Vỏ bao che tòa nhà cao tầng

Định nghĩa về vỏ công trình của The Pew Research Center on Global Climate Change (Tổ chức nghiên cứu về biến đổi khí hậu toàn cầu). “Vỏ bao che tòa nhà là giao diện giữa bên trong của tòa nhà và môi trường bên ngoài, bao gồm các bức tường, mái nhà, và nền móng – có chức năng như một rào cản nhiệt, đóng vai trò quan trọng trong việc xác định lượng năng lượng cần thiết để duy trì môi trường thoải mái trong nhà so với môi trường bên ngoài”.
Wikipedia, được xem như bộ não thứ hai của người sử dụng internet toàn cầu cũng đưa ra một định nghĩa tương tự: “Vỏ bao che toà nhà là bộ phận phân cách vật lý giữa môi trường bên trong và bên ngoài của tòa nhà. Lớp vỏ bao che giúp duy trì môi trường vi khí hậu và cùng với các hệ thống điều hòa cơ khí kiểm soát khí hậu bên trong công trình”.

 

 

                                                                                     Một số dạng tường có lớp thoát nước mặt

Phần vỏ của tòa nhà không những ảnh hưởng đến hình dáng mà còn ảnh hưởng đến khả năng sử dụng, độ bền, an toàn tính mạng và tài sản của người sử dụng. Ngoài ra, phần vỏ bao che của tòa nhà thông thường và đôi khi thậm chí là bắt buộc là nơi đảm nhiệm chức năng lắp đặt các thiết bị liên quan đến sử dụng và tiết kiệm năng lượng.

Vỏ bao che công trình (hay còn gọi là lớp bảo vệ") gồm các thành phần sau: tường ngoài, cửa sổ, mái, nền móng.
Vỏ bao che là phần quan trọng trong thiết kế xây dựng một công trình sử dụng năng lượng hiệu quả. Vỏ bao che toà nhà không đơn thuần chỉ là một lớp tường gạch xây dựng sơn màu xanh đỏ, vỏ bao che tại các công trình cao tầng (và cả trong các công trình hiện đại) khá phức tạp, đòi hỏi thoả mãn nhiều tính năng khác của công trình.

 

                                                                                                                  Tường nhà cao tầng

 

Dù là loại kết cấu nào và hình thức ra sao thì vỏ bao che toà nhà vẫn gồm các chức năng chính như sau: chịu lực (chống đỡ và chịu lực); kiểm soát (dòng chảy vật chất và các dạng năng lượng); an toàn (chống lại các tác động bất lợi từ bên ngoài); thẩm mỹ (đáp ứng mong muốn của con người cả bên trong và bên ngoài).
Chức năng chịu lực:
Đối với các công trình cao tầng, vỏ bao che cần chịu được tải trọng và lực tác động của bản thân, đồng thời chịu được lực tác động của gió từ ngoài vào công trình.
Chức năng kiểm soát:
Chức năng kiểm soát là cốt lõi của việc sử dụng năng lượng có hiệu quả. Quan trọng nhất là đảm bảo nhiệt độ, độ thông thoáng và độ ẩm cho bên trong toà nhà.
Vỏ bao che công trình có nhiệm vụ kiểm soát và bảo vệ tòa nhà khỏi sự tác động của các yếu tố bất lợi từ môi trường bên ngoài như gió, mưa, tiếng ồn, cũng như sự bất lợi của nhiệt độ và nguy cơ cháy nổ; đồng thời tận dụng các yếu tố có lợi như ánh sáng mặt trời và gió trong chiếu sáng và thông thoáng tự nhiên cho công trình.

 

 

Tòa nhà Bur Juman, Dubai (UAE) với các thanh chống nắng cố định thay đổi theo vị trí mặt trời

Yếu tố bất lợi đầu tiên phải kể đến là mưa và gió, nhiệm vụ quan trọng bậc nhất của tường ngoài là bảo đảm kín gió và kín nước ngay cả trong điều kiện bên ngoài khắc nghiệt. Trong điều kiện mưa, giông thông thường (chưa tính đến mùa bão), thì mưa thường kèm theo gió tạt ngang, do đó cần phải chống thấm nước mưa cho vỏ tòa nhà. Hơn nữa, mưa là nguyên nhân lớn nhất gây ra độ ẩm. Do đó, kiểm soát sự xâm nhập của nước mưa là một chức năng cơ bản của vỏ bao che tòa nhà, cũng như kiểm soát độ ẩm công trình.
Với tường gạch và tường nhiều lớp, khả năng kiểm soát sự xâm nhập của nước mưa không cao, nước mưa vẫn có thể ngấm qua tường vào nhà. Loại tường hoàn hảo nhất là tường bằng kính hoặc kim loại. Tuy nhiên, những loại tường này cũng có hạn chế nhất định, nhất là trong điều kiện độ ẩm cao của khí hậu Việt Nam, kính và kim loại nhận bức xạ mặt trời rất lớn, và không cho phép thoát hơi ẩm; đồng thời, việc ngăn nước xâm nhập từ ngoài vào trong đối với mối nối của các loại vật liệu này tương đối phức tạp.

 

                                                                                             Edificio Consorcio sede Santiago

 

Giải pháp cuối cùng được đưa ra để ngăn nước mưa là tường với hệ thống thoát nước mặt (Screened-drained walls), (Hình 1) lớp tường này đồng thời cũng chịu được tác động của gió và bức xạ mặt trời.
Một đặc điểm thường thấy ở nhà cao tầng có mặt ngoài bằng kính, kính khung nhôm và đặc biệt là các tòa nhà sử dụng điều hòa không khí là sự ngưng tụ hơi nước ở bề mặt do sự chênh lệch nhiệt độ giữa bên trong và bên ngoài. Đối với khí hậu ẩm ở Việt Nam (đặc biệt là vùng đồng bằng Bắc Bộ), sự ngưng tụ hơi nước xảy ra khá nghiêm trọng, thường dẫn đến nấm mốc ở các sàn ngăn cách giữa các tầng. Trên thực tế, các biện pháp xử lý hiện tượng này chưa từng được đặt ra. Việc xử lý vấn đề này tương đối đơn giản nhưng lại khá tốn kém – cần phải sử dụng các loại kính và khung nhôm có khả năng cách nhiệt, tránh ngưng tụ hơi nước do chênh lệch nhiệt độ giữa hai bề mặt kính bằng các loại kính hai lớp với lớp chân không ở giữa.
Nhiệm vụ tiếp theo của vỏ bao che công trình là đảm bảo nhiệt lạnh về mùa hè và nhiệt nóng về mùa đông. Đối với những bề mặt tường đặc có thể kết hợp các lớp chịu lực và các lớp cách nhiệt, còn đối với các bề mặt kính thì cần cân nhắc sử dụng các loại kính nhiều lớp với lớp chân không ở giữa hoặc sử dụng tường kính hai lớp.

 

                                                                         Tấm che nắng ngang tại công trình Việt Nam và Nhật Bản

 

Do khả năng thoáng khí cao so với các loại tường khác, tường gạch với độ dày đủ lớn để ngăn cản dòng nhiệt từ bên ngoài truyền vào nhà là thích hợp nhất cho điều kiện khí hậu nóng ẩm Việt Nam. Tuy nhiên, với nhà cao tầng, tường gạch dày lại không phải là giải pháp tốt – do độ nặng của tường sẽ gia tăng tải trọng cho hệ thống chịu lực của tòa nhà. Vì thế, cần cân nhắc khi sử dụng hệ thống tường nhiều lớp, kính nhiều lớp và tường kính hai lớp với khả năng mở cửa thông thoáng vào ban đêm, nhằm thoát nhiệt cho công trình.
Hiện nay, việc sử dụng kính cho lớp vỏ bao che công trình cao tầng đã trở nên rất phổ biến tại Việt Nam, thậm chí có những công trình vật liệu kính chiếm 100%. Năng lượng sưởi ấm cho những tháng mùa đông không nhiều, trong khi lượng bức xạ mặt trời ở  những tháng mùa hè rất cao, nung nóng toàn bộ tòa nhà. Do đó, việc giảm bức xạ mặt trời đặc biệt có ý nghĩa đối với các tòa nhà – khi đó năng lượng làm mát thụ động sẽ giảm đi (giảm chi phí đầu tư thiết bị, chi phí vận hành và chi phí bảo dưỡng).
Mặt khác, hạn chế bức xạ mặt trời để chống nóng đồng thời lại hạn chế ánh sáng tự nhiên, sẽ phải tiêu hao năng lượng cho chiếu sáng. Với bước sóng ngăn hơn, mức độ tác động của ánh sáng nhân tạo đến sức khỏe con người cao hơn ánh sáng tự nhiên. Do đó, việc sử dụng kính chống nắng chỉ là giải pháp tạm thời, không phải giải pháp lâu dài.
Việc lắp đặt thiết bị chống nắng chỉ nên thực hiện ở mặt ngoài công trình nhưng cần lưu ý đến sức gió. Các loại rèm bên trong tường kính tuy bền với thời tiết, nhưng hoàn toàn không có tác dụng ngăn bức xạ mặt trời mà chỉ chống chói; do đó, không nên thực hiện. Các lam chống nắng theo chiều ngang hay dọc cần lưu ý đến hướng nắng, đường xoay của mặt trời. Việt Nam nằm trong vùng nhiệt đới (nội chí tuyến) nên nói chung kết cấu che nắng tương đối giống nhau; đặc biệt, các hướng Tây, Nam, Đông và Đông Bắc nên quan tâm đến các thanh chống nắng ngang.
Đối với một nước cận xích đạo như Việt Nam, nơi ánh nắng mặt trời quanh năm thừa thãi, các tòa nhà hiện đại hầu như không sử dụng được ánh nắng trực tiếp để chiếu sáng do độ chói gây hại cho mắt người. Do đó, việc chống chói cho công trình cũng rất quan trọng.
Một yếu tố bất lợi khác tác động đến công trình là tiếng ồn. Thông thường, người ta có thể hạn chế tác động của tiếng ồn từ ngoài vào trong; tuy nhiên, việc hạn chế tiếng ồn từ phòng đến phòng lại chưa được chú tâm. Tiếng ồn tác động trực tiếp đến vỏ bao che và có thể gây ra rung động, ảnh hưởng đến khả năng chịu lực của tòa nhà. Việc hạn chế tiếng ồn từ phòng đến phòng rất quan trọng. Đối với các công trình lắp ghép, ngoài lớp tráng cách âm cho vật liệu, cần phải chú trọng đến các mối ghép.

 

                                                                        Pin năng lượng mặt trời được sử dụng như kết cấu che nắng ngang và đứng

 

Chức năng an toàn:
Lớp vỏ công trình cần chống được các tác động từ thiên nhiên cũng như con người đến tòa nhà. Chống cháy, chống khói, cản trở đột nhập, ném bom, tác động của động đất, chống chớp, hạn chế radar… là những yêu cầu về an toàn được đặt ra đối với vỏ tòa nhà.
Đối với tình hình Việt Nam hiện nay, chống cháy, chống khói và cản trở đột nhập là những yêu cầu cần được quan tâm hơn cả. Chống cháy và chống khói tại tường ngoài thực chất liên quan đến những biện pháp phòng chống cháy, ngăn ngừa và cản trở bùng cháy hay cháy lan tỏa, cũng như dập khói và nhiệt. Khi xảy ra đám cháy, bên cạnh các thiết bị thông hút khói đặc trưng, tại những điểm giao cắt cần có thêm thiết bị cánh quạt xoay hoặc cửa lật. Tính hiệu quả của sự thông thoát khói bị chi phối bởi kích thước phù hợp của thiết bị.
Chức năng thẩm mỹ
  Về mặt thẩm mỹ, vỏ công trình hiện đại được hoàn thiện không chỉ bằng các vật liệu kỹ thuật cao mà còn phải được kết hợp với các loại vật liệu mang tính thiên nhiên như cây xanh hay các yếu tố kỹ thuật để mang lại lợi ích cho người sử dụng.
Tại Việt Nam, sử dụng cây xanh mặt đứng và mái của công trình cao tầng chưa được thực hiện, dù lợi ích của giải pháp này là không cần bàn cãi, nguyên nhân do chủ đầu tư và người sử dụng, thậm chí là người thiết kế chưa thực sự quan tâm.
Cũng như cây xanh, sử dụng các tấm pin năng lượng mặt trời tại công trình cao tầng tại Việt Nam cũng chưa được áp dụng do chi phí đầu tư lớn. Các tấm pin năng lượng mặt trời có thể thiết kế thành vách tường hay kết cấu che nắng cho mặt đứng.
Những chức năng chịu lực, kiểm soát, an toàn và thẩm mỹ của vỏ tòa nhà ảnh hưởng quyết định tới yếu tố kinh tế, môi trường và tiện nghi của toàn bộ toà nhà.
Xây dựng vỏ tòa nhà bền vững đồng nghĩa với việc giảm thiểu sử dụng năng lượng, vật liệu, tiền bạc và thời gian. Điều này đòi hỏi phương pháp sử dụng năng lượng và vật liệu, đạt hiệu quả cao trong thiết kế và xây dựng, cũng như trong quá trình vận hành.

KTS Nguyễn Thùy Dung

Tài liệu tham khảo:
1.    Winfried Heusler, SCHÜCO International KG, Bielefeld – Bài giảng Khóa đào tạo Phát triển bền vững trong Kiến trúc và Xây dựng – do VBI tổ chức tại Viện Kiến trúc, Quy hoạch Đô thị và Nông thôn tháng 8/2010.
2.    Straube, J.F – Rain Control in Buidings (Kiểm soát nước mưa trong công trình) – Building Science Digest 013.
3.    Phạm Đức Nguyên (chủ biên) – Các giải pháp Kiến trúc khí hậu Việt Nam – NXB Khoa học & Kỹ thuật, Hà Nội 2006.