Tóm tắt: Ứng dụng hình học Fractal trong thiết kế tổ hợp kiến trúc tại Việt Nam.

Ứng dụng hình học Fractal trong thiết kế tổ hợp kiến trúc tại Việt Nam.Ứng dụng hình học Fractal trong thiết kế tổ hợp kiến trúc tại Việt Nam.Ứng dụng hình học Fractal trong thiết kế tổ hợp kiến trúc tại Việt Nam.Ứng dụng hình học Fractal trong thiết kế tổ hợp kiến trúc tại Việt Nam.Ứng dụng hình học Fractal trong thiết kế tổ hợp kiến trúc tại Việt Nam.Ứng dụng hình học Fractal trong thiết kế tổ hợp kiến trúc tại Việt Nam.Ứng dụng hình học Fractal trong thiết kế tổ hợp kiến trúc tại Việt Nam.Ứng dụng hình học Fractal trong thiết kế tổ hợp kiến trúc tại Việt Nam.Ứng dụng hình học Fractal trong thiết kế tổ hợp kiến trúc tại Việt Nam.Ứng dụng hình học Fractal trong thiết kế tổ hợp kiến trúc tại Việt Nam.Ứng dụng hình học Fractal trong thiết kế tổ hợp kiến trúc tại Việt Nam.Ứng dụng hình học Fractal trong thiết kế tổ hợp kiến trúc tại Việt Nam.

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

TRƯỜNG ĐẠI HỌC XÂY DỰNG HÀ NỘI

LÊ THỊ PHƯƠNG CHI

ỨNG DỤNG HÌNH HỌC FRACTAL TRONG THIẾT KẾ TỔ HỢP KIẾN TRÚC TẠI VIỆT NAM

Chuyên ngành: Kiến trúc

Mã số: 9580101

TÓM TẮT LUẬN ÁN TIẾN SỸ

HÀ NỘI - 2022

Công trình được hoàn thành tại:

Trường Đại học Xây dựng Hà Nội

Người hướng dẫn khoa học:

1 GS.TS Doãn Minh Khôi

2 PGS.TS Đặng Văn Cứ

Phản biện 1: GS.TS Nguyễn Quốc Thông

Phản biện 2: TS Trần Thanh Bình

Phản biện 3: PGS.TS Khuất Tân Hưng

Luận án được bảo vệ trước Hội đồng chấm luận án cấp trường họp tại Trường Đại học Xây dựng Hà Nội

Vào hồi giờ ngày tháng năm 2022

Có thể tìm hiểu luận án tại: Thư viện Quốc gia và Thư viện Trường Đại học Xây dựng Hà Nội

MỞ ĐẦU

1 Tính cấp thiết của đề tài

Trong kiến trúc, hình học là nền tảng cơ bản cho tạo hình thiết kế,

“là nguyên tắc tổ chức, là phương tiện nối các bộ phận của kiến trúc lại với nhau” Bên cạnh hình học Euclid vốn đã tồn tại hàng nghìn năm, cùng với sự phát triển của khoa học nói chung, đặc biệt là khoa học máy tính, các dạng hình học phi Euclid đã lần lượt ra đời, góp phần tạo nên những công trình kiến trúc độc đáo và những trào lưu kiến trúc mới, trong đó không thể không kể đến hình học Fractal, loại hình học mới nhất do nhà toán học Mandelbrot phát hiện và công bố vào thập niên 70

Nếu như các loại hình học khác như hình học Euclid nghiên cứu các hình đơn lẻ như vuông, tròn, v.v, thì đối tượng của hình học Fractal là các tổ hợp phức tạp, gồm nhiều, thậm chí là vô hạn đường nét được kết hợp với nhau dựa trên các quy tắc đồng dạng Điều này có thể xem

là nền tảng tạo ra sự liên hệ giữa tổ hợp hình học (THHH) Fractal và

tổ hợp kiến trúc (THKT) Điểm đặc biệt nhất của loại hình học này -

đó là khả năng mô tả các cấu trúc phức tạp của tự nhiên, điều mà hình học Euclid trước đây không thực hiện được Sau khi được khởi xướng, hình học Fractal đã phát triển rộng khắp, xâm nhập vào tất cả các lĩnh vực của đời sống trong đó có kiến trúc Theo giải nghĩa thuật ngữ quốc

tế về kiến trúc, “Architecturology” có thể hiểu là khoa học kiến trúc Nhà lý luận kiến trúc Carl Bovil đã nhận định: "Hình học Fractal là một ví dụ (VD) hiếm hoi về công nghệ đi vào cốt lõi của thành phần thiết kế, cho phép kiến trúc sư hoặc nhà thiết kế thể hiện sự hiểu biết phức tạp về thiên nhiên" làm cơ sở cho việc chủ động áp dụng khoa học vào sáng tạo nghệ thuật Còn, tác giả Derek Thomas định nghĩa kiến trúc ứng dụng hình học Fractal như là một "hình thức đương đại

của thiết kế hữu cơ" Hình học Fractal ra đời, gắn liền với sự phát triển của đồ họa máy tính và đã đóng góp vai trò quan trọng trong lịch sử phát triển của kiến trúc tham số - Parametric Architecture - trào lưu kiến trúc gắn liền việc thiết kế với công nghệ đồ họa

Mặc dù tầm quan trọng và ảnh hưởng của hình học Fractal trên thế giới trong suốt thời gian qua là không thể phủ nhận nhưng ở Việt Nam, đặc biệt trong lĩnh vực kiến trúc, hình học Fractal hầu như vẫn là một khái niệm hoàn toàn mới - chưa có một nghiên cứu hoàn chỉnh và chuyên sâu nào Hiện nay, nhu cầu hội nhập của kiến trúc Việt Nam với trào lưu phát triển chung của kiến trúc thế giới là to lớn

và cấp thiết Nếu không cập nhật được toàn diện các vấn đề khoa học công nghệ trong thiết kế thì chắc chắn, đó sẽ là một thiếu sót lớn, thậm chí có thể khiến kiến trúc tụt hậu so với lịch sử Vì các lý do kể trên, NCS đã lựa chọn đề tài “Ứng dụng hình học Fractal trong thiết kế tổ hợp kiến trúc tại Việt Nam”

2 Mục đích và mục tiêu nghiên cứu

2.1 Mục đích nghiên cứu: Đề xuất các khả năng / giải pháp ứng dụng hình học Fractal trong trong thiết kế tổ hợp kiến trúc tại Việt Nam nhằm đáp ứng nhu cầu phát triển kiến trúc trong thời đại khoa học công nghệ 4.0

2.2 Mục tiêu nghiên cứu: Để đạt được mục đích đã đặt ra, các mục tiêu cụ thể của nghiên cứu bao gồm:

- Xác định được nguyên tắc, phạm vi ứng dụng hình học Fractal vào thiết kế THKT tại Việt Nam (mức độ, các dạng hình thái, hình thức

tổ hợp và thể loại công trình)

- Đề xuất được các giải pháp ứng dụng hình học Fractal trong tạo hình, kết hợp với giải pháp áp dụng công nghệ đồ họa hỗ trợ tạo hình cho thiết kế THKT tại Việt Nam

- Đề xuất được quy trình tư duy ứng dụng hình học Fractal theo từng giai đoạn thiết kế THKT tại Việt Nam

3 Đối tượng và giới hạn nghiên cứu

3.1 Đối tượng nghiên cứu: Tổ hợp kiến trúc ứng dụng hình học Fractal

3.2 Giới hạn nghiên cứu: Áp dụng cho các công trình kiến trúc tại Việt Nam trong phạm vi thời gian từ nay đến năm 2030 và tầm nhìn đến 2050

4 Phương pháp nghiên cứu

Phương pháp tổng hợp, phân tích, phân loại và hệ thống hóa lý thuyết; Phương pháp khảo sát, đánh giá và tổng kết lịch sử, kinh nghiệm; Phương pháp so sánh; Phương pháp mô hình hóa; Phương pháp chuyên gia; Phương pháp thực nghiệm; Phương pháp dự báo

5 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của nghiên cứu

5.1 Ý nghĩa khoa học: Đề ra được giải pháp lý thuyết có tính khả thi về ứng dụng hình học Fractal vào quá trình thiết kế THKT tại Việt Nam, bổ sung vào hệ thống cơ sở khoa học lý luận phục vụ công tác giảng dạy; là tài liệu lý luận bổ sung, có thể hỗ trợ để hoàn thiện chương trình đổi mới đào tạo của ngành kiến trúc

5.2 Ý nghĩa thực tiễn: Bổ sung một hướng tìm ý mới vận dụng hình học Fractal, có thể kết hợp với tạo hình đồ họa, hỗ trợ quá trình thiết kế THKT cho các công trình tại Việt Nam Các đề xuất có giá trị thực tiễn cao, phù hợp làm tài liệu tham khảo, hướng dẫn thiết kế trong thời đại cách mạng công nghiệp 4.0

6 Các đóng góp mới của luận án

6.1.Về lý luận: Hệ thống hóa được mối liên hệ giữa lý thuyết về hình học Fractal và lý thuyết vể THKT; đề xuất giải pháp lý thuyết, nguyên tắc ứng dụng hình học Fractal vào việc nghiên cứu, thiết kế ý

tưởng THKT tại Việt Nam, góp phần hoàn thiện, bổ sung thêm yếu tố khoa học liên quan đến tạo hình trong lý luận thiết kế kiến trúc 6.2.Về đào tạo: Đề xuất cơ sở, giải pháp kết hợp giữa khoa học về hình học Fractal với khoa học về thiết kế kiến trúc, là tiền đề cho một môn học lý thuyết mới, góp phần hoàn thiện chương trình đổi mới đào tạo ngành kiến trúc đến năm 2030

6.3.Về thực tiễn: Đề xuất một công cụ tư duy, mang yếu tố khoa học công nghệ, hỗ trợ cho thiết kế THKT theo từng giai đoạn, đặc biệt phù hợp với thời kỳ cách mạng 4.0 tại Việt Nam

7 Cấu trúc của luận án

Luận án gồm 3 phần chính như sau:

- Chương 1: Tổng quan về ứng dụng hình học Fractal trong tổ hợp kiến trúc (35 trang);

- Chương 2: Cơ sở khoa học ứng dụng hình học Fractal trong tổ hợp kiến trúc tại Việt Nam (51 trang);

- Chương 3: Đề xuất ứng dụng hình học Fractal trong thiết kế tổ hợp kiến trúc (48 trang)

8 Giải thích một số khái niệm và thuật ngữ sử dụng trong luận

phần đó VD minh họa tham khảo hình 0.1

- Hình học Fractal: Là phân nhánh toán học chuyên nghiên cứu đối tượng là các tổ hợp hình học Fractal

- Tổ hợp kiến trúc: Là tổng thể thành phần cấu tạo nên hình thức kiến trúc của công trình

- Thiết kế tổ hợp kiến trúc: Là một phần quan trọng của sáng tác kiến trúc, như Gaudet đã định nghĩa đó là “sự kết hợp của các bộ phận trong một tổng thể thống nhất” Cụ thể hơn, thiết kế THKT là việc tổ chức, bố cục, sắp xếp hình thể không gian của các thành phần trong công trình để có được sự thống nhất từ trong ra ngoài

- Phát triển tổ hợp: Là quá trình phát triển một tổ hợp hình thức của công trình kiến trúc gồm các bước từ đơn giản đến chi tiết như sau:

- Biến thể hình học: Là "sự biến đổi hình thể từ một đối tượng này thành một đối tượng mới phù hợp với trình, ngữ cảnh hay kiểu hình thức Sự biến đổi hình thức có thể là sự đột biến hay chuyển hóa dần tùy theo ý tưởng"

Hình 01 VD về tổ hợp hình học Fractal trong toán học và tự nhiên

Ý TƯỞNG MANH NHA  NÉT SƠ KHAI  GIẢI PHÁP TH GỐC

 PHÁT TRIỂN TỔ HỢP

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ ỨNG DỤNG HÌNH HỌC FRACTAL TRONG TỔ HỢP KIẾN TRÚC

1.1 TỔNG QUAN VỀ SỰ HÌNH THÀNH VÀ PHÁT TRIỂN CỦA HÌNH HỌC FRACTAL

1.1.1 Quá trình ra đời, phát triển của hình học Fractal

Lý thuyết hình học Fractal được xây dựng dựa trên hai vấn đề lớn được quan tâm ở những thập niên đầu thế kỷ 20 bao gồm: Tính hỗn độn của các quá trình phát triển có quy luật trong tự nhiên và sự

mở rộng khái niệm số chiều và độ đo trong lý thuyết hình học Euclid

cổ điển Trên thực tế, ý tưởng manh nha về Fractal trong toán học đã xuất hiện từ thế kỷ thứ 17 Đến thập niên 1960, đồ họa máy tính ra đời

và phát triển Nhà toán học Madelbrot trong quá trình nghiên cứu về vấn đề tạo ảnh trên máy tính đã khám phá ra quy luật đồng dạng và tương tự trong các hình ảnh toán học có trước đó cũng như các cấu trúc tự nhiên Đến năm 1975 thì lý thuyết hình học Fractal chính thức

ra đời và nhanh chóng vượt ra khỏi phạm vi toán học cơ bản, đi vào lý thuyết, ứng dụng liên quan đến hình ảnh trong tất cả mọi lĩnh vực 1.1.2 So sánh sự khác biệt giữa hình học Fractal, hình học Euclid

và hình học Topo

Ba loại hình học khác biệt về: Bối cảnh và thời gian hình thành; Ý nghĩa tên gọi; Đối tượng nghiên cứu; Đối tượng biểu đạt và khả năng tạo hình, Phạm vi ứng dụng đã có trong lĩnh vực kiến trúc Điểm nổi bật của hình học Fractal thể hiện ở: Cấu trúc dạng tổ hợp; Khả năng tạo biến thể phong phú; Phù hợp với đồ họa

Tuy có những sự khác biệt, tất cả các dạng hình học đều có vai trò vô cùng quan trọng đối với nền văn minh nhân loại mà cái này không thể thay thế cái kia

1.1.3 Hình học Fractal trong đồ họa máy tính

Hiện nay có hai hướng ứng dụng lớn của lý thuyết hình học Fractal trong lĩnh vực đồ họa Trong đó, tạo ảnh trên máy tính là ứng dụng mạnh mẽ, phổ biến và là nguồn cảm hứng cho các nhà thiết kế nói chung Cơ sở xây dựng thuật toán tạo ảnh trong đồ họa Fractal là các nguyên lý hình học Fractal

1.2 TÌNH HÌNH ỨNG DỤNG HÌNH HỌC FRACTAL TRONG THIẾT KẾ TỔ HỢP KIẾN TRÚC TRÊN THẾ GIỚI VÀ TẠI VIỆT NAM

1.2.1 Tình hình ứng dụng hình học Fractal trong thiết kế tổ hợp kiến trúc trên thế giới

Giai đoạn trước 1975 (thời điểm lý thuyết hình học Fractal ra đời): Nhiều công trình kiến trúc cổ và hiện đại trước năm 1975 đã có những biểu hiện tự đồng dạng Tuy vậy, cũng như trong toán học, không có sự tham gia của đồ họa, các thế hệ trước đây chưa khái quát hóa được mối quan hệ biện chứng giữa các cấu trúc tự nhiên với quy luật hình học Các biểu hiện của hình học Fractal chỉ dừng lại ở những sáng tạo có tính cá nhân, tự phát hay sự mô phỏng thụ động có tính kế thừa một phong cách kiến trúc nào đó, chưa khai thác được sự biến hóa đa dạng mà các tổ hợp hình học Fractal có thể tạo ra để áp dụng

Giai đoạn sau 1975: Các nhà nghiên cứu cũng như thiết kế đã

áp dụng các quy luật tạo hình Fractal một cách có tính toán, chủ động

để đạt được mục đích mô phỏng các cấu trúc phức tạp trong thiên nhiên với góc nhìn khoa học cũng như vận dụng máy tính để sáng tạo

ra những tạo hình đồ họa biến ảo, vừa mang yếu tố tự nhiên, vừa mang yếu tố công nghệ Từ sau năm 2000 đến nay, kiến trúc Fractal với những ảnh hưởng của nó là xu thế thiết kế tạo hình đồng dạng vẫn tiếp tục không ngừng, biểu hiện trong kiến trúc hữu cơ, sinh thái và kiến trúc tham số với các mức độ từ đơn gian đến phức tạp

1.2.2 Thực trạng ứng dụng hình học Fractal trong thiết kế tổ hợp kiến trúc tại Việt Nam

Hình học Fractal chưa được biết đến rộng rãi tại Việt Nam Tuy vậy, trong thực tiễn, ta vẫn có thể bắt gặp những hình thức kiến trúc mang đậm màu sắc Fractal (đặc biệt là thuộc tính tự đồng dạng)

ở cả kiến trúc cổ và kiến trúc hiện đại Việt Nam Những biểu hiện đó phần lớn không xuất phát từ sự hiểu biết về hình học Fractal mà đến

từ những triết lý thiết kế truyền thống, mang tính triết học Á đông 1.2.2.1 Biểu hiện của hình học Fractal trong kiến trúc cổ Việt Nam

Yếu tố tự đồng dạng trên nhiều tỷ lệ thể hiện trong nhiều kiến trúc cổ dạng đền tháp và kiến trúc cũ thời Pháp thuộc tại Việt Nam 1.2.2.1 Biểu hiện của hình học Fractal trong kiến trúc hiện đại Việt Nam

Tuy hiểu biết về hình học Fractal chưa nhiều, nhưng các kiến trúc sư hiện đại Việt Nam hoặc quốc tế làm việc tại Việt Nam chịu ảnh hưởng từ các thiết kế đồng dạng và xu hướng module của kiến trúc thời đại kỹ thuật số vốn có quan hệ chặt chẽ với Kiến trúc Fractal nên các công trình lấy cảm hứng từ công nghệ hoặc sinh thái đều mang đậm màu sắc Fractal

Hình 1.1 VD minh họa về kiến trúc hiện đại

ứng dụng hình học Fractal ở mức độ đơn giản và phức tạp

Hình 1.2 VD minh họa về biểu hiện của hình học Fractal trong

kiến trúc cổ và hiện đại Việt Nam 1.3 TỔNG QUAN CÁC CÔNG TRÌNH NGHIÊN CỨU CÓ LIÊN QUAN

Trong lý luận và học thuật kiến trúc, Carl Bovill - phó Giáo

sư tại Đại học Maryland, Hoa Kỳ là người đầu tiên viết cuốn sách " Ứng dụng hình học Fractal trong Kiến trúc và thiết kế" với những ứng dụng chủ yếu xoay quanh vấn đề lý luận phê bình kiến trúc Nhiều học giả sau này như James Harris, Iasef Rian, v.v, nghiên cứu ứng dụng hình học Fractal gắn với dạng công trình cụ thể hoặc ở mức độ tổng quát

Khác với sự phổ biến trên thế giới, tại Việt Nam, Fractal vẫn còn là một khái niệm hết sức mới mẻ và mới chỉ được nhắc tới chủ yếu trong lĩnh vực toán học Trong lĩnh vực lý luận kiến trúc, khái niệm hình học Fractal gần như còn bỏ ngỏ

1.4 NHẬN XÉT CHUNG VÀ VẤN ĐỀ ĐẶT RA CHO NGHIÊN CỨU

1.4.1 Nhận xét chung

Đề tài ứng dụng hình học Fractal trong thiết kế THKT tại Việt Nam là đề tài mới Các ứng dụng trực tiếp hoặc biểu hiện hình học Fractal xuất hiện ở nhiều công trình kiến trúc là các minh chứng cho

thấy tiềm năng ứng dụng to lớn trong kiến trúc thời đại cách mạng công nghệ

1.4.2 Vấn đề đặt ra cho nghiên cứu

- Lý thuyết tạo hình THHH Fractal và lý thuyết thiết kế THKT có mối liên hệ nào? Liệu tạo hình THHH Fractal và biến thể có tương thích với THKT hay không?

- Các ứng dụng hình học Fractal vào thiết kế THKT đã được các KTS và các nhà nghiên cứu thực hiện như thế nào? Những vấn đề

gì về lý luận còn thiếu, cần được khái quát, hệ thống hóa và bổ sung? Việc áp dụng tại Việt Nam cần chú ý những điểm gì?

- Các đề xuất ứng dụng hình học Fractal có thể khai thác, thiết kế hiệu quả cho thể loại công trình nào tại Việt Nam? Giai đoạn nào?

Bộ phận nào? Đối tượng nào là chủ yếu? Áp dụng vào VD cụ thể tại Việt Nam như thế nào? Giải pháp tạo hình, giải pháp kết hợp đồ họa và triển khai trong quá trình thiết kế như thế nào?

CHƯƠNG 2 CƠ SỞ KHOA HỌC ỨNG DỤNG HÌNH HỌC FRACTAL TRONG TỔ HỢP KIẾN TRÚC TẠI VIỆT NAM 2.1 CƠ SỞ LÝ THUYẾT

2.1.1 Cơ sở lý thuyết về tổ hợp hình học Fractal

2.1.1.1 Phương pháp tạo hình Fractal theo tư duy hình khởi tạo - hình phát sinh

Hình khởi tạo: Hình khởi tạo hay đối tượng ban đầu để tạo hình Fractal Hình phát sinh: Một tập hợp từ những hình đồng dạng của yếu tố khởi tạo được dùng để thay thế hình khởi tạo

Mức: mỗi khi các tổ hợp hình khởi tạo được thay thế bởi tổ hợp hình phát sinh, ta có một mức

2.1.1.2 Các đặc điểm của tổ hợp hình học Fractal

- Mỗi tổ hợp Fractal là một hình thể có hình dạng bất thường;

- Có tính tự đồng dạng trên nhiều tỷ lệ (self - similarity);

- là hình thể siêu kích thước với số chiều lẻ

2.1.1.3 Một số tổ hợp hình học Fractal căn bản

Hoa tuyết

2.1.1.3 Một số hình thức phân loại trong hình học Fractal