Thư viện Quốc gia Singapore: Một cách nhìn mới về Kiến trúc ứng dụng

Thư viện quốc gia Singapore là một trong 11 dự án nước ngoài được Viện Kiến trúc sư PAM Malaysia trao giải thưởng. Năm 2005 đạt giải thưởng huy chương vàng của WACA (Hội KTS Trung Quốc toàn thế giới). Năm 2006 nhận khen thưởng của Viện Hoàng gia Australia. Năm 2007 đạt giải nhất Công trình hiệu quả năng lượng ASEAN. Giải Bạch kim Green Mark của Cơ quan quản lý Xây dựng (BCA) của Singapore. Giải Bạc về thiết kế toàn cầu của BCA. Giải thi công xây dựng xuất sắc của BCA. Bằng khen Giải thưởng Thiết kế công trình ứng dụng của BCA loại hình công trình. Huy chương bạc về thiết kế mặt đứng xuất sắc của Viện kiến trúc sư Singapore.

Thông tin công trình

• Thiết kế kiến trúc: Công ty T.R. Hamzah & Yeang
• Thiết kế kỹ thuật: Công ty Buro Happold Singapore
• Kiểm soát chất lượng: Rider Levett Bucknall
• Mô phỏng môi trường: Toàn bộ nhóm thực hiện công trình
• Thiết kế nội thất: Công ty Woodhead Wilson
• Tư vấn ICT: Tập đoàn Arup
• Thiết kế chiếu sáng: Công ty Lighting Planners Associates
• Địa điểm: Phố 100 Victoria, Singapore 188064
• Tổng diện tích sàn: 58.783m2
• Diện tích khu đất: 11.304m2
• Chiều cao tổng thể: 102,8 m bao gồm 3 tầng hầm và hai khối nhà: một khối 15 tầng, một khối 16 tầng. Nối giữa hai khối nhà là sảnh lớn, sân trong có mái che cao 100m.
• Chi phí xây dựng thực tế: 204,4 triệu đô Singapore (mức dự định ban đầu 230 triệu đô Singapore)

Thư viện quốc gia Singapore là một công trình thiết kế ứng dụng

Thiết kế ứng dụng giữ vai trò vô cùng quan trọng trong thời hiện đại, khi những tiến bộ trong công nghệ thiết kế và kết cấu luôn sẵn sàng đáp ứng việc tối ưu hóa trong sử dụng đất và tài nguyên môi trường.

Dự án Thư viện quốc gia Singapore là một thiết kế nổi bật với sự tiến bộ trong xây dựng đã tích hợp việc thiết kế, kỹ thuật, xây dựng và công nghệ để tạo ra một công trình hiện đại với chi phí năng lượng thấp và hạn chế ảnh hưởng đến môi trường. Việc sử dụng vật liệu xanh và nâng cao hiệu quả năng lượng trong quá trình thiết kế kiến trúc được cân nhắc kỹ lưỡng trong khi vẫn đảm bảo về công năng công trình.

Thư viện quốc gia là một công trình mang tính tiện ích, vì vậy đòi hỏi cao trong thiết kế đối với môi trường trong và ngoài nhà. Quá trình thiết kế theo phương pháp khoa học, theo định hướng định lượng và dự báo được hiệu năng của công trình với độ chính xác và tối ưu hóa cao.

Chiến lược thiết kế thụ động

Công trình được thiết kế để thích ứng với khí hậu nhiệt đới. Kỹ thuật thiết kế sinh khí hậu đã được áp dụng là: chọn hướng và hình dạng công trình thích ứng khí hậu, thiết kế mặt đứng thích ứng, màu sắc công trình thích hợp, các hệ thống thụ động năng lượng thấp, sử dụng ánh sáng thụ động và sử dụng tối đa cảnh quan. Các kỹ thuật thiết kế này được lắp ghép với nhau để tạo ra một chiến lược chung nhằm đạt năng lượng hiệu quả.

Quy hoạch tổng thể và hướng công trình

Chiến lược thiết kế của dự án là tối ưu hóa sử dụng đất và đạt tiện nghi thụ động. Công trình được chọn hướng theo cách tạo khoảng đệm cho không gian bên trong khỏi bức xạ mặt trời trực tiếp và đốt nóng công trình. Hướng được chọn là tránh hướng Đông-Tây, tạo hiệu quả giảm bức xạ mặt trời trực tiếp chiếu vào mặt đứng công trình.

Hình dạng công trình

Tòa nhà bao gồm hai khối, nối với nhau bằng cầu nối trên không. Hai khối có hình dáng khác biệt nhưng bổ sung cho nhau. Khối nhà thư viện có hình dạng vuông vắn, phản ánh tính chất công năng của thư viện quốc gia.

Khối hành chính, phản ánh chức năng phụ của thư viện quốc gia, có dạng đường cong và nhỏ hơn, tạo thành sự kết hợp hài hòa với khối thư viện chính. Giao thông đơn giản. Thiết kế tổng thể của công trình cho phép dễ dàng định hướng và thuận tiện cho sử dụng hàng ngày.

Lõi phục vụ : Diện tích phục vụ đặt ở cạnh phía Tây Nam và phía Tây Bắc của tòa nhà dùng làm vùng đệm để cách nhiệt cho các diện tích bên trong. Trong định hướng thiết kế, lõi thang máy có tác dụng như một lá chắn nhiệt chống lại ánh nắng mặt trời buổi chiều.

Các ban công: Ban công được thiết kế trên các tầng như vùng đệm nhiệt. Khu vườn trên cao và sân thượng với thảm thực vật trên những ban công giảm thiểu hiệu ứng đảo nhiệt đô thị bằng cách che nắng cho các bề mặt hấp thụ nhiệt và làm mát thông qua bốc hơi nước. Các vách kính hai lớp giảm truyền nhiệt vào công trình.

Tổ chức hợp khối công trình đảm bảo thông gió tự nhiên

Ở vùng khí hậu nhiệt đới, các luồng gió luôn được tận dụng trong thiết kế hệ thống thông gió tự nhiên. Trong thư viện quốc gia, kiến trúc sư đã  thiết kế một đại sảnh cao 100m, nằm giữa hai khối nhà, và mở cửa phía trên đại sảnh thông tầng,  tạo điều kiện cho sự chuyển động của gió nóng bay lên trên cao và lấy gió lạnh ở phía dưới (mặt đất) vào công trình, giúp hút luồng khí nóng ra ngoài. Hiệu ứng đảo nhiệt đô thị do đó đã được giảm bớt.

Sảnh chung được thiết kế cùng cao độ mặt đường, là không gian mở, đón gió tự nhiên. Đây là không gian đa năng để có thể đi dạo, tổ chức các sự kiện với sức chứa đến 900 người. Không gian này kết nối với khoảng thông tầng bởi lối đi bộ trên cao.

Tốc độ gió trung bình của môi trường xung quanh tạo ra luồng không khí chuyển động ở phía dưới công trình, rất có lợi. Gió đông bắc tạo ra tốc độ không khí thấp, ở phía dưới giữa hai khối nhà là 0,5 m/s; Gió Đông Nam tạo ra tốc độ không khí cao nhất,  ở phía dưới giữa hai khối nhà là 2,3 m/s. Tốc độ gió này đem đến sự thoải mái cho người sử dụng trong điều kiện môi trường nóng ẩm.

Thiết kế mặt đứng, vỏ bao che, kết cấu che nắng

Vấn đề mấu chốt là bức xạ nhiệt mặt trời, chiếu sáng và độ ẩm của vùng khí hậu nhiệt đới có thể gây mất tiện nghi cho người sử dụng công trình cũng như ảnh hưởng đến việc bảo quản tài liệu thư viện. Để giảm sức nóng nhiệt mặt trời truyền vào công trình qua mặt ngoài, công trình cần phải được che nắng nhiều, đặc biệt cần che nắng hoàn toàn ở góc độ cao 300 trở lên.

Trong khi bức xạ mặt trời trực tiếp không được phép chiếu vào công trình từ 10:00 giờ sáng đến 04:00 giờ chiều thì thiết kế mặt đứng công trình vẫn phải đảm bảo cho phép đủ lượng ánh sáng tự nhiên (ánh sáng tán xạ) chiếu vào công trình nhằm giảm sử dụng nguồn sáng nhân tạo.

Công trình được che nắng tối đa để giảm thiểu sức bức xạ trực xạ mặt trời vào mặt đứng công trình. Các kết cấu che nắng bao gồm tấm che nắng, mái vòm, lam che nắng trên mặt đứng phía ngoài lớp vỏ công trình. Những tấm che nắng mảng lớn, độ dài từ 18m đến 35m ở giữa hai khối nhà, là các kết cấu chính che mặt trời.

Chiến lược che nắng cho công trình với yêu cầu loại bỏ được nắng chiếu từ góc 300 đã tạo ra các tấm chắn nắng có kích thước lớn nhất: nhô ra khỏi mặt kính tới 1,8m và được lắp đặt ngoài vách kính xung quanh công trình nhà nhằm kiểm soát bức xạ mặt trời và ánh sáng chói nhưng vẫn tối đa hóa chiếu sáng tự nhiên cho công trình.

Việc chế tạo các tấm che nắng bên ngoài và trong nhà theo từng vị trí và độ sâu đã được hỗ trợ bởi phần mềm mô phỏng theo biểu đồ mặt trời.  Việc thi công lắp đặt những tấm chắn nắng này lên mặt đứng khá kỳ công: sử dụng hệ ốp mặt đứng theo modul, được kéo căng và neo giữ bằng cáp thép để đảm bảo độ cứng.

Các nghiên cứu về chiều cao cửa sổ và khoảng che râm đã được thực hiện. Giải pháp chung chung là các mô-đun cao 1,1m theo chiều đứng và một mô-đun 2,2m ở khu vực gần sàn nhất tạo ra khoảng che râm rộng đến 2,4m, bao gồm 1,2 m đổ bên trong công trình.

Khi hệ thống che nắng không hiệu quả lúc mặt trời xuống quá thấp, rèm tự động được lắp đặt tại một số vị trí của tòa nhà được kích hoạt. Dựa trên biểu đồ chiếu sáng tự nhiên, các rèm che được sử dụng với tần suất khoảng 2% mỗi năm.

Do phải đỡ những tấm che nắng và chiều cao tầng 5,4m nên chiều dày tường ngoài có kích thước 250mm (kích thước tối đa đối với khuôn nhôm định hình). Các chỉ số OTTV là 32.1W/m2 và giá trị U của kính là khoảng 1.62W/m2K. Chiến lược che nắng làm giảm đáng kể tải điều hòa không khí, cho kết quả tiết kiệm năng lượng đáng kể.

Chiếu sáng tự nhiên

Thiết kế tối ưu hóa việc sử dụng chiếu sáng tự nhiên ở tất cả các tầng của công trình, đặc biệt là trong khối thư viện. Tại các không gian văn phòng và hành lang, ánh sáng tự nhiên bổ sung cho ánh sáng nhân tạo.

Sử dụng sinh khí hậu cảnh quan

Không gian xanh được bố trí trong công trình tổng cộng là 8.000m2, bằng 10% tổng diện tích sàn của tòa nhà. 14 vườn và sân trời được bố trí trong khắp công trình. Cảnh quan theo chiều đứng làm giảm nhiệt độ bề mặt của mái nhà và các tầng trên cao, giảm thiểu sự truyền nhiệt vào các không gian bên dưới, cải thiện môi trường nhiệt trong nhà cũng như hiệu suất nhiệt của công trình.

Chiến lược thiết kế chủ động

Thiết kế tiết kiệm năng lượng đạt được theo cách tích hợp trong khi vẫn đảm bảo tiện nghi cho người sử dụng và hoạt động hiệu quả. Mục tiêu Chỉ số Hhệu quả năng lượng chuẩn (EEI) 178kWH/m2/năm đã được thiết lập sau khi nghiên cứu kỹ lưỡng. Trong một năm hoạt động, công trình Thư viện quốc gia không chỉ đạt mà còn vượt qua chỉ số hiệu quả năng lượng của nó (EEI). Chỉ số năng lượng thực tế năm 2006 là 152 kWh/m²/năm.

Hệ thống chiếu sáng tiết kiệm năng lượng (điều khiển chiếu sáng tích hợp)

Sử dụng bộ cảm biến chuyển động kiểm soát chiếu sáng: bật các đèn cho các khu vệ sinh nhân viên và các kho chỉ khi các không gian này đang được sử dụng, và tắt đèn khi không được sử dụng; sử dụng bộ chấn lưu tần số cao và các loại đèn tiết kiệm năng lượng.

Các không gian thư viện, triển lãm và văn phòng chủ yếu là sử dụng ánh sáng tự nhiên. Ánh sáng nhân tạo chỉ cấp tại mức độ chiếu sáng cần thiết, do đó làm giảm tiêu thụ năng lượng. Riêng đối với khu vực văn phòng, việc sử dụng thiết bị thông minh cho phép cấp điện sau giờ làm việc chỉ tại những nơi có yêu cầu, thay vì chiếu sáng toàn bộ sàn văn phòng.

Hệ thống điều hòa, cơ điện M&E tiết kiệm năng lượng

Ống kỹ thuật của hệ thống cơ điện M&E được sản xuất tại nhà máy nhằm giảm nhân công và giảm áp lực công việc nơi công trường. Hệ thống cơ điện theo chiều đứng tập trung ở các vị trí tối ưu ở mỗi khối giúp tối ưu hiệu quả chi phí hoạt động và bảo trì.

Các hệ thống máy làm lạnh hiệu quả cao, tuần hoàn nước lạnh chính và thứ cấp, quạt biến tần, cảm biến khí CO, thông gió đối lưu, cảm biến mưa, cảm biến thang cuốn được sử dụng. Tối ưu hóa lượng không khí tươi và giảm việc làm lạnh không cần thiết đã đạt hiệu quả năng lượng đáng kể.

 Các ứng dụng sáng tạo khác

• Phân tích năng lượng tự thân của công trình, giảm chi phí năng lượng và tác động thường xuyên đến môi trường

Chiến lược thiết kế thích hợp được áp dụng để giảm chi phí năng lượng tự thân công trình và giảm các tác động môi trường của Thư viện quốc gia đạt mức thấp hơn so với các loại hình công trình văn phòng điển hình tương đương. Với chức năng thư viện, các đặc điểm kỹ thuật yêu cầu tiêu chuẩn cao hơn. Tổng số năng lượng tự thân của công trình là 17GJ/m2. Chỉ số này nằm trong các tiêu chuẩn dành cho công trình thương mại (giữa 10 – 18/m2).

• Tái sử dụng thích nghi

Sự linh hoạt để thích ứng với việc mở rộng sức chứa và nhu cầu sử dụng trong tương lai là một đặc điểm của thư viện quốc gia. Thiết kế để thích ứng tái sử dụng bao gồm việc xem xét cả hai yếu tố: không gian và dễ thay đổi của vật liệu. Ở tầng 11 và 12 của thư viện, một không gian ba chiều được thiết kế để để phù hợp với việc mở rộng trong tương lai.

• Đảm bảo âm học

Các tính năng trong thiết kế xử lý âm học trong các không gian được tuân theo các giải pháp âm học. Các không gian này bao gồm không gian thư viện, không gian lập trình, thính phòng và không gian POD. Tiêu chuẩn thiết kế cho thư viện và bảo tàng được áp dụng và giám sát theo chuẩn ASHRAE.

• Bảo trì, kiểm soát tòa nhà bằng hệ thống điều khiển thông minh

Việc tích hợp hệ thống tòa nhà thông minh và người sử dụng thân thiện là nét đặc trưng trong công trình: Các hệ thống tự động thông minh tích hợp hệ thống công nghệ thông tin-truyền thông (ICT) với hệ thống an ninh, hệ thống cơ khí và hệ thống điện của tòa nhà mà không xâm phạm đến thị giác.

Bảo tồn nước

Việc bảo tồn nguồn nước bao gồm việc sử dụng các thiết bị tiêu thụ nước thấp, hệ thống điều khiển và cảm biến cho các vòi nước trong nhà vệ sinh. Sử dụng hệ thống đường ống dẫn nước đôi (nước uống được và nước xám) nhằm sử dụng tài nguyên nước tại chỗ một cách hợp lý.

Nước thải được xử lý sinh học để giảm thiểu ô nhiễm nguồn nước. Sử dụng hệ thống tưới nước nhỏ giọt cho thực vật để giảm tiêu thụ nước.

Pin quang điện

Đã tính toán để lắp đặt pin quang điện trên giàn mái công trình (tại block chính) để dự phòng trong tương lai, khi công nghệ này có giá thành hợp lý hơn để thực hiện. Năng lượng sinh ra từ các tế bào quang điện sẽ bổ sung nhu cầu năng lượng cho lối đi dạo bên ngoài và các khu vực cảnh quan.

Hệ thống xử lý tài liệu

Một hệ thống xử lý tài liệu được thiết kế tối ưu với hệ trả sách tự động dễ dàng trong vận hành, phân loại và đưa sách lên giá. Tốc độ và hiệu quả tăng trong việc vận chuyển sách với việc triển khai RFID tạo điều kiện cho việc quản lý sách.

Nhân công tại Thư viện quốc gia được tối ưu hóa, với các nhân viên chuyên nghiệp ưu tiên các vị trí trách nhiệm cao hơn.  Số lượng sách được xử lý trên mỗi nhân viên là cao nhất so với các thư viện thành phố trên thế giới.

Hiệu quả năng lượng đạt được

Các mức hiệu suất năng lượng của công tình chứng minh tiết kiệm năng lượng. Mức hiệu suất năng lượng: < 185kWH/m2/năm, (thấp hơn so với một cao ốc văn phòng thương mại điển hình (230kWH/m2/năm) tại Singapore).

Cảm biến chuyển động đã được cài đặt để kiểm soát ánh sáng: tiết kiệm 34,058.8 kWh/năm; Chiếu sáng an ninh bãi đậu xe giảm 40 % đến 20 % sau khi giờ hoạt động: tiết kiệm 23.885 kWh / năm; Phân vùng chiếu sáng đèn điện: tiết kiệm 9394 kWh/năm.

Kết luận

Với các đặc điểm thiết kế thích ứng với môi trường của mình, công trình Thư viện quốc gia mang lại cho người sử dụng một công trình chất lượng hiệu quả. Nó cũng đóng góp cho cộng đồng bằng cách thực hiện thiết kế hiệu quả, phù hợp với môi trường thay vì chống lại môi trường tự nhiên.

ThS. Phạm Thị Hải Hà, KTS. Nguyễn Thị Khánh Phương

Bộ môn Kiến trúc môi trường, Trường Đại học Xây dựng

Bài đăng trên Tạp chí Kiến trúc 10/2016