Tóm tắt
Thiết kế công trình hiệu quả năng lượng (HQNL) là yếu tố quan trọng trong lĩnh vực kiến trúc và thiết kế đô thị, mang lại nhiều lợi ích thiết thực như tối ưu hóa hiệu quả thiết kế, nâng cao chất lượng môi trường sống, thúc đẩy phát triển bền vững. Một trong những yếu tố cần thiết để các thiết kế công trình HQNL một cách chính xác, có tính định lượng cao là việc ứng dụng các mô phỏng HQNL (Building Performance Simulation – BPS). Ứng dụng BPS hỗ trợ người thiết kế trong việc đưa ra các giải pháp nâng cao HQNL trong thiết kế chiếu sáng, thông gió, vật liệu, hệ thống kỹ thuật, thiết lập các kịch bản vận hành hiệu quả nhằm giảm thiểu tác động môi trường và đáp ứng các tiêu chí công trình xanh, thân thiện môi trường.
Ứng dụng BPS trong đào tạo ngành kiến trúc không chỉ cải thiện kỹ năng thiết kế của sinh viên (SV) mà còn nâng cao nhận thức của SV về tác động qua lại của môi trường – công trình – con người. BPS có thể mô phỏng các yếu tố như đường biểu kiến mặt trời, bức xạ, bóng đổ, kỹ thuật che nắng, thông gió và chiếu sáng… giúp SV dự đoán và hiểu rõ hơn về cách thức môi trường tự nhiên ảnh hưởng đến không gian sống và làm việc của con người. Từ đó, SV có thể thiết kế những sản phẩm kiến trúc không chỉ hiệu quả về công năng sử dụng mà còn HQNL và thân thiện với môi trường. Hơn nữa, thông qua kết quả này, có thể thúc đẩy nhận thức của SV về bối cảnh biến đổi khí hậu, hướng đến một tương lai phát triển bền vững.
Phương pháp học tập ứng dụng BPS được xem là cách tiếp cận phù hợp và rất hữu ích, đặc biệt là với các nội dung liên quan đến thiết kế bền vững. Dựa trên nền tảng kỹ thuật, trong chương trình đào tạo ngành kiến trúc tại Trường Đại học Bách khoa, Đại học Quốc gia TP HCM (ĐHBK-HCM), phương pháp BPS đã được nghiên cứu và đưa vào giảng dạy trong một số môn học phù hợp. Kết quả thực hiện cho thấy chất lượng các sản phẩm thiết kế được nâng cao rõ ràng và nhận thức của sinh viên cũng được thay đổi tích cực. Bài báo tập trung vào việc hệ thống hóa các phần mềm BPS, tiếp theo là việc ứng dụng các phần mềm mô phỏng HQNL trong môn học “Kỹ thuật công trình dân dụng” (KTCTDD) cũng được phân tích. Từ đó, những bài học kinh nghiệm được rút ra cho những môn học tương tự nhằm cải tiến chất lượng đào tạo ngành kiến trúc.
Từ khóa: Mô phỏng HQNL, ứng dụng BPS, giảng dạy ngành kiến trúc, thiết kế bền vững.
Tổng quan
Trong bối cảnh môi trường đang phải đối mặt với những thách thức lớn về BĐKH, dần cạn kiệt các nguồn năng lượng hóa thạch, tại hội nghị COP26, Việt Nam đã đưa ra tuyên bố: Đạt mức phát thải ròng bằng “0” vào 2050; tham gia Tuyên bố toàn cầu về chuyển điện than sang năng lượng sạch, không xây dựng nhà máy điện than mới sau 2030 tiến tới giảm dần điện than từ 2045; giảm 30% phát thải khí mê-tan vào năm 2030 so với 2020; tăng cường bảo vệ rừng và quản lý sử dụng đất nhằm giảm phát thải khí nhà kính; tham gia liên minh thích ứng toàn cầu…[1]. Trong lĩnh vực giáo dục, ngành kiến trúc có vai trò hết sức quan trọng trong việc đào tạo đội ngũ, KTS, cử nhân kiến trúc (CNKT) có khả năng thiết kế các công trình HQNL, góp phần vào công cuộc chung của đất nước trong phát triển năng lượng bền vững.
Tại Việt Nam, một số nhà khoa học đã thực hiện những nghiên cứu liên quan đến vấn đề mô phỏng hiệu năng công trình và mối quan hệ của nó với việc thiết kế hay đào tạo ngành kiến trúc Lê Thanh Hòa (2014), Nguyễn Anh Tuấn (2016 và 2021), Phạm Thị Hải Hà và Vương Đạo Hoàng (2015) đã phân tích, đề xuất các giải pháp ứng dụng BPS vào thiết kế kiến trúc và khả năng của nó trong đổi mới đào tạo ngành kiến trúc [2,3,4,5]. Một số phần mềm cụ thể cũng đã được đề xuất và thử nghiệm ứng dụng trong đào tạo như Ecotect (Lê Thanh Hòa, 2014), Revit (Ngô Quang Tâm và Nguyễn Anh Tuấn, 2018), Autodesk CFD (Phan Tiến Vinh, Trịnh Duy Anh và Nguyễn Anh Tuấn, 2022) [6,7,8]. Kết quả ứng dụng trong các đồ án SV ngành kiến trúc cho thấy các phần mềm này đã mang lại hiệu quả rõ rệt trong việc cải thiện quá trình thiết kế HQNL công trình. Tuy nhiên, các nghiên cứu này được tập trung chủ yếu vào mô tả công nghệ và lợi ích của ứng dụng BPS mà chưa đi sâu vào các thách thức khi triển khai các công cụ này trong thực tiễn như vấn đề chi phí bản quyền phần mềm, chi phí đầu tư phần cứng phục vụ mô phỏng, cũng như chưa làm rõ những đặc điểm, ưu nhược điểm của các phần mềm BPS. Trong lĩnh vực đào tạo kiến trúc chưa có các hướng dẫn rõ ràng về hệ thống các phần mềm BPS có thể áp dụng trong giảng dạy, cách thức tiếp cận cũng như quy trình triển khai BPS trong các môn học và đồ án có liên quan.
Một số trường đại học (ĐH) tiêu biểu trên thế giới hiện nay đã và đang ứng dụng BPS trong giảng dạy kiến trúc như ĐH Harvard (Harvard Graduate School of Design), Viện Kỹ thuật Massachusetts (MIT), ĐH Kỹ thuật TU Delft (Hà Lan), ĐH Sydney (Úc), ĐH Quốc gia Singapore (NUS)… Tại Việt Nam, một số trường ĐH cũng đã bắt đầu ứng dụng BPS vào giảng dạy như ĐH Kiến trúc Hà Nội, ĐH Xây dựng Hà Nội, ĐH Bách Khoa Đà Nẵng, ĐH Kiến trúc TP.HCM, ĐHBK – ĐHQG – HCM.
Hiện nay, phương pháp giảng dạy các môn học về vật lý kiến trúc (VLKT) tại các cơ sở đào tạo ở Việt Nam chủ yếu thiên về lý thuyết với các sơ đồ nguyên lý cơ bản và một số cách thức tính toán truyền thống theo dạng công thức. Có sự thiếu hụt đáng kể trong việc tích hợp các kiến thức về thiết kế HQNL, ứng phó với BĐKH và các phương pháp mô phỏng định lượng vào các môn học lý thuyết và đồ án. Điều này đặt ra những thách thức lớn cho các KS, KTS, CNKT khi tham gia vào quá trình thiết kế các công trình HQNL trong thực tế. Để đáp ứng yêu cầu ngày càng cao về một môi trường bền vững, cũng như phù hợp với định hướng phát triển của quốc gia, khi mà vào ngày 17-03-2023, Chính phủ đã ban hành Quyết định số 258/QĐ-TTg Phê duyệt lộ trình áp dụng mô hình thông tin công trình (BIM) trong hoạt động xây dựng [9] thì việc cải tiến chương trình đào tạo Kiến trúc là cần thiết và cấp bách để trang bị cho đội ngũ thiết kế trong tương lai những kiến thức và kỹ năng theo nhu cầu xã hội. Bài báo này phân tích giải pháp ứng dụng BPS trong việc cải tiến chương trình đào tạo KTS và CNKT hướng tới kiến trúc bền vững, đã được triển khai tại ĐHBK – ĐHQG – HCM và đã mang lại những kết quả bước đầu rất tích cực.
Các phần mềm mô phỏng hiệu năng công trình
Mô phỏng hiệu năng công trình (Building Performance Simulation – BPS) là phương pháp sử dụng một lượng lớn các mô hình toán học để mô phỏng hiệu suất của một công trình dưới một tập hợp các điều kiện biên. Trong khoa học, BPS được sử dụng như một thuật ngữ để chỉ ra một tập hợp rộng các mô phỏng hiệu suất, được thực hiện với sự hỗ trợ của các phần mềm chuyên dụng, thường bao gồm cả việc đánh giá và tối ưu hóa chi phí thiết kế công trình. Mặc dù có nhiều loại mô phỏng khác nhau, kể từ những năm 1980, thuật ngữ BPS chủ yếu liên quan đến khía cạnh hiệu suất năng lượng và được sử dụng như một từ đồng nghĩa với mô phỏng HQNL công trình [9]. Trong những năm gần đây, thuật ngữ BPS đã bắt đầu được nhắc đến và lan tỏa trong ngành kiến trúc và xây dựng, BPS đã chứng tỏ được khả năng trong việc giải quyết nhiều vấn đề thiết kế kiến trúc phức tạp mà các phương pháp thông thường không đáp ứng được, chẳng hạn như việc dự báo chính xác khả năng thông gió tự nhiên (TGTN), khả năng HQNL, các tác động đến môi trường của phương án thiết kế… Do đó, BPS nên được áp dụng rộng rãi trong thiết kế các công trình có HQNL, giúp người thiết kế có thể kết hợp các giải pháp thiết kế thụ động (passive design) và chủ động (active design) để đem lại hiệu năng cao nhất cho công trình [8].
BPS là một quá trình kỹ thuật nhằm xây dựng một mô hình ảo của công trình sau đó tiến hành mô phỏng để phân tích và đánh giá hiệu năng công trình. Có thể khái quát quá trình này trong 8 bước như thể hiện trong Hình 1, bao gồm (1) Xác định mục tiêu và phạm vi mô phỏng, các yếu tố ảnh hưởng đến công trình và các vấn đề đặt ra; (2) Xác định các hệ thống cần mô hình hóa (kiến trúc, điện, nước, chiếu sáng, âm thanh, điều hòa không khí…); (3) Dựng mô hình ảo dựa trên các hồ sơ thiết kế; (4) Gắn thông số đầu vào cho mô hình ảo (địa điểm, thời tiết, lịch trình vận hành, sử dụng, vật liệu xây dựng…); (5) Chạy mô phỏng; (6) Phân tích kết quả mô phỏng; (7) Tối ưu hóa và điều chỉnh thiết kế; (8) Báo cáo và đưa ra khuyến nghị.
BPS đóng góp vai trò thiết yếu trong quá trình thiết kế, là cơ sở đánh giá hiệu năng công trình từ đó đưa ra các giải pháp tối ưu hóa năng lượng công trình. Trong đào tạo ngành kiến trúc, BPS cung cấp những công cụ trực quan để SV có thể hiểu và áp dụng các lý thuyết vật lý kiến trúc (VLKT) vào các đồ án thiết kế. Ứng dụng BPS giúp SV nắm bắt lý thuyết hiệu quả, cho phép thực hành và thử nghiệm với các mô hình thiết kế giả lập trên máy tính hoặc trên các nền tảng đám mây, giúp SV hiểu rõ hơn về cách thức mà các chiến lược thiết kế sinh khí hậu có thể ảnh hưởng đến HQNL của công trình. Thông qua mô phỏng, SV có thể quan sát và thấy rõ sự thay đổi tiêu thụ năng lượng của công trình khi thay đổi các giải pháp về vật liệu, che nắng, chiếu sáng và thông gió… Việc ứng dụng BPS vào chương trình giảng dạy còn giúp SV phát triển tư duy phản biện và sáng tạo, khuyến khích SV đặt ra các giả định và tìm kiếm các giải pháp thiết kế tối ưu hóa thông qua quá trình mô phỏng, điều này không chỉ giúp SV trong quá trình thực hành thiết kế ở trường mà trang bị những kỹ năng cần thiết để ứng dụng trong thực tiễn nghề nghiệp sau này. Hiện nay, trong các văn phòng tư vấn thiết kế kiến trúc chuyên nghiệp, bên cạnh khả năng sáng tác, yếu tố thẩm mỹ, thì khả năng thiết kế HQNL với sự ứng dụng của các phần mềm BPS vẫn được đánh giá rất cao.
Trong lĩnh vực thiết kế hiệu năng công trình, dựa vào mục đích và chức năng mô phỏng có thể chia thành các nhóm phần mềm BPS như trong nội dung Bảng 1. Cụ thể là (i) nhóm mô phỏng năng lượng (energy simulation) gồm các PM EnergyPlus, eQuest, IES VE…; (ii) nhóm mô phỏng thông gió gồm các phần mềm OpenFOAM, Ansys Fluent, Autodesk CFD, SimScale…; (iii) nhóm mô phỏng chiếu sáng gồm các phần mềm Autodesk Ecotect, Autodesk Revit, Radiance, Velux Daylight Visualizer, Dialux Evo; (iv) nhóm mô phỏng hỗ trợ mô phỏng che nắng, bóng đổ mặt trời, phân tích khí hậu, biểu kiến mặt trời… gồm các phần mềm SketchUp, Autodesk Ecotect, Autodesk Revit, Climate Consultant… [2]. Ngoài những nhóm phần mềm phổ biến này, có thể kể đến một số nhóm công cụ/phần mềm BPS khác như: Mô phỏng môi trường và tiện nghi người sử dụng (environmental and occupant comfort simulation), mô phỏng hiệu suất và chi phí vòng đời (life cycle performance and cost simulation), mô phỏng kết cấu (structural load analysis), nhóm mô phỏng khói lửa (fire and smoke simulation), mô phỏng sơ tán phục vụ cho việc tính toán thóat hiểm. Phần mềm BPS thường đòi hỏi cấu hình cao về phần cứng máy tính cho việc tính toán mô phỏng, trên thị trường hiện nay cũng dần xuất hiện một số công cụ BPS dựa trên nền tảng đám mây (cloud-based), kết hợp với các thuật toán về trí tuệ nhân tạo Artificial Intelligence (AI), giúp mô phỏng một cách trực quan và hiệu quả. Với nền tảng này, người dùng sẽ tiết kiệm được chi phí vì không cần phải đầu tư quá nhiều cho phần cứng, có thể kể đến các công cụ phổ biến trên nền tảng đám mây như Simscale, Ansys Cloud, Autodesk Forma, Green Building Studio.
Dựa trên những nhu cầu thiết thực về HQNL công trình, hiện nay việc ứng dụng BPS được sử dụng phổ biến được lựa chọn và sử dụng nhiều trong nghiên cứu, đào tạo và thực hành chuyên nghiệp. Các phần mềm này bao gồm các phiên bản thương mại, miễn phí hay mã nguồn mở, có khả năng mô phỏng các yếu tố ảnh hưởng đến hiệu năng công trình như tiêu thụ năng lượng, tiện nghi nhiệt, chất lượng không khí trong nhà, chiếu sáng và thông gió…, hỗ trợ các KTS, KS, nhà nghiên cứu trong việc đánh giá và tối ưu hóa hiệu năng của công trình ngay từ giai đoạn thiết kế cho đến khi vận hành.
Một số công cụ tiêu biểu có thể kể đến bao gồm EnergyPlus và eQuest, đây là các công cụ mô phỏng năng lượng miễn phí do Bộ Năng lượng Hoa Kỳ (United States Department of Energy – DOE) phát triển, EnergyPlus cung cấp khả năng mô phỏng chi tiết còn eQuest phù hợp cho các mô phỏng sơ bộ. OpenStudio là giao diện đồ họa người dùng (GUI) cho EnergyPlus, cung cấp môi trường trực quan để tạo và chạy mô phỏng năng lượng. DesignBuilder là phần mềm BPS thương mại với giao diện trực quan, tích hợp hầu hết các thể loại mô phỏng năng lượng, bức xạ, nhiệt, ánh sáng và thông gió. SketchUp là công cụ mô hình hóa 3D chủ yếu sử dụng trong thiết kế ý tưởng, tuy nhiên có thể sử dụng một số chức năng mô phỏng cơ bản về biểu kiến mặt trời. Autodesk Revit là phần mềm BIM phổ biến với các tính năng mô hình hóa và mô phỏng năng lượng tích hợp. Dialux Evo là phần mềm miễn phí mô phỏng chiếu sáng tự nhiên và nhân tạo. Autodesk Ecotect là phần mềm BPS với khả năng phân tích nhiệt, bức xạ, ánh sáng, thông gió và âm thanh…. Tuy nhiên, hiện nay PM này không còn được Autodesk phát triển thêm, nhưng vẫn có thể sử dụng hiệu quả trong đào tạo. OpenFOAM, Autodesk CFD và Ansys Fluent là các phần mềm mô phỏng động lực học chất lưu (Computational Fluid Dynamics – CFD) ứng dụng cho mô phỏng TGTN và thông gió nhân tạo. IES VE là phần mềm BPS tích hợp, bao gồm mô phỏng CFD và nhiều tính năng khác, bản thương mại có chi phí cao. Các công cụ/ phần mềm này (Bảng 2) đóng vai trò quan trọng trong việc thiết kế và xây dựng các công trình HQNL, góp phần giảm thiểu tác động đến môi trường.
Để lựa chọn những phần mềm phù hợp, bên cạnh các yếu tố về chức năng, tính hiệu quả và độ chính xác thì chi phí có thể là một rào cản cho việc tiếp cận. Những phần mềm thương mại có giá thành cao, thường được sử dụng trong các văn phòng, công ty thiết kế có quy mô lớn, trong khi các phần mềm miễn phí, mã nguồn mở thường được ưu tiên sử dụng trong nghiên cứu và đào tạo. Các công ty sản xuất phần mềm cũng đưa ra những chính sách hỗ trợ cho giáo dục như việc cung cấp các phần mềm miễn phí có thời hạn hay chương trình giảm giá. Cùng với sự phát triển của công nghệ, các phần mềm BPS tiên tiến ngày càng xuất hiện nhiều hơn hoặc được nâng cấp, cải tiến cùng với các công cụ dựa trên nền tảng đám mây, giúp đội ngũ thiết kế có thêm nhiều lựa chọn trong thiết kế HQNL công trình.
Ứng dụng BPS nhằm nâng cao các giải pháp thiết kế bền vững trong đồ án thiết kế kiến trúc
Trong chương trình đào tạo ngành kiến trúc tại trường ĐHBK-HCM, KTCTDD là môn khoa học xác định các yếu tố về khí hậu và VLKT tác động đến công trình và người sử dụng. Môn học giúp SV hiểu biết các kiến thức về mối quan hệ và sự tác động giữa khí hậu, kiến trúc và con người, nắm vững những nguyên tắc cơ bản trong việc thiết kế kiến trúc thích ứng với khí hậu địa phương. Qua đó, SV có thể đề xuất các giải pháp thiết kế tạo lập sự cân bằng, hài hòa giữa công trình với môi trường tự nhiên, tiết kiệm và HQNL, đồng thời đảm bảo tiện nghi cho người sử dụng.
Thông qua môn học, SV cần nắm vững các nguyên tắc cơ bản về VLKT như truyền nhiệt, bức xạ, chiếu sáng, thông gió cùng với các tiêu chuẩn liên quan về HQNL và tiêu chí công trình xanh. SV phải hiểu rõ chức năng, ưu và nhược điểm của các phần mềm BPS để lựa chọn phù hợp cho từng mục đích mô phỏng. SV cần đạt được các kỹ năng thực hành bao gồm khả năng xây dựng mô hình 3D, nhập liệu chính xác, chạy mô phỏng, phân tích kết quả và tối ưu hóa thiết kế dựa trên mô phỏng. SV cũng cần biết cách trình bày kết quả một cách rõ ràng và thuyết phục, thông qua các biểu đồ và số liệu. SV phải nhận thức được tầm quan trọng của thiết kế bền vững (TKBV), có khả năng tư duy phản biện và sáng tạo, cùng với kỹ năng làm việc nhóm và giao tiếp hiệu quả. SV phải có khả năng lựa chọn phần mềm BPS phù hợp và tích hợp vào quy trình thiết kế. Ngoài ra, SV nhận thức được việc cần liên tục cập nhật kiến thức và công nghệ để đáp ứng yêu cầu thực tế trong tương lai.
Các tiêu chí lựa chọn phần mềm BPS trong môn học, bao gồm (i) tiết kiệm chi phí cho giảng dạy và đào tạo (miễn phí, mã nguồn mở, ưu đãi giáo dục); (ii) hiệu quả sử dụng (đa năng, chính xác, trực quan, dễ sử dụng); (iii) phù hợp nội dung và yêu cầu môn học; và (iv) đáp ứng các mục tiêu, chuẩn đầu ra môn học.
Một số nhóm phần mềm BPS tiêu biểu được đề xuất ứng dụng trong tất cả nội dung của môn học bao gồm học phần lý thuyết (LT), thực hành, bài tập lớn (BTL), đồ án. Có 3 nhóm phần mềm như thể hiện trong nội dung Bảng 3, bao gồm (i) mô phỏng đường biểu kiến mặt trời, bóng đổ, bức xạ (Sketchup, Autodesk Revit, Autodesk Ecotect…); (ii) mô phỏng chiếu sáng tự nhiên và nhân tạo (Dialux Evo, Velux, Autodesk Ecotect + Radiance…); và (iii) mô phỏng TGTN (Autodesk CFD, Autodesk Flow Design, Ansys Fluent, Autodesk Ecotect + Winair). Ngoài ra, tùy thuộc vào từng trường hợp, SV hoàn toàn có thể linh hoạt lựa chọn sử dụng những phần mềm BPS có tính năng tương đương.
Môn học bao gồm phần nội dung lý thuyết và phần thực hành BTL. Phần lý thuyết gồm có 3 nội dung chính. Thứ nhất là nhiệt và khí hậu kiến trúc, trong đó SV được học những kiến thức về truyền nhiệt (nhằm xác định lượng nhiệt trao đổi giữa môi trường xung quanh với công trình) và những kiến thức về khí hậu (biểu đồ biểu kiến mặt trời, xác định các hướng chiếu rọi, bức xạ lên bề mặt công trình, từ đó đưa ra những giải pháp che nắng, cách nhiệt nhằm cải thiện điều kiện tiện nghi nhiệt bên trong công trình). Thứ hai là chiếu sáng công trình, gồm kiến thức về thiết kế chiếu sáng tự nhiên và nhân tạo cho công trình cũng như các giải pháp chiếu sáng HQNL. Thứ ba là các giải pháp thiết kế tối ưu TGTN trong công trình. Tương ứng với từng nội dung lý thuyết, các phần mềm BPS mang đến những hình ảnh trực quan, thể hiện mô phỏng theo thời gian thực (real time) thay vì chỉ đưa ra những nguyên lý hay sơ đồ được thể hiện ở dạng tĩnh như đào tạo truyền thống, điều này giúp SV tập trung, tạo sự hứng thú và dễ hiểu bài hơn (Hình 2).
Trong phần đầu của BTL, các nhóm SV (khoảng 3-4 SV/nhóm) sẽ chủ động lựa chọn địa điểm thực tế, đi tham quan điền dã và tìm hiểu về kiến trúc thích ứng với khí hậu địa phương. Sản phẩm được yêu cầu là bài báo cáo thu hoạch, trình bày về những kiến thức đã được tiếp thu qua chuyến đi thực tế này (Hình 3). Trong đó, thể hiện các hiểu biết về kiến trúc truyền thống, những giải pháp thiết kế thụ động hài hòa với môi trường tự nhiên đã được ứng dụng và chứng minh sự bền vững qua hàng trăm năm của các thế hệ trước để lại. Những kiến thức đó sẽ là nền tảng và tiền đề để SV học hỏi và ứng dụng vào thiết kế kiến trúc trong BTL.
Tiếp theo, mỗi nhóm SV sẽ đề xuất một chủ đề thiết kế dưới sự định hướng của GV. SV được khuyến khích thiết kế mới hay cải tạo công trình có quy mô nhỏ dành cho cộng đồng yếu thế (người thu nhập thấp, người già neo đơn, trẻ mồ côi, trẻ em đường phố…) với các chủ đề như: Nhà tình thương, lớp học cộng đồng, thư viện sách nhỏ, nhà trọ giá rẻ… Đây là những công trình đòi hỏi SV cần tập trung giải quyết các vấn đề về HQNL nhằm tối ưu hóa chi phí xây dựng và vận hành. BTL thiết kế cần tuân thủ các yêu cầu về (i) áp dụng các kiến thức và giải pháp thích ứng với khí hậu địa phương (che nắng, thông gió và chiếu sáng tự nhiên); (ii) ứng dụng phần mềm BPS vào thiết kế; (iii) dựa trên kết quả mô phỏng, chứng minh thiết kế đáp ứng tiêu chuẩn Việt Nam (TCVN), đồng thời khuyến khích áp dụng các hệ thống tiêu chí đánh giá công trình xanh (EDGE, LOTUS, LEED…); và (iv) dựng mô hình thực công trình ở tỷ lệ phù hợp, kiểm tra tính hiệu quả ở địa điểm thực tế (che nắng, bóng đổ, chiếu sáng,…).
Một quy trình (Hình 4) được đưa ra để SV có thể tham khảo, gồm (i) mô hình hóa 3D (modeling) ý tưởng thiết kế trong công cụ BPS hoặc nhập mô hình từ các phần mềm CAD khác; (ii) nhập các tham số thiết kế của công trình (địa điểm, hướng, dữ liệu thời tiết, khí hậu, lớp vỏ công trình,…); (iii) nhập các tham số vận hành dự kiến của công trình (số người sử dụng, thiết bị, hệ thống MEP…); (iv) tiến hành mô phỏng về bức xạ, bóng đổ mặt trời, thông gió, chiếu sáng,… (v) phân tích, đánh giá kết quả mô phỏng, so sánh với các tiêu chuẩn, quy chuẩn thiết kế; (vi) nếu chưa đạt theo yêu cầu thì cần điều chỉnh cải thiện thiết kế; (vii) tiếp tục thực hiện mô phỏng đến khi có kết quả như mong muốn; và (viii) phương án thiết kế đề xuất.
Kết quả BTL bao gồm một tập thuyết minh, một pano A1 thể hiện các bản vẽ thiết kế kiến trúc và mô hình thực tế tỷ lệ nhỏ. Các sản phẩm thu được từ các lớp học đã chứng tỏ rõ ràng tính hiệu quả của việc ứng dụng các phần mềm BPS trong thực hành thiết kế. SV có thể chứng minh định lượng các giải pháp thiết kế HQNL từ những bước nghiên cứu, phân tích, đánh giá qua các dữ liệu, hình ảnh mô phỏng cung cấp bởi phần mềm BPS. SV cũng được yêu cầu và hướng dẫn cách kiểm tra các giải pháp thiết kế HQNL bằng mô hình thu nhỏ trong những điều kiện ánh sáng thực tế ngoài trời
Sau khi hoàn thành môn học KTCTDD, một cuộc khảo sát trực tuyến đã thực hiện nhằm thu thập những ý kiến phản hồi từ SV về tính hiệu quả của việc ứng dụng BPS nhằm nâng cao các giải pháp TKBV. Kết quả khảo sát cho thấy nhận thức và trải nghiệm của SV kiến trúc trong việc ứng dụng BPS đã có những thay đổi với dấu hiệu tích cực. Các ứng dụng BPS được sử dụng phổ biến bởi SV kiến trúc bao gồm Autodesk Revit, Ecotect, Autodesk CFD, Sketchup, DesignBuilder, Dialux Evo. Đặc biệt, SV thường kết hợp sử dụng nhiều công cụ/phần mềm để đạt kết quả tốt nhất. Những lý do chính khiến SV chưa sử dụng BPS bao gồm chi phí cao cho phần mềm và phần cứng (đòi hỏi máy tính có cấu hình mạnh để thực hiện mô phỏng). 95,6% SV đánh giá các công cụ này là hiệu quả và rất hiệu quả trong việc hỗ trợ SV hiểu và áp dụng các kiến thức về VLKT vào bài tập thiết kế. 100% SV đồng ý về việc ứng dụng BPS giúp dự đoán các vấn đề về HQNL của công trình (ví dụ: Quá nóng, thiếu ánh sáng tự nhiên, thiếu TGTN…) trong các giai đoạn thiết kế. 93,3% SV đánh giá mức độ ảnh hưởng rất tích cực và tích cực của mô phỏng HQNL đến chất lượng đồ án thiết kế. 97,8% SV cảm thấy môn học KTCTDD trở nên thú vị và hấp dẫn hơn nhờ việc ứng dụng mô phỏng HQNL. 100% SV cho rằng mô phỏng HQNL giúp nhận thức rõ về tác động của môi trường lên công trình và con người cũng như ứng dụng BPS có thể đóng góp rất tốt vào việc thúc đẩy kiến trúc bền vững tại Việt Nam. Một số SV đề xuất mong muốn nhà trường cần có thêm các khóa đào tạo hoặc môn học chuyên đề về BPS, đồng thời cần tăng thêm thời lượng giảng dạy trên lớp để SV có thể tiếp cận các công cụ/PM BPS này một cách hiệu quả hơn nữa.
Kết luận
Nghiên cứu đã chỉ ra: Việc ứng dụng phần mềm BPS trong đào tạo kiến trúc đã góp phần giúp SV nắm bắt các kiến thức về VLKT vốn khô khan trở nên dễ dàng và thú vị hơn, cải thiện kỹ năng thiết kế và nhận thức của SV trong việc thiết kế HQNL, giảm tác động tiêu cực lên môi trường. Việc ứng dụng BPS trong đào tạo cũng đối diện một số thách thức như chi phí bản quyền phần mềm khá cao, điều này có thể tạo ra một rào cản tài chính, đặc biệt là đối với các trường ĐH và cơ sở đào tạo có ngân sách hạn chế. GV và SV có thể linh động tìm kiếm sự hỗ trợ từ các phần mềm miễn phí hoặc chính sách giảm giá dành cho giáo dục. Một số phần mềm BPS có độ phức tạp cao về mặt kỹ thuật, đòi hỏi cần thời lượng đào tạo nhiều hơn, có thể tạo ra thách thức về thời gian và năng lực học tập, hoặc chỉ phù hợp với các cấp độ đào tạo cao như sau ĐH, nghiên cứu sinh. GV cần lựa chọn những phần mềm có giao diện thân thiện, đơn giản, hiệu quả với SV cũng như khuyến khích SV chủ động thực hành ngoài thời gian trên lớp. Một số phần mềm BPS yêu cầu dữ liệu chi tiết đầu vào như thời tiết, khí hậu…, để thực hiện các mô phỏng chính xác, trong khi việc thu thập và quản lý dữ liệu như vậy có thể là một thách thức lớn trong điều kiện hiện nay khi nguồn cung cấp dữ liệu trong nước vẫn còn thiếu thốn. GV cần linh hoạt trong việc gia giảm các mức độ yêu cầu kỹ thuật mà vẫn đảm bảo chuẩn đầu ra và đạt được các mục tiêu môn học. Hiện nay trong chương trình đào tạo ngành kiến trúc, việc yêu cầu ứng dụng BPS trong các đồ án thiết kế vẫn còn mang tính khuyến khích và tùy thuộc vào mỗi GV hướng dẫn. Do đó, cần đề xuất ứng dụng BPS nên được xem như là thành phần bắt buộc trong các đồ án thiết kế, giúp SV đưa ra những quyết định và giải pháp mang tính định lượng, trực tiếp ảnh hưởng đến phương án thiết kế HQNL công trình. Bên cạnh các yếu tố về phần mềm, việc đầu tư đào tạo đội ngũ GV có khả năng tiếp cận, soạn thảo và giảng dạy BPS cũng không kém phần quan trọng. Cần có sự phối hợp chặt chẽ từ nhà trường, GV, nhà nghiên cứu và các chuyên gia, sự hỗ trợ từ Nhà nước, doanh nghiệp nhằm thúc đẩy phát triển các chương trình đào tạo BPS. Dù vẫn còn tồn tại một số thách thức, nhưng việc ứng dụng BPS trong đào tạo kiến trúc vẫn có thể xem là một xu hướng tích cực góp phần đào tạo ra nhiều thế hệ KTS, CNKT có khả năng thiết kế công trình HQNL hướng đến một tương lai bền vững hơn cho môi trường và con người.
(Bài đăng trên Tạp chí Kiến trúc số 10-2024)
Ghi chú
Trường Đại học Bách Khoa, ĐHQG-HCM hỗ trợ cho nghiên cứu này.
(1)Bộ môn Kiến trúc, Khoa Kỹ thuật Xây dựng, Trường ĐH Bách khoa TP.HCM
(2)ĐH Quốc gia TP HCM
Tài liệu tham khảo
1. Chu Thanh Hương (2023) – “Nhìn lại 2 năm Việt Nam hiện thực cam kết COP 26” – Báo Tài nguyên và Môi trường, online, ngày 28/11/2023.
2. Lê Thanh Hòa (2014) – “Đề xuất các giải pháp ứng dụng mô phỏng hiệu năng công trình (BPS) trong đào tạo kiến trúc tại Đà Nẵng” – Tạp chí Khoa học và Công nghệ Đại học Đà Nẵng, số 12(85).2014, quyển 2, trang 30-35.
3. Nguyễn Anh Tuấn (2016) – “Ứng dụng các công cụ và phần mềm mô phỏng trong đổi mới đào tạo Kiến trúc theo hướng bền vững” – Tạp chí Kiến trúc Hội KTS Việt Nam, online, ngày 13/08/2016.
4. Nguyễn Anh Tuấn (2021) – “Đánh giá hiệu năng công trình xanh bằng các phần mềm mô phỏng năng lượng” – Tài liệu bài giảng Khóa học Kiến trúc xanh Việt Nam do Viện Kiến trúc phối hợp với tổ chức quốc tế Hanns Seidel Foundation của CHLB Đức (HSF) tổ chức.
5. Phạm Thị Hải Hà, Vương Đạo Hoàng (2015) – “Đồ án Kiến trúc xanh và tối ưu hóa thiết kế thông qua mô phỏng trong đào tạo KTS” – Tạp chí Kiến trúc Hội KTS Việt Nam, số 10, 2015.
6. Lê Thanh Hòa (2014) – “Nâng cao các giải pháp thiết kế bền vững cho đồ án sinh viên Kiến trúc bằng phần mềm phân tích môi trường Ecotect” – Tạp chí Khoa học và Công nghệ Đại học Đà Nẵng, số 11(84).2014, quyển 2, trang 29-33.
7. Ngô Quang Tâm, Nguyễn Anh Tuấn (2018) – “Mô phỏng năng lượng công trình với Revit – Một lối đi mới dành cho KTS” – Tạp chí Kiến trúc Hội KTS Việt Nam, online, ngày 15/09/2018.
8. Phan Tiến Vinh, Trịnh Duy Anh, Nguyễn Anh Tuấn (2022) – “Đánh giá độ tin cậy phần mềm Autodesk CFD trong mô phỏng thông gió tự nhiên trong công trình” – Tạp chí Khoa học và Công nghệ Đại học Đà Nẵng, số.11.2, trang 44-49 – ISSN.1859-1531.
9. Quyết định số 258/QĐ-TTg của Thủ tướng Chính phủ: “Phê duyệt Lộ trình áp dụng Mô hình thông tin công trình (BIM) trong hoạt động xây dựng”, Cổng thông tin điện tử Chính phủ.
10. Carla Di Biccari, Filippo Calcerano, Francesca D’Uffizi, Antonio Esposito, Massimo Campari, Elena Gigliarelli, Building information modeling and building performance simulation interoperability: State-of-the-art and trends in current literature, Advanced Engineering Informatics 54 (2022) 101753.
