Trong bối cảnh tác động biến đổi khí hậu ngày càng gia tăng ở Đồng bằng sông Cửu Long (ĐBSCL), việc phân tích vi khí hậu trong thiết kế công trình mang tính cấp thiết, đặc biệt ở các khu vực đô thị, có sự tương tác đa dạng giữa các công trình xung quanh. Sử dụng cơ sở dữ liệu Open Buildings và DSM GLO-30, nhóm nghiên cứu đã xây dựng quy trình tạo lập mô hình 3D đô thị. Quy trình này bao gồm các bước như: Xác định phạm vi nghiên cứu; chuyển đổi dữ liệu CSV sang vector; cập nhật chiều cao công trình; xuất mô hình 3D. Mô hình sau đó được sử dụng trong Autodesk Forma để phân tích các yếu tố vi khí hậu. Nghiên cứu đóng góp vào việc xây dựng các giải pháp kiến trúc bền vững, phù hợp với bối cảnh biến đổi khí hậu (BĐKH) ngày càng phức tạp tại ĐBSCL.
Từ khóa: Open Buildings, lớp vỏ bao che công trình, ứng phó biến đổi khí hậu, Vĩnh Long
Đặt vấn đề
ĐBSCL là một trong những vùng kinh tế trọng điểm của Việt Nam, nhưng cũng là nơi phải đối mặt với những tác động nghiêm trọng của BĐKH như nước biển dâng, xâm nhập mặn, ngập lụt và sạt lở đất. Các hiện tượng này không chỉ đe dọa sinh kế của hàng triệu người dân mà còn ảnh hưởng trực tiếp đến sự phát triển bền vững của khu vực. Trong bối cảnh đó, các công trình tại đô thị, nơi tập trung mật độ dân cư cao là đối tượng dễ bị tổn thương trước các tác động của BĐKH. Với hạn chế về cơ sở dữ liệu, các nghiên cứu về tác động của BĐKH và nước biển dâng quy mô vừa và lớn ở đô thị vùng ĐBSCL còn nhiều hạn chế, đặc biệt là mô hình 3D.
Để đánh giá các vấn đề thích ứng của công trình với BĐKH, việc phân tích vi khí hậu bằng mô hình 3D đóng vai trò quan trọng vì nó cung cấp cái nhìn chi tiết và trực quan về cách các yếu tố môi trường tương tác với cấu trúc đô thị, hiểu rõ hiệu ứng đảo nhiệt đô thị, các khu vực quẩn khí, và tác động của bức xạ nhiệt lên các bề mặt. Thông qua phân tích, có thể tối ưu hóa thiết kế đô thị, cải thiện thông gió tự nhiên, tạo không gian xanh hiệu quả và giảm thiểu nhiệt độ cục bộ.
Vì vậy, mục tiêu nghiên cứu nhằm xây dựng quy trình khai thác cơ sở dữ liệu và xây dựng mô hình 3D cho khu vực đô thị kết hợp phân tích vi khí hậu. Từ đó, góp phần cung cấp thông tin hỗ trợ ra quyết định trong các kịch bản quy hoạch hoặc thiết kế công trình trước khi triển khai, đảm bảo rằng các giải pháp được đưa ra vừa hiệu quả vừa bền vững, đặc biệt trong bối cảnh BĐKH ngày càng phức tạp.
Phân tích vi khí hậu và sự cần thiết của mô hình 3D đô thị
Theo PGS. TS. Phạm Đức Nguyên, kiến trúc sinh khí hậu là một lĩnh vực khoa học nghiên cứu mối quan hệ giữa khí hậu, vi khí hậu và con người. Mục tiêu là xác định các điều kiện tiện nghi khí hậu và vi khí hậu để đề xuất chiến lược thiết kế kiểm soát khí hậu và các giải pháp kiến trúc phù hợp cho từng vùng khí hậu cụ thể [1]. Trong đó, việc phân tích vi khí hậu là quá trình nghiên cứu các yếu tố khí hậu ở quy mô nhỏ, thường tập trung vào một khu vực cụ thể nhằm hiểu rõ cách các yếu tố này tác động đến môi trường sống và điều kiện sinh hoạt [2].
Việc mô hình hóa vi khí hậu được thực hiện thông qua mô hình 3D của khu vực và các tham số liên quan như hình khối, hướng công trình, tính chất bề mặt trong không gian và các yếu tố liên quan khác như cây xanh, thảm cỏ, địa hình. Mô hình hóa trong phân tích vi khí hậu không chỉ giúp KTS cải thiện điều kiện tiện nghi của không gian bên trong công trình, mà còn ảnh hưởng đến phương án, ý tưởng thiết kế khi phân tích vi khí hậu được tích hợp từ giai đoạn đầu của thiết kế. Hiện nay có nhiều phần mềm, công cụ hỗ trợ để mô hình hóa phân tích vi khí hậu, phổ biến như Ladybug, ENVI-met, CFD, Eddy3D và Autodesk Forma [3] [4] [5].
Các công cụ phân tích vi khí hậu
Trong phân tích mô hình vi khí hậu, điều kiện cần thiết là xây dựng mô hình 3D của khu vực nghiên cứu. Bên cạnh sử dụng các thiết bị kỹ thuật như máy quét Lidar, UAV để xây dựng mô hình số bề mặt (Digital Surface Model – DSM) và tái tạo công trình [6] [7], có thể áp dụng cơ sở dữ liệu (CSDL) có sẵn để xây dựng mô hình 3D của đô thị trong điều kiện hạn chế về kinh phí khảo sát hoặc áp dụng trong giai đoạn nghiên cứu khả thi, phát triển ý tưởng kiến trúc. Open Buildings Dataset là một tập dữ liệu quy mô lớn do Google phát triển, cung cấp thông tin về vị trí và hình dạng các tòa nhà trên khắp thế giới. Dữ liệu này được xây dựng dựa trên các thuật toán học sâu và hình ảnh vệ tinh chất lượng cao, giúp phân tích và lập bản đồ các khu vực đô thị cũng như nông thôn với độ chính xác cao. Open Buildings Dataset phiên bản thứ 3 chứa thông tin về 1,8 tỷ công trình xây dựng. Dữ liệu bao phủ một khu vực rộng 58 triệu km², trải dài qua các khu vực như châu Phi, Nam Á, Đông Nam Á, Mỹ Latinh và Caribe, đặc biệt tại các vùng đang phát triển hoặc những khu vực còn hạn chế dữ liệu địa không gian [8] .
Phương pháp
Các cơ sở dữ liệu được khai thác trong nghiên cứu:
• Open Buildings Dataset: Dựa trên phạm vi nghiên cứu xác định (Phường 1, Thành phố Vĩnh Long), xác định tọa độ biên của AoI (Area of Interest – Phạm vi địa lý) và khai thác cơ sở dữ liệu công trình định dạng CSV thông qua Google Colab, thời gian cập nhật là tháng 5/ 2023.
• Dữ liệu chiều cao công trình: Dựa trên kết quả phân tích mô hình bề mặt đô thị (DSM) của Cơ quan không gian Châu Âu (ESA), bộ dữ liệu GLO-30 được cập nhật năm 2023.
Quy trình xây dựng mô hình 3D của khu vực nghiên cứu được triển khai như Hình 3. Quy trình xây dựng mô hình 3D bắt đầu với việc xác định phạm vi địa lý (AOI – Area of Interest), sử dụng QGIS để xác định tọa độ khu vực nghiên cứu. Tiếp theo, dữ liệu về các công trình trong khu vực được khai thác từ cơ sở dữ liệu Open Buildings, bao gồm thông tin về vị trí, hình dáng tòa nhà. Dữ liệu này sau đó được chuyển đổi từ định dạng CSV sang vector để phù hợp với các phần mềm GIS, giúp biểu diễn các đối tượng dưới dạng hình học (đa giác). Song song đó, dữ liệu độ cao địa hình được thu thập từ cơ sở dữ liệu GLO-30, tạo nên lớp DSM (Digital Surface Model) dưới dạng raster, cung cấp giá trị độ cao của từng điểm trong khu vực.
Bước tiếp theo là tham chiếu tọa độ của các công trình từ lớp vector với dữ liệu độ cao từ DSM để xác định chính xác giá trị chiều cao của từng công trình. Thông tin này được cập nhật vào dữ liệu vector, tạo nên một lớp dữ liệu chi tiết, bao gồm vị trí và chiều cao đầy đủ của các tòa nhà. Sau đó, mô hình 3D của các công trình được xây dựng bằng công cụ hỗ trợ trong QGIS, xuất ra dưới định dạng OBJ. Cuối cùng, mô hình 3D được sử dụng để phân tích vi khí hậu (microclimate) bằng phần mềm Autodesk Forma, nhằm đánh giá các yếu tố môi trường như ánh sáng, nhiệt độ và đối lưu trong khu vực.
Kết quả và bàn luận
Từ quy trình được xây dựng như đề xuất, nghiên cứu đã thành lập bản đồ công trình với khu vực 13,7ha trong phạm vi Phường 1, Thành phố (TP) Vĩnh Long. Tổng số công trình chuyển đổi từ dữ liệu CSV là 733 công trình, độ tin cậy dữ liệu trung bình là 0,76, tổng diện tích xây dựng (building footprint) là 53814m2 .
Với CSDL bề mặt đô thị (DSM) từ GLO-30, nghiên cứu đã cập nhật dữ liệu chiều cao công trình cho khu vực như Hình 5. Trong đó chiều cao thấp nhất là 2,7m, cao nhất là 14,7m. Nghiên cứu đã hiệu chỉnh dữ liệu của một số công trình cao tầng trong khu vực như Khách sạn Sài Gòn – Vĩnh Long, các công trình cao trên 4 tầng trục đường Trưng Nữ Vương. Sau đó, mô hình 3D (OBJ) được nhập vào công cụ phân tích vi khí hậu Autodesk Forma để đánh giá các yếu tố cơ bản như số giờ nắng , tốc độ và hướng gió , điều kiện nhiệt độ mô phỏng .
Có thể thấy trong điều kiện hạn chế về CSDL của các đô thị vùng ĐBSCL, việc áp dụng giải pháp xây dựng mô hình 3D đô thị như nghiên cứu đề xuất góp phần quan trọng để làm nền tảng thực hiện các phân tích, mô phỏng, đặc biệt là phân tích vi khí hậu của khu vực. Mặc dù dữ liệu từ Open Buildings có độ chính xác cao, tuy nhiên việc nhận dạng một số công trình chưa chính xác nên cần có đánh giá hiệu chỉnh sau khi chuyển đổi dữ liệu CSV. Dữ liệu DSM từ GLO-30 còn tương đối hạn chế do độ phân giải thấp (30m) nên có thể áp dụng kỹ thuật quang ảnh (photogrammetry) để thu thập mô hình DSM có độ chính xác cao hơn, cải thiện kết quả xử lý chiều cao của công trình.
Với Autodesk Forma, việc bổ sung dữ liệu 3D các công trình trong khu vực đã góp phần nâng cao độ chính xác trong quá trình phân tích vi khí hậu. Kết quả phân tích đa dạng của Autodesk Forma như phân tích số giờ có nắng, phân tích đối lưu không khí và phân tích nhiệt độ bên ngoài có ý nghĩa quan trọng trong bước đầu hình thành ý tưởng tổng mặt bằng và hình khối công trình. Công cụ Autodesk Forma còn có thể đánh giá carbon hiện thân (Embodied Carbon Analysis) với chỉ số tCO2e, góp phần dự đoán lượng carbon dựa trên dữ liệu ngay từ giai đoạn đầu của các nghiên cứu phương án kiến trúc. Autodesk Forma cũng xem xét mối liên hệ giữa lớp vỏ bao che và hiệu suất năng lượng, nhằm đánh giá tác động lâu dài của các lựa chọn thiết kế đến phát thải carbon vận hành (operational carbon) trong suốt vòng đời của công trình. Từ đó, giúp tối ưu hóa lớp bao che của công trình ngay từ giai đoạn lập kế hoạch, đảm bảo cân bằng giữa hiệu suất, tính thẩm mỹ và mục tiêu phát thải carbon thấp.
Kết luận
Nghiên cứu đã chứng minh tính khả thi và hiệu quả của việc ứng dụng dữ liệu Open Buildings và DSM từ GLO-30 để xây dựng mô hình 3D đô thị, phục vụ phân tích vi khí hậu tại TP Vĩnh Long. Quy trình đề xuất không chỉ giải quyết được hạn chế về dữ liệu mà còn cung cấp một công cụ mạnh mẽ cho việc mô phỏng các yếu tố vi khí hậu như số giờ nắng, mô phỏng gió và nhiệt độ bề mặt. Các kết quả phân tích không chỉ hỗ trợ quá trình thiết kế kiến trúc mà còn góp phần nâng cao hiệu suất năng lượng và giảm phát thải carbon trong giai đoạn đầu của dự án. Tuy nhiên, nghiên cứu cũng nhận diện các hạn chế, đặc biệt về độ phân giải dữ liệu DSM và tính chính xác trong nhận diện công trình từ dữ liệu Open Buildings. Do đó, việc kết hợp các kỹ thuật quang ảnh hoặc các nguồn dữ liệu có độ chính xác cao hơn sẽ là hướng phát triển tiềm năng nhằm nâng cao chất lượng phân tích và ứng dụng trong tương lai. Nghiên cứu này là bước tiến quan trọng, đóng góp vào việc xây dựng các giải pháp kiến trúc bền vững, phù hợp với bối cảnh BĐKH ngày càng phức tạp tại ĐBSCL.
ThS.KTS. Lê Hồ Tuyết Ngân,
TS. Huỳnh Trọng Nhân,
ThS.KTS. Mai Thanh Bình*
(Bài đăng trên Tạp chí Kiến trúc số 9-2024)
Tài liệu tham khảo
1. Phạm, Đức Nguyên: “Kiến trúc sinh khí hậu – Thiết kế sinh khí hậu trong kiến trúc Việt Nam” – NXB Xây Dựng (2008);
2. Bình, Trần Duy: “Tiện nghi sinh khí hậu nhiệt đới trong thiết kế nhà ở tại Vũng Tàu.” – Journal of Science and Technology 6.3 (2023): 6-6.
3. Ibrahim, Yasser Ibrahim, Tristan Kershaw, and Paul Shepherd: “A methodology for modelling microclimate: A ladybug-tools and ENVI-met verification study.” – 35th PLEA conference sustainable architecture and urban design: planning post carbon cities. 2020.
4. Kastner, Patrick, and Timur Dogan: “Eddy3D: A toolkit for decoupled outdoor thermal comfort simulations in urban areas.” – Building and Environment 212 (2022): 108639.
5. Graham, Jonathan, et al. “Microclimate analysis as a design driver of architecture.” – Climate 8.6 (2020): 72.
6. Zhou, Shuang, et al: “Building detection in Digital surface model.” – 2013 IEEE International Conference on Imaging Systems and Techniques (IST). IEEE, 2013.
7. Priestnall, Gary, Jad Jaafar, and A. Duncan: “Extracting urban features from LiDAR digital surface models.” – Computers, Environment and Urban Systems 24.2 (2000): 65-78.
8. Gevaert, Caroline M., Thomas Buunk, and Marc JC Van Den Homberg: “Auditing geospatial datasets for biases: using global building datasets for disaster risk management.” – IEEE Journal of Selected Topics in Applied Earth Observations and Remote Sensing (2024).
