Trong 20 năm gần đây, việc ứng dụng các thành tựu công nghệ thông tin vào kiến trúc- xây dựng đã không ngừng được đẩy mạnh và chuyên môn hóa, chuyên biệt hóa. Quá trình này đã dành được nhiều bước tiến và thành tựu đáng kể để từng bước hình thành nên sự phát triển của lĩnh vực Công nghệ thông tin hỗ trợ thiết kế Kiến trúc (Computer-Aided Architectural Design – từ đây gọi tắt là CAAD). Hiện nay, tại các trường ĐH và viện nghiên cứu của nhiều quốc gia đều có các phòng nghiên cứu chuyên sâu về lĩnh vực này, trong số đó phải nhắc đến Mỹ, Úc, Phần Lan, Pháp, Saudi Arabia, và cả các quốc gia Châu Á như Nhật, Hàn, Trung Quốc, Hồng Kông, Đài Loan, Singapore…Theo đó, các phần mềm và các ứng dụng môi trường tương tác đồ họa để hỗ trợ thiết kế đã trở nên không thể thiếu trong công việc của các KTS, các KS, các kỹ thuật viên, thậm chí ngay cả cho những người quản lý dự án xây dựng, các nhà cung cấp thiết bị và các khách hàng.
Những năm gần đây, việc ứng dụng công nghệ VR và AR (thuộc khái niệm chung của lĩnh vực Mixed Reality) đang dần chứng tỏ sự hấp dẫn và sức mạnh ứng dụng trong nhiều lĩnh vực liên quan cần khai thác hình ảnh đồ họa, ví dụ như sản xuất và kỹ thuật công nghiệp, kiến trúc- xây dựng, y học, thương mại, quốc phòng, y tế, giải trí… Vậy Mixed Reality là gì? VR&AR là gì? Công nghệ Mixed Reality (gồm VR+ AR) sẽ tạo nên không gian và môi trường làm việc mà trạng thái người dùng cảm nhận thông tin – hình ảnh từ máy tính nằm trong chuỗi xác lập trạng thái Mixed Reality Continuum (được Paul Milgram đưa ra năm 1994). Theo đó trạng thái VR gia tăng môi trường thông tin ảo còn môi trường AR thông qua giao diện máy tính sẽ đưa người dùng trở về gần hơn môi trường thực. Các ứng dụng tạo lập không gian – môi trường tương tác cho kiến trúc thông qua máy tính như trên được định danh chung là các ứng dụng Tương tác Con người – Máy tính (HCI- Human Computer Interaction).
Để hiểu và xác định được các xu hướng phát triển hiện nay và sắp tới của CAAD chúng ta cần nhìn lại các chặng trong lịch sử hình thành và phát triển của nó.
Lịch sử của CAAD (Computer-Aided Architectural Design)
Đầu những năm 1960, công việc vẽ thiết kế kỹ thuật đã phát triển từ vẽ tay thông thường (Sketch) sang việc thiết kế với sự hỗ trợ của tin học – máy tính (CAD). Các công cụ CAD đầu tiên đã sớm được phát triển và sử dụng trong các lĩnh vực kỹ thuật công nghiệp, như kỹ thuật cơ khí và hàng không. Vào những năm 1960, Ivan Sutherland đã dùng máy tính TX-2 được phát triển tại MIT’s Lincon Lab để tạo nên phần mềm thiết kế đầu tiên là “SKETCHPAD”, cái mà đến nay được xem như thành tựu đầu tiên hướng đến công nghiệp CAD. Nó cho phép người kỹ sư ngồi tại máy tính để tạo nên các bản vẽ đồ họa thông qua sử dụng bút ánh sáng light-pen và bàn phím. Sự ra mắt của Sketchpad tại hội thảo Spring Joint Computer năm 1963 thực sự đã gây chú ý với giới kỹ sư cùng với sự yêu thích các tiềm năng của CAD.
Vào cuối những năm 1960, một số KTS đã nhận ra tầm quan trọng và không thể thiếu của các công cụ CAD cho việc thiết kế xây dựng. Tuy nhiên, vào thời gian này, các công cụ đó không hướng đến nhu cầu phục vụ cho kiến trúc – xây dựng, mà đang tập trung khai thác hỗ trợ cho các ngành kỹ thuật máy & hàng không. Trong những năm 1970, CAD đã trở thành phiên bản điện tử dành cho các bảng vẽ với hình họa 2D có định hướng. Do sự cần thiết cho ứng dụng CAD dần lớn mạnh, các công cụ CAD được phát triển hướng đến các KTS và các designer từ những năm 1980. Đó là các các CAD model được gọi là “21/2D”, được xem là cách tạo nên các mô hình bề mặt thông qua 2 trục x-y và có thêm các giá trị thuộc tính.
Giữa những năm 1980, 3 hệ thống CAD đầu tiên mà đã hướng đến giới kiến trúc, như là RIBCON của RIB GmbH, SPEEDIKON của IEZ AG và Bott-Bauset của BOTT. Vào thời điểm đó, thiết kế bản vẽ bằng CAD được bổ sung thêm “thuộc tính thông minh”, là cái cho phép các KTS làm việc trong môi trường “sáng tác xây dựng được định hướng” bởi tin học. Minh họa chức năng mới có thể gán thuộc tính cho đối tượng khi thiết kế. Nó thay thế các thao tác vẽ thủ công từ các chức năng cơ bản (line, circle, rectangle,…). Thời điểm đó, cỗ máy tính hi-tech là IBM 1620 (dung lượng 12.6 Kb) và HP 9845 được xem như các máy vi tính mạnh nhất lúc đó. Lúc này, việc xác định một lĩnh vực mới mẻ là Công nghệ thông tin hỗ trợ kiến trúc đã nổi lên, nó được gọi là CAAD. CAAD được phát triển rộng khắp cho công nghiệp AEC và vươn tới các giới hạn mới về ứng dụng. Các khái niệm của CAD và CAAD dần trở nên khác nhau và được phân biệt. Cả “CAD” và “CAAD” khác nhau bởi 1 chữ “A” ngụ ý dành cho “Architecture”.
CAD truyền thống vẫn đã và đang trợ giúp cho những nhà thiết kế kỹ thuật. Tuy nhiên, CAAD có ý nghĩa như là công cụ để giải quyết các vấn đề thiết kế và vận hành trong lĩnh vực kiến trúc, hơn nữa là dành cho việc tìm kiếm các giải pháp kiến trúc mới thông qua công nghệ máy tính. Ý nghĩa này là sự khác nhau trong hoạt động của CAD và CAAD, trong cách diễn đạt khác, chữ “architectural” trong CAAD bao hàm cho sự thông minh (intelligent), thuộc tính không gian – môi trường (spatial attribute) và tính trực giác (intuitive).
Tiếp nối sau các phần mềm thuộc thế hệ CAD (Computer-Aided Design) thì các công nghệ BIM (Building Information Modeling) hiện nay là các phần mềm tạo lập và quản lý mô hình – thông tin dự án như Revit, Archicad, Tekla, MagicCAD, Bently System,…đang lôi cuốn và hướng các KTS và các chuyên gia xây dựng đến với Quy trình thiết kế tích hợp IDP (Integrated Design Process). Quy trình thiết kế IDP được hiểu là quy trình thiết kế dựa trên tính tích hợp của mô hình thông tin tòa nhà, và đây đang được coi là quy trình thiết kế xây dựng tiên tiến nhằm đáp ứng cho công trình kiến trúc hiện đại cùng công nghệ xây dựng tiên tiến. Trong việc so sánh BIM với các phần mềm thiết kế CAD trước đó, thì BIM cho phép giới kiến trúc – xây dựng thuận tiện hơn khi thiết kế, quản lý và tiếp cận thông tin dự án theo dạng mô hình 3D/4D trong môi trường đồ họa ảo thuần nhất (Virtual Environment) và đặc biệt nâng khả năng làm việc nhóm (teamwork) trong môi trường 3D/4D Virtual Reality cùng thời gian thực(realtime). Thực tế, môi trường đồ họa ảo thuần nhất này đã và vẫn được tạo nên bởi các phần mềm CAD trước đó như: AutoCAD, 3DsMax, SketchUp…tuy nhiên các phần mềm thuộc thế hệ CAD này chưa nâng cao môi trường và hiệu ứng tương tác trong thời gian thực (Realtime Interaction) cho người dùng cũng như chưa hướng đến phát triển ứng dụng tích hợp và chia sẻ thông tin với công nghệ điện toán “đám mây” (clound computing). Đang phát triển thêm nữa là một số công nghệ IT mới gần đây đã cho phép nghĩ đến các ứng dụng khác mà giao diện làm việc thiết kế sẽ từng bước thoát khỏi môi trường desktop thông thường để đến với môi trường Công nghệ Thực tại ảo (VR – Virtual Reality) và sau nữa là môi trường Công nghệ thông tin thời gian thực (AR- Augmented Reality). Ví dụ, các đồ họa khung dây và các hình ảnh flat-shared được thay thế bởi tính thực và khả năng tương tác cao, các ứng dụng VR mang đến cho cả khách hàng và các designer sự thấu hiểu hơn các không gian thiết kế. Người dùng có thể trải nghiệm không gian kiến trúc trong giai đoạn thiết kế nhờ công nghệ VR, hay quan sát và tương tác với mô hình đền thờ trên thực địa nhờ công nghệ AR. Thực vậy, sự nổi trội và và phát triển của CAAD nhằm giúp các KTS và các designer trong việc thiết kế và tối ưu hóa các sáng tạo của họ.
Đến nay, nghiên cứu CAAD đã được phát triển rộng rãi đến hai phạm trù. Một là phân tích và phát triển ứng dụng CAAD như các phần mềm chuyên môn để hỗ trợ cho công việc thiết kế, cũng như đánh giá và quản lý trong kiến trúc- xây dựng. Phần còn lại là tìm kiếm các giải pháp và ứng dụng mới dựa trên các thành tựu của công nghệ IT và kỹ thuật điện tử để ứng dụng cho các giai đoạn khác nhau của kiến trúc và xây dựng, như đưa các xu hướng ứng dụng HCI vào kiến trúc: Interactive Design, Smart Space, Virtual Space,…
Ứng dụng của HCI cho CAAD – hiện tại và tương lai
Phần này đề cập đến một vài lĩnh vực nghiên cứu để hỗ trợ quy trình thiết kế, theo đó những ứng dụng được tạo ra để ảnh hưởng sâu đến quy tắc và các giải pháp thực hành kiến trúc- xây dựng. Các ứng dụng HCI mang ý nghĩa giúp cho máy tính có thể hỗ trợ các KTS rộng hơn bởi các hiệu ứng trực giác và không gian tăng cường thông tin.
Trong lĩnh vực HCI hướng đến CAAD, qua 15 năm không còn là thời gian ngắn chỉ để các KTS hiện nay vẫn sử dụng công cụ con chuột trên giao diện menu của desktop để xây dựng nên và chỉnh sửa các thiết kế. Dựa trên những tiến bộ của phần cứng tin học (hardware) và các phần mềm định dạng trong hơn 1 thập kỷ qua, đến nay là chín muồi để mở rộng phát triển các giao diện tương tác Con người – Máy tính cho CAAD. Có nhiều các dạng thức giúp tương tác giữa Con người- Máy tính, như là động tác cơ thể (action), các xúc giác (haptic), truy bắt và ghi nhận các đặc điểm ảnh và mô hình (tracking), âm thanh và giọng nói. Các dạng thức tương tác này được phát triển để đưa ra những ứng dụng mới vào nhiều dạng hoạt động trong kiến trúc và xây dựng.
Các ứng dụng HCI đang hướng rõ đến CAAD, một vài ứng dụng đã đêm đến cho người dùng giao diện tương tác thông minh hơn và gần tự nhiên hơn. Đây là những hiệu ứng vượt trội mà cho phép người dùng tương tác với các đối tượng kiến trúc ảo trong môi trường thực cũng như là môi trường thực “gia tăng thuộc tính ảo”-VR+AR. Ở đó, trong không gian kiến trúc, người dùng có thể tương tác trực tiếp với các đối tượng kiến trúc nhờ vào các thực nghiệm với “hệ thống máy tính được tối ưu hóa phần cứng” (invisible computing). Ví dụ như con người có thể di chuyển trong không gian và môi trường kiến trúc ảo do máy tính tạo nên, thậm chí họ có thể tương tác trực tiếp với các mô hình kiến trúc trong thời gian thực. Ở đó, các KTS thu nhận được các kiến thức và không gian trải nghiệm kiến trúc theo cách hoàn toàn mới. Các ứng dụng này được ghi nhận như là hiệu quả tuyệt vời nhằm nâng lên khả năng thiết kế các công trình kiến trúc trong kỷ nguyên kỹ thuật số – “cảm ứng tương tác”.
Bài báo này hệ thống lại những giai đoạn phát triển của tiến trình ứng dụng Công nghệ thông tin hỗ trợ kiến trúc, và tiếp đó đề cập đến những công nghệ IT tiên tiến đang và sẽ được áp dụng vào kiến trúc – xây dựng trong giai đoạn tới. Đồng thời bài báo này sẽ nằm trong chuỗi các nội dung nghiên cứu về ứng dụng công nghệ kỹ thuật số vào kiến trúc – xây dựng từ đề tài NCS đã bảo vệ thành công tại Hàn Quốc 2011: Nghiên cứu thiết kế tương tác dựa trên công nghệ MR để hỗ trợ cho Quy trình thiết kế tích hợp IDP.
TS.KTS. Phan Việt Toàn
(Bài đăng trên Tạp chí Kiến trúc số 3/2016)
