Ứng dụng mặt Hyperboloid một tầng tròn xoay trong kiến trúc ✅

Mặt cong là mặt hình học được vận dụng rất rộng thoải mái trong kiến trúc. Các loại mặt cong từ đơn giản đến rắc rối phức tạp được dùng để làm cơ sở cho việc thiết kế các mái che và tạo hình khối trong tương đối nhiều công trình kiến trúc từ cổ điển đến modern hiện đại. Mặt cong với dáng hình đẹp mềm mịn đặc thù của chính nó khi được sử dụng 1 cách thích hợp đem đến vẻ đẹp thẩm mĩ cho công trình kiến trúc và tạo thành tính biểu tượng riêng cho công trình.

Trong thực tế kiến trúc và xây dựng, việc chọn lựa loại mặt cong đem vào trong thiết kế rất quan trọng, nó không chỉ tác động đến nét đẹp của công trình mà tác động trực tiếp nối khả năng xây lắp và kinh phí xây dựng công trình. Một mặt cong có tính vận dụng cao trong kiến trúc và xây dựng là mặt Hyperboloid một tầng tròn xoay.

Để tạo nên một mặt Hyperboloid một tầng tròn xoay, ta có thể sử dụng hai giải pháp tạo mặt không giống nhau. Giải pháp đầu tiên: Mặt Hyperboloid một tầng tròn xoay được tạo nên bằng phương pháp quay một Hyperbol quanh trục ảo của chính nó. Giải pháp thứ 2: Mặt Hyperboloid một tầng tròn xoay được tạo nên bằng phương pháp quay một đường thẳng chung quanh một trục toạ lạc chéo nhau đối với đường thẳng trên.

Mặt Hyperboloid một tầng tròn xoay là 1 mặt kẻ, do vậy, nó có thể được xây dựng với các dầm thép thẳng, tạo nên một cấu trúc mạnh mẽ với chi phí rẻ hơn các loại mặt cong khác mà vẫn đem đến sự thú vị về mặt thẩm mĩ với hình dáng bên ngoài nổi trội. Cấu trúc Hyperboloid lúc đầu được sử dụng chủ yếu trong mục tiêu nhắm tới kiến trúc công nghiệp từ khoảng cuối thế kỉ 19, giống như các công trình tháp giải nhiệt, tháp nước, tháp hải đăng, tháp quan sát, tháp phát thanh truyền hình,… Tiếp nối, cấu trúc này được phát triển và vận dụng rộng thoải mái trong tương đối nhiều loại công trình kiến trúc không giống nhau như Trung tâm Khoa học Saint Louis ở Mỹ, Nhà thờ Brasília ở Brazil, Cầu đi dạo Corporation ở Anh, Tháp cảng Kobe ở Nhật Bản, Hội trường Roy Thomson ở Canada, Tháp Tordano ở Qatar, Tháp Sydney ở Úc,…

KS và KTS người Nga Vladimir Shukhov là người trước tiên trên thế giới sáng chế và sử dụng cấu trúc Hyperboloid (dựa trên hình học Hyperboloid phi Euclide). Tại triển lãm Công nghiệp và Nghệ thuật toàn Nga năm 1896 ở Nizhniy Novgorod, Shukhov đã xây dựng tòa tháp bằng thép cao 37m, trở thành cấu trúc Hyperboloid trước tiên trên thế giới.

Cấu trúc lưới Hyperboloid đáng ngạc nhiên của Shukhov đã gây thích thú cho những chuyên gia châu Âu. Sau thời điểm triển lãm chấm dứt, tòa tháp openwork có nét đẹp hiếm thấy đã được mua bởi một đơn vị sản xuất thủy tinh và là nhà tài trợ nghệ thuật lừng danh thời bấy giờ là Yury Nechaev-Maltsov và được đặt trong khu đất của ông ở Polibino, Lipetsk Oblast, nơi nó đã được bảo tồn cho tới bây giờ dưới sự bảo vệ của nhà nước.

Chỉ ít năm sau sáng chế của Shukhov, các cấu trúc Hyperboloid tương đương xuất hiện ở nhiều nơi trên thế giới. Cấu trúc Hyperboloid đã cuốn hút được sự quan tâm của những KTS modern hiện đại và càng ngày càng được vận dụng rộng thoải mái trong tương đối nhiều loại công trình không giống nhau. Nó không những được dùng cho những công trình dạng tháp với phần lõi rỗng nữa, mà được vận dụng để tạo ra một lớp mái, một lớp vỏ bọc hay 1 điểm nổi bật trong thiết kế nội ngoại thất cho những công trình kiến trúc với hiệu ứng thẩm mỹ lôi cuốn.

Một vài công trình kiến trúc modern hiện đại vận dụng thành công mặt Hyperboloid một tầng tròn xoay

Trung tâm Khoa học Saint Louis, Hoa Kỳ, 1963

Trung tâm Khoa học Saint Louis là 1 công trình kiến trúc được thiết kế mái độc đáo với cấu trúc vỏ mỏng, hình dáng bên ngoài mái là mặt Hyperboloid một tầng tròn xoay. Tòa nhà được xây dựng vào năm 1963, do KTS Gyo Obata thiết kế. Công trình có nét đẹp duyên dáng này nằm ở góc Đông Nam của công viên rừng Saint Louis, Hoa Kỳ. Theo thiết kế lúc đầu, phía bên trong tòa nhà là 1 khán phòng hình vòm đường kính 18m ở trung tâm với cùng 1 cầu thang xoắn ốc dẫn lên tầng quan sát. Các nhà thiên văn học có thể tìm hiểu về các ngôi sao ở khán phòng, tiếp đến đi cầu thang lên mái nhà để thật sự được trông thấy chúng.

Tòa nhà có hình dáng bên ngoài nổi trội và biểu cảm của mặt Hyperboloid, phối hợp với mầu trắng nhẹ nhàng sắc sảo tạo thành một “quý bà xinh đẹp”, là 1 điểm nổi bật duy nhất của khu công viên rừng Saint Louis.

Nhà thờ Brasília, Brazil, 1970

Nhà thờ Brasília là nhà thờ Công giáo La Mã ở Brasília, Brazil, và là trụ sở của Tổng giáo phận Brasília. Công trình có thiết kế bởi KTS lừng danh người Brazil: Oscar Niemeyer. Đặc điểm ấn tượng trong style phong cách kiến trúc của Oscar Niemeyer là sự xuất hiện của các đường cong. Theo ý kiến của ông, công trình xây dựng không phải là cỗ máy. Nó phải đưa tới xúc cảm và sự ngạc nhiên. Kiến trúc phản ánh cuộc sống và cuộc sống luôn chuyển động. Chỉ những đường cong mới làm được điều này.

Nhà thờ Brasília được hoàn tất vào năm 1970. Công trình có hình dáng bên ngoài mái là mặt Hyperboloid một tầng tròn xoay, được xây dựng từ 16 cột bê tông cong, mỗi cột nặng 90 tấn. Các “đường cong” này uốn vào trong và gặp nhau rồi tiếp tục hướng lên và mở ra như đôi tay đang vươn tới thiên đàng, phối hợp với phần trần kính mầu đẹp tuyệt tạo thành bộ mặt đầy cảm xúc cho công trình. Nhiều người ví tòa nhà như một cái vương miện, hay cũng có người ví nó như 1 bó hoa, và cả như 1 UFO, bất kể người xem thấy gì từ 16 cột bê tông tạo thành nhà thờ này đều phải thừa nhận rằng nó là 1 công trình rất ấn tượng.

Nhà thờ Brasília có mặt bằng hình tròn đường kính khoảng 60m với 40m chiều cao. Tất cả phần nội thất được xây dựng dưới tầng hầm, phần mái cong nằm phía trên mặt đất và giúp lấy ánh sáng tự nhiên. Kể từ lúc công trình được xây dựng hoàn tất, nó đã thành một điểm cuốn hút du lịch lừng danh và mang tính biểu tượng của Brasília.

Hội trường Roy Thomson, Canada, 1982

Hội trường Roy Thomson là 1 phòng hòa nhạc ở Toronto, Ontario, Canada. Nằm phía trong khu giải trí của trung tâm TP, đây là nơi có Dàn nhạc Giao hưởng Toronto và Dàn hợp xướng Toronto Mendelssohn. Công trình được bắt đầu xây dựng từ thời điểm năm 1978 và khai trương vào năm 1982. Thiết kế mặt bằng của chính nó gồm có khối khán phòng hình tròn và các không gian công cộng. Nhà thiết kế, KTS Arthur Erickson, đã bọc công trình trong một mặt Hyperboloid một tầng tròn xoay, đấy là một mặt cong thon tựa như phần bên dưới của tháp giải nhiệt. Tòa nhà được gọi là một biểu tượng văn hóa và kiến trúc ở trung tâm của khu giải trí Toronto.

Cầu đi dạo Corporation, Anh, 1999

Cầu đi dạo Corporation được xây dựng hoàn tất vào năm 1999 ở TP Manchester, Anh. Cây cầu có thiết kế bởi KTS Hodder và các cộng sự. Nó có hình dáng bên ngoài của mặt Hyperboloid một tầng tròn xoay, có công năng gắn kết tòa nhà Marks & Spencer / Self Ink với Manchester Arndale. Cầu đi dạo Corporation dài 18m và đường kính 6.2m, gồm có 18 ống thép đường kính 114mm đan xen với các thanh giằng dự ứng lực đường kính 28mm. Mỗi ống thép và thanh giằng đều thẳng, đây là 1 tính chất của hình học Hyperboloid giúp cấu trúc này dễ dàng được triển khai hơn, các ống thép và giằng này được gắn kết với cùng 1 loạt các khung ảnh tròn cách đều nhau tạo thành một kết cấu thép chắc chắn.

Cây cầu mới này tượng trưng cho sự phục hưng của trung tâm TP Manchester kể từ sau vụ đánh bom năm 1996.

Tháp Tordano, Qatar, 2008

Tháp Tordano là 1 tòa nhà công sở nhiều tầng chọc trời trong TP Doha, Qatar. Tòa nhà có độ cao 195m với 52 tầng. Công trình có hình dáng bên ngoài của mặt Hyperboloid một tầng tròn xoay, được xây dựng bắt đầu từ thời điểm năm 2006 và hoàn tất vào năm 2008. Tháp Tordano sử dụng kết cấu lưới thép Hyperboloid. Kết cấu thép này tạo ra các đường chéo ở đoạn vỏ, làm tăng cường độ cứng cho hệ thống chịu lực bên của những bức tường chung quanh tòa nhà. Phần lõi của công trình được kết nối với cấu trúc vỏ bằng các dầm thép nối dài tạo nên một không gian công sở linh động, không có cột ở mỗi tầng.

Tòa tháp nằm vững chãi trên một khu đất phẳng phiu rộng 18.500m2, nhưng chỉ chiếm khoảng 3.000m2, để lại nhiều không gian mở chung quanh để tăng vẻ hình thức bên ngoài nổi trội của chính nó. Mặt bằng của tòa nhà có hình tròn, với đường kính 60m ở tầng trệt, gồm một nhà hàng, một ngân hàng, cùng với rất nhiều không gian tiện ích khác. Không chỉ có vậy, tòa nhà còn có 1 cảng hàng không trực thăng ở tầng cao tối đa. Tháp Tordano hiện là tòa nhà nổi trội nhất trên bờ Doha. Thiết kế đặc biệt này của CICO (Qatar) và SIAT (Munich) cung ứng 58.000m2 S diện tích công sở với tầm nhìn toàn cảnh 360° từ tòa nhà.

Nhà ga trong nước cảng hàng không Adnan Menderes, Thổ Nhĩ Kỳ, 2014

Nhà ga trong nước cảng hàng không Adnan Menderes là nhà ga trong nước lớn nhất của Thổ Nhĩ Kỳ. Công trình được xây dựng hoàn tất và khai trương vào năm 2014, bởi TAV Construction – một công ty số 1 thế giới trong lĩnh vực xây dựng cảng hàng không. TAV Construction đã tạo nên tất cả quy trình thiết kế, xây dựng và vận hành của nhà ga trong khuôn khổ chính sách phát triển vững chắc bảo vệ hệ sinh thái. Có đến 99% chất thải tạo nên trong tiến trình tàn phá nhà ga cũ đã được tái sử dụng hoặc tái chế. Do cảng hàng không nằm ở trong vùng động đất cấp 1, nhiều chi tiết và phương pháp sáng tạo thích hợp với kiểu thiết kế kiến trúc và an toàn về mặt cấu trúc đã được phát triển. Nhà ga được xây dựng trên tổng thể diện tích là 291.267m2, trong đó khoảng 200.000m2 là không gian trong nhà. Điểm nổi bật của thiết kế kiến trúc nhà ga là phần mái vòm linh động có kích thước 200x80m và bốn “chân voi” sử dụng kết cấu thép Hyperboloid có dạng mặt Hyperboloid một tầng tròn xoay ở ở dưới. Các “chân voi” này còn có đường kính phía bên trong từ 15-20m, vừa tạo không gian sử dụng với mục tiêu thương mại, vừa được cấu trúc chi tiết để chịu được 1 phần đáng kể trọng tải động đất dọc và ngang tác động đến mái vòm. Không những ngừng lại ở đấy, thiết kế bốn “chân voi” này còn được xem là một điểm nổi bật nổi trội trong kiến trúc nội thất nhà ga, góp thêm phần tạo thành một không gian mang nét đẹp modern hiện đại và vững chắc.

Thay lời kết

Một công trình khi phải coi trọng nhiều về kết cấu thì thường đưa tới xúc cảm nặng nề, công trình thiên nhiều về thể hiện ý tưởng sáng tác kiến trúc thì lại thường rắc rối phức tạp trong tiến trình xây dựng hay kinh phí xây lắp tốn kém. Tuy vậy với cấu trúc Hyperboloid – Một cấu trúc mô phỏng hình học Hyperboloid với giải pháp tạo mặt đơn giản, và lại tạo thành được một mặt cong sắc sảo, vừa đáp ứng được tính thẩm mỹ cho công trình kiến trúc, vừa thuận tiện trong tiến trình xây lắp, cũng vừa bảo đảm hiệu quả về kinh tế, và tạo thành kết cấu vững bền cho công trình so với hầu như tất cả các loại mặt cong hình học khác. Không chỉ có vậy, nó lại giầu tính vận dụng bởi hình dáng bên ngoài của chính nó vừa thích hợp để làm mái, cũng thích hợp để làm vỏ cho những công trình từ thấp tầng cho tới các tòa nhà chọc trời, lại còn thích hợp làm điểm nổi bật trang trí nội ngoại thất,… cấu trúc Hyperboloid trong công trình cũng có thể sử dụng như 1 địa điểm thông gió và lấy ánh sáng tự nhiên rất tốt. Đặc biệt, việc vận dụng mặt Hyperboloid một tầng tròn xoay trong những công trình kiến trúc công nghiệp thì quen thuộc gì và đã được ứng dụng rất là nhiều từ xưa tới nay.

Việc vận dụng các mặt cong hình học nói chung và mặt Hyperboloid một tầng tròn xoay nói riêng vào các công trình kiến trúc yêu sách kiến trúc sư cần có vốn kiến thức hình học nhất định để có thể hiện thực hóa các ý tưởng của mình, từ việc trình diễn được các nhân tố hình học trên bản vẽ thiết kế. Không chỉ có vậy, khi có kiến thức am hiểu hình học, kiến trúc sư từ đấy cũng nảy sinh nhiều ý tưởng mới.

Le Corbusier, một nhà KTS nổi tiếng, đã nói: “Hình học là phương tiện mà chúng ta nhận được để cảm thụ thế giới quanh ta và để thể hiện chúng. Hình học là cái gốc. Nó là chỗ dựa vật chất cho những hình mẫu, nói lên sự thánh thiện và hoàn thiện. Nó mang tới cho ta sự thỏa mãn cao cả của Toán học…”

ThS.KTS. Phan Thị Hoàng Yến
(Bài đăng trên TCKT số 11-2020)

Tài liệu tham khảo:

1. Alan Blanc, Michael McEvoy, Roger Plank: Architecture and Construction in Steel, 1993
2. Đoàn như Kim: Một vài khái niệm về hình học trong kiến trúc, 2005
3. Feray MADEN, Koray KORKMAZ: Geometric and Kinematic Analysis of Deployable Doubly Ruled Hyperboloids, 2017
4. Nguồn internet: https://www.wikipedia.org
   http://www.cativecephe.com
   https://www. architectmagazine.com