Những liên hệ giữa kiến trúc và kết cấu trong thiết kế.

Kiến trúc được xem như một tấm gương phản chiếu đời sống cũng như trình độ phát triển của nhân loại, và nó cũng thay đổi theo từng vùng và từng thời điểm khác nhau của dòng chảy lịch sử. Trong bài viết này TẠP CHÍ 247 sẽ giới thiệu những hình thức liên hệ giữa kiến trúc và kết cấu trong các công trình kiến trúc xuyên suốt chiều dài lịch sử đến thời đại ngày nay.

1. Vẻ đẹp kiến trúc trên kết cấu chịu lực

Lối kiến trúc này được phát triển ở kiến trúc phương Tây, đặc biệt vào thời Hy Lạp cổ đại, đề cao sự hợp lý về mặt kết cấu và đường lối kiến trúc được thể hiện trên chính hệ thống kết cấu đó. Công trình tiêu biểu cho lối kiến trúc vào thời gian này là đền thờ Pathenon, Athens, Hy Lạp.

Đặc điểm nổi bật dễ nhận thấy ở lối kiến trúc này là những yêu cầu về mặt chịu lực quyết định nên hình dạng của công trình. Ở đền thờ Pathenon, hệ thống cột dầm (post-and-beam arrangement), gần giống với hệ thống khung của kết cấu hiện đại, tạo nên hệ thống chịu lực cho công trình. Đường lối kiến trúc được thể hiện trên hệ thống cột Doric với những đường cong điêu khắc, bù trừ với hiệu ứng quang học khi nhìn lên phía trên đền, tạo nên vẻ cân đối và một cái nhìn thật về nó. Tuy nhiên lối kiến trúc này đã biến mất sau đó vì người ta muốn tách kiến trúc ra với vẻ đẹp riêng thể hiện bên ngoài, và hệ thống kết cấu chịu lực chỉ thể hiện đúng vai trò của chính mình – chịu lực.

Xem thêm:

Bước sang thế kỉ XX, với sự phát triển của vật liệu xây dựng, đặc biệt là sự ra đời của thép là sự giải phóng và là bước nhảy vọt về kết cấu cũng như kiến trúc. Những công trình mang tính đặc thù mà những ý tưởng kiến trúc không thể tách bạch và được thể hiện trên kết cấu như hệ thống vòm, lối kiến trúc này đã trở lại như một điều tất yếu, tiêu biểu là trạm ga Rail Terminal ở Waterloo Station, Anh quốc, với hệ thống vòm chịu lực được cấu thành từ các đa diện.

2. Vẻ đẹp của kết cấu

Không giống như những công trình kiến trúc loại 1, khi hệ thống kết cấu được trang trí bằng vẻ đẹp bên ngoài, quá trình thiết kế hướng đến vẻ đẹp bên ngoài hơn là sự sáng tạo về khoa học, điều này làm cho những công trình kiến trúc loại này dưới góc độ kỹ thuật không được đánh giá cao, đây cũng là sự khác biệt giữa lối kiến trúc đầu tiên và hình thức thứ 2 – vẻ đẹp của kết cấu.

Hình thái kiến trúc “vẻ đẹp của kết cấu” cũng được chia thành 3 loại.

Loại thứ nhất mang tính “symbolically” (biểu tượng), đặc biệt thường lấy biểu tượng của công nghệ hàng không. Công trình tiêu biểu là vòm cổng chào của trụ sở Lloyds, được cấu tạo từ những cấu kiện thép cong, tạo nên những lỗ lấy sáng dựa trên cảm hứng từ cấu tạo của thân máy bay.

Loại thứ hai được gọi là “artificially created circumstances” (tạm dịch: các trường hợp nhân tạo), tạo ra thêm hệ kết cấu không cần thiết thay vì dùng hệ kết cấu khung dầm cột bình thường, như dùng hệ dầm có đầu mút thừa để giảm độ võng, và cũng chính điều này tạo nên sự khác biệt so với các công trình khác. Công trình tiêu biểu cho loại này là trung tâm Pompidou ở Pháp.

Hệ kết cấu đỡ sàn cho công trình là hệ dàn, nhưng có 2 đầu thừa gọi là “Gerberette Bracket”, phần trong liên kết khớp với cột, phần ngoài liên kết với thanh chống đứng gọi là “vertical tie rods”. Với dạng kết cấu này, do dàn có hai đầu mút thừa, nên sẽ võng ít hơn, nhưng bù lại các thanh chống đứng liên kết với các đầu mút này, sẽ truyền ứng suất kéo xuống móng, nên chi phí sẽ lớn hơn so với dạng kết cấu thông thường. Được thứ này, mất thứ khác, nhưng cũng là một phương án hay và độc đáo phải không bạn?

Loại thứ 3 cũng gần giống với dạng kết cấu thứ 2, gọi là “incompatible with structural logic”, tạm dịch là “kết cấu phản logic”, nhưng điểm khác biệt ở chỗ loại kết cấu này dựa vào kiến trúc để lựa chọn phương án kết cấu. Công trình tiêu biểu cho dạng kiến trúc này là trụ sở Lloyds ở Anh.

Đặc trưng của công trình này là có một lõi ở giữa, cùng với đây là dạng nhà cao tầng, nên ảnh hưởng của hiện tượng xoắn do lệch tâm khi chịu tải trọng là lớn, thay vì dùng hệ thống dầm như thời bấy giờ, công trình sử dụng một hệ thống gần giống các giằng như trung tâm Pompidou với 8 cột bố trí ở lõi để giảm momen xoắn, nhưng sự khác biệt là có chịu ảnh hưởng của nhu cầu về mặt kiến trúc (không khuyến khích việc sử dụng hệ thống dầm). Về sau, hệ thống này đã được thay thế và hoàn thiện bằng vách cứng chịu lực như trong các công trình nhà cao tầng ngày nay.

Với những công trình theo đường lối “vẻ đẹp kết cấu” này, mang những thông điệp rất rõ ràng, không phải vì những kĩ sư/kiến trúc sư thiếu khả năng, mà họ muốn đưa ra một góc nhìn khác-một góc nhìn mang đậm tính kỹ thuật, nhưng vẫn phù hợp với chức năng của công trình, và vẫn luôn đứng vững theo thời gian.

3. Sự phối hợp

Người ta thấy rằng với những dạng công trình quá thiên về mặt kỹ thuật, kiến trúc sư bị giới hạn về khả năng của mình, thì sự ra đời của lối kiến trúc thứ 3 này sẽ giúp người kiến trúc sư đưa ra ý tưởng và người kỹ sư tạo nên hệ thống chịu lực cho nó, với sự trợ giúp đắc lực của ngành công nghệ vật liệu: bê tông cốt thép và thép. Hàng loạt các công trình độc đáo đã ra đời và là biểu tượng cho nơi nó được sinh ra. Những công trình loại này thường là những nhà nhịp lớn (long-span building), những nhà cao tầng (tall building) hay những công trình nhẹ, có thể dời đi (lightweight buiding), đòi hỏi sự kết hợp và đồng bộ cực cao của kiến trúc sư và người kỹ sư kết cấu. Đây chính là trào lưu của thời đại mới.

a.Công trình nhịp lớn (Long-span Building)

Câu hỏi đầu tiên được đặt ra: thế nào là nhịp lớn? Câu trả lời đó là: những công trình có khoảng cách cột theo phương ngang lớn (thường lớn hơn 40m), nhằm hạn chế số lượng cột bên trong nhà để đảm bảo điều kiện sử dụng, và không thể sàn xuất hàng loạt và thống nhất, đó gọi là nhịp lớn. Nhà nhịp lớn chủ yếu chịu những tải trọng về mặt tự nhiên như tải trọng bản thân, tải trọng gió, động đất,… nên dạng kết cấu ngày nay được chọn thường là kết cấu dàn, vòm với thanh căng. Kết cấu nhịp lớn trước thời đại công nghiệp thường là gỗ, và do gỗ khó liên kết lại với nhau nên và cường độ không phù hợp nên kết cấu nhịp lớn ít được dùng vào thời đại này. Tuy nhiên với sự phát triển của bê tông cốt thép và thép, sự hiểu biết về khả năng làm việc hợp lý của các đa giác, nhà nhịp lớn đã có chìa khoá để phát triển. Công trình thường là các hanga máy bay, các nhà triển lãm hoặc sân vận động, các giải pháp kiến trúc sẽ giải quyết tính thẩm mỹ và đặc trưng của công trình. Ví dụ tiêu biểu là xưởng chứa máy bay Red Bull’s Austrian Wing ở Áo và sân vận động Wembley ở Anh.

b.Nhà cao tầng (Tall Building)

Nếu được chọn đâu là loại công trình kiến trúc tiêu biểu của xã hội hiện đại, chắc chắn nhà cao tầng (Tall Building) sẽ đứng đầu danh sách. Nhà cao tầng ra đời để giải quyết hàng loạt các vấn đề về mặt xã hội, cũng như thể hiện khát vọng vươn lên của con người. Đặc điểm nổi bật về mặt kết cấu của nhà cao tầng là chịu tải trọng động (gió động và động đất), việc đầu tiên là người kỹ sư phải giải quyết vấn đề chịu lực và ổn định cho công trình, và kiến trúc được sinh ra cùng với kết cấu như “người anh em song sinh”, thể hiện mức độ phát triển về cả không gian và thời gian của xã hội. Một số công trình tiêu biểu là các tòa nhà như Burj Khalifa, Bitexco ở thành phố Hồ Chí Minh và Taipei ở Đài Loan.

Toà nhà cao nhất thế giới-Burj Khalifa ở Dubai

Biểu tượng của thành phố Hồ Chí Minh-toà nhà Bitexco, với ý tưởng từ búp sen đang nở rộ

Taipei 101 với hệ quả cầu sắt làm hệ thống hãm (Tuned Mass Damper)

c.Công trình nhẹ (Lightweight Building)

Những dạng công trình loại này có đặc điểm là trọng lượng kết cấu được giảm tối thiểu và được thiết kế để dễ dàng tháo lắp, để vận chuyển từ nơi này đến nơi khác. Những khu triển lãm tạm thời đòi hỏi những tính chất này. Công trình tiêu biểu là nhà triển lãm IBM Europe được thiết kế bởi Renzo Piano vào cuối thế kỉ 20.

Hệ kết cấu chính là các thanh gỗ sồi được dát mỏng, và chúng được liên kết với nhau bởi hệ thống các chóp kim tự tháp từ polycarbonate, những cấu kiện này được chốt lại bằng các dải liên kết làm từ nhôm. Hệ kết cấu này mang 2 đặc điểm đặc trưng của Lightweight Building: vật liệu nhẹ và được cấu tạo từ những hình dạng dễ liên kết nên cũng dễ tháo lắp. Hầu hết các công trình ở dạng này, kiến trúc được xem như một giải pháp giúp làm mềm mại hơn khi mà yếu tố kết cấu được đặt lên trên, đặc biệt là công trình nhịp lớn, đã tạo nên tính thẩm mỹ cực cao mà vẫn đảm bảo yêu cầu về cường độ và điều kiện sử dụng.

4. Kết cấu đóng vai trò chủ đạo

Một hình thái kết cấu mới được sinh ra, ảnh hưởng mạnh mẽ đến hình dáng, và ảnh hưởng qua lại với yếu tố kiến trúc, nhu cầu sử dụng của công trình, hệ sàn phẳng là ví dụ điển hình. Công trình đặc trưng là Văn phòng Willis Faber và Dumas ở Ipswich, Anh, 1974.

Dễ thấy những dạng công trình này phù hợp với kiến trúc cần không gian không bị hạn chế bởi hệ thống dầm (tăng được chiều cao tầng) và có thể sử dụng để làm sảnh đón hoặc phòng triển lãm.

5. “Lờ” đi kết cấu

Bạn hãy hình dung một công trình không tính đến kết cấu thậm chí ngay từ khi ý tưởng còn manh nha, sự sáng tạo của kiến trúc sư được đẩy lên đến mức cao nhất, mà không bị giới hạn bởi vật liệu hay tính toán kết cấu truyền thống. Những dạng công trình này thường mang tính đặc trưng và thẩm mỹ với hình dáng đặc biệt, ở một khía cạnh nào đó, đặc biệt hơn tất cả những dạng công trình kiến trúc còn lại. Công trình tiêu biểu cho dạng này là công trình biểu tượng cho Sydney và cho cả nước Úc – nhà hát Opera Sydney.

Được thiết kế bởi kiến trúc sư Utzon, lấy ý tưởng từ cánh buồm no gió ra khơi, “Công trình này thật táo bạo và là một sự thử nghiệm có tầm nhìn rộng lớn đã có ảnh hưởng lâu dài trên các lối kiến trúc cuối thế kỷ 20. Kiến trúc của tòa nhà là một di tích và là một hình tượng nghệ thuật độc đáo”, đó là nhận xét của UNESCO dành tặng cho nhà hát Opera Sydney, đã nói lên tất cả giá trị của công trình này, với hệ móng gồm 580 cột bê tông đóng sâu 25m dưới mực nước biển, nhà hát được lợp bằng hàng viên ngói sản xuất tại Thụy Điển, có khả năng tự làm sạch bề mặt và được thiết kế để gió biển có thể thổi vào bên trong giúp điều hòa nhiệt độ một cách tự nhiên, chỉ càng khẳng định khả năng không giới hạn của con người.

Trên thế giới còn rất nhiều công trình nổi tiếng khác, mà trong giới hạn khuôn khổ bài viết, chưa thể đề cập tới. Nhưng dù đôi khi đôi bên vẫn có mâu thuẫn và xung đột, thì ở công trình nào loại hình kiến trúc nào đi nữa, sự phối hợp giữa vẻ đẹp nghệ thuật và sự chắc chắn về mặt kết cấu là không thể tách rời, để cái đẹp không mong manh và bền vững theo thời gian.