Những điều cần biết về kiến trúc xanh công nghệ cao
Kiến trúc công nghệ cao và kiến trúc xanh là hai phạm trù riêng biệt của thiết kế kiến trúc. Tuy nhiên, sự kết hợp của hai yếu tố này đem lại những hiệu quả thiết kế thiết thực, giúp giảm chi phí và tiết kiệm năng lượng hơn so với kiến trúc thông thường. Bài viết đi sâu vào định nghĩa, giải thích và đánh giá loại hình kiến trúc xanh công nghệ cao, một khái niệm khá mới mẻ.
Trụ sở Ủy ban Năng lượng Malaysia (Putrajaya – Malaysia).
Định nghĩa Kiến trúc xanh công nghệ cao
Kiến trúc công nghệ cao (high-tech architecture) xuất hiện từ thập niên 1970, được xem như là một gạch nối giữa trường phái hiện đại (modernism) và hậu hiện đại (post-modernism) của kiến trúc thế giới, với nhiều đại diện xuất sắc như KTS. Bruce Graham (người Mỹ), Renzo Piano (người Ý) và Santiago Calatrava (người Tây Ban Nha). Riêng nước Anh đã đóng góp đến 04 ngôi sao sáng là KTS. Norman Foster, KTS. Richard Rogers, KTS. Michael Hopkins và KTS Zaha Hadid. Nhật Bản cũng là quốc gia tiêu biểu trong trào lưu kiến trúc hiện đại của thế giới, khởi đầu với KTS. Kenzo Tange và được tiếp nối với các kiến trúc sư tên tuổi như Fumihiko Maki, Kisho Kurokawa, Shin Takamashu…
Đặc điểm dễ nhận biết của kiến trúc công nghệ cao là sự kết hợp các yếu tố công nghệ với những phát minh mới nhất về kết cấu và vật liệu nhằm hỗ trợ tích cực hơn nữa cho những ý tưởng tạo hình của kiến trúc sư thêm phần bay bổng, điều mà trước đó do hạn chế về công nghệ rất khó thực hiện được, và còn góp phần truyền đi những thông điệp mang tính thời đại, thậm chí đi trước thời đại của kiến trúc sư. Hệ kết cấu – kết cấu chịu lực và kết cấu vỏ bao che – là ngôn ngữ tạo hình rất hiệu quả và được biểu hiện càng nhiều càng tốt, cả bên trong lẫn bên ngoài của công trình để tạo ra ấn tượng mạnh, đôi khi mang tính “siêu thực” như những thiết kế của KTS Zaha Hadid. Vật liệu cũng là một yếu tố chủ đạo được chú trọng khai thác trong kiến trúc công nghệ cao, cộng hưởng với kết cấu và các công nghệ tiên tiến khác như công nghệ năng lượng, công nghệ điều khiển thông minh… Trào lưu kiến trúc high-tech vẫn còn tiếp diễn mạnh mẽ đến ngày nay, sau 40 năm phát triển không ngừng. Song song với dòng chảy chính thống là những biến thể mới cũng như xu hướng mới, mà một trong số đó là kiến trúc xanh công nghệ cao (high-tech green architecture).
Kiến trúc xanh, theo TS. Robert Vale và GS. Brenda Vale, là một cách thức tiếp cận có ý thức tới môi trường xây dựng, liên quan đến giải pháp tổng thể thiết kế các công trình, trong đó tất cả các nguồn tài nguyên đầu vào, bất kể đó là vật liệu xây dựng hay nhiên liệu, năng lượng hay nước, và kể cả sự đóng góp của người sử dụng công trình đều được xem xét liệu tính bền vững có được tạo ra. Trong khi đó, theo định nghĩa của Từ điển Cambridge, Kiến trúc xanh là hoạt động thiết kế các công trình theo cách thức bảo vệ môi trường thiên nhiên, bao gồm việc sử dụng năng lượng sạch được tạo ra bởi gió, nước và mặt trời. Còn Hiệp hội Xây dựng Bền vững Anh Quốc quan niệm Kiến trúc xanh là phương pháp thiết kế một cách bền vững các công trình xây dựng, với sự quan tâm sâu sắc và thường trực đến môi trường. Kiến trúc xanh sử dụng các giải pháp thiết kế chủ đạo làm giảm thiểu tác động tiêu cực đến môi trường và hệ sinh thái, chẳng hạn như sử dụng năng lượng có hiệu quả nhằm làm giảm phát thải các-bon. Hệ sinh thái tự nhiên của hành tinh là mô hình ở tầm vĩ mô cho kiến trúc sư sử dụng và mô phỏng ở một tỷ lệ thu nhỏ trong phạm vi một công trình được thiết kế có sử dụng các giải pháp xanh, chẳng hạn như vật liệu xây dựng, nước và năng lượng. Một chuyên gia về công trình xanh – TS. Nirmal Kishnani – nhận định rằng “kiến trúc xanh” là một bước trung gian trên lộ trình cho một công trình kiến trúc thông thường dần trở thành một công trình kiến trúc bền vững, vì “bền vững” có nghĩa là “không gây hại”, còn “xanh” được hiểu là “ít gây hại hơn”.
Khi biến đổi khí hậu và suy thoái môi trường trở thành vấn đề thời đại và mang tính toàn cầu, tác động trực tiếp và ảnh hưởng tiêu cực đến cuộc sống của loài người, thì kiến trúc xanh và kiến trúc bền vững trở thành một trào lưu thiết kế trên thế giới, đã thâm nhập vào Việt Nam và không sớm thì muộn cũng là sự lựa chọn tất yếu. Trong thực tế, có nhiều giải pháp được áp dụng để giúp công trình trở nên xanh hơn, tiệm cận dần tới đích đến cuối cùng là kiến trúc bền vững. Kiến trúc xanh công nghệ cao (high-tech green architecture) là một trong số đó. Kiến trúc xanh công nghệ cao phổ biến ở Bắc Mỹ, Tây Âu, Nhật Bản, Australia, Singapore,… những nơi có tiềm lực khoa học mạnh và nguồn tài chính dồi dào, cho phép hiện thực hóa những ý tưởng thiết kế mới, độc đáo và mang tính đột phá về công nghệ. Trong xu thế toàn cầu hóa ngày một sâu rộng, kiến trúc xanh công nghệ cao cũng được xem như một mặt hàng xuất khẩu từ các quốc gia phát triển đến phần còn lại của thế giới.
Công nghệ
Kiến trúc xanh công nghệ cao có thể được hiểu một cách nôm na là sự kết hợp của “kiến trúc xanh” và “kiến trúc công nghệ cao”, nghĩa là loại hình kiến trúc có áp dụng các giải pháp kỹ thuật và công nghệ tiên tiến nhất nhằm đảm bảo tiện nghi cư trú cũng như chất lượng ở và môi trường học tập/làm việc tốt nhất có thể cho người sử dụng, đồng thời giảm thiểu đáng kể tác động bất lợi đến môi trường sinh thái so với các công trình cùng quy mô cũng như thể loại được thiết kế theo nguyên lý thông thường. Có thể thấy rõ 5 lĩnh vực mà kiến trúc xanh công nghệ cao hướng tới: công nghệ năng lượng, công nghệ nước, công nghệ vật liệu, công nghệ thi công xây lắp và công nghệ quản lý – vận hành công trình.
Về công nghệ năng lượng, kiến trúc xanh công nghệ cao chú trọng trước tiên giải pháp thiết kế cấu trúc một cách thông minh, ví dụ như tạo các hình khối gọn gàng để tiết kiệm diện tích thừa, có tác dụng giảm lượng điện năng tiêu thụ không cần thiết, hoặc hình khối đặc biệt trên cơ sở nghiên cứu kỹ hướng nắng và hướng gió cũng như các điều kiện tự nhiên – khí hậu riêng biệt của địa điểm xây dựng nhằm tận dụng các yếu tố có lợi, tối đa hóa trạng thái tiện nghi tự nhiên cho công trình, qua đó giảm thiểu việc sử dụng năng lượng.
Kiến trúc sư có thể thiết kế các bề mặt vát hoặc đưa mái và hình khối bên trên đua ra nhằm tạo bóng đổ bản thân lên bề mặt bên dưới, ngoài ý nghĩa nâng cao tính thẩm mỹ cho công trình theo quan điểm kiến trúc hiện đại. Giải pháp thiết kế còn được thể hiện ở cách bố trí các phòng phụ trợ như kho, khu vệ sinh và buồng thang về hướng bất lợi (tiếp xúc với gió lạnh và/hoặc hơi nóng) để các không gian chính được tiện nghi. Khi thiết kế kiến trúc đã hoàn hảo, giải pháp kỹ thuật sẽ được áp dụng để hỗ trợ cho sự hoàn hảo đó, như tối ưu hóa lớp vỏ bao che sao cho lớp vỏ này hoạt động giống như bộ lọc khí hậu, cho phép các yếu tố có lợi như ánh sáng tự nhiên và không khí sạch đi sâu vào bên trong công trình, đồng thời ngăn bức xạ có hại và hơi nóng bên ngoài xâm nhập.
Tiếp đó, công nghệ khai thác năng lượng tái tạo như năng lượng mặt trời, sức gió, địa nhiệt, sóng biển… tùy tiềm năng của từng địa phương khi được triển khai và tích hợp sẽ phát huy vai trò tích cực về môi trường, để công trình chủ động hơn về năng lượng, giảm sự phụ thuộc vào các nguồn cấp bên ngoài sử dụng nhiên liệu hóa thạch đầu vào gây ô nhiễm. Sưởi ấm là nhu cầu chính đối với công trình ở các nước xứ lạnh, trong khi đó làm mát là yêu cầu bắt buộc đối với kiến trúc ở vùng nhiệt đới. Sưởi ấm và làm mát tiêu thụ một lượng điện năng khá lớn. Do vậy, tiết kiệm năng lượng cho công trình đồng nghĩa với việc trước tiên cần giảm thiểu năng lượng dùng để sưởi ấm và/hoặc làm mát. Các nhà khoa học đã đề xuất thu hồi lượng nhiệt thừa sản sinh khi công trình vận hành để làm mát cho các không gian bên trong ban ngày và tận dụng lượng nhiệt thừa đó để sưởi ấm ban đêm khi nhiệt độ hạ xuống thấp, tạo ra một chu trình khép kín.
Tương tự như vậy, lợi dụng sự chênh lệch nhiệt độ giữa không khí và lòng đất theo mùa trong năm, các luồng không khí và nước sẽ trao đổi nhiệt qua một hệ thống kỹ thuật được lắp đặt trong long đất ở độ sâu được tính toán hợp lý cả về kỹ thuật lẫn kinh tế để điều chỉnh nhiệt độ theo hướng có lợi: sưởi ấm về mùa đông và làm mát về mùa hè. Hệ thống này tiêu thụ rất ít năng lượng. Nếu có sự kết hợp đồng bộ của các giải pháp này, công trình sẽ đạt mức trung hòa về năng lượng (zero-energy) tức là năng lượng tự sinh đủ để đáp ứng nhu cầu tiêu thụ. Về lý thuyết, các công trình trung hòa năng lượng có mức phát thải CO2 bằng không.
Về công nghệ nước, kiến trúc xanh công nghệ cao thu hồi nước mưa để tưới cho các thảm thực vật bên trong cũng như bên ngoài công trình, tiết kiệm đáng kể nước sạch, sử dụng nước sạch vào mục đích khác có ý nghĩa hơn. Nước xám sẽ được thu hồi và làm sạch tại chỗ bằng giải pháp kỹ thuật màng mỏng membrane trong bể kín – lọc sơ bộ và tách một số hợp chất vô cơ ra khỏi nước sau đó khử trùng, kết hợp với giải pháp tự nhiên (lọc và làm sạch tiếp bằng thực vật trong bồn hoặc mương/ao sinh học ngoài trời có khả năng hấp thụ một số chất hữu cơ hòa tan trong nước trước khi được thu hồi và sử dụng để xả bồn cầu. Tỷ lệ phối hợp giải pháp kỹ thuật và giải pháp tự nhiên như thế nào (70% – 30% hoặc 50% – 50% hoặc một kịch bản khác) tùy thuộc điều kiện thực tế: diện tích khuôn viên, chi phí đầu tư, yêu cầu kỹ thuật và vệ sinh môi trường, thời gian xử lý nhanh/chậm, hiệu suất xử lý cao/thấp… Lượng tiêu thụ nước sạch qua hai lần tiết kiệm sẽ giảm và lượng nước xám có thể được quay vòng, tái sử dụng nhiều lần. Khi thực vật được trồng hoặc thả với mục đích làm sạch nước, sự đa dạng sinh học tại chỗ cũng sẽ được cải thiện.
Về công nghệ vật liệu, các vật liệu được ưa chuộng nhất là nhôm, thép, hợp kim titan, kính, composite… với rất nhiều tính năng phong phú và ưu việt như nhẹ, bền, khó cháy, tự làm sạch, cách âm, cách nhiệt, phản quang… trong khi đó, các vật liệu truyền thống như bê tông cốt thép không những không mất đi tầm quan trọng của mình mà còn được cải tiến theo hướng đề cao tính biểu hiện và giá trị thẩm mỹ, chẳng hạn như bê tông trần siêu nhẵn, siêu mịn không cần phải ốp trát bề mặt. Một số vật liệu có tính năng đặc biệt được phối hợp sử dụng và hỗ trợ tích cực cho công nghệ năng lượng như tạo ra lớp vỏ có khả năng ngăn bức xạ, chống thất thoát nhiệt, song không cản tia nhìn và còn có khả năng phát điện từ nguồn ánh sáng mặt trời vì được tráng một lớp màng mỏng các tế bào pin quang điện trên bề mặt ngoài.
Về công nghệ thi công xây lắp, giải pháp cấu kiện tiền chế được áp dụng rộng rãi vì các ưu điểm nổi bật như tiết kiệm vật liệu và năng lượng chế tạo, độ bền cao, thi công nhanh, lắp ráp chuẩn, giảm thiểu sai sót hỏng hóc. Phương tiện thi công cơ giới, trong nhiều trường hợp tự động hóa sẽ giúp giải phóng sức lao động, giảm thiểu rủi ro và tai nạn.
Về công nghệ quản lý và vận hành, công nghệ thông minh đang dần chiếm lĩnh thị trường, khi tích hợp được nhiều chức năng điều khiển vận hành các hệ thống kỹ thuật vào cùng một đường dây, nâng cao hiệu quả quản lý và vận hành, thể hiện rõ trong những hoạt động như điều khiển hệ thống (điều hòa không khí, tưới cây, sưởi ấm và làm mát…) làm việc theo ý muốn hoặc theo điều kiện thời tiết đã được lập trình trước, điều tiết đỗ xe, chiếu sáng nhân tạo, giám sát an ninh, bảo dưỡng công trình, phòng cháy chữa cháy tự động… Giải pháp quản lý và vận hành thông minh cũng giúp làm giảm đáng kể năng lượng sử dụng trong công trình.
Tòa tháp Ngân hàng Thương mại Frankfurt (Frankfurt Commerzbank).
Tòa tháp Ngân hàng Thương mại Frankfurt được đưa vào sử dụng năm 1997 là một ví dụ điển hình cho kiến trúc xanh công nghệ cao và cũng là một trong những thiết kế thành công nhất, được đánh giá cao nhất của KTS Norman Foster. Kiến trúc sư và cộng sự đã sử dụng hình tam giác đều làm cơ sở bố trí các khối văn phòng đạt điều kiện tiện nghi vi khí hậu tối đa, cung cấp môi trường làm việc lý tưởng cho nhân viên. Giải pháp thông gió và chiếu sáng tự nhiên được kết hợp với việc đảm bảo điểm nhìn tốt cho cả hai dãy văn phòng phía ngoài (nhìn ra khu trung tâm thành phố Frankfurt với sông Main) cũng như dãy văn phòng bên trong (nhìn vào không gian xanh của lõi tòa nhà), qua các khối văn phòng đặt so le nhau và khoảng cách giữa hai khối văn phòng trên/dưới được mở để đón gió và lấy ánh sáng. Các khoảng sân trời đó được tận dụng để cung cấp các dịch vụ tiện ích tại chỗ như nhà hàng, quầy giải khát, câu lạc bộ… cho nhân viên văn phòng. Lớp kính cường lực bên ngoài được chế tạo theo công nghệ low-e, giúp giảm thiểu tổn thất nhiệt về mùa đông khi văn phòng được sưởi ấm và tránh được tác động của bức xạ nhiệt vào mùa hè.
Structure concept.
Cả 5 gói giải pháp tiên tiến về công nghệ như đã nêu trên đều được vận dụng và phối hợp với nhau một cách hoàn hảo trong bản thiết kế, bên cạnh ý tưởng đơn giản song đầy sáng tạo, giúp công trình đạt hai giải cao nhất về thiết kế và công nghệ của Hội Kiến trúc sư Hoàng gia Anh và Hội Kiến trúc sư Liên bang Đức. Công trình vận hành trong thực tế hiệu quả đến mức năng lượng tiêu thụ thực ít hơn 20% so với các tính toán khi thiết kế, bằng 50% so với các tòa tháp văn phòng hiện đại khác trong thành phố Frankfurt nói riêng và tại nước Đức nói chung. Bên cạnh đó, thời gian trong năm đạt mức tiện nghi nhiệt trong nhà theo cách thức tự nhiên lên tới 85%, thay vì có 60% như dự tính ban đầu. Công trình cũng góp phần tích cực vào việc tạo lập hệ sinh thái đô thị qua các giải pháp phủ xanh những khoảng không gian trống và thiết kế một số bề mặt có tính thẩm thấu cao giúp tái tạo nguồn nước ngầm.
Ecology Concept.
Trụ sở Ủy ban Năng lượng của Malaysia tại trung tâm hành chính quốc gia mới tại Putrajaya do KTS người Thái Lan Soontorn Boonyatikam thiết kế và hoàn thành thi công năm 2010 là một ví dụ gần gũi hơn với Việt Nam trên khía cạnh kiến trúc xanh công nghệ cao trong điều kiện khí hậu nhiệt đới nóng ẩm và trình độ phát triển không quá chênh lệch như trong trường hợp của Singapore. Công trình đã đạt chứng chỉ Bạch Kim theo tiêu chuẩn đánh giá Công trình Xanh hiện hành.
Một vài thông số trích lược sau minh họa cho tính hiệu quả của công trình có được thông qua các giải pháp thông minh về thiết kế và công nghệ: Mức độ chiếu sáng tự nhiên đạt tiêu chuẩn cho 50% diện tích sàn dù công trình có chiều sâu sàn và khối tích lớn, giảm 40% lượng nhiệt hấp thụ, tiêu thụ năng lượng chỉ ở mức 69 kWh/m2/năm – tức là tiết kiệm 60-75% so với các công trình khác tương đương về quy mô và tính chất sử dụng của Malaysia, năng lượng mặt trời đóng góp gần 10% vào tổng năng lượng sử dụng của công trình, nhu cầu điều hòa không khí giảm 30%, hiệu quả sử dụng nước sạch cao gấp rưỡi so với tiêu chuẩn chung của Malaysia, 88% lượng nước sử dụng được khai thác từ nước mưa và nước xám đã qua xử lý, chất thải được tái chế nên lượng rác thải giảm 75%, tỷ lệ người cảm thấy hài lòng với tiện nghi nhiệt là 86% và với mức độ trong lành của không khí là 95%, … Đó là những số liệu rất khả quan và ấn tượng.
Phần nội thất bên trong Putrajaya – Malaysia.
Hình dáng bên ngoài là điều kiện tiên quyết ban đầu cho sự hiệu quả về năng lượng của công trình. Hình khối được nghiên cứu đầu tiên nhằm tìm cách giảm nhiệt lượng hấp thụ và khai thác tối đa ánh sáng tự nhiên. Hình dáng như một cách thức truyền tải sự hiệu quả của công trình đã được thể hiện một cách rõ ràng hơn. Lớp vỏ bao che láng nhẵn, dốc và phản chiếu đã làm cho công trình trở thành một điểm nhấn ngay lập tức. Với mỗi tầng phía trên lớn hơn tầng phía dưới, công trình trông có vẻ lớn hơn kích thước thực. Lớp vỏ bao che phản chiếu các hoạt động trên đường phố; công trình vươn cao lên bầu trời, dù chiều cao không thật sự lớn. Cửa sổ trên mái, hệ thống thu giữ nước mưa cùng các tấm pin năng lượng mặt trời trên mái là những thiết kế ứng phó với khí hậu và thân thiện với môi trường. Giếng trời thông tầng như một phần không thể tách rời của toàn bộ công trình, kết nối các không gian, phân bố ánh sáng tự nhiên đều cho các văn phòng được bố trí xung quanh. Được nhìn thấy từ mọi góc, không gian thông tầng là một công cụ định hướng để xác định sự tương quan của các không gian bên trong, đồng thời kết nối người sử dụng với môi trường bên ngoài.
Bố trí chiếu sáng của công trình.
Biểu đồ mặt trời cho thấy hiệu quả chiếu sáng.
Bản phân tích đánh giá cuối cùng của chủ đầu tư cho thấy công trình đã thể hiện được nhiều hơn và có giá trị cũng như ý nghĩa lớn hơn với người sử dụng và khách thăm quan công trình. Kể từ khi khai trương, Tòa nhà Văn phòng Ủy ban Năng lượng của Malaysia đã nhận được nhiều sự chú ý truyền thông và nhận được biệt danh Kim cương của Ủy ban Năng lượng Quốc gia và trở thành một biểu tượng của thiết kế Xanh trong khu vực Đông Nam Á .
Trong những năm gần đây, lớp vỏ công trình được đặc biệt chú ý thiết kế, vì đó là cấu trúc đóng vai trò rất quan trọng trong việc đảm bảo tiện nghi nhiệt của công trình xây dựng, có khả năng che nắng, giảm bức xạ và cách nhiệt cho công trình, bên cạnh giá trị thẩm mỹ và tạo hình cho mặt đứng. Thực tế cho thấy điều kiện thời tiết bên ngoài có thể thay đổi liên tục và rất nhanh theo giờ trong ngày, đôi khi với biên độ khá lớn. Vấn đề đặt ra là làm thế nào để đảm bảo tối đa tiện nghi vi khí hậu trong công trình, để chất lượng môi trường trong phòng không bị ảnh hưởng quá nhiều bởi các yếu tố thời tiết. Một trong những hướng nghiên cứu áp dụng có hiệu quả nhất là tạo ra các kết cấu bao che có khả năng thay đổi độ đóng mở, che phủ theo điều kiện thời tiết, sử dụng công nghệ cảm biến. Đây cũng là một nội dung quan trọng của kiến trúc xanh công nghệ cao hiện nay.
Văn phòng giới thiệu sản phẩm kỹ thuật của hãng Kiefer (Bad Gleichenberg – Áo).
Kiefer Technic Showroom – một sản phẩm thiết kế công nghệ cao của hãng Ernst Giselbrecht & Partners năm 2010 tại thị trấn Bad Gleichenberg (Đông Nam nước Áo). Hệ vỏ bao che bên ngoài được chế tạo bởi các tấm hợp kim nhôm đục lỗ nhỏ có khả năng đóng mở gắn trên hệ khung thép và được vận hành bởi 56 động cơ cỡ nhỏ theo chương trình điều khiển tự động. Khi cần, lớp vỏ này hoàn toàn được khép kín hoặc hoàn toàn mở. Mức độ đóng/mở cũng rất đa dạng, khác nhau tùy thuộc mức tiện nghi yêu cầu của người sử dụng mà các tấm này được gập lại theo số lượng và góc độ được tính toán là cần thiết.
