(ThS.KTS. Giang Ngọc Huấn)
Khoa Kiến trúc- Đại học Kiến trúc Tp. Hồ Chí Minh
Thiết kế công trình kiến trúc cao tầng nói chung và nhà ở cao tầng nói riêng là nhu cầu tất yếu trong quá trình phát triển tại các đô thị lớn ở Việt nam.
Trong giai đoạn hiện nay các giải pháp thiết kế công trình kiến trúc cao tầng ngoài việc đảm bảo đáp ứng các nhu cầu sử dụng, yêu cầu tiện nghi về tâm lý phù hợp với tập quán, văn hóa, v.v… đồng thời còn phải đáp ứng yêu cầu tiện nghi vi khí hậu, sử dụng năng lượng có hiệu quả, hướng đến khai thác sử dụng các nguồn năng lượng sạch. Qua đó góp phần tạo lập sự cân bằng giữa nhu cầu phát triển của con người và yêu cầu bảo vệ môi trường, tái lập sự cân bằng của các hệ sinh thái trong bối cảnh qúa trình biến đổi khí hậu toàn cầu ảnh hưởng đến các thành quả phát triển mà con người đã đạt được trong nhiều thế kỹ đã qua.
Khai thác nguồn năng lượng gió từ tự nhiên để đáp ứng các yêu cầu trên, đã được chứng minh là giải pháp được ưu tiên hàng đầu trong việc thiết kế công trình kiến trúc thuộc vùng khí hậu Nhiệt đới gió mùa nóng ẩm.
1. CƠ SỞ THIẾT KẾ.
Phân tích các dữ liệu khí hậu địa phương là cơ sở quan trọng đầu tiên nhằm đánh giá được các yếu tố khí hậu tác động đến công trình kiến trúc vào các thời điểm khác nhau trong năm, các hướng tác động đến công trình theo phương vị địa lý. Trên cơ sở đó người thiết kế chọn lựa giải pháp thiết kế tối ưu, nhằm hạn chế những tác động không thuận lợi và khai thác những yếu tố có lợi từ điều kiện khí hậu địa phương.
Các dữ liệu khí hậu cần được quan tâm bao gồm: Biểu đồ chuyển động biểu kiến của Mặt trời tại địa phương, hoa gió theo từng mùa thời tiết, nhiệt độ không khí, độ ẩm không khí, lượng mưa, cường độ bức xạ Mặt trời tác động trên các mặt phẳng theo các hướng, v.v…(xem Hình 1)
Hình 1. Cơ sở dữ liệu khí hậu Tp. Hồ Chí Minh( Nguồn: Tác giả sử dụng số liệu từ [1] )
Phân tích các dữ liệu khí hậu liên quan đến các đặc trưng của gió tại địa phương cần được phân tích theo từng tháng trong năm, hoặc phân tích theo từng mùa đặc trưng của thời tiết, ví dụ đối với Tp. Hồ Chí Minh nên phân tích hoa gió vào mùa nóng và hoa gió vào mùa mưa. Qua đó người thiết kế sẽ chọn lựa giải pháp thiết kế công trình có thứ tự ưu tiên đón gió từ tự nhiên tùy thuộc vào mùa thời tiết trong năm.
Để phương án thiết kế công trình đạt được hiệu quả như yêu cầu đề ra, phải thực hiện đồng thời nhiều giải pháp thiết kế, trong đó cần chú trọng đến các giải pháp then chốt có vai trò quyết định, ảnh hưởng đến các giải pháp khác và các giải pháp có tính hỗ trợ.
Thiết kế kiến trúc nhà ở cao tầng thích ứng với điều kiện khí hậu Nhiệt đới gió mủa nóng ẩm có những đặc thù so với thiết kế các thể loại kiến trúc cao tầng khác.
Phương án thiết kế kiến trúc nhà ở cao tầng không chỉ dừng lại ở việc xác định hình khối và phương hướng của công trình có lợi về phương diện đón gió tự nhiên và hạn chế tác động của nguồn nhiệt do cường độ bức xạ Mặt trời, mà phải được nghiên cứu đến từng không gian chức năng trong mỗi căn hộ, trong đó phải đặc biệt quan tâm đến các căn hộ có vị trí không thuận lợi trong tổng thể công trình.
2. GIẢI PHÁP THIẾT KẾ.
a. Giải pháp quy hoạch tổng thể.
Các yếu tố của môi trường tự nhiên như hệ thống sông, hồ, thảm thực vật có tác động ảnh hưởng tích cực đến chất lượng của gió khi thổi đến không gian của đô thị nói chung và không gian khu ở nói riêng, đây là yếu tố căn bản trong việc nâng cao chất lượng của môi trường không khí trong khu ở.
Quá trình bốc hơi của các bề mặt nước, hệ thống thảm thực vật sẽ sinh ra nhiệt ẩn và hơi nước có tác dụng làm giảm nhiệt độ của không khí trong môi trường, đồng thời tùy theo đặc điểm của hệ thống thực vật sẽ có tác dụng nâng cao chất lượng, độ trong sạch của không khí do khả năng diệt khuẩn và giữ bụi, v.v…
Trong thiết kế đô thị cần chú trọng giữ gìn, phát triển nâng cao giá trị của các yếu tố đặc trưng của môi trường sinh thái tự nhiên, trong đó vị trí của các yếu tố này nên bố trí ở đầu hướng gió khi thổi đến đô thị hoặc không gian các khu ở và bố trí trong lòng các khu ở với phạm vi bán kính ảnh hưởng được nghiên cứu hợp lý.
b. Phương hướng công trình.
Việc nghiên cứu hình khối và phương hướng địa lý tối ưu của công trình cần được xem xét kết hợp giữa hai yếu tố chính, đó là yếu tố tác động của cường độ bức xạ Mặt trời đối với các bề mặt cấu trúc của công trình và yếu tố khai thác năng lượng chuyển động của gió để làm mát các bề mặt bên ngoài cũng như đưa không khí sạch từ môi trường vào các không gian bên trong của công trình kiến trúc.
Trong thực tiễn, do chuyển động biểu kiến của Mặt trời đối với công trình kiến trúc diễn ra theo quy luật vận hành của trái đất xung quanh Mặt trời trong năm, người thiết kế có thể xác định chính xác phạm vi những bề mặt, không gian của công trình bị tác động theo yếu tố thời gian trong năm thông qua Biểu đồ chuyển động biểu kiến của Mặt trời, qua đó đưa ra các giải pháp hợp lý nhằm khai thác hoặc hạn chế năng lượng bức xạ Mặt trời tác động đến công trình.
Đối với sự chuyển động của các khối không khí, do thường xuyên có sự thay đổi về hướng, tần xuất và vận tốc gió theo giờ trong ngày, theo tháng, mùa trong năm. Do đó việc đảm bảo yêu cầu thông gió tự nhiên cho toàn bộ các không gian bên ngoài và bên trong của công trình kiến trúc vào tất cả mọi thời điểm trong năm thật sự không đơn giản.
Vì các lý do trên, theo quan điểm của tác giả việc chọn hình khối công trình và bố trí hình khối theo phương hướng địa lý cần xét ưu tiên trong việc khai thác năng lượng gió tự nhiên để đảm bảo điều kiện tiện nghi vi khí hậu. Đối với các bề mặt của công trình chịu sự tác động bất lợi bởi năng lượng bức xạ Mặt trời, người thiết kế có thể chủ động chọn đồng thời nhiều giải pháp để xử lý. (Xem Bảng 1)
Bảng 1. Thứ tự ưu tiên trong việc chọn phương hướng của công trình kiến trúc xét trên hai yếu tố năng lượng bức xạ mặt trời và thông gió tự nhiên ở Tp.Hồ Chí Minh.
c. Bố trí các công trình trong khu vực.
Nghiên cứu bố cục các công trình trong tổng thể phải căn cứ vào các yêu cầu đảm bảo cho tất cả các công trình trong khu vực tiếp nhận được các nguồn năng lượng sạch từ tự nhiên như gió, không khí trong lành, ánh sáng, tầm nhìn cảnh quan, v.v…
Các công trình kiến trúc cao tầng trong đô thị không thể chỉ bố trí theo một hướng nhất định nhằm đáp ứng yêu cầ u thông gió tự nhiên và có lợi về phương diện chịu sự tác động của bức xạ Mặt trời. Mặt khác đối với các công trình tùy theo vị trí tương quan với hướng gió thổi theo từng thời điểm, không phải lúc nào cũng có phương vị bố trí thuận lợi với hướng gió chủ đạo theo mùa.
Từ các đặc trưng trên khi nghiên cứu bố trí các công trình kiến trúc nhà ở cao tầng trong khu ở, nên nghiên cứu bố cục tổng thể các công trình theo nhóm có dạng hình chữ U, V, L, v.v… Với các dạng bố cục này, sẽ có hiệu quả tác động ảnh hưởng làm thay đổi hướng gió, qua đó tạo được trường gió và tốc độ gió thuận lợi khi thổi đến bề mặt đón gió của các công trình. (xem Hình 2)
Hình 2. Quy hoạch tổng thể các công trình của dự án The Panorama- đô thị Phú Mỹ Hưng thuận lợi trong khai thác năng lượng gió từ môi trường tự nhiên cho không gian kiến trúc.
( Nguồn: [2] )
d. Hình khối công trình.
Qua khảo sát một số giải pháp thiết kế nhà ở cao tầng đã được xây dựng, hình khối công trình thông thường có dạng hình hộp với mặt bằng hình vuông, mặt bằng hình chữ nhật, mặt bằng hình chữ thập, v.v
Xem xét các giải pháp thiết kế trên theo quan điểm đảm bảo yêu cầu thông gió tự nhiên cho tất cả các căn hộ vào tất cả thời gian trong năm với đặc trương của hướng gió ở Tp. Hồ Chí Minh. Các căn hộ có hướng mở về phía: Nam, Đông- Nam, Tây- Nam nhận được gió từ hướng gió chủ đạo theo hai mùa thời tiết trong năm. Các căn hộ có hướng mở về phía: Đông, Tây nhận được một phần gió từ hướng gió chủ đạo tùy theo mùa thời tiết. Các căn hộ mở về các hướng: Đông- Bắc, Tây- Bắc và nhất là căn hộ mở về hướng Bắc hoàn toàn không có khả năng đón được hướng gió chủ đạo trong toàn bộ thời gian của năm.
Do đặc điểm thiết kế của kiến trúc nhà ở cao tầng có yêu cầu bố trí nhiều căn hộ trên một mặt bằng tầng, các căn hộ tùy theo vị trí mà có từ 1, 2 đến 3 bề mặt có hướng mở theo 8 hướng của phương vị địa lý. Do đó việc đảm bảo yêu cầu tất cả các căn hộ đón nhận được gió từ tự nhiên trong suốt thời gian của năm đòi hỏi các Kiến trúc sư phải nghiên cứu giải pháp cấu trúc mặt bằng, mặt cắt công trình, vị trí các căn hộ trong tổng thể, để tìm được phương án thiết kế tối ưu.
Các nguyên tắc cần quan tâm khi xác định giải pháp hình dạng khối của công trình đảm bảo yêu cầu thông gió tự nhiên cho không gian của các căn hộ:
Cấu trúc hình khối và bố trí các không gian chức năng trong hình khối theo phương hướng địa lý đón được gió chủ đạo theo các mùa trong năm, trong đó ưu tiên thông gió tự nhiên cho công trình trong mùa nóng.
Chiều dày của các không gian bên trong công trình có hai mặt tiếp cận với môi trường tự nhiên, trong đó có một mặt đón được hướng gió thổi đến không lớn hơn 17 m, đảm bảo hiệu quả thông gió trực xuyên đi qua không gian bên trong công trình kiến trúc.
Giải pháp tổ hợp và bố cục hình khối công trình có các không gian mở (bên trong khối, trên bề mặt khối ở về hướng đón được gió chủ đạo theo các mùa trong năm) để tăng khả năng cho yêu cầu thông gió tự nhiên đối với các căn hộ ở các vị trí không thuận lợi.
Thiết kế hệ thống kỹ thuật thông gió tự nhiên hỗ trợ cho các không gian ở sâu bên trong hoặc ở về các hướng không thuận lợi.
Kết hợp giữa hiệu quả thông gió tự nhiên do áp lực gió và thông gió tự nhiên do áp lực nhiệt để đảm bảo yêu cầu thông gió tự nhiên cho các không gian, trong điều kiện vận tốc chuyển động của không khí bên ngoài thổi đến có tốc độ nhỏ.
Hình dạng khối của công trình kiến trúc có ảnh hưởng đến sự chuyển động của khối không khí xung quanh và đi vào các không gian bên trong của công trình. Trong thực tế, vận tốc, hướng và trường gió sẽ bị thay đổi khi tương tác với các bề mặt hình khối của công trình kiến trúc cao tầng, các thay đổi này sẽ ảnh hưởng đến trường gió, vận tốc gió và áp lực gió khi thổi đến bề mặt đón gió tự nhiên của các căn hộ trong tổng thể.
Các nguyên tắc trên đã được nghiên cứu và ứng dụng trong một số giải pháp thiết kế kiến trúc nhà ở cao tầng trong vùng khí hậu Nhiệt đới. (xem hình 3)
Hình 3. Cấu trúc hình khối hình thành các không gian mở có hiệu quả cho yêu cầu thông gió tự nhiên đến các căn hộ ở về phía không thuận lợi so với hướng gió chủ đạo theo mùa thời tiết.
( Nguồn: [2])
e. Bố trí các không gian chức năng trong tổng thể hình khối công trình.
Bố trí các không gian chức năng chính trong tổng thể hình khối công trình kiến trúc nhà ở cao tầng cần quan tâm bao gồm:
Vị trí của hệ thống giao thông theo phương đứng và theo phương ngang.
Vị trí của các căn hộ trong bố cục tổng thể.
Vị trí của các không gian mở có tác động tích cực trong việc thay đổi hướng và áp lực gió từ tự nhiên thổi đến được các căn hộ có vị trí không thuận lợi trên tổng thể công trình.
Vị trí của các hệ thống kỹ thuật cơ bản và hệ thống kỹ thuật hỗ trợ.
Trong giải pháp thiết kế nhà ở cao tầng cần ưu tiên bố trí các căn hộ mở về các hướng có tần xuất xuất hiện gió nhiều theo các mùa thời tiết trong năm như hướng: Nam, Đông- Nam, Tây- Nam, Đông và Tây. Các căn hộ ở các hướng không thuận lợi như hướng: Tây- Bắc, Đông- Bắc và Bắc sẽ được thông gió tự nhiên thông qua giải pháp thiết kế các không gian mở, hệ thống kỹ thuật thông gió hỗ trợ.
Hệ thống giao thông theo phương đứng sẽ bố trí tiếp cận với bề mặt ngoài của công trình để nhận được ánh sáng tự nhiên và an toàn cho việc thoát hiểm khi có sự cố. Vị trí của hệ thống giao thông theo phương đứng nên bố trí ở về hướng có tần xuất xuất hiện gió ít nhất theo các mùa của thời tiết (hướng: Bắc, Tây- Bắc và Đông- Bắc) hoặc ở về hướng mà bề mặt hình khối công trình nhận nhiều năng lượng của bức xạ mặt trời (hướng: Đông và Tây).
Đối với hệ thống giao thông theo phương ngang cần hạn chế sử dụng giải pháp hành lang giữa trong công trình hoặc nút giao thông bịt kín, vì sẽ ảnh hưởng đến hiệu quả thông gió tự nhiên cho các căn hộ ở về các hướng không thuận lợi so với hướng gió trong các mùa thời tiết.
f. Bề mặt của căn hộ tiếp cận với môi trường tự nhiên.
Thiết kế số bề mặt của căn hộ tiếp cận với môi trường tự nhiên có ý nghĩa tăng khả năng khai thác nguồn năng lượng tự nhiên cho các không gian chức năng bên trong căn hộ. Đối với căn hộ trong nhà ở cao tầng khả năng tiếp cận của bề mặt căn hộ với môi trường tự nhiên thông thường từ 1 -3 hướng, tùy thuộc vào các yếu tố:
Cấu trúc hình khối của công trình.
Vị trí cụ thể của căn hộ trong mặt bằng tầng so với phương hướng điạ lý.
Diện tích và số các phòng chức năng trong căn hộ.
Các hệ thống kỹ thuật thiết kế hỗ trợ.
Không gian căn hộ thường được ngăn chia tạo ra các không gian nhỏ, một số không gian nằm sâu về phía bên trong sẽ khó đảm bảo nhận được nguồn năng lượng từ tự nhiên. Các nghiên cứu thực nghiệm đã chỉ ra không gian được thông gió hiệu quả nhất là hình thức thông gió trực xuyên hoặc thông gió chéo góc và diện tích cửa thoát gió phải đảm bảo không nhỏ hơn diện tích của cửa đón gió. Kết hợp với yếu tố hướng gió trong tự nhiên thường xuyên thay đổi theo thời gian, do đó việc thiết kế căn hộ có từ 2 đến 3 bề mặt tiếp cận với môi trường tự nhiên sẽ giúp chiếu sáng tự nhiên cho tất cả các không gian và đảm bảo yêu cầu thông gió tự nhiên đạt được hiệu quả cao. (xem Hình 4)
Hình 4. Cấu trúc hình khối công trình và bố trí mặt bằng căn hộ tăng khả năng số bề mặt của căn hộ tiếp cận với môi trường cảnh quan tự nhiên. ( Nguồn:[3])
g. Bố trí các không gian chức năng trong mặt bằng căn hộ.
Việc bố trí các không gian trong mặt bằng căn hộ cần đảm bảo các yêu cầu:
Vị trí các không gian chức năng phù hợp với yêu cầu tập quán sử dụng.
Vị trí các không gian chức năng đáp ứng các yêu cầu khác nhau trong việc hạn chế hoặc khai thác các tác động từ môi trường thiên nhiên.
Quan hệ giữa các không gian thuận lợi cho quá trình chuyển động của không khí từ môi trường tự nhiên.
Do có nhiều không gian chức năng trong căn hộ, do đó cần ưu tiên bố trí các phòng ngủ, phòng gia đình tiếp cận trực tiếp với môi trường tự nhiên bên ngoài, các phòng phụ như bếp, vệ sinh bố trí tiếp cận gián tiếp thông qua giải pháp cấu trúc các rãnh mở trên hình khối của công trình có một mặt tiếp cận với môi trường tự nhiên.
Các không gian chức năng cần có một bề mặt tiếp cận với môi trường tự nhiên hoặc trực tiếp hoặc gián tiếp, bề mặt còn lại để đảm bảo yêu cầu thông thoáng cần bố trí tiếp cận với khoảng không gian mở liên thông trong căn hộ. Không gian mở liên thông có vai trò điều tiết môi trường vi khí hậu cho các không gian khác, như tăng khả năng chiếu sáng tự nhiên sâu vào bên trong căn hộ, tăng khả năng thông thoáng cho các không gian kề cận, tạo hiệu ứng thông gió xuyên suốt căn hộ. Trong không gian mở liên thông đó có thể bố trí phòng gia đình, phòng ăn và phòng khách.
Một số vị trí không gian chức năng trong căn hộ có nguồn nhiệt phát sinh lớn hoặc gây không khí ô nhiễm cần bố trí tăng cường khả năng thông thoáng cục bộ, ví dụ như thông thoáng cho không gian phòng vệ sinh, bếp với giải pháp thiết kế hệ thống hút gió tự nhiên hoặc cơ khí sử dụng năng lượng thấp.
Căn cứ vào các chức năng và thời gian sử dụng không gian của các phòng trong căn hộ, tác giả đề xuất thứ tự ưu tiên trong việc chọn giải pháp bố trí các không gian trong căn hộ như sau: (xem Bảng 2)
Bảng 2. Thứ tự ưu tiên trong việc chọn giải pháp tiếp cận với môi trường tự nhiên của các phòng chức năng trong căn hộ.
Nguồn: Tác giả
h. Các giải pháp khác cần quan tâm.
Để công trình trong quá trình vận hành đạt được hiệu quả thông gió tự nhiên như mong muốn, ngoài các giải pháp căn bản đã trình bày như trên còn cần thiết nghiên cứu kết hợp đồng thời với các giải pháp thiết kế khác:
Diện tích cửa trên bề mặt đón gió và bề mặt thoát gió.
Cấu trúc và hình thức đóng mở của cửa.
Vật liệu và cấu trúc của các kết cấu che nắng cho cửa.
Cấu trúc của hệ thống vách ngăn chia không gian bên trong công trình.
Hệ thống thông gió cơ khí hỗ trợ sử dụng năng lượng thấp.
3. KẾT LUẬN.
a. Nghiên cứu giải pháp thiết kế công trình kiến trúc nhà ở cao tầng đáp ứng yêu cầu thông gió tự nhiên kết hợp với các giải pháp có liên quan đến yếu tố bức xạ mặt trời, giải pháp sử dụng vật liệu, cấu trúc các bề mặt công trình theo các hướng, v.v…có vai trò quan trọng trong việc tăng khả năng thích ứng của công trình kiến trúc trong điều kiện khí hậu Nhiệt đới nóng ẩm. Qua đó có hiệu quả tích cực trong việc khai thác hoặc hạn chế các tác động thuận lợi và không thuận lợi từ điều kiện khí hậu tự nhiên, góp phần hạn chế các tác động tiêu cực từ lĩnh vực kiến trúc- xây dựng đối với môi trường sinh thái tự nhiên.
b. Hiệu quả kinh tế của các giải pháp thiết kế kiến trúc nhà ở cao tầng theo xu hướng kiến trúc thích ứng với điều kiện khí hậu tự nhiên cần được xem xét theo thời gian tuổi thọ của công trình và theo góc độ tác động tích cực đến môi trường sinh thái tự nhiên- môi trường sống của Con người.
c. Thiết kế công trình kiến trúc nhà ở cao tầng thích ứng với điều kiện khí hậu Nhiệt đới nóng ẩm, cần ưu tiên chú trọng các giải pháp có tính then chốt quyết định, nhưng đồng thời vẫn phải đảm bảo thực hiện các giải pháp thứ yếu có liên quan, trên cơ sở đó mới đạt được hiệu quả khi vận hành công trình trong thực tiễn.
TÀI LIỆU THAM KHẢO.
1. Bộ Xây Dựng, Trường Đại học Kiến trúc Hà Nội: Báo cáo đề tài NCKH cấp Bộ: Xây dựng ngân hàng dữ liệu phục vụ thiết kế Kiến trúc Nhiệt đới. Hà Nội, 2003.
2. Công ty liên doanh Phú Mỹ Hưng: Hồ sơ thiết kế các công trình: The Panorama, Grand-View.
3. Công ty Daewon: Hồ sơ thiết kế công trình nhà ở cao tầng Caltavil.
( kienviet.net )
Việt Nam là một trong số các quốc gia có nguồn tài nguyên năng lượng nghèo nàn, song việc khai thác và sử dụng lại không tối ưu và có thể nói là hiện nay chúng ta đang đứng trước ngưỡng cửa của thiếu năng lượng trầm trọng. Do đó, việc nâng cao hiệu quả sử dụng và tiết kiệm năng lượng là vấn đề hết sức cấp bách và cần phải được tiếp cận một cách toàn diện và khoa học.
