Công trình xanh London 2012 Velodrome đã được thiết kế như thế nào?

1. Giới thiệu về công trình London 2012 Velodrome
London 2012 Velodrome là hạng mục nhà thi đấu xe đạp 6000 chỗ, nằm trong quần thể Công viên Olympic 2012 ở Luân Đôn. Công trình có giá trị khoảng 102 triệu bảng Anh, với tổng diện tích sàn là 21.700 m2, được thiết kế kiến trúc bởi Hopkins Architects, thiết kế cảnh quan bởi Grant Associates, thiết kế kết cấu bởi Expedition Engineering, thiết kế đường đua bởi Ron Webb, tư vấn kỹ thuật công trình bởi BDSP Partnership, thí nghiệm gió và tuyết với ống khí động thực hiện tại phòng thí nghiệm BMT.Nhà thầu xây dựng chính là ISG và 7 nhà thầu phụ chuyên môn khác. Tháng 1/2011, sau gần 2 năm xây dựng, công trình đã được khánh thành và đưa vào phục vụ Olympic và Paralympic Games 2012[1; 2].

London 2012 Velodrome được coi là biểu tượng của Công viên Olympic, không chỉ vì hình thức kiến trúc hoàng tráng và ấn tượng mà còn vì tính bền vững môi trường đặc biệt của nó. Công trình được trao giải của Viện Kiến trúc sư Hoàng gia Anh (RIBA), giải của Thủ tướng 2011 cho công trình công cộng tốt nhất, Giải thưởng Công nghệ xây dựng Anh, Công trình của năm 2011 do Tạp chí Architects’ Journal bình chọn, và đặc biệt được chứng nhận BREEAM xuất sắc (công trình xanh ở Anh) ở giai đoạn thiết kế[3].

Bài viết này xin giới thiệu tương đối chi tiết quá trình thiết kế công trình này để bạn đọc hiểu rõ về toàn bộ quá trình hình thành một công trình xây dựng xanh như thế nào.

2. Các yêu cầu và tiêu chuẩn thiết kế
Trở ngại với nhà thiết kế là các yêu cầu chất lượng môi trường trong nhà đua xe đạp chưa được đề cập trong bất kỳ tiêu chuẩn nào. Nhóm thiết kế đã tham khảo thông số kỹ thuật từ những người quản lý nhà đua xe đạp Velodrome ở Manchester, các tiêu chuẩn nhà thi đấu của CIBSE, của Anh, của UCI và thỏa thuận với Hiệp hội đua xe đạp Anh ở những tiêu chí quan trọng ngay từ khi lập dự án khả thi.

Trong việc thiết kế nhà thi đấu xe đạp lòng chảo, việc tạo điều kiện thi đấu giúp vận động viên (VĐV) đạt vận tốc cao nhất luôn là ưu tiên hàng đầu. Ngoài việc xây dựng đường đua lòng chảo 250m tuân thủ nghiêm ngặt tiêu chuẩn của UCI (Union Cycliste Internationale – Hiệp hội Đua xe đạp quốc tế) thì yếu tố môi trường thi đấu có vai trò hết sức quan trọng. Chất lượng chiếu sáng phải hoàn hảo, đạt độ đồng đều cao, độ rọi lớn – khoảng 2000 lux khi thi đấu, không có bóng đổ đậm gây mất tập trung và có thể gây tai nạn cho VĐV. Nhiệt độ không khí phải ở mức cao hơn bình thường (26 – 28 °C) để giảm tỷ trọng (giảm sức cản) của không khí, giúp VĐV có thể hưởng lợi vài mili giây và phá kỷ lục cũ. Trong khi khán giả lại ưa thích nhiệt độ thấp hơn đến vài độ. Vận tốc chuyển động của không khí trong khu vực lòng chảo phải nhỏ nhất, tránh làm ảnh hưởng đến thành tích của VĐV. Đối với nhà thi đấu quốc tế, những yêu cầu trên còn phải kết hợp hài hòa với yêu cầu về tiện nghi nhiệt và chất lượng không khí cho khán giả, chất lượng chiếu sáng phải thỏa mãn yêu cầu của truyền hình độ nét cao.

Theo đặt hàng của chủ đầu tư là Lee Valley Regional Park Authority và điều lệ quản lý quy hoạch khu công viên được duyệt, ngoài việc phải đạt chứng chỉ BREEAM “xuất sắc”, công trình còn phải thoả mãn hàng loạt yêu cầu nghiêm ngặt như: Giảm 50% phát thải carbon trên toàn bộ quần thể Công viên Olympic, giảm 40% lượng nước máy tiêu thụ so với bình thường, công trình phải giảm 15% phát thải carbon theo Mục tiêu giảm thải Anh quốc. Chính vì vậy, ngay từ giai đoạn phác thảo ý tưởng, yêu cầu bền vững được nhà thiết kế luôn coi là yếu tố trung tâm của giải pháp kiến trúc và kỹ thuật công trình.

3. Các chiến lược thiết kế
Công trình được Hopkins thiết kế để có thể vận hành ở 2 chế độ (nhằm tiết kiệm tối đa năng lượng): Chế độ thông gió tự nhiên vào mùa Hè và mùa Xuân – Thu; và chế độ sưởi vào mùa Đông. Ngoài ra, công trình cũng vận hành theo cơ chế khác nhau khi có và không có sự kiện chính thức.

Chiến lược thông gió tự nhiên là giải pháp quan trọng giúp công trình tiết kiệm năng lượng. Hình dáng công trình đã được tối ưu bằng mô phỏng CFD, giúp gió dễ dàng đi vào phía bên dưới và gió nóng bốc lên ra ngoài trên đỉnh. Hệ thống lam thông gió bằng gỗ được thiết kế khéo léo, hòa nhập với toàn bộ mặt đứng. Những chiến lược tiết kiệm năng lượng quan trọng khác bao gồm:
– Khối nhiệt trong nhà và thông gió đêm thông qua hệ thống thông gió cơ khí, điều khiển bởi BMS (hệ thống quản lý công trình tự động), giúp cải thiện tiện nghi nhiệt vào mùa hè;
– Vỏ công trình được cách nhiệt tốt (ví dụ, với cách nhiệt dày 300 mm, chỉ số dẫn nhiệt toàn phần của lớp mái chỉ là 0.15 W/m2.°C)[1];
– Chất lượng hoàn thiện tốt giúp công trình rất kín khí (giúp tiết kiệm nhiệt sưởi mùa Đông), đạt mức rò chỉ 5m3/h.m2 khi chênh lệch áp suất trong ngoài là 50 Pascal;
– Sử dụng loại đèn có hiệu suất sáng cao (66.7–104.4 lm/W, hiệu suất cao hơn cả đèn huỳnh quang) và điều khiển thông minh (phân vùng chiếu sáng, cảm biến người, cảm biến ánh sáng, lập trình chiếu sáng…);
– Tạo điều kiện tối đa cho việc điều khiển các hệ thống kỹ thuật theo khu vực nhỏ (chiếu sáng, điều hòa, thông gió, sưởi…), giúp tắt hoặc giảm bớt nhu cầu năng lượng ở những chỗ không cần thiết;
– Giảm thiểu tổn thất áp lực trên đường ống thông gió bằng cách giảm thiểu chiều dài (dùng tới 20 cụm AHU, mỗi cụm phụ trách một khu vực nhỏ thay vì chỉ 2 đến 4 AHU như bình thường);
– Giảm tiêu thụ nước 40%, trong đó 20% do thiết bị tiết kiệm nước, 20% do thu nước mưa và sử dụng lại;
– Chiếu sáng tự nhiên từ mái nhà rất hiệu quả;
– Giám sát chất lượng thi công nghiêm ngặt;
– Công trình được lắp đặt hệ thống đồng hồ đo dày đặc, giúp chủ đầu tư biết được mức tiêu hao tài nguyên của từng thiết bị tiêu thụ chính.

4. Giải pháp kết cấu và vật liệu
Công trình sử dụng các giải pháp kết cấu vật liệu bền vững và tiết kiệm. Kết cấu mái dây căng rất nhẹ và tiết kiệm thép – 16 km dây cáp chỉ nặng 160 tấn so với 1300 tấn nếu dùng vòm thép (giảm thải CO2 của hệ kết cấu tới 45%). Mặc dù giải pháp này khiến chi phí đắt hơn, nhưng lại giảm chi phí thi công do rút ngắn thời gian thi công. Vỏ bao che bằng gỗ có thể tái sinh được ghép từ 5000 m2 gỗ tuyết tùng đỏ (Forest Stewardship Council chứng nhận được khai thác bền vững). 56 km gỗ thông Siberia khai thác bền vững được dùng làm sàn đua xe. Đây là loại gỗ vốn sinh trưởng ở vùng khí hậu khắc nghiệt, nên không bị cong vênh, co ngót). Tường tầng bán hầm làm bằng các rọ thép chứa đá dăm sinh ra khi phá dỡ mặt bằng công viên Olympic. Có tới 29% lượng vật liệu sử dụng trong công trình là từ vật liệu tái sinh [1];

5. Vai trò của giải pháp mô phỏng hiệu năng công trình
Hopkins Architects đã thành công trong việc tạo ra London Velodrome xanh thực sự, nhưng đằng sau thành công đó là sự đóng góp hiệu quả của các mô phỏng khi thiết kế, thực hiện bởi BDSP Partnership. BDSP, với 20 năm kinh nghiệm trong mô phỏng, đã phối hợp chặt chẽ với các KTS trong suốt tiến trình thiết kế. Hệ thống mô phỏng gồm:
– Mô phỏng về chuyển động gió và các dòng nhiệt trong và ngoài công trình bằng phương pháp CFD; kiểm tra kết quả bằng thí nghiệm trong ống khí động;
– Mô phỏng chiếu sáng tự nhiên kết hợp nhân tạo;
– Mô phỏng nhiệt và năng lượng trong công trình.

Các kết quả mô phỏng được sử dụng để phân tích và điều chỉnh các giải pháp thiết kế, kết quả cũng được mô tả và báo cáo trong hồ sơ kỹ thuật của tất cả 5 bước thiết kế theo quy định của RIBA (gồm: báo cáo khả thi, thiết kế phác thảo, triển khai cụ thể phương án, thiết kế kỹ thuật, tài liệu hướng dẫn thi công).

5.1. Định hình hình dáng công trình qua mô phỏng CFD
Mô phỏng chuyển động của gió và phân bố nhiệt độ không khí trong nhà được thực hiện trên phần mềm CFX của ANSYS. Do giới hạn bài viết, chúng tôi không thể giới thiệu chi tiết hơn quá trình và kết quả mô phỏng. Các mô phỏng CFD giúp người thiết kế kiểm soát chặt chẽ điều kiện nhiệt độ và tốc độ gió trên đường đua, đáp ứng yêu cầu nghiêm ngặt của môn thể thao này. Mô phỏng cũng cho phép người thiết kế chọn được hình dáng tối ưu cho việc thông gió tự nhiên.

5.2. Mô phỏng và thiết kế chiếu sáng
Phần mềm Ecotect được dùng để dựng mô hình công trình và tạo hệ lưới, sau đó xuất sang phần mềm Radiance để tính toán độ rọi và độ đồng đều. Độ rọi ngoài trời tính toán dưới điều kiện bầu trời đầy mây là 6500 lux, ứng với 80% thời gian ban ngày của Luân Đôn.

Với yêu cầu độ rọi từ 300 lux trong điều kiện bình thường đến 2000 lux khi có sự kiện cần truyền hình trực tiếp, nhóm thiết kế đã lựa chọn giải pháp chiếu sáng tự nhiên thỏa mãn 300 lux, kết hợp với đèn chiếu sáng khi có sự kiện. Điều này giúp công trình tiết kiệm điện chiếu sáng trong 50% thời gian vận hành sau kỳ Olympic. Lượng điện tiết kiệm được do chiếu sáng tự nhiên ước tính 30% điện chiếu sáng.
Với yêu cầu độ đồng đều của ánh sáng và yêu cầu ánh sáng khuếch tán (tránh bóng đổ có thể gây nguy hiểm cho VĐV), rất nhiều phương án chiếu sáng được sử dụng và mô phỏng để kiểm tra độ rọi và độ đồng đều. Các vấn đề về thẩm mỹ, kinh tế, tính khả thi, thất thoát nhiệt qua kính được BDSP Partnership bàn bạc kỹ với Hopkins Archiects. Phương án tối ưu được chọn là các tấm lấy sáng dạng dải dài, có độ xuyên sáng 0.32, phù hợp với cấu trúc của kết cấu dây căng mái.

Hệ thống chiếu sáng nhân tạo được thiết kế để tạo độ rọi 2000 lux, ngay cả khi không có ánh sáng tự nhiên, phục vụ truyền hình độ nét cao. Hệ thống này cũng có thể được điều chỉnh để độ rọi giảm xuống 300 lux khi không có sự kiện, giúp tiết kiệm điện.

5.3. Mô phỏng năng lượng của tổ hợp Công viên và công trình
Mục tiêu giảm 50% lượng phát thải carbon trên toàn bộ Công viên Olympic 2012 được kế hoạch thông qua 3 chiến lược sau:
– Các hạng mục xây dựng đạt mức tiết kiệm 15% năng lượng so với mức bình thường, tức giảm phát thải carbon khoảng 15%;
– Trung tâm sản xuất năng lượng cho Công viên Olympic được trang bị hệ thống liên hợp Sưởi-làm mát- phát điện (sử dụng nhiệt thừa khi sản xuất điện bơm đến các công trình để sưởi vào mùa Đông, sử dụng nước thải đã xử lý tại chỗ để làm mát), giúp giảm thải 1000 tấn carbon/năm, giảm 20% phát thải carbon;
– Hệ thống sản xuất năng lượng tái sinh trên toàn công viên giúp giảm thải carbon thêm 20%.
Chủ đầu tư đã đề ra 3 phần việc phải thực hiện trong quy trình kiểm soát năng lượng như sau:
– Mô phỏng: Lượng năng lượng tiêu thụ từng giờ của Velodrome bằng công cụ mô phỏng TAS [5]. Các kết quả như vậy còn được dùng để dự đoán tổng nhu cầu năng lượng theo giờ của toàn khu Công viên;
– Đánh giá: So sánh kết quả dự đoán của London Velodrome với các công trình thực tế tốt và tương đương để đánh giá mức hiệu quả năng lượng (ở đây người ta đã so sánh với Manchester Velodrome).
– Sự tuân thủ: Tính toán mức phát thải carbon của công trình Velodrome (theo quy trình của Tiêu chuẩn Xây dựng Anh quốc) nếu đạt mức giảm 15% của Mục tiêu giảm thải quốc gia; so sánh với kết quả mô phỏng;
Kết quả đánh giá với thực tiễn: Nhờ sự tích hợp chặt chẽ các công cụ phân tích và mô phỏng trong suốt các giai đoạn thiết kế của dự án, hiệu năng mà Velodrome London sẽ đạt được so với thực tiễn như sau:
Dự đoán mức tiêu thụ gas (để sưởi) hàng năm chỉ 58 kWh/m2, so với 150 kWh/m2 của nhà thi đấu Manchester (suy ra từ hóa đơn tiền gas). Đó là nhờ hệ thống vỏ cách nhiệt tốt, hệ thống thu hồi nhiệt thải hiệu quả, và các chiến lược tiết kiệm nước nóng;

Dự đoán mức phát thải carbon hàng năm chỉ 63 kg CO2/m2, giảm 30% so với nhà thi đấu Manchester (86 CO2/m2). Nếu tính cả phần giảm hàm lượng carbon trên kWh điện hoặc nhiệt sưởi (do hệ thống sản suất năng lượng sạch và hiệu suất cao của công viên Olympic) thì London Velodrome chỉ phát thải 41 CO2/m2, chỉ chưa đến một nửa so với Manchester.

Kết quả so sánh với mục tiêu giảm thải quốc gia: Các kết quả mô phỏng ở giai đoạn thiết kế kỹ thuật của London Velodrome so với mô hình của một công trình tiêu chuẩn được nêu trong minh họa. So sánh cho thấy công trình này đã giảm 35% CO2, vượt mức yêu cầu 15% của mục tiêu quốc gia. Dự kiến công trình chỉ phát thải 45% CO2 so với công trình tiêu chuẩn.

So sánh lượng phát thải carbon của London Velodrome 2012 với các công trình Olympic khác cho thấy đây là công trình phát thải ít nhất, thân thiện môi trường nhất. Sân vận động Tổ chim Bắc Kinh 2008 là công trình kém thân thiện môi trường nhất do sử dụng quá nhiều thép cho vỏ bao che.

6. Nhận định
Qua toàn bộ quá trình thiết kế xây dựng London Velodrome, chúng tôi nhận thấy có những điểm rất đáng lưu tâm như sau:
– Sự chuyên môn hóa cao trong thiết kế: Mỗi nhà thầu chỉ làm một công việc chuyên môn duy nhất;
– Có sự tham gia của một đơn vị tư vấn kỹ thuật công trình – BDPS – có nhiều kinh nghiệm trong mô phỏng hiệu năng công trình;
– Chủ đầu tư đặt ra các yêu cầu về bền vững môi trường rất nghiêm ngặt;
– Một nền tảng pháp lý và quản lý nhà nước rõ ràng, nhất quán; trong đó có chương trình mục tiêu quốc gia tốt.
– Sự kết hợp đồng bộ của các yếu tố nói trên đã tạo ra một sản phẩm xây dựng hoàn hảo. Theo các nguồn thông tin chính thức, kết quả quan trắc thực tế của London Velodrome vẫn đang trong quá trình thực hiện bởi BDSP Partnerships. Kết quả thực tế sẽ được dùng để đánh giá độ tin cậy và chính xác của các công cụ mô phỏng và tính toán đã thực hiện trong quá trình thiết kế. Dù thế nào đi nữa thì thực tế không thể phủ nhận là công trình đã trở thành một trong những biểu tượng của kỳ Olympic xanh ở Luân Đôn.

TS. KTS Nguyễn Anh Tuấn
Khoa Kiến trúc – Trường Đại học Bách khoa Đà Nẵng