Góc học tập
16/12/2022 02:46:54 PM

Kiến trúc bền vững – Hãy học hỏi từ tự nhiên

Mỗi năm có khoảng 15 tỷ tấn bê tông được sản xuất trên toàn thế giới, và thải ra khoảng 1 tỷ tấn carbon dioxide. Theo Cơ quan Năng lượng Quốc tế (IEA – International Energy Agency), các công trình và khu vực xây dựng cùng chịu trách nhiệm về hơn 1/3 mức tiêu thụ năng lượng trên toàn cầu. Và cũng chiếm 40% tổng lượng khí thải CO2 trực tiếp và gián tiếp hàng năm.
Nhà thờ Santa Maria del Fiore, Florence
 

Đây cũng là nguyên nhân chính tạo nên sự nóng lên toàn cầu và biến đổi khí hậu. Nhưng theo IEA, chúng ta không có giải pháp ngắn hạn. Vấn đề là hiện nay các chính sách sử dụng năng lượng hiệu quả còn quá chậm trễ khi góp phần vào việc giữ gìn sự bền vững của các đô thị. Cần có sự cân bằng giữa lượng khí thải và việc hấp thụ chúng để ngăn chặn sự nóng lên toàn cầu. Tái tạo năng lượng và tăng cường việc trồng rừng là rất cần thiết. Hành tinh này chỉ có thể tìm lại sự cân bằng phù hợp khi có sự chung tay của tất cả các quốc gia.

Vai trò của các KTS rất quan trọng. Quan điểm của thiết kế kiến trúc hiện nay là đi theo hướng bền vững, với mục đích đưa hành tinh chúng ta trở lại trạng thái cân bằng – Với mục tiêu tạo ra các công trình có tính bền vững về mặt xã hội và sinh thái, nhằm tăng cường sức khỏe của những cư dân sống bên trong công trình cũng như giảm thiểu các tác động tiêu cực của công trình đối với môi trường.

Các KTS muốn tạo ra các công trình thân thiện với khí hậu hoặc phục hồi khí hậu. Các giải pháp hiện này chúng ta đang sử dụng là giảm thiểu chất thải, hạn chế tiêu thụ tài nguyên năng lượng không tái tạo (hay còn gọi là năng lượng hóa thạch: than đá, dầu mỏ, khí đốt…), tăng cường sử dụng năng lượng tự nhiên và vật liệu thân thiện với môi trường,…

Ngoài ra, còn một khía cạnh khác chúng ta cũng cần xem xét đó là việc học hỏi từ tự nhiên – thiết kế mô phỏng sinh học. Các loài động vật và thực vật đã qua một thời gian tồn tại lâu dài trên trái đất, và phát triển các chiến lược khác nhau để sinh tồn. Đây là nguồn cảm hứng vô tận cho các thiết kế phỏng sinh học, cung cấp các bài học phong phú để tạo nên những thiết kế bền vững.

Gaudi đã lấy cảm hứng từ tán cây rừng cho thiết kế Sagrada Familia của mình
 

Dưới đây chúng tôi xin đưa ra một số ví dụ về thiết kế phỏng sinh học để bảo vệ môi trường:

  • Học hỏi từ cấu trúc cơ thể các loài sinh vật: Có khoảng 100.000 loài động vật có xương sống nhưng có khoảng 10 đến 300 triệu loài động vật không xương sống. Đã có rất nhiều ví dụ về kiến trúc mô phỏng cấu trúc cơ thể các loài động vật như loài động vật chân đốt, giáp xác và nhện, động vật có vú,… Năm 1809, KTS hải quân Sir George Cayley cũng đã nghiên cứu cấu tạo cơ thể của cá heo để ứng dụng thiết kế thân tàu hợp lý hơn. Filippo Brunelleschi (1377-1446), KTS lớn của nền kiến trúc Phục Hưng tiền kỳ ở Florence. Ông đã áp dụng nghiên cứu độ bền của vỏ trứng để thiết kế nên mái vòm mỏng hơn, nhẹ hơn cho nhà thờ Santa Maria del Fiore.
  • Học hỏi kết cấu tổ của các loài côn trùng và cơ chế thông gió tự nhiên: Sinh học lượng tử đang giúp chúng ta hiểu chi tiết hơn về các cơ chế phức tạp làm cơ sở cho hành vi của động vật và thực vật. Nghệ thuật xây tổ bậc thầy phải kể đến các loài ong và kiến. Theo tính toán một tổ ong mật với các tế bào hình lục giác làm bằng sáp ong có thể chứa 10 ngàn con ong. Hình dạng lục giác càng phát triển thì càng tối ưu nhất vì nó có chu vi tối thiểu so với diện tích, nên tiết kiệm vật liệu nhất. Một tổ ong có kích thước 37cm × 22,5cm có thể chứa hơn 2 kg mật ong, nhưng những con ong chỉ sử dụng 40g sáp để xây tổ. Tổ ong vò vẽ cũng có cấu tạo tương tự, nhưng được làm từ đất và nước bọt (Theo Hansell, 2007). Zaha Hadid đã học hỏi ý tưởng từ cấu trúc tổ ong để tạo nên một loạt các bề mặt và dạng nghiêng phức tạp trong công trình Trung tâm Nghiên cứu dầu khí King Abdullah (KAPSARC).

Loài kiến ăn lá đào hầm tạo thành một mê cung dưới lòng đất có thể sâu tới 6m dưới mặt đất và có thể chứa 8 triệu con kiến. Có nhiều lỗ thông gió trong tổ kiến và thông với bên ngoài để không khí có thể ra vào. Đây có thể xem như một hệ thống thông gió tự nhiên.

Cũng tương tự như vậy, loài mối ở Zimbabwe cũng thường xây dựng những gò đất khổng lồ và tổ chức một hệ thống thông gió tự nhiên rất hoàn hảo. Bên trong các gò mối nuôi một loại nấm là nguồn thức ăn chính của chúng. Nhiệt độ này phải được giữ chính xác 30,5°C, trong khi nhiệt độ ở châu Phi bên ngoài có thể dao động từ 1,5°C vào ban đêm cho đến 40°C vào ban ngày. Những con mối đạt được kỳ tích đáng kể này nhờ xây dựng hệ thống lỗ thông hơi trong gò đất. Các lỗ thông dẫn xuống các khoang được làm mát bởi bùn ướt do thông với mực nước ngầm ở xa bên dưới và cũng thông lên đến đỉnh của gò đất. Bằng cách liên tục mở và đóng các lỗ thông hơi sưởi ấm và làm mát này trong suốt cả ngày, mối đã thành công trong việc giữ nhiệt độ ổn định bất chấp sự biến động nhiệt lớn bên ngoài.

KTS Mick Pearce đã nghiên cứu sử dụng chính xác chiến lược tương tự khi thiết kế Tòa nhà Eastgate ở thủ đô của Zimbabwe. Tòa nhà không có máy lạnh và hầu như không có hệ thống sưởi. Tòa nhà này sử dụng tổng năng lượng ít hơn 35% so với mức tiêu thụ trung bình của sáu tòa nhà thông thường khác có đầy đủ hệ thống HVAC ở Harare. Tiết kiệm chi phí vốn so với công trình có HVAC hoàn chỉnh là 10% tổng chi phí xây dựng. Điểm mấu chốt với giải pháp này là: Chủ sở hữu của tòa nhà Eastgate đã tiết kiệm được 3,5 triệu đô la cho một tòa nhà trị giá 36 triệu đô la vì không cần lắp đặt hệ thống điều hòa không khí. Khoản tiết kiệm này cũng được chuyển cho người thuê nhà: Giá thuê thấp hơn 20% so với các tòa nhà mới bên cạnh.

Khoảng thông tầng bên trong công trình
 

Công ty kỹ thuật Ove Amp & Partners, đã hợp tác với Mick Pearce về thiết kế, giám sát nhiệt độ hàng ngày bên ngoài và trong công trình. Biểu đồ của Ove Arup cho thấy nhiệt độ của tòa nhà thường nằm trong khoảng từ 23°C đến 25°C. Khoảng thông tầng, nơi dẫn gió đi qua, có thể mát hơn nhiều. Và không khí trong tòa nhà trong lành hơn nhiều so với trong các tòa nhà có máy điều hòa, nơi có tới 30% không khí được tái chế.

  • Học hỏi cách các loài sinh vật giữ nước trong cơ thể: Năm 1979, Schmidt-Nielsen (ĐH Duke), liên kết với Nhà động vật học Amiram Shkolnik (thuộc ĐH Tel Aviv) đã khám phá ra bí mật về khả năng giữ nước của lạc đà. Họ tìm thấy một mê cung phức tạp gồm những các đường dẫn khí trong mũi lạc đà làm tăng diện tích bề mặt cho nhiệt và độ ẩm lưu chuyển. Thông thường, mũi người có diện tích bề mặt bên trong khoảng 160 cm2, trong khi lạc đà có khoảng 1000cm2 diện tích màng nhầy ở bên trong mũi. Mũi của lạc đà hoạt động như một máy tạo độ ẩm và hút ẩm với mỗi chu kỳ thở: không khí nóng khô được hít vào và thở ra. Khi hít vào, không khí đi vào ngay lập tức được làm mát bằng cách lấy hơi ẩm từ mũi và được đưa đến phổi và duy trì ở nhiệt độ xấp xỉ nhiệt độ cơ thể. Khi thở ra, không khí này đi qua phần trên cùng của màng mũi được làm khô trong quá trình hút ẩm rồi đi ra ngoài. Cơ chế hút ẩm không khí của lạc đà giống như các cuộn dây làm mát của máy hút ẩm. Quá trình này đã tiết kiệm được 68% lượng nước thường bị mất qua quá trình hô hấp xảy ra giữa giai đoạn làm mát và làm khô của chu kỳ thở.

Theo báo cáo từ Chương trình Môi trường Liên hợp quốc, tình trạng thiếu nước trầm trọng sẽ ảnh hưởng đến 4 tỷ người vào năm 2050. Mũi của lạc đà có thể truyền cảm hứng cho các giải pháp thiết kế để hạn chế bốc hơi từ các ao trữ nước, thiết kế hệ thống tưới tiêu hiệu quả hơn và học cách tốt nhất giảm thiểu thất thoát và thu hồi nước được sử dụng trong các quy trình công nghiệp.

  • Học hỏi từ các các thuộc tính của các bộ phận trên cơ thể của các động thực vật như: Chống thấm nước, hấp thụ ánh sáng, lọc chất bẩn… Các nhà nghiên cứu đã học hỏi sự chống thấm nước của lá sen để tạo nên hiệu ứng lá sen (lotus effect) được mô phỏng bằng công nghệ nano để tạo ra các vật liệu có khả năng tự làm sạch và siêu kị nước như sơn chống thấm, mái ngói, vải… Đồng thời, họ cũng tìm thấy thuộc tính tương tự trên da cá mập, đây cũng là nguồn cảm hứng làm nên bộ đồ bơi của Michael Phelps tại Olympic mùa hè năm 2008.

Phòng thí nghiệm Thiết kế Tích hợp Sinh học tại Trường Kiến trúc Bartlett ở Anh lấy ý tưởng từ các loại tảo biển đã tạo ra một hệ thống mô-đun gạch khảm tảo có thể lọc thuốc nhuộm hóa học độc hại và kim loại nặng ra khỏi nước. Loại gạch này có tên là gạch Indus – sẽ được thiết kế để xây dựng tại những khu vực có nguồn nước bị ô nhiễm. Và chúng ta có thể dội nước lên các viên gạch để rửa sạch chất bẩn.

Loài bướm đêm đã phát triển một con mắt đáng chú ý, thay vì phản xạ ánh sáng, nó hấp thụ gần như hoàn toàn. Các kỹ sư đã bắt chước cấu trúc nano của nó để thiết kế lớp phủ bảng điều khiển năng lượng mặt trời tốt hơn và các bề mặt chống phản xạ, và các nhà khoa học đang sử dụng nguyên tắc tương tự để thiết kế một màng mỏng sẽ hấp thụ bức xạ từ máy X-quang hiệu quả hơn.

Moddun gạch khảm tảo Indus
 
Tấm pin mặt trời được làm từ nhiều lớp graphene
 

Ngoài ra, mắt của loài bướm đêm có thể thu nhận nhiều loại sóng điện từ chứ không chỉ ánh sáng mà mắt người có thể nhìn thấy. Dựa trên nghiên cứu đó, các nhà khoa học đã tìm ra vật liệu graphene có độ nhạy cao có thể hấp thụ không chỉ ánh sáng mặt trời mà còn bất kỳ sóng vô tuyến hoặc năng lượng vi sóng nào. Điều này có nghĩa là, nếu bạn bật điện thoại di động trong nhà, pin mặt trời được làm từ vật liệu nhiều lớp graphene có cấu trúc nano có thể tạo ra năng lượng trong chính ngôi nhà của bạn. Điều này chắc chắn có nghĩa là loại pin mặt trời mới sẽ cần ăng-ten để thu sóng điện từ tầm xa cực rộng. Như vậy chúng ta có thể tạo ra được một pin mặt trời hoàn hảo trong nhà có thể tạo ra năng lượng mà không cần tiếp xúc với ánh sáng trực tiếp. Vật liệu này có thể được ứng dụng trong nhiều ứng dụng khác nhau bao gồm năng lượng, quang điện tử và quang phổ.

Trên đây chỉ là một số trong vô vàn các ví dụ về ứng dụng phỏng sinh học trên thế giới. Chúng ta có thể thấy nhiều lợi ích về bảo vệ môi trường mà phỏng sinh học mang lại. Như vậy, chỉ cần học theo cách tự nhiên đang vận hành, chúng ta có thể tiết kiệm được gấp 10 lần, 100 lần, thậm chí 1000 lần năng lượng và các nguồn tài nguyên đang sử dụng. Vì tự nhiên như một “cuốn sách” giới thiệu sản phẩm, và các sản phẩm đó đã được hưởng lợi từ một giai đoạn nghiên cứu và phát triển kéo dài 3,8 tỷ năm. Hãy còn nhiều điều trong cuốn sách này chờ chúng ta khám phá – Để lấy lại sự bền vững cho hành tinh này, nhiệm vụ của chúng ta là phải đưa những thiết kế kiến trúc bền vững này ngày càng phổ biến và trở thành xu hướng chung của tương lai.

ThS. Lê Thị Thu Hà
Đại học Duy Tân
(Bài đăng trên Tạp chí Kiến trúc số 08-2022)

» Các tin khác: