ĐỒ ÁN KIẾN TRÚC XANH VÀ TỐI ƯU HÓA THIẾT KẾ THÔNG QUA MÔ PHỎNG TRONG ĐÀO TẠO KIẾN TRÚC SƯ

Key words: thiết kế bền vững; công trình xanh; đồ án kiến trúc xanh; thiết kế theo các tham số; phần mềm mô phỏng;

1. Phát triển bền vững và kiến trúc xanh

Trong thời đại hiện nay, loài người đang phải đối mặt với sự ô nhiễm môi trường ngày càng gia tăng, tài nguyên thiên nhiên bị khai thác cạn kiệt và ngày càng bị suy thoái, năng lượng có nguy cơ khủng hoảng, biến đổi khí hậu đã hiện hữu, thiên tai xảy ra ngày càng khốc liệt…  Để cứu lấy Trái Đất - ngôi nhà chung của chúng ta, Liên Hiệp Quốc đã triệu tập Hội nghị Thượng đỉnh Trái đất đầu tiên về “Môi trường và Con người”, họp ngày 5 tháng 6 năm 1972 tại Stockholm, Thụy Điển. Từ ngày này các quốc gia trên thế giới đã coi ngày 5/6 hàng năm là “Ngày Môi trường Thế Giới”.  Hội nghị Thượng đỉnh Trái đất về “Môi trường và Phát triển” tại Rio de Janeiro, Brazin, năm 1992, đã ra Tuyên ngôn Rio về “Chương trình Nghị sự 21”. Hội nghị Thượng đỉnh Thế giới Rio + 10 về “Phát triển Bền vững” ở Johannesburg, Nam Phi, năm 2002, đã ra Tuyên ngôn về cam kết thực hiện Phát triển Bền vững (PTBV). Hội nghị Thượng đỉnh Trái đất Rio + 20 tại Rio de Janeiro, Brazin, năm 2012, đã bàn về “Tăng trưởng Kinh tế Xanh” để đảm bảo PTBV.

Ngành xây dựng, đặc biệt là phát triển xây dựng đô thị, trong thời kỳ công nghiệp hóa, hiện đại hóa đất nước, có thể tiêu thụ tới 70% vật liệu tự nhiên và 40% năng lượng quốc gia, tiêu thụ khoảng 30% nguồn nước sạch phục vụ phát triển kinh tế - xã hội, đồng thời gây ra ô nhiễm môi trường nước, không khí, đất và chất thải rắn, sản sinh ra khoảng 30% “khí nhà kính” gây ra BĐKH. Những con số nói trên là động lực thúc đẩy giới kiến trúc sư và các kỹ sư công trình thay đổi tư duy thiết kế nhằm đạt hiệu quả năng lượng cao hơn và giảm thiểu tác động bất lợi của công trình lên môi trường và hệ sinh thái.

Bắt đầu vào những năm 90, Kiến trúc xanh ra đời như một sự hưởng ứng tích cực và có hiệu quả nhất của giới thiết kế công trình đối với việc thực hiện Chương trình nghị sự 21.  Phát triển Công trình xanh với công cụ đánh giá công trình xanh (Green building rating tool) và Gắn nhãn công trình xanh (Green building labeling) là những bước cụ thể hóa và lượng hóa chất lượng các ‘giải pháp xanh’, giúp cho khái niệm Kiến trúc xanh dễ hình dung hơn và có tính bao quát hơn so với các khái niệm Kiến trúc sinh khí hậu, Kiến trúc hiệu quả năng lượng, Kiến trúc môi trường, Kiến trúc sinh thái. Tuy nhiên đi kèm với đó là những yêu cầu phức tạp và chi tiết, đòi hỏi người thiết kế nhiều kỹ năng hơn.

2. Kiến trúc xanh và tối ưu hóa thiết kế thông qua công cụ mô phỏng

Kiến trúc xanh là thiết kế kiến trúc gắn liền với các ràng buộc về con người, môi trường và PTBV, đồng thời Kiến trúc xanh cũng là tổng hòa của hai phạm trù: khoa học và nghệ thuật.  Với phạm trù Nghệ thuật thì Kiến trúc xanh phụ thuộc vào tài năng và thẩm mỹ của người thiết kế, nhưng đối với phạm trù Khoa học thì Kiến trúc xanh đòi hỏi phải định lượng được các giải pháp theo các tham số để đưa ra tác phẩm kiến trúc tối ưu hoặc gần tối ưu. Do đó người kiến trúc sư phải áp dụng hợp lý giữa thiết kế kiến trúc và khoa học công trình (building science), có kiến thức nhất định về thiết kế tích hợp, kỹ thuật, xây dựng và công nghệ; phải vận dụng hợp lý các chiến lược thiết kế kiến trúc như: dạng “thụ động”, dạng “chủ động” và loại hình hỗn hợp chủ động và thụ động. Cuối cùng, công việc kiểm soát năng lượng và mô hình hóa năng lượng (còn gọi là mô phỏng hiệu năng công trình - Building Performance Simulation - BPS) là công việc không thể thiếu trong thiết kế bền vững.

Trong quá trình thiết kế công trình xanh, người thiết kế phải quyết định rất nhiều tham số của công trình, ví dụ: hình dạng ngôi nhà, hướng, diện tích cửa sổ trên mặt đứng, cấu tạo tường, mái, kích thước tấm che nắng… sao cho đạt hiệu quả tối ưu một hoặc nhiều mục tiêu (tiện nghi, năng lượng tiêu thụ, giá thành…). Mỗi tham số lại có hàng chục lựa chọn, ví dụ với tham số che nắng có các lựa chọn: che nắng bên ngoài (ô văng cố định, tấm che nắng di động, lá chớp di động, lam che nắng…) hoặc lựa chọn các tham số SHGC cho kính... Sẽ có một ma trận tham số tạo ra hàng chục, hàng trăm giải pháp khả thi và người kiến trúc sư phải quyết định ra giải pháp tốt nhất trong số đó. Tối ưu hóa thông qua mô phỏng là một phương pháp hiệu quả để giúp người thiết kế tìm ra giải pháp tối ưu hoặc gần tối ưu trong số hàng chục, hàng trăm giải pháp.  Công cụ mô phỏng hiệu năng công trình đã mở ra một kỷ nguyên mới trong khoa học thiết kế, với nhiều kỹ năng phức tạp và cao cấp, giúp người thiết kế kiểm soát toàn diện tác phẩm của mình.

3. Đồ án kiến trúc xanh trong đào tạo kiến trúc sư

Trong bối cảnh các vấn đề về môi trường và biến đổi khí hậu ngày càng trở nên cấp thiết, nhiều cơ sở đào tạo kiến trúc uy tín trên thế giới đã có những chuyển hướng về đào tạo kiến trúc, đó là nỗ lực đào tạo các thế hệ kiến trúc sư tương lai về các kỹ năng thiết kế và công nghệ xây dựng công trình xanh. Ví dụ như hệ thống đào tạo kiến trúc tại Anh, học kì 2 năm thứ 2 và học kì 1 năm thứ 3 sinh viên được học các phần mềm môi trường kiến trúc để bổ trợ cho lý thuyết thiết kế kiến trúc bền vững, cho các đồ án kiến trúc,  bài tập môn học và tiểu luận phân tích, đánh giá một công trình kiến trúc. Sinh viên được yêu cầu đánh giá chiến lược môi trường của các thiết kế thông qua các báo cáo kỹ thuật. Trong báo cáo này, sinh viên được yêu cầu tính toán các yếu tố ảnh hưởng đến chất lượng của thiết kế như: lượng hút âm, độ rọi, bóng đổ,… Việc sử dụng phần mềm mô phỏng đã  cho kết quả tính toán chính xác và nhanh chóng, các thiết kế sau khi thay đổi phương án nhiều lần (nếu có) cũng được nhanh chóng thay đổi trong mô hình máy tính, giảm đáng kể thời gian làm mô hình và tính toán tay cho sinh viên.

Tuy nhiên, trong chương trình đào tạo kiến trúc tại các trường đại học ở Việt Nam hiện còn đang thiếu vắng những môn học đào tạo thiết kế kiến trúc gắn với môi trường, đặc biệt là đồ án kiến trúc. Trong khi đó, nhu cầu của xã hội về thiết kế công trình tiết kiệm năng lượng và công trình xanh ngày càng tăng. Kiến trúc sư không phải và không thể là người duy nhất giúp « xanh hóa » công trình, nhưng là người có vai trò quan trọng nhất vì khâu thiết kế chính là yếu tố quyết định liệu một công trình có thể được công nhận là «Công trình xanh» hay không. Do đó, cần phải bổ sung kiến thức lý thuyết về Kiến trúc xanh và Đồ án Kiến trúc xanh trong đào tạo Kiến trúc sư.

Mục tiêu của việc hướng dẫn sinh viên làm đồ án kiến trúc xanh là nhằm:

• Hướng sinh viên kiến trúc tiếp cận những khái niệm mới nhất về thiết kế kiến trúc bền vững (kiến trúc xanh).
• Cung cấp phương pháp cơ bản về thiết kế bền vững với việc ứng dụng các công cụ tính toán mô phỏng môi trường để sinh viên kiến trúc áp dụng ngay từ các bước đầu tiên khi thực hiện đồ án.
• Hướng dẫn sinh viên ứng dụng các công cụ tính toán mô phỏng nhằm giúp sinh viên có thể định lượng và kiểm chứng được các yếu tố của giải pháp thiết kế kiến trúc ngay từ các bước đầu tiên trong đồ án của mình, từ đó các kiến trúc sư tương lai có được hình dung rõ ràng về vai trò của các giải pháp kỹ thuật trong đồ án.
• Những kiến thức và phương pháp của đồ án kiến trúc xanh này sẽ giúp sinh viên kiến trúc hứng thú học và thực hành, áp dụng được lý thuyết thiết kế bền vững vào thiết kế công trình thực tế, góp phần thu hẹp khoảng cách của sinh viên Việt Nam trên mặt bằng chung đào tạo của khu vực và quốc tế.
  • Những vấn đề của thiết kế công trình và các công cụ mô phỏng dành cho sinh viên

Bản chất thiết kế công trình kiến trúc chính là tối ưu hóa các nguồn lực và gia tăng cảm giác dễ chịu cho người sử dụng. Trong công trình kiến trúc, năng lượng tiêu hao chính là tác nhân chủ yếu gây ra tác động xấu tới môi trường, chính vì vậy mục tiêu chính của mọi công trình là phải tiến tới Công trình trung hòa về năng lượng (Net Zero Energy Building)

Chương trình đào tạo thiết kế Công trình xanh đối với Sinh viên Kiến trúc được cho trong    Bảng 1 (tham khảo chương trình Công trình xanh của Autodesk Inc).

Bảng 1: Chương trình đào tạo thiết kế Công trình Xanh của Autodesk IncNhững gì được nêu trong bảng 1 đều là những vấn đề đang được các hãng thiết kế phần mềm nghiên cứu và phát triển các công cụ mô phỏng phù hợp. Nếu sớm áp dụng thì việc học và thực hành của sinh viên kiến trúc sẽ được cập nhật và sớm bắt kịp xu thế của thế giới.

• Ví dụ giới thiệu quá trình thiết kế một công trình cụ thể:

Lớp học xanh (Net Zero Classrom) của Anderson Anderson Architects.

Văn phòng kiến trúc Anderson Anderson Architects thiết kế một mô-đun lớp học cơ động, tiêu hao năng lượng thấp và thích ứng với mọi kiểu thời tiết. Mô hình này được tối ưu hóa bởi việc áp dụng các chiến lược thiết kế thụ động và các nguyên lý thiết kế hiệu quả để tạo ra nguồn năng lượng gấp bốn lần nhu cầu tiêu thụ thông qua khai thác năng lượng mặt trời và gió tại địa điểm xây dựng. Công trình này tự thân nó rất linh hoạt, có nhiều loại cấu trúc và cách tổ hợp nhằm tạo nên sự tối ưu của công trình trong các môi trường có đặc điểm khác nhau: từ vùng cận nhiệt đới như Hawaii cho tới vùng sa mạc Tây Nam nước Mỹ hay vùng khí hậu mùa đông lạnh của New England. Một mô đun lớp học đầu tiên đã được xây dựng tại Ewa Beach, Hawaii.

Thời tiết lý tưởng của Hawaii khiến nhiều người cho rằng công trình sẽ không khó khăn trong việc tạo nên một môi trường trong nhà tương tự như khí hậu dễ chịu quanh năm của vùng đất này. Tuy nhiên, phòng học lại cần có các không gian đóng kín để triệt tiêu tiếng ồn và sự phân tán thị giác, gió lạnh và giảm vấn đề chói sáng. Người thiết kế đứng trước thách thức phải hòa nhập được các điều kiện ngoài trời thuận lợi vào trong môi trường trong nhà, trong khi đó vẫn phải tối ưu được không gian dành cho chức năng dạy và học.

Hệ thống lớp học này được thiết kế nhằm cung cấp một môi trường giáo dục tối ưu cho học sinh và giáo viên với mức chi phí hợp lý nhưng lại áp dụng được các nguyên lý thiết kế bền vững tiên tiến. Các nguồn lực tự nhiên được quan tâm và khai thác thông qua cấu trúc công trình, điều này cho phép Lớp học xanh đóng vai trò như một mô hình mẫu cho người sử dụng, cho các trường học và công trình công cộng. Hệ thống điều khiển hoạt động trên nền tảng Web Site của công trình cho phép những nhà nghiên cứu và công chúng quan sát và phân tích dữ liệu tức thời và từ khắp mọi nơi trên thế giới.

Hình 1. Phối cảnh mô hình lớp học xanh

• Phần mềm và ứng dụng trong thiết kế lớp học xanh

• Phần mềm Autodesk Revit Architecture được sử dụng với tính năng mô hình tham số nhằm nhanh chóng phân tích và thiết kế theo điều kiện thực tế tại Honolulu, Hawaii với việc khai thác dữ liệu địa điểm khu đất từ Autodesk Ecotect Analysis.
• Phân tích chính được thực hiện bởi phần mềm Ecotect và Radiance trên mô hình BIM được tạo ra bởi phần mềm Revit.
• Nhờ tính năng thiết kế tham số và khả năng linh hoạt của phần mềm Revit cùng với lợi thế xây dựng kiểu mô-đun khiến tối ưu hóa được nhu cầu của mỗi trường khác nhau.
  • Tính tải năng lượng & thời tiết

Phần mềm thiết kế tham số Autodesk Revit Architecture được sử dụng để phân tích mô hình, các dữ liệu thiết kế khí hậu được truy xuất từ phần mềm Ecotect Analysis và xác định hướng gió chủ đạo tại địa điểm là hướng Đông Bắc. Phân tích thêm trên biểu đồ nhiệt ẩm cho thấy thời tiết ngoài trời hiếm khi đạt yêu cầu tiện nghi nhiệt, thường là nóng và ẩm hơn. Phân tích hai điều kiện trên, nhóm thiết kế hướng tới sử dụng thông gió thụ động bằng phương pháp nhờ áp lực nhiệt (stack ventilation) với cửa sổ tự động điều khiển nhằm khai thác gió chủ đạo từ Đông Bắc.

Hình 2. Phân tích dữ liệu thời tiết và yêu cầu tiện nghi nhiệt

• Thiết kế lớp vỏ bao che

Các mô đun công trình cho phép lắp dựng các cửa sổ mái (clerestories) theo chiều đứng và chiều dài của công trình nên công trình sẽ có lợi thế trong những điều kiện khác nhau của nắng và gió. Các cửa sổ được chế tạo từ nhôm sơn tĩnh điện, hàn nhiệt với kính hộp low-e.

Khung thép và tấm sàn sandwitch được cách nhiệt bằng bọt cứng; hệ thống mái tối ưu cách nhiệt, trao đổi và phản xạ nhiệt, ngăn chặn sâu bọ và nấm mốc trong các cấu trúc rỗng. Giải pháp tường kép và các tấm pin mặt trời bao phủ bề mặt mái kim loại với khoảng không khí lưu thông giữa hai lớp giúp tạo nên hiệu ứng thông gió nhiệt theo chiều đứng, đồng thời giúp che nắng và làm mát các bề mặt chính của công trình, ngăn trặn tình trạng tích nhiệt.

• Thông gió

Hệ thống thông gió tự nhiên tạo nên một môi trường lành mạnh trong nhà bằng một chế độ cấp gió đa dạng theo giờ (ACH). Một tỷ lệ ACH là 2.0 được tính toán theo ASHRAE 62.1-2004 (bảng 6.1 qui định lượng không khí trong lớp học). Phần mềm CFD Simulation cho thấy ACH đã đạt và vượt thời gian mà phòng học hoạt động.

Phân tích không khí được dựa trên mô hình sử dụng phần mềm WinAir. Tốc độ gió ngoài nhà được giả thiết là thổi từ hướng Bắc với vận tốc 5m/s (theo số liệu khí hậu trung bình). Mô phỏng cho thấy luồng không khí thổi ngang qua người sử dụng có vận tốc 0.40 m/s từ tường phía Bắc, giảm xuống 0.25 m/s tại tường phía Nam (tại bục giảng).

Hình 3. Mô hình sưởi, làm mát và thông gió thụ động

• Cảm giác nhiệt

Sử dụng kết quả của phần mềm CFD Simulation (áp dụng khi công trình sử dụng thông gió tự nhiên), xuất sang bảng tính excel và so sánh với biểu đồ cảm giác nhiệt tiêu chuẩn.

Hình 4. Phân tích cảm giác nhiệt

• Phân tích chiếu sáng

• Tất cả các cửa sổ kính hướng Bắc đều được che nắng khỏi ánh sáng trực tiếp
• Tất cả các cửa sổ kính có thể điều khiển cho phép người sử dụng có khả năng điều chỉnh thông gió tự nhiên và các dòng khí.
• Trần nhà sử dụng chiếu sáng tự nhiên tán xạ và các tấm trần cách âm bằng vật liệu tái chế.

Thông số mô phỏng và kết quả tính toán:

• Kính có hệ số truyền sáng 0,52. Bầu trời quang mây, ngày 12/09 vào lúc giữa trưa. Hệ số phản xạ của vật liệu nội thất là 80/60/40 (theo khuyến cáo của IESNA áp dụng phòng học). Mặt phẳng làm việc ở độ cao 30 inch so với nền nhà.
• Kết quả độ rọi trung bình đạt được trên mặt phẳng này là 56,76 footcandl, cao hơn nhiều so với mức tối thiểu dành cho phòng học.

Hình 5. Phân tích chiếu sáng tự nhiên và nhân tạo thông qua phần mềm Ecotect

• Năng lượng tự nhiên

Hình 6. Bảng cân đối năng lượng tiêu thụ của công trình (không sử dụng điều hòa không khí)

Lớp học khai thác năng lượng mặt trời để bù đắp năng lượng mà nó sử dụng. Mô đun công trình được tính toán để cho phép các tấm pin mặt trời có thể hướng theo vị trí tối ưu nhất. Đối với các công trình tại Hawaii, sản lượng năng lượng là 72x135W/đơn vị pin mặt trời. Hệ thống năng lượng của công trình tạo ra năng lượng là 11.591kWh/năm.

 Tài liệu tham khảo

1. Chương trình Sustainability Workshop của hãng Autodesk; http://sustainabilityworkshop.autodesk.com/
2. Hoàng thúc Hào, Vương Đạo Hoàng; Phương pháp tiếp cận khái niệm thiết kế bền vững trong đồ án sinh viên;

http://issuu.com/kienviet/docs/phuong_phap_tiep_can_ap_dung_khai__niem_thiet_ke_b

3. Nguyễn Anh Tuấn; Thiết kế kiến trúc xanh với hỗ trợ bởi các công cụ mô phỏng hiệu năng công trình (BPS); Tạp chí kiến trúc – Số 5, trang 13-18; năm 2012.
4. Phạm Đức Nguyên; Phát triển kiến trúc bền vững, kiến trúc xanh ở Việt nam; Nhà xuất bản “Trí thức”; Hà nội 2012.
5. Phạm Ngọc Đăng, Nguyễn Việt Anh, Phạm thị Hải Hà; Nguyễn Văn Muôn; Các giải pháp thiết kế công trình xanh tại Việt nam; Nhà Xuất bản Xây dựng; Hà nội 2014.
6. Phạm thị Hải Hà; How to apply the passive design strategies in building for energy efficiency; Báo cáo Hội thảo “Renewable Energy and Sustainable Urban Development”; Hà nội 2013.
7. ROBERTS, Andrew; MARSH, Andrew, Cardiff University, Wales; ECOTECT: Environmental Prediction in Architectural Education

   ThS.KTS. Phạm Thị Hải Hà – Bộ môn Kiến trúc môi trường

   KTS. Vương Đạo Hoàng - Công ty thiết kế và truyền thông Kiến Việt