Thiết kế kiến trúc kết cấu thép hiện đại và sự thể hiện kỹ thuật

Yếu tố then chốt dẫn đến thành công của ý tưởng thiết kế kiến trúc kết cấu thép (steel structure architectural design) là sự kết hợp giữa kỹ thuật (engineering concept) và hình thức thể hiện (architectural expression). Trong quá trình phát triển và đi sâu vào thiết kế phương án, cần có sự phối hợp chặt chẽ với kỹ sư kết cấu, kỹ sư thiết bị (cơ điện, thông gió...) và thậm chí cả kỹ sư cơ khí. Khi đó, việc thể hiện kỹ thuật (technical expression) sẽ trở nên tự nhiên. Dù là hình thức không gian (spatial form), hình khối tổng thể (massing), hay các chi tiết cấu tạo nút giao (connection details), tất cả đều có ảnh hưởng rất quan trọng đến thiết kế kiến trúc và sự thể hiện. Dưới đây xin trình bày vấn đề này từ một số khía cạnh.

(A) Thể hiện kỹ thuật trong thiết kế kiến trúc kết cấu thép

Ý tưởng về hình khối kiến trúc là một quá trình sáng tạo mang tính ý niệm (conceptual), là một trong những bài toán khó của sáng tác kiến trúc, đồng thời cũng là vấn đề trọng tâm được đặc biệt quan tâm trong thiết kế kiến trúc. Nhìn lại mối quan hệ giữa kiến trúc và tiến bộ khoa học kỹ thuật kể từ cuộc cách mạng công nghiệp, có thể thấy rõ sự chậm trễ (tính trì hoãn) trong phản ứng của kiến trúc đối với những thay đổi của công nghệ. Điều này phản ánh một khía cạnh vị trí sâu sắc của kiến trúc trong đời sống văn hóa xã hội cũng như mối liên hệ mật thiết của kiến trúc với phương thức sinh hoạt của con người. Ngoài ra, cuộc cách mạng thông tin (information revolution) đang phát triển mạnh mẽ và len lỏi vào mọi lĩnh vực của đời sống xã hội, khiến cho tư duy khoa học hiện đại được tích hợp vào thiết kế kiến trúc. Các phương pháp quy hoạch dự án mới, thiết kế cảnh quan và kiến trúc đã có những thay đổi to lớn. Mục đích của thiết kế kiến trúc cũng chuyển từ việc đơn thuần theo đuổi cái đẹp sang việc tìm kiếm giải pháp hợp lý cho các vấn đề, về cơ bản đã thay đổi nhận thức và phương pháp thiết kế kiến trúc truyền thống của con người, và cuối cùng tác động đến quan niệm kiến trúc truyền thống đã được hình thành qua hàng nghìn năm. Kiến trúc High-tech (High-tech architecture) là một đại diện tiêu biểu cho xu hướng này, với các chi tiết cấu tạo tinh xảo (tinh tế) và gia công chính xác để thể hiện kỹ năng vượt trội (khả năng kỹ thuật cao), "chế tác" công trình với trình độ và tay nghề cao hơn.

(B) Yêu cầu cao về thiết kế chi tiết (detail design) trong kiến trúc kết cấu thép

Khi thiết kế kiến trúc kết cấu thép càng phức tạp và đòi hỏi độ tinh xảo (sự tinh tế) cao thì yêu cầu về thiết kế chi tiết càng cao. Bởi vì thiết kế chi tiết quyết định việc một phương án (một bộ phận) cuối cùng có được hiện thực hóa (khẳng định) hay không và chất lượng của nó ra sao. Trong kiến trúc kết cấu thép hiện đại, các thanh kết cấu kim loại (metal structural members) và các nút liên kết (node details) thường được để lộ ra bên ngoài, mang lại cảm giác mạnh mẽ về công nghệ. Ví dụ như Trung tâm Văn hóa Nghệ thuật Pompidou tại Paris (Pháp) xây dựng năm 1977, các cột thép, dầm thép, giàn (truss)... đều được lộ thiên, qua đó không chỉ thể hiện vẻ đẹp kỹ thuật mà còn thể hiện trí tuệ và năng lực của con người. Vì vậy, đối với kiến trúc kết cấu thép, việc duy trì yêu cầu thiết kế và chế tạo chi tiết ở mức độ cao là vô cùng quan trọng và cần được đặc biệt coi trọng.

(C) Lập kế hoạch kiến trúc (Architectural programming / Project planning) cũng là yếu tố ảnh hưởng đến thiết kế và thể hiện kiến trúc kết cấu thép

Bởi vì thiết kế kiến trúc kết cấu thép mang đầy đủ các thuộc tính chung của thiết kế kiến trúc (tính khái quát). Kiến trúc sư không thể thiết kế một cách tùy hứng; nhiệm vụ thiết kế từ phía chủ đầu tư (brief) có tác động lớn đến bố cục mặt bằng (layout) và ý tưởng thiết kế của kiến trúc sư. Khách hàng mong muốn các nhà thiết kế có thành tích (năng lực) tốt hơn và cũng mong muốn các nhà thiết kế cùng các chuyên gia thị trường có thể tham gia hiệu quả hơn vào quá trình ra quyết định cho sản phẩm cuối cùng. Trong giai đoạn này, dự án xây dựng nhấn mạnh vào thiết kế tổng thể (integrated design), sự phối hợp giữa các kiến trúc sư chuyên nghiệp, chuyên gia thị trường và chủ đầu tư. Quá trình thiết kế bao gồm sự thích hợp, trao đổi và tích hợp liên tục thông tin và kiến thức. Ngoài ra, tính chuyên môn hóa (tính chuyên nghiệp) của kiến trúc kết cấu thép không chỉ cung cấp kiến thức thiết kế phong phú mà còn có thể tích hợp hiệu quả các nguồn lực thiết kế và chuyên gia thị trường cùng chịu trách nhiệm cho công trình, giúp kết hợp hài hòa giữa thiết kế với mục đích kinh doanh của chủ đầu tư, từ đó giúp dự án sinh lời và giảm thiểu rủi ro.

Đặc điểm của kết cấu thép hiện đại trong xây dựng

(1) Mức độ tiền chế (Prefabrication - tính công nghiệp hóa) cao, giảm chi phí xây dựng, rút ngắn thời gian thi công

Hệ thống phối hợp mô đun (modular coordination) thống nhất của kết cấu thép đã hiện thực hóa sản xuất công nghiệp hóa quy mô lớn trong kiến trúc, nâng cao mức độ tiền chế, làm cho các bộ phận cấu thành công trình (construction components) với các vật liệu, hình dạng, phương pháp chế tạo khác nhau có tính phổ dụng (tính tổng quát) và tính hoán đổi (interchangeability) nhất định. Đồng thời, tính tiền chế của kết cấu thép giúp tích hợp gia công vật liệu và lắp dựng tại công trường, giảm đáng kể chi phí xây dựng, đồng thời đẩy nhanh tiến độ thi công, có thể rút ngắn thời gian hơn 40%, từ đó giúp các chủ đầu tư bất động sản tăng tốc vòng quay vốn, công trình sớm được đưa vào sử dụng.

(2) Kết cấu thép có khả năng đáp ứng yêu cầu về chiều cao siêu lớn (nhà chọc trời) và nhịp siêu lớn (cầu, mái vòm)

Thép có tổ chức đồng đều, gần giống với vật liệu đẳng hướng (isotropic material), cường độ cao, mô đun đàn hồi (elastic modulus) cũng cao. Tỷ lệ giữa trọng lượng riêng (density) và cường độ của thép nhỏ hơn nhiều so với gạch đá, bê tông, gỗ. Do đó, dưới cùng một điều kiện chịu lực, trọng lượng bản thân kết cấu thép nhẹ hơn, cho phép tạo ra các kết cấu có nhịp lớn hơn, chiều cao lớn hơn cũng như các hình thái kết cấu linh hoạt. Hiện nay, con người có khả năng xây dựng các mái vòm siêu lớn (Mái vòm siêu lớn - super large dome) với nhịp vượt quá 1000m và các tòa nhà siêu cao tầng với chiều cao vượt quá 1000m và có thể lên tới 4000m. Kết cấu dây cáp thép kết hợp với kết cấu màng (cable and membrane structure) tạo thành hệ thống dây cáp - màng càng đáp ứng tốt hơn các yêu cầu về nhịp của công trình, biến loại hình này trở thành những công trình biểu tượng (landmark). Ví dụ: mái che sân bóng chày Korakuen (Tokyo Dome - "Sân vận động Mái vòm Tokyo") tại Nhật Bản là kết cấu dây - màng (cable-membrane) bao gồm cáp thép và màng khí nén (air-supported membrane), diện tích lên tới 28.000 m². Công trình biểu tượng "Mái vòm Thiên niên kỷ" (Millennium Dome) ở London do Chính phủ Anh xây dựng để chào đón thế kỷ 21 (một công trình triển lãm tổng hợp lớn) cũng áp dụng hệ thống dây - màng, với đường kính mái vòm lên tới 320m.

(3) Sự tích hợp giữa thiết kế và công năng của kiến trúc và kết cấu giúp công trình trở nên thiết thực và hiệu quả hơn.

Trong kiến trúc kết cấu thép, bản thân kết cấu trở thành một yếu tố quan trọng cấu thành nên hình khối (hình tượng). Hình dáng kết cấu, cấu kiện và nút (chi tiết) ở mức độ lớn quyết định và chi phối hình ảnh của công trình. Chỉ khi thiết kế và chức năng của cả kiến trúc lẫn kết cấu đạt được sự thống nhất (tích hợp), công trình kiến trúc kết cấu thép mới trở nên giàu tính chức năng hơn, tạo điều kiện cho các khâu thiết kế tiếp theo được triển khai, từ đó kiến tạo nên những công trình hòa quyện giữa kỹ thuật và nghệ thuật. Nhiều phương án dự thầu cho Sân vận động Quốc gia Bắc Kinh (Bird's Nest) phục vụ Thế vận hội Olympic 2008 đã thể hiện đặc điểm này. Ví dụ: phương án mái có thể đóng mở của Viện Thiết kế Kiến trúc Đại học Thanh Hoa (Trung Quốc), với hai mái vòm kính hình bán nguyệt được bố trí ở trung tâm mái lớn, thực hiện đóng mở mái bằng cách xoay tương đối và trượt song song; hay phương án mặt ngoài của Trung tâm Triển lãm Sân vận động Trung Quốc (China Architectural Design and Research Group) chính là kết cấu, hình khối đẹp hoàn hảo, chức năng và kết cấu đạt được sự thống nhất tuyệt đối; ngoài ra còn có phương án mái gập (foldable) của Công ty Kiến trúc Shūshikichi (Nhật Bản), mái được đỡ bởi khung thép công xôn (cantilever), có thể đóng mở trong vòng 30 phút, đảm bảo các sự kiện và hoạt động trong năm diễn ra không bị ảnh hưởng bởi thời tiết.

(4) Nguyên liệu thô có thể được tái chế và sử dụng theo vòng tuần hoàn, góp phần bảo vệ môi trường và phát triển bền vững

Việc phát triển kết cấu thép có ý nghĩa đặc biệt to lớn đối với nước ta – một quốc gia đang rất thiếu hụt về tài nguyên và năng lượng, bởi Trung Quốc là nước có quy mô xây dựng nhà gạch và bê tông lớn nhất thế giới. Thép là loại vật liệu có cường độ và hiệu suất cao, mang giá trị tái chế rất lớn (ngay cả phế liệu cũng có giá trị) và không cần thi công bằng khuôn đúc. Hiện nay, các sản phẩm nhà ở kiểu mới đang được quốc tế rất quan tâm đã được du nhập vào nước ta, với đặc điểm bảo vệ môi trường và tiết kiệm năng lượng được thể hiện chủ yếu ở hai khía cạnh sau:

(a) Loại hình nhà ở này áp dụng hệ thống cách nhiệt, giữ ấm, chống ẩm kín hoàn toàn (fully enclosed thermal insulation and moisture-proof system), có sự thay đổi nhiệt độ nhỏ, tổn thất nhiệt thấp. Dù là mùa đông hay mùa hè, đều mang đến môi trường sống thoải mái. Khi nhiệt độ bên ngoài là 0 độ C, nhiệt độ trong nhà vẫn có thể duy trì trên 17 độ C; khi nhiệt độ bên ngoài đạt 30 độ C, nhiệt độ trong nhà chỉ khoảng 21 độ C.

(b) So với nhà ở kết cấu gạch đá, có thể tiết kiệm hơn 60% năng lượng; thiết bị điều hòa vào mùa đông và mùa hè có thể tiết kiệm hơn 30% điện năng tiêu thụ; tỷ lệ tái sử dụng vật liệu kết cấu đạt 100%. So với kết cấu gạch đá, trong điều kiện cùng chiều cao thông thủy của sàn, diện tích tường bao che của kết cấu thép nhỏ hơn, giúp tiết kiệm năng lượng cần thiết cho điều hòa và giảm chi phí bảo trì.