạo ra các loại sợi thủy tinh khác nhau như: sợi thủy tinh E (dẫn điện tốt), sợi thủy tinh D (cách điện tốt), sợi thủy tinh A (hàm lượng kiềm cao), sợi thủy tinh C (độ bền hóa cao), sợi thủy tinh R và sợi thủy tinh S (độ bền cơ học cao).

- Loại thủy tinh E là loại phổ biến, các loại khác thường ít (chiếm 1%) được sử dụng trong các ứng dụng riêng biệt

IV. CẤU TẠO VẬT LIỆU SMO Architektur and Arup, Bubble Highrise, Berlin, 2002 Thiết kế thí nghiệm ban đầu, từ đó đưa ra phương án Watercube (Bắc Kinh). Cấu trúc tòa nhà được tạo ra bằng cách chạy 1 thuật toán bao phủ bề mặt tòa nhà bằng những hình cầu với bán kính khác nhau, sau đó cắt ngang ở giao tuyến bề mặt.

PTWArchitects, CSCEGDesign and Arup, ‘Watercube’ National Swimming Centre, Beijing, 2007.

Mô hình kiến trúc với quy mô tổng thể 177x177m, cao 30m, hoàn toàn không có cột

Mô hình kết cấu cho thấy một thuật toán sử dụng kết cấu hình học tế bào để tạo ra các mảng cấu trúc.

Mô hình nhựa

Mô hình 3D về cấu trúc tế bào của Watercube

V. KHẢ NĂNG ỨNG DỤNG SỬ DỤNG HÌNH HỌC LÀM CÔNG CỤ

Robert Aish, Bentley Systems, Generative Components Parametric Design Software Development

Hugh Whitehead, Brady Peters and Francis Aish, SMG Foster and Partners, Specialist Modelling Group, Smithsonian Institute Courtyard Enclosure, Washington DC, 2004

Sự ra đời và phát triển của các chương trình thiết kế tham số cho phép thiết kế hình học trở nên dễ dàng hơn bao giờ hết, với những chức năng trải phẳng mặt cong và khai triển liên kết giúp cho việc thi công trở nên dễ dàng và nhanh gọn.

Các công cụ máy tính cho phép tính toán kết cấu một cách nhanh gọn, cũng như phân tích vi khí hậu trong công trình, từ đó đề ra những giải pháp thích hợp.

V. KHẢ NĂNG ỨNG DỤNG SỬ DỤNG HÌNH HỌC LÀM CÔNG CỤ TƯƠNG LAI CỦA KIẾN TRÚC THAM SỐ - Kết hợp với các cảm biến môi trường và công nghệ lập trình tin học, trong tương lai các tòa nhà có thể trở thành một dạng "cơ thể sống" có khả năng thay đổi hình dạng tùy thuộc theo môi trường xung quanh.

- Ảnh trái: cao ốc có hệ kết cấu bao quanh dạng xoắn ốc, không có cột, từ đó giúp các module kính có khả năng xoay và thay đổi độc lập để điều chỉnh môi trường bên trong. (Lars Hesselgren and Stylianos Dritsas, KPFLondon, Bishopsgate Tower, City of London, 2005) - Ảnh phải: kết cấu mái có khả năng đóng mở, gấp lại tùy theo mưa và hướng gió. (Lars Hesselgren and Neri Oxman, KPFLondon, FoldedPlate Roof research project, 2005)

V. KHẢ NĂNG ỨNG DỤNG

CÔNG NGHỆ MÔ PHỎNG TRONG THIẾT KẾ

- Một trong những yếu tố quan trọng nhất trong kiến trúc mô phỏng sinh học là khả năng cảm ứng môi trường. Để có thể thiết kế được yếu tố này, cần phải có công nghệ mô phỏng, đưa môi trường thực tế vào máy tính - từ đó đề ra những giải pháp phù hợp cho công trình kiến trúc.

- Ngày nay, những phần mềm mô phỏng này đang ngày càng phát triển, khởi nguồn từ dây chuyền thiết kế phương tiện giao thông như máy bay và ô tô. Việc ứng dụng chúng vào kiến trúc cũng đang trở nên phổ biến.

Hình ảnh đồ họa dòng chảy không khí xung quanh khu đất xây dựng ở Chile, cho thấy tác động của địa hình tự nhiên và nhân tạo lên áp suất không khí và hướng gió.

V. KHẢ NĂNG ỨNG DỤNG CÔNG NGHỆ MÔ PHỎNG TRONG THIẾT KẾ ArupAcoustics, Greater London Assembly, London, 2002.

Mô phỏng các dòng sóng âm truyền đi và khúc xạ trong không gian khán phòng, dựa trên bản vẽ AutoCAD của kiến trúc sư, từ đó mang đến sự hình dung về đặc điểm của âm thanh của không gian.

Giorgos Kailis, Emergent Technologies and Design Masters programme, 2003.

Hình ảnh mô phòng quá trình căng bề mặt của kết cấu màng căng, trong đó máy tính tự thay đổi kích thước chiều dài các thanh nén cho đến khi đạt đến trạng thái cân bằng.

V. KHẢ NĂNG ỨNG DỤNG SỰ ĐỒNG BỘ HÓA CÁC PHẦN MỀM

Ảnh trên: Nghiên cứu hình học về hình dáng kết cấu của công trình. 5 đường cong cơ bản có thể thay đổi được sẽ giúp tòa nhà có thể biến đổi hình dáng. Ảnh dưới: Phân tích sự chịu tải của mỗi hình dáng khác nhau khi ngôi nhà chuyển động

Hình ảnh đồ họa về lớp kết cấu bao bọc tòa nhà: một hệ thống các lớp sợi và khớp mối có thể chuyển động, trong đó tất cả các lực truyền tải được phân bố dọc theo bề mặt của nó.

Ảnh phải: Bề mặt bao che bao gồm 480 module với hình dạng và diện tích bề mặt không đổi. Các module này được bố trí căng phẳng lên kết cấu. Kích thước không đồng đều của chúng giúp tòa nhà dễ dàng chuyển động.

- Các phần mềm máy tính ngày nay được phát triển song song với nhau và được liên kết chặt. Điều này giúp cho việc thiết kế trở nên nhanh chóng, bằng cách thay đổi 1 biến số, người thiết kế có thể biết được cách hoạt động kết cấu của công trình cũng như những ảnh hưởng của vi khí hậu.

- Đối với kiến trúc mô phỏng sinh học, đây là một yếu tố cần thiết cho việc vận hành công trình. Từ một máy chủ điều khiển, cả công trình sẽ được liên kết với các phần mềm xử lý cảm ứng môi trường, các phần mềm thay đổi tham số và các phần mềm điều chỉnh hình thái.

Ví dụ: Neri Oxman, Performative Morphologies: The Vertical Helix, AADiploma Unit 4 Design Study for a New High-Rise Morphology, London, 2003–04

V. KHẢ NĂNG ỨNG DỤNG CÔNG NGHỆ XÂY DỰNG PHÁT TRIỂN - Sự phát triển của công nghệ xây dựng là điều kiện cần thiết của thiết kế kiến trúc.

Covertex, lớp phủ bao che bơm khí được lắp dựng ở SVĐ Allianz Arena, Munich, Đức, 2004.

Định hình phát nổ tại các cơ sở của Exploform ở Delft

Tấm nhôm 2 mặt cong octatube.

Tạo ra tấm nhôm cong hai mặt với mép hàn nhôm

Khuôn đúc bê tông cốt thép âm bản được tạo hình trên khuôn dương bản CNC – polystyrene nghiền

Hình ảnh ngoại thất của dự án Hydra Pier ở Hoofddorp

- Kiến trúc phỏng sinh học hiện đại đòi hỏi những hình thức mới mẻ và phức tạp, đòi hỏi công nghệ xây dựng hiện đại.

V. KHẢ NĂNG ỨNG DỤNG Hình trái: Thi công Octatube GRP/PIR có lớp Polyurethane ở giữa, khuôn CNC polystyrene để đúc các phân mảnh của mái ở Holland Composite, Lelystad (hình trên cùng), và ống hút chân không ở lớp polyester đầu tiên cho đến khi thành một phần của bề mặt mái (hình dưới cùng); Hình giữa: Sự vận chuyển của các phần mái thư viện trung tâm Octatube Yitzak Rabin từ Lelystad đến Tel Aviv bằng các container đặc dụng (hình trên cùng) và kết hợp với phần dưới của kết cấu mái ở Israel (hình dưới cùng); Hình bên phải: Kết cấu mái cùa Trung tâm Yitzak Rabin, Tel Aviv, thiết kế bởi Moshe Safdie Architects, 2005

Sản xuất mái dây căng PTFE sợi thủy tinh: Kiểm tra mẫu trên bảng sáng

Cắt bằng máy tính điều khiển

Ghép nối tấm màng PTFE bằng nhiệt độ cao.

Hình ảnh của mái dây căng PVC/PES có khả năng khúc xạ - mái lợp màng căng PVC của công trình Commerzbank Arena, Frankfurt, thiết kế bởi Gerkan mark & Partner Architect, 2005 Sản xuất màng EFTE dưới sự trợ giúp của máy Covertex. Việc cắt tách và đánh dấu từng lá EFTE (hình bên trái và ở giữa) được kiểm soát nhờ kỹ thuật số, và hàn nối các tấm màng mỏng nhờ sự hỗ trợ từ máy tính tại KFM ở Đức (hình phải)

V. KHẢ NĂNG ỨNG DỤNG

Hình trái Sản xuất nhờ sự hỗ trợ từ máy tính Seele. Trên xuống dưới: cưa điều khiển bằng kỹ thuật số; máy khoan/ cắt CNC; máy cắt laser với nguyên liệu tự động Hệ thống giá đỡ; gấp nếp vật liệu điều khiên vi tính tại nhà máy của Seele trong Gersthofen, Đức.

HÌnh giữa Scan mặt đứng công trình bằng hệ thống kỹ thuật số Seele.

Từ trên xuống: Ảnh chụp của hệ kết cấu thép chính đã được lắp dựng nhằm kiểm tra dung sai; quét kỹ thuật số cụm điểm đo; đám mây điểm 3-D được chuyển sang một mô hình kỹ thuật số; kiểm tra chéo các dung sai bằng cách lồng ghép các mô hình 3-D như công trình đã xây và hình dạng theo thiết kế.

Hình phải Hình ảnh nội ngoại thất của mặt tiền kính của công trình Seele của Thư viện trung tâm Seatle, thiết kế bởi OMA/ Rem Koolhaas, 2003

VI. KỸ THUẬT THIẾT KẾ: ỨNG DỤNG L-SYSTEM VÀO KỸ THUẬT FORM - FINDING Là phương pháp ứng dụng các phần mềm sử dụng hệ thống L-system để tìm ra hình thức kết cấu tối ưu nhất đối với một yếu tố nào đó.

‘Membrane Morphologies' - Architectural Association, London Mô hình kết cấu màng căng sử dụng L-system để đạt được trạng thái cân bằng qua việc tối ưu hóa vị trí kết nối và hình dạng màng căng.

Tìm hình dáng kết cấu giấy có khả năng chịu lực tốt nhất bằng L -system.

VI. KỸ THUẬT THIẾT KẾ: ỨNG DỤNG L-SYSTEM VÀO KỸ THUẬT FORM - FINDING

Chức năng khai triển độ dày kết cấu vào bên trong và ra bên ngoài.

Tối ưu hóa hình dạng và kích thước kết cấu tổ ong

Thiết kế kết cấu mới: tối ưu hóa vị trí điểm đăt và góc chéo giữa các thanh

VI. KỸ THUẬT THIẾT KẾ: ỨNG DỤNG L-SYSTEM VÀO KỸ THUẬT FORM - FINDING Scheffler + Partner Architects and Achim Menges, Hercules Monument Visitor Centre competition entry, 2005 - Thiết kế được xây dựng với L-system, có hệ thống khung kính phía trên có khả năng tự mở ra - đóng lại tùy theo cảm biến môi trường.

- Mới chỉ là thiết kế, chưa được xây dựng do khoa học công nghệ chưa đảm bảo khả năng tự động hóa hoàn toàn.

HẾT

Từ khóa: L-system in architecture