Kiến trúc sinh thái bền vững kiến trúc phỏng sinh học

Kiến trúc sinh thái bền vững kiến trúc phỏng sinh học. 1.Khái niệm phỏng sinh học : Phỏng sinh học là việc con người mô phỏng lại các hình thức hoặc hệ thống sinh học từ tự nhiên, phát triển nên những giải pháp kỹ thuật cho các lĩnh vực khoa học khác trong đó có thiết kế và kiến trúc. 2.Khái niện công trình phỏng sinh học. Là được thiết kế lấy cảm hứng Sinh học là phương pháp tiếp cận thiết kế dựa trên cảm hứng, thước đo và sự sao chéo ngoại hình hoặc bản chất của một đối tượng sinh học 3.Khái niện giá trị tự nhiên: tự nhiên là thế giới vật chất vũ trụ. Nó bao gồm tất cả các dạng vật chất và năng lượng tồn tại từ cấp độ bé là hạt nguyên tử đến cấp độ to lớn như ngôi sao, thiên hà, ngân hà… Nói một cách khác đơn giản và thông dụng thì tự nhiên bao gồm tất cả những gì bao quanh con người mà không do bàn tay con người tạo nên. Thiên nhiên bao gồm không khí, khí hậu, nguồn nước, nguồn tài nguyên thiên nhiên, nguồn động thực vật, các yếu tố địa lý, địa hình…

TRƯỜNG ĐẠI HỌC KIẾN TRÚC HÀ NỘI

KHOA SAU ĐẠI HỌC

ĐỀ TÀI: CÁC GIÁ TRỊ TỰ NHIÊN ĐƯỢC KHAI THÁC

TRONG CÔNG TRÌNH PHỎNG SINH HỌC

Giảng viên: PGS TS:

 I: KHÁI NIỆM

 II: MỐI LIÊN HỆ VÀ ỨNG DỤNG

 III:CÁC YẾU TỐ TỰ NHIÊN

 IV: KẾT LUẬN

 V: VÍ DỤ CÁC CÔNG TRÌNH THỰC TẾ KHAI THÁC GIÁ TRỊ TỰ NHIÊN

I: KHÁI NIỆM

1.Khái niệm phỏng sinh học :

- Phỏng sinh học là việc con người mô phỏng lại các hình thức hoặc hệ thống sinh học từ tự nhiên, phát triển nên những giải pháp kỹ thuật cho các lĩnh vực khoa học khác trong đó có thiết kế và kiến trúc.

2.Khái niện công trình phỏng sinh học.

- Là được thiết kế lấy cảm hứng Sinh học là phương pháp tiếp cận thiết kế dựa trên cảm hứng, thước đo và sự sao chéo ngoại hình hoặc bản chất của một đối tượng sinh học

3.Khái niện giá trị tự nhiên:

- tự nhiên là thế giới vật chất vũ trụ Nó bao gồm tất cả các dạng vật chất và năng

lượng tồn tại từ cấp độ bé là hạt nguyên tử đến cấp độ to lớn như ngôi sao, thiên hà, ngân hà…

- Nói một cách khác đơn giản và thông dụng thì tự nhiên bao gồm tất cả những gì bao quanh con người mà không do bàn tay con người tạo nên Thiên nhiên bao gồm không khí, khí hậu, nguồn nước, nguồn tài nguyên thiên nhiên, nguồn động thực vật, các yếu tố địa lý, địa hình…

- Con người vẫn để ý mọi cái xung quanh mình, không phải chỉ

để thỏa mãn trí tò mò, mà là để tìm ra lợi ích Trong tự nhiên

có những cái đáng để học hỏi: nguyên tắc và cơ chế hoạt

động sống của động - thực vật có thể sử dụng được trong xây

dựng và kiến trúc, tạo ra các thiết bị và kỹ thuật có khả năng

1.Dạng nhánh khung xương: Là dạng cấu trúc được tập hợp

bởi một số nhánh (tuyến) có chiều hướng khác nhau, thường lặp

lại theo một quy luật nào đó Các nhánh đều nối với trục (tuyến)

 2.Dạng kiểu tuyến mạng: Là dạng cấu trúc cũng

được tập hợp bởi các tuyến mà tạo nên hình thể Nhưng

khác với hệ cấu tạo nhánh khung xương, các tuyến kiểu

này được nối thông mạch nhau, không có hoặc có rất ít

tuyến cụt, chúng nối kết với nhau thành mạng Hệ

mạng này có thể là mạng phẳng, cong hay dạng không

gian ba chiều dày đặc

3. Dạng cấu trúc mảng khối:

Dạng này đối lập với hình thể có kết cấu khung xương

hay tuyến mạng Chúng không có nhánh, và chúng cố

kết thành từng cục, từng mảng Có thể là khối đơn lẻ

hay kết nhóm lại với nhau Cảm nhận về khối thường là

“đặc chắc”, có trạng thái tĩnh, thường là không động

Chúng mang vẻ đầy đặn và có cảm giác về trọng lượng

Tuy vậy, khối có thể có vai trò kép, tức nó vừa chiếm

chỗ trong một khoảng không vừa có thể bị rỗng, tạo ra

1, HÌNH THÁI KIẾN TRÚC CÔNG TRÌNH

- Hiện nay ngày càng có nhiều công trình ứng dụng các hình thái kiến trúc bắt chước hình dạng, hình thức của

các yếu tố tự nhiên cây cối, động vật Tận dụng các ưu điểm về mặt cấu tạo và hình thức kiến trúc lớp vỏ bên ngoài nhằm tạo hiệu ứng về mặt hình ảnh cũng như khắc phục các nhược điểm của công trình

 - Giải quyết các bài toán về các vấn đề :

 + Che chắn nắng cho công trình

 + Hạn chế sử dụng năng lượng cũng như tận dụng tối đa nguồn lợi từ thiên nhiên

 + Gây hiệu ứng thị giác cho mặt đứng của công trình

 + Giải pháp đón gió, thoát nhiệt làm mát cho công trình

 + Tạo ra tính ổn định, giải pháp cấu trúc cho công trình

 + Xử lý cũng như tận dụng tối đa lượng nước thải cũng

 như các sản phẩm dư thừa trong quá trình hoạt động của công trình

2, Các cấu trúc tự nhiên được ứng dụng

Trên cơ sở nghiên cứu nhận diện các loại hình thể hữu cơ trong cấu trúc tự nhiên nêu trên, các nhà điêu khắc cũng như các nhà thiết kế kiến trúc tùy theo khả năng sáng tạo mà linh hoạt ứng dụng các hình thể ba chiều vào tạo

hình nghệ thuật và tạo hình kiến trúc Các nhà điêu khắc hay ứng dụng kiểu dạng tuyến mạng, tuyến khung xương trong tạo hình

III: CÁC YẾU TỐ TỰ NHIÊN VÀ ỨNG DỤNG

Hai tác phẩm điêu khắc của Mark Di Survero, được thể hiện dưới dạng khung tuyến Cấu

trúc kiểu cân bằng động có kiểu tuyến mạng và tuyến khung xương.

Các kiến trúc sư cũng hay dùng dạng nhánh khung xương, dạng tuyến mạng hay dạng mảng khối để tổ chức tổng mặt bằng công trình, tổ chức không gian kiến trúc và tổ chức hình thức mặt đứng, hình khối công trình kiến trúc

Việc ứng dụng cấu trúc tự nhiên vào tạo hình được gọi là phong cách kiến trúc phỏng sinh học, phong cách này

được dụng nhiều trong kiến trúc hiện đại và có xu hướng kéo dài đến ngày nay Kiến trúc ứng dụng hình thể cấu

trúc tự nhiên sử dụng rộng rãi từ công trình nhà ở đến công trình công cộng, công trình văn hóa, nghỉ dưỡng và giải trí

Serpentine GalleAry Pavillion ở Lon-don,

2002, Toyo Ito .

Federation Square, Melbourne, Australia,

2002, Lab Architecture Studio

Taiwan Solar Powered Stadium, 2013, Toyo Ito

Nhiều công trình kiến trúc ứng dụng cấu trúc mảng khối theo kiểu tổ chức biến đổi dần hoặc dạng khối rỗng để tạo hình kiến trúc Một số công trình kiến trúc đã ứng dụng một cách hiệu quả việc mô phỏng hình thể trong cấu trúc tự nhiên vào thiết kế công trình ví dụ như ngôi nhà có hình dạng một con ốc biển; hình dạng tổ chim; hình dạng gốc cây khô…

III: CÁC YẾU TỐ TỰ NHIÊN VÀ ỨNG DỤNG

Dongdaemun Design Plaza, Seoul, 2010, Zaha

Hadid

3, Ứng dụng vật liệu sử dụng trong công trình

- Trong sự tự tổ chức của thực vật, ta thấy các cấu trức bền vững được hợp thành từ sự sắp xếp cấp bậc các nhu cầu thấp hơn như các cơ quan, cấp tế bào ( Cellular ) Điểm then chốt trong sự cấu thành vật liệu mới chính là ở vật liệu cấp tế bào hay còn gọi là vật liệu rỗng

CẤU TẠO VẬT LIỆU TỰ NHIÊN

- Vật liệu rỗng trong tự nhiên có nhiều kích cỡ khác nhau: cấu trúc san hô, bọt biển, gỗ, xương…

- Chúng đều có đặc điểm chung là cấu trúc bên trong dạng vỏ, các lỗ rỗng chứa không khi hoặc dịch, bề mặt vỏ là dạng lỏng hoắc rắn

- Dạng hình học của vỏ là đa diện đều, được sắp xếp theo một trật tự nhất định, ví dụ như tổ ong

Mẫu xương san hô: phần vỏ quyết định hình thái cấu trúc của san hô, các lỗ rỗng có kích thước bất kỳ, chứa tủy bên trong

Ảnh chụp bọt xà phòng, thể hiện sự

đa dạng của các đa diện cầu tạo nên

vật liệu xốp.

Ảnh chụp kính hiển vi mẫu sơn bọt, trong đó các đa diện có kích

thước đa dạng, có đa diện đóng và đa diện mở

III: CÁC YẾU TỐ TỰ NHIÊN VÀ ỨNG DỤNG

- Khác cá loại cây khác, tre mọc

chủ yếu theo chiều thẳng đứng với

tỉ lệ chiều cao và đường kính thân

rât lớn

- Thân cây gồm 50% mô trụ, 40%

thớ sợi và 10% ống dẫn nước và

chất dinh dưỡng Nhưng sự phân

bố của chúng không đồng đều,

theo cả chiều ngang và dọc, vòng

ngoài thân tre và ở phần ngọn, mật

độ thớ nhiều hơn (thịt dày hơn) 

phần ngọn chịu lực tốt hơn.

- Mô hình này được dùng để chế

tạo vật liệu sợi composite như:

sợi cacbon, sợi thủy tinh bằng các

phân bố các bó sợi vào một khuôn

cối nào đó

Mô hình 3D mô phỏng hình thái của thân tre Hình dạng ngoài của thân tre là dạng ống được lặp lại bên trong long tre, cắt ngang long tre, ta thấy dạng ống tiếp tục lặp lại ở các thớ tre không đồng bộ với nhau Có sự khác biệt trong kích thước và hình dáng của các thớ sợi

Thân tre có cấu trúc bề mặt bên trong được dàn trải giúp chịu được lực cang theo cả 2 chiều Chỗ giao của các phần tử trong mạng lưới phân bổ ở những điểm chịu lực cao nhất

CẤU TẠO VẬT LIỆU XÂY DỰNG MỚI

- Vật liệu xây dựng mưới hầu hết đều là vật liệu polime: dựa trên phản ứng hóa học polymer có các gốc tự do, kết hợp nhiều monomer ( mắt xích đơn) tạo thành phlyme ( chuỗi amwts xích ) Dưới cấp độ phân tử, phản ứng này có thể cho ra sản phầm là một phân tử có dạng tổ ong

- Các vật lieu polymer ban đầu ở dạng sợi hoặc dạng hạt, sau đó được đan lai hoặc kết hợp thành một cấu trúc lướn hơn

- Các monomer hiện nay đang dung để chê tạo polymer hay copolymer ( > 1 monomer ): hợp kim, chất dẻo, tinh thể lỏng, tơ nhện, ceramics,

……

Cấu trúc hình học được lắp

từ những module có hình dạng xương bọt biển 3 chiều, với góc cạnh đã được tính toán tối ưu là 109’28’’16’’’

152 module lồng ghép với nhau sẽ tạo thành 1 lưới dưới dạng tam giác Hệ thống tham số cho phép cấu trúc này thay đổi hình dạng 114 lần Khi đó trọng tâm kết cấu được di dời nhưng lên kết giữa các module vẫn đảm bảo

Ảnh chụp kính hiển vi 1 mẫu xương bọt biển Khi chúng lắp ráp cơ thể lại với nhau sẽ tạo thành 1 bộ xương dạng lưới hoặc cấu trúc tổ ong

III: CÁC YẾU TỐ TỰ NHIÊN VÀ ỨNG DỤNG

- BỌT NHÔM

- HỢP KIM ĐÔNG ĐẶC TRỰC TIẾP

- CERAMIC CHỐNG TRẦY

+ Ứng dụng bông sợi gốm CERAMIC

- Cách nhiệt cho lò nung ngành xi – măng, ngành ceramics, ngành luyện kim, hóa dầu, ngành thủy tinh.

- Chịu lửa và cách nhiệt thiết bị xử lý nhiệt.

- Gạch chịu nhiệt cho lò luyện nhôm

- Cách nhiệt cho vách, thành lò và thiết bị chịu nhiệt cao.

+ Ưu điểm bông sợi gốm CENRAMIC

- Giữ, hấp thu và dẫn nhiệt thấp

- Rất dẻo dai, bền với lực nén ép.

- Kích cỡ chính xác, độ phẳng cao.

- Cấu trúc rất đồng nhất, sản lượng máy rất cao.

 Rất dễ thi công và sửa chữa.

- Quy trình sản xuất liên tục, sản phẩm rất sắc sảo và tính ổn định cao.

- Rất bền với hóa chất và kháng nhiệt rất tốt.

SỢI KEVLAR

- Là một loại sợi có cấu trúc mạnh dài và định hướng cao.

- Sợi Kevlar có độ bền gấp 5 lần thép nhưng cũng rất dẻo dai nên thường được sử dụng làm vật liệu chế tạo áo chống đạn.

- Hiện nay, Kevlar có nhiều ứng dụng khác nhau; lốp xe đạp, thuyền buồm ….

- Tỷ lệ sức bền trên trọng lượng cao độ bền kéo, mạnh hơn 5 lần thếp trên cơ sở cùng trọng lượng.

SỢI THỦY TINH

- Sợi thủy tinh được kéo ra từ các loại thủy tinh kéo sợi được (thủy tinh dệt).

- Khi đó các sợi này sẽ mất những nhược điểm của thủy tinh khối, như: giòn dễ nứt gãy mà trở nên

có nhiều ưu điểm cơ học hơn.

- Có đường kính nhỏ cài chục micromet.

- Thành phần của thủy tinh dệt có thể chwuas them những khoáng chất như: silic, nhôm, magie, … Tạo ra các loại sợi thủy tinh khác nhau như: sợi thủy tinh E (dẫn điện tốt), sợi thủy tinh D (cách điện tốt), sợi thủy tinh A (hàm lượng kiềm cao), sợi thủy tinh C (độ bền háo cao), sợi thủy tinh R và

QUÁ TRÌNH CHUYỂN HÓA

- Trao đổi chất trong sinh vật sống là quá

trình vật lý – sinh hóa dung để sản xuất và

lưu trữ năng lượng

- Quá trình này đã được nghiên cứu chi tiết

thông qua quá trình quang hợp, cho phép

con người sử dụng nó trong việc phát triển

và ứng dụng công nghệ tiên tiên, công nghệ

mô phỏng sinh học

- Một trong những tiềm năng lớn nhất là sản

xuất nhiên liếu ạch trên quy mô công nghiệp

giúp đem lại 1 lợi ích rất to lớn khi tính bền

vững và thích ứng khí hậu

- Khai thác quang hợp nhân tạo có thể tạo

nên khả năng tự cung cấp năng lượng của

các tòa nhà và không gây ô nhiễm Ứng

dụng trong tương lai là trong các lĩnh vực

năng lượng mặt trời, xử lý sinh học, sản

xuất nhiên liệu sạch

-Hình chụp qua kính hiển vi đã tô màu lá cây Mao Lương Trong trung tâm của lá có nhiều tế bào chứa chất lục lạp (hạt màu xanh

lá cây) Đây là những quang bào nhỏ tích hợp trong lá, có chức năng sử dụng ánh sang mặt trời

để chuyển CO2 thành đường Độ phóng 750 lần ở kích thước 4x5 inch.

-Hiện tượng tảo nở tạo nên óng màu xanh ở biển Đỏ, xảy ra vào giữa mùa xuân và thu do sự tang đột ngột lượng ánh sang mặt trời Tảo là một thành phần cps sẵn đã được sử dụng trong quang hợp nhân tạo để dung cấp năng lượng và cải thiện môi

trường -Phản ứng sinh học sử dụng tảo tạo ra nguồn năng lượng sạch ứng dụng cho nguồn năng lượng thay thế trong tương lai

Dự án BioArch được thiết kế bởi Elnaz Amiri,

Hesam Andalib, Roza Atarod và M-amin

Mohamadi đến từ Viện Nghệ thuật Isfahan tại

Iran. Nhóm thiết kế sử dụng các chiến lược

Phỏng Sinh học trên vỏ ốc sa mạc để tòa nhà

BioArch có thể tự tránh khỏi ánh sáng mặt trời dữ

dội tại một vùng khí hậu khắc nghiệt như sa mạc

Iran (với nhiệt độ trung bình là 43 độ C vào ban

ngày và nhiệt độ cao nhất có thể lên đến 65 độ C)

Các bề mặt tiếp xúc cong giảm thiểu tối đa bức xạ

mặt trời, chia thành nhiều vùng lớp để tạo ra khu

vực đệm và khu vực thoát nhiệt từ bề mặt cát

nóng Giải pháp này đồng thời cung cấp độ ẩm và

lối thông gió tự nhiên. 

Ý tưởng toà nhà BioArch được hình thành từ vỏ ốc,.Giúp cho toà nhà có đường công mềm mai, sự dụng kiens trúc trong lòng của

vỏ ốc, để giúp không khi luôn được lưu thông làm cho ngôi nhà luôn được mát mẻ

Tòa thị chính London

Tòa thị chính được thiết kế bởi công ty của Norman Foster –

người tin rằng, thế giới có thể thay đổi bằng cách thay đổi thiết kế

của nơi mà chúng ta sống Tòa nhà được thiết kế nằm cạnh sông

Thames, thuộc khu Southwark của London.

Nó có kiểu dáng hình hành không bình thường, nhằm giảm diện

tích bề mặt và tăng cường hiệu quả năng lượng Có người nói nó

giống chiếc mũ của nhân vật Darth Vader- nhân vật trong Star War,

hay là một quả trứng méo, mọt gỗ hay là một chiếc mũ bảo hiểm.

Còn với Foster – tác giả của công trình, ông coi nó như một viên

ngọc treo bên cạnh dòng sông của thành phố, nhưng mục đích

chính khi xây dựng là tòa nhà không ô nhiễm, được xây dựng bằng

các vật liệu bền vững

V: VÍ DỤ CÁC CÔNG TRÌNH THỰC TẾ ĐÃ ỨNG DỤNG GIÁ TRỊ TỰ NHIÊN

Lấy ý tưởng xoắn ốc ở trong long toà nhà , tạo tro toà nhà có không gian bên trong vô cùng độc đáo và phá cách

Tòa nhà Anti-Smog, Paris

Tòa nhà Anti-Smog là một trong những dự án của Vincent

Callebaut, kĩ sư trẻ người Pháp- người đã tạo ra những cơn

sốt thực sự trên toàn thế giới về những công trình phỏng sinh

học Công trình gồm hai phần: Phần trung tâm là Solar

Drop-một tòa nhà hình elip được xây dựng trên Drop-một đường ray cũ

thuộc quận Parisan Phần mái vòm rộng 250 m2 với các tấm

panen quang điện giúp sản xuất điện năng từ ánh sáng mặt

trời, ngoài ra còn được phủ lớp Titan dioxit (TiO2) có nhằm

sử dụng các bức xạ tia cực tím để tác động tới các phần tử

trong không khí, phá vỡ cấu trúc và nhằm giảm các thành

phần gây ô nhiễm trong không khí.

Kiến trúc sư Callebaut miêu tả công trình của mình như là

một tòa nhà ăn khói bụi độc hại từ tình trạng giao thông kinh

khủng của Paris bằng việc hấp thụ và tái chế khí thải Bên

cạnh đó, tòa nhà Solar Drop còn khai thác nước mưa từ các

vùng xanh trên mái nhà nhằm sử dụng cho toàn bộ tòa nhà.

Phần thứ hai là “Tháp gió” Tháp được xây hình xoắn ốc,

xen kẽ giữa các khoảng trồng rau và các tua bia gió trục dọc

(VAWT) để tạo ra điện Cầu thang xoắn ốc đưa du khách lên

từ khu bảo tàng ở Solar Drop tới phần nóc khu vườn trên

không, từ đây có thể ngắm nhiều cảnh đẹp của Paris.

SMO Architektur and Arup, Bubble Highrise, Berlin, 2002

Thiết kế thí nghiệm ban đầu, từ

đó đưa ra phương an Watercube ( Bắc Kinh ) Cấu trúc tòa nhà đưuọc tạo ra bằng cách chạy 1 thuật toán bao phủ

bề mặt tòa nhà bằng những hình cầu với bán kính khác nhau, sau đó cắt ngang ở giao tuyến bề mặt.

PTWArchitects, CSCEGDesign and Arup,

‘Watercube’ National Swimming Centre, Beijing, 2007.

Mô hình kiến trúc với quy mô tổng thể 177x177, cao 30m, hoàn toàn không có cột

V: VÍ DỤ CÁC CÔNG TRÌNH THỰC TẾ ĐÃ ỨNG DỤNG GIÁ TRỊ TỰ NHIÊN