Kết Cấu Mới

• Tác giả: Phạm Minh Thảo
• Người hướng dẫn: Lê Văn Thông
• Trường học: Đại học Kiến trúc Thành phố Hồ Chí Minh
• Chuyên ngành: Chuyên đề kết cấu mới
• Đề tài: Kết cấu mô phỏng sinh học trong kiến trúc
• Loại tài liệu: Tiểu luận cuối kì
• Năm xuất bản: 2024
• Địa điểm: Thành phố Hồ Chí Minh

Mục lục chi tiết

• LỜI NÓI ĐẦU
• 1. LỊCH SỬ HÌNH THÀNH CỦA KIẾN TRÚC PHỎNG SINH HỌC
• 2. CÁC CẤP ĐỘ MÔ PHỎNG SINH HỌC TRONG KẾT CẤU CÔNG TRÌNH
• 2.1. Cấp độ sinh vật
• 2.2. Cấp độ hành vi
• 2.3. Cấp độ hệ sinh thái
• 3. ĐỊNH NGHĨA VỀ KẾT CẤU PHỎNG SINH HỌC TRONG KIẾN TRÚC
• 4. PHÂN LOẠI KẾT CẤU PHỎNG SINH HỌC
• 4.1. Kết cấu mô phỏng hình thái tự nhiên
• 4.2. Kết cấu mô phỏng cấu trúc tự nhiên
• 4.3. Kết cấu mô phỏng chức năng tự nhiên
• 4.4. Kết cấu mô phỏng quá trình sinh học
• 4.5. Kết cấu mô phỏng hệ thống sinh học
• 5. CÁC LOẠI VẬT LIỆU THƯỜNG THẤY TRONG KẾT CẤU PHỎNG SINH HỌC
• 5.1. Vật liệu composite sinh học
• 5.2. Vật liệu tự phục hồi
• 6. CÁC CÔNG TRÌNH THAM KHẢO ÁP DỤNG KẾT CẤU PHỎNG SINH HỌC
• 6.1. Trung tâm Eastgate (The Eastgate Centre) - Harare, Zimbabwe
• 6.2. Trang trại thẳng đứng Dragonfly - New York, Mỹ
• 6.3. Sân vận động Quốc gia Bắc Kinh - Bắc Kinh, Trung Quốc
• 6.4. Trung tâm thể thao dưới nước quốc gia - Bắc Kinh, Trung Quốc
• 6.5. Dự án Eden (Eden Project) - Cornwall, Anh
• 7. THUẬT TOÁN TRONG KẾT CẤU PHỎNG SINH HỌC
• TÀI LIỆU THAM KHẢO

Tóm tắt

I. Khám Phá Tổng Quan Về Kết Cấu Mô Phỏng Sinh Học

Kiến trúc không chỉ là tạo ra không gian, mà còn là nuôi dưỡng mối quan hệ bên trong nó. Cảm hứng sinh học đang chi phối thời đại, ảnh hưởng đến nhiều lĩnh vực, trong đó có kiến trúc và quy hoạch đô thị. Nghiên cứu về mô phỏng sinh học kết nối các chức năng, quy trình và nguyên tắc tổ chức của tự nhiên với thiết kế và công nghệ. Kiến trúc mô phỏng sinh học thu hẹp khoảng cách giữa sinh học và kiến trúc, nghiên cứu các mô hình, hệ thống và yếu tố tự nhiên để giải quyết các vấn đề phức tạp của con người. Kiến trúc sư tạo ra các tòa nhà bền vững, hiệu quả và sáng tạo bằng cách quan sát và hiểu các nguyên tắc mà các sinh vật đã phát triển qua hàng thiên niên kỷ. Phương pháp tiếp cận thiết kế kiến trúc này không chỉ mô phỏng hình thức mà còn tìm hiểu và áp dụng các chiến lược cơ bản mà thiên nhiên sử dụng. Những ví dụ ban đầu về mô phỏng sinh học trong cấu trúc có thể được tìm thấy trong các bản phác thảo về máy bay của Leonardo da Vinci và trong tác phẩm của Filippo Brunelleschi, người đã thiết kế một mái vòm mỏng hơn, nhẹ hơn cho nhà thờ Florence sau khi nghiên cứu sức mạnh của vỏ trứng. Vào năm 1809, kiến trúc sư hải quân Sir George Cayley đã nghiên cứu hình dạng của cá heo để làm cho thân tàu có hình dạng hợp lý hơn, hiệu quả hơn và ít tiêu tốn năng lượng hơn. Từ đó, kết cấu phỏng sinh học được quan tâm nhiều hơn trong kiến trúc. Nguồn cảm hứng trong loại kết cấu mới này thường tìm đến hình học tự nhiên. Các nghiên cứu gần đây cho thấy trong kiến trúc đương đại, thiết kế cấu trúc mô phỏng sinh học đang tập trung vào các cấu trúc hình thái thích ứng và khả năng tiếp cận sản xuất hàng loạt độc đáo. Như các ngành khác, kết cấu mô phỏng sinh học tiếp tục khám phá và mã hóa thiên nhiên ở nhiều cấp độ khác nhau.

1.1. Sự Ra Đời và Phát Triển của Biomimicry trong Kiến Trúc

Kiến trúc từ lâu đã lấy cảm hứng từ tự nhiên. Chủ nghĩa hình thái sinh học (Biomorphism), sự kết hợp các yếu tố tự nhiên làm nguồn cảm hứng trong thiết kế, có thể bắt nguồn từ sự khởi đầu của môi trường nhân tạo và vẫn còn tồn tại đến ngày nay. Người Hy Lạp và La Mã cổ đại đã kết hợp các họa tiết tự nhiên vào thiết kế như các cột lấy cảm hứng từ cây. Các tua cuốn theo phong cách Ả Rập thời Cổ đại và Byzantine là các phiên bản cách điệu của cây ô rô. Theo Alois Riegl , “Phong cách Arabesque” trích từ Các vấn đề về phong cách: nền tảng cho lịch sử trang trí, do Evelyn Kain dịch, (Princeton, NJ: Đại học Princeton, 1992), 266-305.

1.2. Hình Học Tự Nhiên và Kiến Trúc Hữu Cơ Nền Tảng của Thiết Kế

Nhà thờ Sagrada Família do Antoni Gaudí khởi công xây dựng vào năm 1882 là một ví dụ nổi tiếng về việc sử dụng các hình thức chức năng của thiên nhiên để giải quyết một vấn đề về cấu trúc. Ông đã sử dụng các cột mô phỏng tán cây phân nhánh để giải quyết các vấn đề tĩnh học trong việc hỗ trợ mái vòm. Kiến trúc hữu cơ sử dụng các hình dạng hình học lấy cảm hứng từ thiên nhiên trong thiết kế và tìm cách kết nối lại con người với môi trường xung quanh. Kendrick Bangs Kellogg, một kiến trúc sư hữu cơ đang hành nghề, tin rằng “trên hết, kiến trúc hữu cơ phải liên tục nhắc nhở chúng ta không được coi thường Mẹ Thiên nhiên - hãy làm việc với bà và để bà hướng dẫn cuộc sống của bạn. Ức chế bà, và nhân loại sẽ là kẻ thua cuộc”.

II. Kiến Trúc Mô Phỏng Sinh Học Mô Phỏng Tự Nhiên Như Thế Nào

Trong thời gian gần đây, kết cấu phỏng sinh học đã được các kiến trúc sư và nhà thiết kế trên toàn cầu nghiên cứu và triển khai kỹ lưỡng. Các công trình mô phỏng sinh học được chia thành ba cấp độ: sinh vật, hành vi của sinh vật và hệ sinh thái. Các tòa nhà ở cấp độ sinh vật mô phỏng một sinh vật cụ thể. Chỉ làm việc ở cấp độ này mà không mô phỏng cách sinh vật tham gia vào bối cảnh lớn hơn có thể không đủ để tạo ra một tòa nhà hòa nhập tốt với môi trường của nó vì sinh vật luôn hoạt động và phản ứng với bối cảnh lớn hơn. Mary Axe, London có hệ thống thông gió không khí tương tự như bọt biển và hải quỳ. Đồng thời, mô phỏng từ Venus Flower Basket Sponge, loài bọt biển này nằm trong môi trường dưới nước với dòng nước mạnh và bộ xương ngoài dạng lưới và hình tròn của nó giúp phân tán những căng thẳng đó lên sinh vật. Ehsaan, “Lord Foster’s Natural Inspiration: The Gherkin Tower,” kiến trúc mô phỏng sinh học (blog), ngày 24 tháng 3 năm 2010.

2.1. Cấp Độ Sinh Vật Bắt Chước Hình Dạng và Chức Năng

Các tòa nhà ở cấp độ sinh vật mô phỏng một sinh vật cụ thể. Chỉ làm việc ở cấp độ này mà không mô phỏng cách sinh vật tham gia vào bối cảnh lớn hơn có thể không đủ để tạo ra một tòa nhà hòa nhập tốt với môi trường của nó vì sinh vật luôn hoạt động và phản ứng với bối cảnh lớn hơn. Mary Axe, London có hệ thống thông gió không khí tương tự như bọt biển và hải quỳ. Đồng thời, mô phỏng từ Venus Flower Basket Sponge, loài bọt biển này nằm trong môi trường dưới nước với dòng nước mạnh và bộ xương ngoài dạng lưới và hình tròn của nó giúp phân tán những căng thẳng đó lên sinh vật.

2.2. Cấp Độ Hành Vi Ứng Xử và Tương Tác với Môi Trường

Ở cấp độ này, các tòa nhà mô phỏng cách sinh vật cư xử hoặc liên quan đến bối cảnh lớn hơn của nó. Trung tâm Eastgate do kiến trúc sư Mick Pearce thiết kế kết hợp với các kỹ sư tại Arup Associates là một khu phức hợp văn phòng và mua sắm lớn ở Harare, Zimbabwe. Để giảm thiểu chi phí tiềm ẩn khi điều chỉnh nhiệt độ bên trong tòa nhà, Pearce đã tìm đến các gò mối tự làm mát của loài mối châu Phi. Tòa nhà không có hệ thống điều hòa hoặc sưởi ấm nhưng điều chỉnh nhiệt độ bằng hệ thống làm mát thụ động lấy cảm hứng từ các gò mối tự làm mát của loài mối châu Phi. Tuy nhiên, về mặt thẩm mỹ, cấu trúc này không nhất thiết phải trông giống như một gò mối để hoạt động như vậy mà thay vào đó, nó được lấy cảm hứng từ công trình xây dựng bản địa của Zimbabwe.

2.3. Cấp Độ Hệ Sinh Thái Tạo Ra Sự Cân Bằng và Bền Vững

Xây dựng ở cấp độ hệ sinh thái liên quan đến việc mô phỏng cách nhiều thành phần của môi trường hoạt động cùng nhau và có xu hướng ở quy mô đô thị hoặc một dự án lớn hơn với nhiều yếu tố thay vì một cấu trúc đơn lẻ. Lavasa, Ấn Độ là một thành phố rộng 8000 mẫu Anh do HOK (Hellmuth, Obata và Kassabaum) đề xuất, được quy hoạch cho một khu vực của Ấn Độ thường xuyên chịu lũ lụt gió mùa. Nhóm HOK xác định rằng hệ sinh thái ban đầu của địa điểm này là một khu rừng rụng lá ẩm ướt trước khi trở thành một cảnh quan khô cằn. Để ứng phó với lũ lụt theo mùa, họ đã thiết kế nền móng của tòa nhà để dự trữ nước giống như những cây trước đây đã làm. Mái nhà của thành phố mô phỏng lá sung bản địa trông giống như hệ thống nhỏ giọt cho phép nước chảy ra ngoài đồng thời làm sạch bề mặt của lá. John Gendall, “Kiến trúc mô phỏng cuộc sống”, Tạp chí Harvard, sửa đổi lần cuối vào tháng 10 năm 2009.

III. Định Nghĩa và Bản Chất Của Kết Cấu Mô Phỏng Sinh Học

Kiến trúc mô phỏng sinh học là một nhánh của khoa học mới về mô phỏng sinh học được Janine Benyus định nghĩa và phổ biến trong cuốn sách năm 1997 của bà (Mô phỏng sinh học: Đổi mới lấy cảm hứng từ thiên nhiên). Mô phỏng sinh học (bios - sự sống và mimesis - bắt chước) đề cập đến những đổi mới lấy cảm hứng từ thiên nhiên như một sáng kiến nghiên cứu thiên nhiên và sau đó bắt chước hoặc lấy cảm hứng từ các thiết kế và quy trình của thiên nhiên để giải quyết các vấn đề của con người. Thế kỷ 21 đã chứng kiến tình trạng lãng phí năng lượng ở khắp mọi nơi do thiết kế tòa nhà không hiệu quả, bên cạnh việc sử dụng quá mức năng lượng trong giai đoạn vận hành của vòng đời công trình. Song song với đó, những tiến bộ gần đây trong các kỹ thuật chế tạo, hình ảnh tính toán và các công cụ mô phỏng đã mở ra những khả năng mới để mô phỏng thiên nhiên trên nhiều quy mô kiến trúc khác nhau. Do đó, đã có sự phát triển nhanh chóng trong việc đưa ra các giải pháp và phương pháp thiết kế sáng tạo để giải quyết các vấn đề về năng lượng. AN; Osama, Nouran (2016). “Sinh học mô phỏng, một cách tiếp cận, cho thiết kế vỏ tòa nhà tiết kiệm năng lượng” . Khoa học Môi trường Procedia.

3.1. Kết Cấu Mô Phỏng Sinh Học Ứng Dụng Thiết Kế Từ Thiên Nhiên

Kiến trúc mô phỏng sinh học là một trong những phương pháp tiếp cận đa ngành đối với thiết kế bền vững tuân theo một bộ nguyên tắc thay vì các quy tắc về phong cách, không chỉ sử dụng thiên nhiên làm nguồn cảm hứng cho các thành phần thẩm mỹ của hình thức xây dựng mà thay vào đó là tìm cách sử dụng thiên nhiên để giải quyết các vấn đề về chức năng của tòa nhà và tiết kiệm năng lượng. Từ đó, ta có định nghĩa về kết cấu mô phỏng sinh học (biomimetic structures) , là những kết cấu hoặc thiết kế được lấy cảm hứng hoặc dựa trên các nguyên tắc, cấu trúc và chức năng của các hệ thống sinh học. Kết cấu mô phỏng sinh học nhằm tối ưu hóa hiệu suất và chức năng của các sản phẩm hoặc công trình bằng cách áp dụng các giải pháp tự nhiên đã được kiểm nghiệm và chứng minh qua hàng triệu năm tiến hóa.

3.2. Đặc Điểm Nổi Bật của Kết Cấu Phỏng Sinh Học Trong Thiết Kế

Một số đặc điểm chính của kết cấu phỏng sinh học: + Lấy cảm hứng từ tự nhiên: Kết cấu mô phỏng sinh học thường dựa trên việc nghiên cứu và phân tích các hệ thống sinh học tự nhiên như xương, vỏ sò, mạng nhện, lá cây, và nhiều loại cấu trúc khác trong thế giới tự nhiên. + Tối ưu hóa hiệu suất: Các cấu trúc mô phỏng sinh học thường có khả năng chịu lực tốt hơn, sử dụng vật liệu hiệu quả hơn và có thể tự phục hồi hoặc tự điều chỉnh theo môi trường xung quanh. + Phát triển bền vững: Việc áp dụng kết cấu mô phỏng sinh học vào kiến trúc giúp giảm thiểu tác động môi trường bằng cách sử dụng tài nguyên hiệu quả và phát triển các giải pháp bền vững.

IV. Phân Loại Kết Cấu Dựa Trên Mô Phỏng Tự Nhiên Như Thế Nào

Kết cấu mô phỏng sinh học trong kiến trúc có thể được phân loại dựa trên cách chúng lấy cảm hứng từ tự nhiên và cách áp dụng các nguyên tắc sinh học vào thiết kế kiến trúc. Dưới đây là một số phân loại chính. Các công trình và kết cấu lấy cảm hứng trực tiếp từ hình dạng của các cấu trúc sinh học tự nhiên như vỏ sò, lá cây, tổ ong, mạng nhện, và cánh bướm. Một số ví dụ như: Tòa nhà Gherkin ở London, Anh (có hình dạng giống quả dưa chuột biển), hay có thể kể đến, Trung tâm học thuật Eden Project ở Cornwall, Anh (lấy cảm hứng từ các bong bóng xà phòng).

4.1. Kết Cấu Mô Phỏng Hình Thái Tự Nhiên

Các công trình và kết cấu lấy cảm hứng trực tiếp từ hình dạng của các cấu trúc sinh học tự nhiên như vỏ sò, lá cây, tổ ong, mạng nhện, và cánh bướm. Một số ví dụ như: Tòa nhà Gherkin ở London, Anh (có hình dạng giống quả dưa chuột biển), hay có thể kể đến, Trung tâm học thuật Eden Project ở Cornwall, Anh (lấy cảm hứng từ các bong bóng xà phòng).

4.2. Tối Ưu Với Kết Cấu Mô Phỏng Cấu Trúc Tự Nhiên

Sử dụng nguyên lý cấu trúc từ tự nhiên để tối ưu hóa độ bền, độ cứng và khả năng chịu tải. Các thiết kế này thường lấy cảm hứng từ cấu trúc xương, vỏ cây, và mạng lưới mạch máu. Có thể kể đến, mái vòm của sân vận động Mu- nich Allianz Arena (lấy cảm hứng từ cấu trúc bọt khí).

4.3. Tiết Kiệm Với Kết Cấu Mô Phỏng Chức Năng Tự Nhiên

Áp dụng các chức năng tự nhiên như thông gió, cách nhiệt, tự làm sạch, và tiết kiệm năng lượng vào thiết kế kiến trúc. Tòa nhà Eastgate Centre ở Zimba- bwe (lấy cảm hứng từ hệ thống thông gió của tổ mối để duy trì nhiệt độ ổn định bên trong mà không cần điều hòa không khí).

V. Top Các Loại Vật Liệu Trong Kết Cấu Mô Phỏng Sinh Học

Các loại vật liệu được sử dụng trong kết cấu phỏng sinh học, đầu tiên là Vật liệu composite sinh học như: Ván ép (plywood): Gỗ kỹ thuật bằng cách dán nhiều lớp gỗ mỏng lại với nhau ở các góc độ khác nhau. Các tấm ván ép có độ bền cao và khả năng chống chịu môi trường tốt hơn. Tre kỹ thuật (Engineered bamboo): Tre là một vật liệu tự nhiên có tốc độ phát triển nhanh và độ bền cao, được sử dụng trong nhiều ứng dụng kiến trúc như sàn, tường và mái. Được chế tạo từ các dải sợi tre được dán lại với nhau để tạo thành một tấm ván. Đây là một composite hữu ích do thực tế nó có độ bền nén, kéo và uốn cao hơn gỗ.

5.1. Vật Liệu Composite Sinh Học

• Ván ép (plywood): Gỗ kỹ thuật bằng cách dán nhiều lớp gỗ mỏng lại với nhau ở các góc độ khác nhau. Các tấm ván ép có độ bền cao và khả năng chống chịu môi trường tốt hơn. + Tre kỹ thuật (Engineered bamboo): Tre là một vật liệu tự nhiên có tốc độ phát triển nhanh và độ bền cao, được sử dụng trong nhiều ứng dụng kiến trúc như sàn, tường và mái. Được chế tạo từ các dải sợi tre được dán lại với nhau để tạo thành một tấm ván. Đây là một composite hữu ích do thực tế nó có độ bền nén, kéo và uốn cao hơn gỗ.

5.2. Vật Liệu Tự Phục Hồi

• Bê tông tự phục hồi (self-healing concrete): Sử dụng vi khuẩn hoặc các hợp chất hóa học để tự động sửa chữa các vết nứt trong bê tông, kéo dài tuổi thọ của công trình. Lấy ví dụ, sử...