Vật lý kiến trúc với định hướng phát triển kiến trúc Việt Nam

Trên thế giới, việc ứng dụng những thành tựu của vật lý kiến trúc để tạo ra những công trình kiến trúc vừa độc đáo vừa đảm bảo tiện nghi cho người sử dụng ngày càng được chú trọng. Trong khi đó ở Việt Nam đây là lĩnh vực còn ít được quan tâm nghiên cứu hoặc chỉ được vận dụng ở mức độ khá hạn chế. Trong bối cảnh gia tăng nhu cầu tiết kiệm năng lượng và sử dụng các nguồn năng lượng tái sinh, việc khai thác các lợi thế và hạn chế những bất lợi của điều kiện khí hậu ở mức độ cao nhất để tạo ra các công trình kiến trúc bền vững và thân thiện với môi trường là hướng đi tất yếu của nền kiến trúc Việt Nam.

Thư viện Surry Hill, Sydney, Australia

Hiện trạng ứng dụng vật lý kiến trúc
Vật lý kiến trúc là một ngành khoa học ứng dụng nghiên cứu những đặc điểm liên quan đến nhiệt ẩm, âm thanh và ánh sáng của các thành phần kiến trúc công trình (mặt đứng, mái, cửa sổ, vách ngăn…), không gian phòng, các công trình và nhóm công trình kiến trúc. Mối quan tâm chủ yếu của nó là nhu cầu về nhiệt, âm và chiếu sáng tự nhiên của người sử dụng. Vật lý kiến trúc bị ràng buộc bởi những nhu cầu của công trình phải tạo ra môi trường tiện nghi bên trong bảo vệ con người chống lại những tác động bất lợi của điều kiện khí hậu, đồng thời tận dụng những ưu thế mà điều kiện khí hậu có thể mang lại. Như vậy thiết kế kiến trúc dựa trên cơ sở nghiên cứu vật lý kiến trúc là tìm kiếm những giải pháp liên quan đến nhiệt, âm và chiếu sáng để kiến trúc có thể thích ứng với điều kiện khí hậu ở mức độ cao nhất và tạo ra môi trường tiện nghi cho các hoạt động sống của con người.
Trên thế giới, đặc biệt là tại các nước phát triển, vật lý kiến trúc được bắt đầu nghiên cứu từ rất sớm và rất được quan tâm nghiên cứu. Với phương pháp tiếp cận hiện đại, các nước tiên tiến như Mỹ, Anh, Australia, Nhật… và cả một số quốc gia trong khu vực Đông Nam Á như Singapore, Malaysia, Thái Lan, Indonesia đã tiến được những bước rất dài khi xây dựng được các tiêu chuẩn tiện nghi nhiệt, âm, ánh sáng được áp dụng rộng rãi của riêng mình. Các nghiên cứu về vật lý kiến trúc của Việt Nam cũng được thực hiện khá sớm, từ những năm 1960. Tuy nhiên, do phương pháp và cách tiếp cận cũ, lại sử dụng những chỉ số môi trường lạc hậu nên các kết quả đạt được khá hạn chế. Sự thiếu quan tâm nghiên cứu trong lĩnh vực vật lý kiến trúc thời gian qua tại Việt Nam, đã làm chúng ta tụt hậu khá xa so với ngay cả các nước trong khu vực mà chắc hẳn cần nhiều nỗ lực và thời gian mới có thể bắt kịp được.
Những thành quả của vật lý kiến trúc tại các nước tiên tiến trên thế giới đã tạo tiền đề cho việc đề xuất những giải pháp kiến trúc bền vững, thích ứng với điều kiện khí hậu mà đỉnh cao là sự xuất hiện ngày càng nhiều ngôi nhà được cấp chứng chỉ “công trình xanh”. Tham vọng hơn, người ta đang hướng tới việc tạo ra những công trình không phát thải khí carbon – loại khí được cho là một trong những nguyên nhân gây nên hiệu ứng nhà kính làm trái đất nóng lên – trên cơ sở kết hợp những giải pháp thiết kế thụ động và chủ động.
Ở Việt Nam, ngay từ thời xa xưa khi chưa hề biết đến khoa học vật lý kiến trúc, dựa trên nguồn vật liệu địa phương cha ông ta đã dựng nên những nếp nhà truyền thống, biết ứng xử một cách linh hoạt với sự đỏng đảnh của thời tiết miền nhiệt đới nóng ẩm mưa nhiều. Kế thừa những kinh nghiệm truyền thống, các kiến trúc sư Pháp và Việt hồi đầu thế kỷ 20 đã tạo ra những công trình kiến trúc mang phong cách Đông Dương với trần cao, tường dày, mái vươn rộng, hành lang thoáng, cửa trong kính ngoài chớp… mà cho đến tận ngày nay vẫn còn nguyên giá trị sử dụng vì chất lượng môi trường ở rất tốt mà chúng tạo ra. Tiếp theo, thế hệ các kiến trúc sư thời “bao cấp” cũng để lại dấu ấn của mình khi quan tâm nhiều đến vấn đề thông gió và chắn nắng trên mặt đứng kiến trúc để hạn chế bức xạ nhiệt mặt trời và cản trở ánh nắng gay gắt chiếu vào công trình.
Tuy nhiên từ đầu những năm 1990 đến nay, cùng với sự “dẫm chân tại chỗ” của khoa học vật lý kiến trúc, khi nền kiến trúc Việt Nam “mở cửa” giao lưu với thế giới thì sự “choáng ngợp” trước những thành tựu của kiến trúc phương Tây đương đại đã dẫn đến xu hướng sao chép cóp nhặt một cách dễ dãi các kiểu kiến trúc được coi là “thời thượng”. Hậu quả là tại các đô thị xuất hiện tràn lan những ngôi nhà rất thiếu tính bản địa bởi vừa xa lạ về phong cách kiến trúc vừa không mấy thích ứng với điều kiện khí hậu: cao ốc văn phòng bọc kính tràn lan, nhà chung cư “ngang nhiên” đối mặt với hướng đông – tây bị mặt trời thiêu đốt… phải lệ thuộc hoàn toàn vào công nghệ điều hòa không khí để làm mát không gian bên trong.
Trong thời gian gần đây, đã bắt đầu có một số kiến trúc sư trở lại vận dụng những thành quả dù còn hạn chế của khoa học vật lý kiến trúc để đề xuất các giải pháp công trình thích nghi hơn với điều kiện khí hậu (thông gió, chiếu sáng tự nhiên, chắn nắng trên mặt đứng, sử dụng cây xanh, mặt nước để cải thiện vi khí hậu vv…). Tuy nhiên, chúng chủ yếu được thực hiện tại các ngôi nhà nhỏ và phần lớn chỉ là những giải pháp đơn lẻ, chưa trở thành một trào lưu sáng tác. Ngoài ra, căn bệnh hình thức đã phần nào làm giảm giá trị của những công trình, chẳng hạn việc lạm dụng cây xanh một cách quá mức trên mặt đứng và mái nhà dẫn đến những gánh nặng không đáng có khi vận hành công trình.
Chỉ cần nhìn vào số lượng ngôi nhà được cấp chứng chỉ “công trình xanh”, cũng có thể thấy được mức độ tụt hậu của nền kiến trúc Việt Nam không chỉ so với thế giới mà so với cả khu vực. Chỉ riêng trong năm 2014, Singapore đã có tới gần 1200 công trình được cấp chứng chỉ công trình xanh. Con số tương ứng của Đài Loan là 500 và Malaysia là 125 công trình. Trong khi đó, số lượng công trình xanh của Việt Nam cho đến nay mới chỉ đếm trên đầu ngón tay, chủ yếu là các công trình có chủ đầu tư nước ngoài.
Các xu hướng mới trên thế giới
Những nghiên cứu chuyên sâu về vật lý kiến trúc với cách tiếp cận hiện đại, đã tạo tiền đề cho những xu hướng mới trong thiết kế kiến trúc xanh và tiết kiệm năng lượng trên thế giới. Trong số đó đáng chú ý nhất là xu hướng thiết kế lớp vỏ bọc thông minh cho công trình. Có thể được điều khiển tự động nhờ các cảm biến ánh sáng, lớp vỏ này đóng vai trò như một bộ lọc để điều chỉnh và cải thiện gió và ánh sáng trước khi dẫn vào không gian bên trong: tùy thuộc vào vùng khí hậu, vào thời điểm trong năm và vào hướng của công trình mà lớp vỏ thông minh này có thể để ánh sáng tự nhiên chiếu sâu vào không gian bên trong, có thể bẫy nhiệt để sưởi ấm và tích trữ khối nhiệt, hay cản bớt ánh nắng mặt trời trực tiếp để hạn chế bức xạ nhiệt trong khi vẫn khai thác nguồn sáng tự nhiên một cách tích cực. Cũng thông qua lớp vỏ này, không khí có thể được lọc bụi, làm mát và bổ sung ô xy trước khi được cấp vào bên trong nhà theo cách mà người thiết kế mong muốn. Những thiết kế thành công theo xu hướng này là Tòa nhà hội đồng mới của thành phố Melbourne, hay thư viện Surry Hills ở Sydney, Australia.
Một xu hướng khác là tích hợp những tấm pin năng lượng mặt trời trên lớp vỏ bao che công trình kiến trúc để tạo ra một phần hay toàn bộ điện năng phục vụ cho nhu cầu của công trình. Tùy thuộc vào thể loại, chiều cao và hướng của công trình mà pin năng lượng mặt trời có thể được tích hợp trên tường và vách dựng kính, lắp đặt trên mái hay lắp đặt như các tấm chắn nắng. Do đặc điểm của loại pin này là cần diện tích bề mặt tương đối lớn nên đối với nhà cao tầng việc tích hợp này sẽ mang lại hiệu quả cao – bởi vừa chắn nắng cho mặt đứng lại vừa tạo ra điện sạch, góp phần giảm tiêu thụ điện lưới. Hạn chế của xu hướng này là những khó khăn trong công tác bảo dưỡng và không phù hợp để lắp đặt cho chung cư cao tầng. Bên cạnh đó gần đây đã bắt đầu có những thử nghiệm đầu tiên về pin sinh học trên mặt đứng công trình, với thành phần là các tấm panel chứa một loại vi tảo ở bên trong. Dưới tác động của ánh nắng mặt trời, loại tảo này sẽ phát sinh ra điện.
Ngoài ra cũng không thể bỏ qua xu hướng hiện đang là mốt trên thế giới và cũng đã bắt đầu được áp dụng ở Việt Nam là tạo ra lớp vỏ xanh cho công trình. Cây xanh có thể được bố trí trực tiếp trên mặt đứng và mái nhà để tham gia chống nóng cho công trình kiến trúc, có thể hình thành nên một lớp vỏ bao che thứ hai để hạn chế bức xạ nhiệt mặt trời nhưng vẫn không cản trở ánh sáng và gió xuyên qua. Từ điểm nhìn sinh thái, xu hướng này là một sự đóng góp khá tích cực cho các thành phố, nhất là ở những nơi chịu tác động mạnh của hiện tượng đảo nhiệt đô thị. Chúng góp phần làm cho đô thị trở nên xanh hơn cả nghĩa đen và nghĩa bóng bởi giúp bảo vệ môi trường sinh thái và chuyển hóa khí Cacbonic thành Oxy có lợi cho sức khỏe con người. Tuy nhiên, hạn chế của nó là những khó khăn trong việc lựa chọn loại cây thích hợp, sự phức tạp và tốn kém trong công tác bảo trì, nhất là thách thức đối với việc duy trì sự sống và trạng thái ổn định của hệ thống cây xanh trên mặt đứng.
Trong bối cảnh biến đổi khí hậu và nước biển dâng, một xu hướng thiết kế nữa cũng bắt đầu được quan tâm nghiên cứu là tạo ra các công trình tồn tại thụ động (passive survivability) – có khả năng giúp con người sống sót trong trường hợp xảy ra thảm họa, khi những dịch vụ cung cấp điện hay nước sạch nhều khả năng bị gián đoạn trong thời gian kéo dài. Tùy thuộc vào từng địa điểm với nguy cơ thảm họa khác nhau mà sẽ có những giải pháp thiết kế tương ứng [2]. Về bản chất đây là thiết kế thụ động ở mức độ cao nhất, do vậy nó càng khẳng định vai trò của những nghiên cứu về vật lý kiến trúc.

Kiến trúc mặt đứng xanh cho công trình

Hướng đi nào cho kiến trúc Việt Nam?
Những số liệu thống kê cho thấy, công trình kiến trúc là nguồn tiêu thụ năng lượng chủ yếu, chiếm tới 30%-40% tổng năng lượng tiêu thụ của một quốc gia. Theo kết quả điều tra của Bộ Khoa học và Công nghệ, do những bất cập trong công tác thiết kế và lắp đặt thiết bị, có tới 20%-30% năng lượng sử dụng trong công trình ở Việt Nam bị thất thoát. Do vậy hướng đi tất yếu của kiến trúc Việt Nam là kiến trúc xanh và kiến trúc tiết kiệm năng lượng. Xu hướng này đã tìm được sự đồng thuận trong các cơ quan quản lý và các tổ chức phi chính phủ thông qua việc xây dựng Chiến lược Quốc gia về phát triển công trình xanh, Chương trình Mục tiêu Quốc gia về sử dụng năng lượng tiết kiệm và hiệu quả (2006) và các chương trình nghiên cứu và đề xuất các tiêu chí đánh giá công trình xanh. Tuy nhiên, để công trình xanh thực sự đi vào cuộc sống, Nhà nước cần ban hành những quy định nhằm thúc đẩy, khuyến khích, thậm chí bắt buộc chủ đầu tư và các nhà tư vấn tuân thủ xu hướng thiết kế và xây dựng công trình kiến trúc bền vững, thân thiện với môi trường như đã được thực hiện ở nhiều nước trên thế giới.
Về giải pháp thiết kế, kinh nghiệm nước ngoài cho thấy, điều kiện tiên quyết để thỏa mãn các tiêu chí công trình xanh là phải hướng tới các giải pháp thiết kế thụ động dựa trên các nghiên cứu của khoa học vật lý kiến trúc, tức là hướng tới những giải pháp thích ứng cao nhất với điều kiện khí hậu, đặc biệt là thông gió và chiếu sáng tự nhiên và chắn nắng trên mặt đứng công trình. Những thử nghiệm ban đầu cho thấy, việc tạo ra lớp vỏ bao che kép (double skin) tỏ ra khá hiệu quả với điều kiện khí hậu nóng ẩm, mưa nhiều ở Việt Nam. Cũng không loại trừ khả năng phát triển các kiểu mặt đứng thông minh để linh hoạt thích ứng với những thay đổi của thời tiết theo ngày, theo mùa.
Lợi thế về sự ổn định và đa dạng của cây xanh nhiệt đới nên được tận dụng để tạo ra các mặt đứng xanh và mái xanh, vừa bảo vệ công trình, vừa cải thiện vi khí hậu, lại góp phần hạn chế hiện tượng đảo nhiệt đô thị vốn đang ngày càng trở nên trầm trọng tại các thành phố của Việt Nam do bị bê tông hóa quá mức.
Giải pháp tích hợp pin năng lượng mặt trời trên lớp vỏ bao che của công trình kiến trúc cũng nên được nghiên cứu và ứng dụng để tạo thêm nguồn năng lượng sạch trong bối cảnh nước ta có số giờ nắng cao, nhất là khi nhu cầu về điện đang gia tăng không ngừng.
Cùng với việc đẩy mạnh phát triển kiến trúc xanh và kiến trúc tiết kiệm năng lượng, cần khuyến khích nghiên cứu, sản xuất và tiêu thụ các loại vật liệu xanh thân thiện với môi trường, hạn chế sử dụng các loại vật liệu có năng lượng hàm chứa cao hay việc khai thác và sử dụng chúng gây ra những ảnh hưởng bất lợi cho môi trường sinh thái.
Những bài học của kiến trúc truyền thống cũng cần được xem xét, nghiên cứu, đánh giá lại để vận dụng. Nhiều giải pháp cho công trình xanh ở các nước tiên tiến thực chất là việc khai thác lại những kinh nghiệm cổ truyền nhưng sử dụng công nghệ và vật liệu mới. Bên cạnh những yếu tố văn hóa vùng miền, việc kết hợp một cách nhuần nhuyễn giữa công nghệ và vật liệu hiện đại và kinh nghiệm truyền thống trong thiết kế sẽ tạo ra những công trình kiến trúc đặc sắc góp phần tạo dựng bản sắc mới trong kiến trúc Việt Nam./.

TS. Khuất Tân Hưng

Trường Đại học Kiến trúc Hà Nội

TẠP CHÍ KIẾN TRÚC VIỆT NAM