Kiến trúc mặt ngoài nhà cao tầng tại Hà Nội, nhìn từ góc độ thích ứng khí hậu

Ở mức độ đơn giản nhất, kiến trúc nhiệt đới đương đại là kiến trúc thích ứng với khí hậu. Tuy nhiên, vấn đề của kiến trúc nhiệt đới đương đại không chỉ có yếu tố khí hậu, mà nó còn liên quan đến các vấn đề như hiệu quả năng lượng, môi trường và phát triển bền vững. Thiết kế kiến trúc thích ứng khí hậu còn phụ thuộc vào các yếu tố như mặt ngoài công trình, bố trí mặt bằng, không gian kiến trúc. Trong phạm vi bài viết này, tôi chỉ đề cặp đến một khía cạnh của kiến trúc nhà cao tầng nhiệt đới, đó là kiến trúc mặt ngoài – phần vỏ của công trình kiến trúc.

    Mặt ngoài công trình hay còn gọi là vỏ công trình, đóng vai trò quan trọng nhất trong thiết kế công trình thích ứng khí hậu. Các giải pháp thiết kế mặt ngoài công trình giúp giảm thiểu tác động xấu cũng như tận dụng các lợi thế của khí hậu bên ngoài trong từng điều kiện cụ thể như che nắng, chiếu sáng, thông gió, và liên quan trực tiếp đến hiệu quả sử dụng năng lượng của công trình. Trên thế giới đã có nhiều nghiên cứu và áp dụng thực tiễn về mặt ngoài công trình nhà cao tầng (NCT) thích ứng khí hậu, như một nhân tố quan trọng của các xu hướng kiến trúc : kiến trúc sinh thái, kiến trúc hiệu quả năng lượng, kiến trúc sinh khí hậu, kiến trúc xanh kiến trúc bền vững. Tại Hà Nội, nhìn chung mặc dù các tòa nhà cũng có các giải pháp mặt ngoài kiến trúc thích ứng với điều kiện khí hậu như giải quyết hướng công trình, các chi tiết che chắn nắng…. Tuy nhiên, đây chỉ là những giải pháp mang tính riêng lẻ. Còn các tòa nhà đảm bảo yếu tố thân thiện với môi trường, tiết kiệm năng lượng và thích ứng khí hậu hầu như chưa xuất hiện tại Hà Nội. Cơ sở khoa học của các giải pháp kiến trúc nhiệt đới từ trước đến nay chủ yếu là đối với công trình kiến trúc thấp tầng, có quy mô nhỏ. Hầu như chưa có các nghiên cứu sâu sắc về các giải pháp kiến trúc nhiệt đới đối với NCT.
Trong NCT nhiệt đới, thiết kế thụ động (passive design) hoàn toàn có thể được áp dụng nhằm tận dụng tối đa các lợi thế của điều kiện tự nhiên như thông gió, chiếu sáng, cây xanh trong khi cố gắng đảm bảo điều kiện vi khí hậu, tiện nghi nhiệt trong nhà. Tuy nhiên đây không phải là câu trả lời toàn diện cho bài toán thiết kế NCT nhiệt đới. Nền nhiệt độ vào mùa hè tại Hà Nội ngày càng cao do ảnh hưởng của biến đổi khí hậu, dẫn đến các không gian có người ở trong công trình hoàn toàn phụ thuộc vào điều hòa nhiệt độ. Thậm chí có những công trình khép kín và sử dụng điều hòa cho toàn bộ tòa nhà. Do đó, rất khó có một công trình cao tầng hoàn toàn sử dụng thông gió tự nhiên. Vì vậy kiến trúc thích ứng khí hậu phải là sự tương tác hài hòa giữa các giải pháp tự nhiên và nhân tạo, đặc biệt là đối với NCT nhằm đảm bảo tiện nghi môi trường cho người sử dụng, hiệu quả năng lượng, giảm tác động đến môi trường. Theo nhiều nghiên cứu, khoảng 40% sự tương tác này diễn ra ở lớp vỏ công trình. Do đó tìm kiếm những giải pháp thích ứng khí hậu cho lớp vỏ này đóng vai trò rất quan trọng. 

 Toà nhà Tập đoàn Dầu khí 

                      

Hệ thống lớp vỏ kép công trình  

Trên thế giới, sử dụng lớp vỏ kép là một trong những xu hướng thích ứng khí hậu phố biến đối với NCT (hình 4). Đây là một trong những phương thức lồng ghép công nghệ thích ứng khí hậu vào lớp vỏ công trình. Nếu thiết kế phù hợp, lớp vỏ kép có thể đồng thời tăng cường điều kiện vi khí hậu trong nhà và hiệu quả năng lượng. Sử dụng lớp vỏ kép công trình hiệu quả khá phức tạp, vì còn liên quan đến nhiều thành phần khác trong công trình, như hệ thống điều hòa không khí, thông gió, chiếu sáng… Theo xu hướng này, hiện nay kiến trúc mặt ngoài nhà cao tầng ở Hà Nội mới chỉ dừng lại ở việc sử dụng các tấm hợp kim che nắng (Tòa nhà Ngân hàng Dầu khí – phố Láng Hạ – hình 1). Ngoài ra lớp vỏ kép đã bắt đầu được ứng dụng trong dự án đang và sẽ khởi công (Trụ sở Tập đoàn FPT – 88 phố Láng Hạ). Đây là những xu hướng tốt và rất nên khuyến khích áp dụng phổ biến tại Hà Nội cũng như Việt Nam.

Lớp vỏ kép thông thường bao gồm 2 lớp, lớp trong có thể là kính hoặc tường bao che nhằm phục vụ các yêu cầu bên trong công trình, lớp ngoài là hệ khung rất đa dạng về vật liệu và thể loại tùy theo yêu cầu chắn nắng, cách nhiệt. Ưu điểm của lớp vỏ kép là từ hệ chắn nắng và hiệu quả cách nhiệt từ lớp không khí giữa hai lớp, do đó tăng hiệu quả năng lượng và tiện nghi chiếu sáng tự nhiên cho công trình. Lựa chọn vật liệu phù hợp cho hai lớp vỏ công trình đóng vai trò rất quan trọng các chức năng thích ứng khí hậu của lớp vỏ kép (hình 3).

Vật liệu cho lớp vỏ bên trong của công trình có thể là kính hoặc vật liệu bao che khác tùy thuộc vào thiết kế.Thông thường tường gạch bao che mặt ngoài công trình được sử dụng rất phổ biến ở công trình nhà ở cao tầng tại Hà Nội. Đây là loại vật liệu cần hạn chế sử dụng do những tác hại về môi trường và rất nhiều nhược điểm khác. Sử dụng gạch không nung sẽ là xu thế mới cho lớp vỏ bên trong công trình NCT nhiệt đới. Loại gạch này có những ưu điểm như trọng lượng nhẹ, thân thiện với môi trường và khả năng cách nhiệt cao hơn so với gạch nung. Có thể kể đến một số loại đã xuất hiện trên thị trường Hà Nội như gạch không nung, bê tông bọt, tấm panel 3d. Ngoài ra, kính là vật liệu phổ biến được sử dụng cho kiến trúc mặt ngoài NCT như công trình tổ hợp văn phòng, trung tâm thương mại …. với những đặc điểm nổi bật như tính trong suốt, biểu cảm phong phú, đa dạng, đưa ánh sáng tự nhiên và thiên nhiên vào không gian nội thất. Tuy nhiên trong điều kiện khí hậu nhiệt đới như ở Hà Nội, tường kính sẽ gây hiệu ứng nhà kính khiến cho nhiệt độ trong công trình nóng hơn lên. Những loại kính cách nhiệt như kính bảo ôn, kính low-e phù hợp với khí hậu nhiệt đới (giảm từ 25-49% lượng nhiệt từ bên ngoài vào nhà so với kính thường) là lựa chọn tối ưu cho lớp vỏ bên trong của hệ thống vỏ kép. Tuy nhiên, nếu sử dụng toàn bộ kính này cho công trình sẽ dẫn đến chi phí lớn, đồng thời kéo theo những bất lợi khác như năng lượng dùng cho điều hòa sẽ tăng hơn. Do đó, để có kết quả tối ưu khi sử dụng lớp vỏ kép, ngoài những giải pháp lựa chọn vật liệu độc lập cho lớp trong và ngoài công trình cần có giải pháp tổng thể để xác định sự tương tác giữa các yếu tố tiện nghi môi trường trong nhà, hiệu quả năng lượng với hệ thống lớp vỏ kép. Ví dụ, lựa chọn hình dáng kích thước, loại tấm chắn nắng cho lớp vỏ ngoài công trình ảnh hướng trực tiếp đến nhiệt độ không khí, thông gió tự nhiên vào bên trong công trình. Việc lựa chọn độ lớn, vị trí khoảng mở lớp vỏ cũng ảnh hưởng đến tác động của gió tự nhiên vào công trình. Xác định loại tấm chắn nắng phụ thuộc vào khoảng cách giữa hai lớp vỏ kép, điều kiện thời tiết và tiện nghi trong nhà.

   

 Công trình sử dụng lớp vỏ kép ở Singapore

Nhằm tính toán các tương tác nêu trên, ngay từ giai đoạn thiết kế mô hình NCT, người ta đã sử dụng các phần mềm tính toán về môi trường, thiết kế bền vững (hình 5). Ở các phần mềm này KTS có thể lựa chọn hệ thống che nắng, kích thước, vị trí và loại vật liệu, các khoảng mở trên lớp vỏ trong công trình. Phần mềm sẽ tính toán tương tác với các lựa chọn tiện nghi môi trường khác trong công trình như nhiệt độ, độ ẩm, chiếu sáng. Kết quả tính toán sẽ thể hiện những lựa chọn nào có hiệu quả năng lượng nhất, đảm bảo điều kiện vi khí hậu cho công trình. Từ đó sẽ có những lựa chọn tối ưu trong thiết kế hệ vỏ kép NCT thích ứng điều kiện khí hậu nhiệt đới.Những mô hình tính toán này hoàn toàn có thể áp dụng cho các công trình cao tầng tại Hà Nội, vì thực tế cho thấy phần mềm đã được áp dụng rộng rãi tại các nước có điều kiện khí hậu tương đồng với Hà Nội như Đài Loan, Hồng Kong…

Có thể nói, hệ thống vỏ kép công trình là một trong những xu hướng kiến trúc nhiệt đới tất yếu cho các công trình cao tầng tại Hà Nội nói riêng và Việt Nam nói chung.Ngoài những ưu điểm về tính thích ứng khí hậu nhiệt đới, hiệu quả năng lượng, hệ thống vỏ kép công trình còn là nơi cho những sáng tạo kiến trúc phong phú, thể hiện bản sắc dân tộc. Khái niệm lớp vỏ kép công trình không còn mới trên thế giới, nhưng vẫn còn là vấn đề mới mẻ ở Việt Nam.Để áp dụng thực sự hiệu quả hệ thống này trong điều kiện khí hậu Hà Nội, cần có những nghiên cứu thực tiễn và cụ thể.

Ths.KTS Lê Vũ Cường