Kết cấu chịu lực và cuộc cách mạng hóa ngành kiến trúc

Thép, bê tông hay thuỷ tinh là những vật liệu phổ biến trong xây dựng hàng thế kỷ qua. Nhưng các KTS và các nhà thiết kế không ngừng đổi mới để tìm tòi những vật liệu tiềm năng giúp họ thỏa sức sáng tạo. Vải là một trong những ví dụ điển hình và đã tạo ra bước ngoặt lớn trong ngành kiến trúc xây dựng, tạo nên một kết cấu chịu lực tốt, vừa đẹp mắt, vừa có tính ứng dụng cao.

Mái vòm của lối đi vào sảnh Bệnh viện Bazarganan. Thực hiện: Diba Tensile Architecture

Kết cấu chịu lực là gì?

R. Buckminster Fuller, một KTS và nhà phát minh nổi tiếng thế giới chính là cha đẻ của khái niệm kết cấu chịu lực “Tensile”. Ông đã giới thiệu khái niệm này vào những năm 1960. Theo đó, kết cấu chịu lực là nguyên tắc cơ bản của tự nhiên và là chìa khóa để hiểu cấu trúc vũ trụ. Chúng gồm các phần tử ở trạng thái căng thay vì trạng thái nén. Ví dụ đơn giản nhất của kết cấu chịu lực hay kết cấu dây kéo là lều cắm trại. Khi các phần tử như vải, cọc, dây thừng được kéo căng sẽ giúp lều được chắc chắn hơn.

R. Buckminster Fuller là cha đẻ của kết cấu chịu lực 

KTS Fuller cho rằng khái niệm này có thể ứng dụng từ các yếu tố đơn lẻ vào hệ thống phức tạp hơn, lớn hơn, đặc biệt tiềm năng trong lĩnh vực kiến trúc.

Qua nhiều thập kỷ, khái niệm này đã trở thành một trong những phương pháp phức tạp và sáng tạo, kết hợp các yếu tố để tạo nên sức căng giúp hỗ trợ và đàn hồi. Để giữ được độ chắc chắn, kết cấu này thường sử dụng dây cáp hoặc dây điện. Các phần tử cứng được nén hoặc đẩy lại với nhau.

Đặc điểm chính của kết cấu chịu lực

Kết cấu chịu lực trong thiết kế gian hàng chợ quê Village Market. Thực hiện: Diba Tensile Architecture

Cấu trúc chịu kéo hay kết cấu chịu lực chủ yếu dựa vào lực căng để tạo sự ổn định và hỗ trợ, trái ngược với cấu trúc lực nén, dựa vào nền tảng vững chắc để cố định. Một số đặc điểm chính của kết cấu chịu lực bao gồm:

Trọng lượng nhẹ và bền

Trung tâm nghệ thuật Dadong. Thực hiện: Cie + RIVER Architects

Kết cấu chịu kéo thường nhẹ và bền nên thường được lựa chọn cho các kết cấu yêu cầu nhịp lớn và console. Chúng có thể chịu được mọi thời tiết khắc nghiệt và được thiết kế đáp ứng các thách thức môi trường cụ thể.

Cấu hình linh hoạt

Cấu trúc chịu lực có thể được thiết kế theo nhiều hình dạng và kích cỡ khác nhau, từ mái che, ô dù đơn giản hay đến mái che của sân vận động hay gian hàng quy mô lớn. Tính linh hoạt này giúp chúng trở thành một trong những lựa chọn phổ biến trong kiến trúc.

Thiết kế tối giản

Đi kèm với tính ứng dụng cao, kết cấu chịu lực có thiết kế tối giản, hấp dẫn về mặt thị giác, nhìn vào có cảm giác nhẹ nhàng dễ tháo dỡ thay vì nhìn các cột, dầm, tường truyền thống.

Pavilion Underwood của Đại học Ball State

Tiết kiệm năng lượng

Kết cấu này hoàn toàn có thể được thiết kế theo nhu cầu và mục đích sử dụng. Sự thông thoáng trong cách bố trí cho phép ánh sáng tự nhiên đi vào, giảm nhu cầu chiếu sáng nhân tạo và giảm chi phí năng lượng. Bên cạnh đó còn giúp phản chiếu ánh sáng mặt trời, giảm nhu cầu sử dụng hệ thống điều hoà và làm mát.

Tính bền vững

Cấu trúc chịu kéo này có thể bền vững hơn đối với môi trường so với phương pháp xây dựng truyền thống. Chúng có thể được thiết kế với ít năng lượng và vật liệu sử dụng nhất đồng thời có thể tái chế.

Tiết kiệm chi phí

Để xây dựng kết cấu chịu lực có thể tốn ít kinh phí hơn vì cần ít nguyên vật liệu và thời gian xây dựng nhanh, giảm chi phí lao động và các khoản phí phát sinh.

Bảo trì

Kết cấu này yêu cầu bảo trì tương đối thấp vì khả năng chống ăn mòn. Nhờ vậy chúng trở thành lựa chọn phổ biến cho các công trình lắp đặt lâu dài.

Hạn chế của kết cấu chịu lực

Mái vòm Thiên niên kỷ của Richard Rogers

Bên cạnh những ưu điểm của kết cấu chịu lực thì không phải lúc nào cũng có thể sử dụng hoàn hảo hình thức này. Một trong những thách thức lớn gặp phải khi thực hiện kết cấu chịu lực là đảm bảo cấu trúc luôn được ổn định và có thể chịu được các tải trọng khác nhau.

Nếu lực căng quá lớn hoặc lực nén quá thấp cấu trúc có thể bị sụp đổ. Ngược lại, nếu lực nén quá cao hoặc lực căng quá thấp, cấu trúc có thể trở nên thô cứng và không thể đáp ứng khi thay đổi tải trọng.

Để khắc phục vấn đề này, các nhà thiết kế đã sử dụng các kỹ thuật mô hình máy tính tiên tiến để mô phỏng hành vi của cấu trúc ở các tải trọng khác nhau. Từ đó giúp tính toán hợp lý và đảm bảo cân bằng giữa lực căng và lực nén. Ngoài ra các nhà thiết kế có thể lựa chọn vật liệu có đặc tính cơ học cụ thể để đảm bảo kết cấu chịu tải tốt nhất.

5 công trình tiêu biểu về kết cấu chịu lực

• Công viên Olympia, Munich, Đức

Công viên Olympia, Munich, Đức. Ảnh: Marian Mantel

Kiến trúc sư: Günther Behnisch

Năm: 1972

Kết cấu chịu lực là điểm nổi bật trong thiết kế của công viên Olympia ở Munich, Đức. Công viên được xây dựng để tổ chức Thế vận hội mùa hè 1972. Tại đây được lắp đặt nhiều kết cấu chịu lực để làm điểm nghỉ ngơi trú chân cho du khách đồng thời cho ánh sáng tự nhiên chiếu qua. Thiết kế tầng mái dựa trên màng chịu kéo, bên trong có các dây cáp được kéo căng để tạo cấu trúc ổn định và hỗ trợ.

• Sân vận động Mercedes-Benz, Atlanta, Georgia

Sân vận động Mercedes-Benz được bao phủ bởi 8 tấm tam giác. Ảnh: Buro Happold

Kiến trúc sư: HOK

Năm: 2017

Điểm đáng chú ý ở Sân vận động Mercedes-Benz là mái che hình cánh hoa từ kết cấu chịu lực có thể thu vào và kéo ra. Tám tấm tam giác này được tạo nên bởi lưới cáp thép có khả năng chịu được các điều kiện thời tiết khắc nghiệt kể cả gió bão, đảm bảo an toàn cho người sử dụng cũng như độ bền. của kết cấu.

• Millennium Dome, London, Anh

Mái vòm Thiên niên kỷ giống như con sứa khổng lồ trên đảo Greenwich. Ảnh: Zak via Flickr

Kiến trúc sư: Richard Rogers

Năm: 1999

Mái vòm Thiên niên kỷ này sử dụng hệ thống kết cấu chịu lực với một loạt các cột thép lớn hỗ trợ mái vải kéo căng. Phần mái được làm từ hơn 100.000m2 vải sợi thuỷ tinh tráng có đường kính tới 365 mét và cao 100m. Sự độc đáo này cho phép phần mái được linh hoạt, đáp ứng những thay đổi về điều kiện thời tiết và gió. Mặc dù kích thước mái vòm khổng lồ nhưng vẫn hết sức quyến rũ.

• Trung tâm quần vợt Olympic, Rio de Janeiro, Brazil

Trung tâm Quần vợt Olympic. Ảnh: Giles Price

Kiến trúc sư: Gerkan, Marg and Partners & Schlaich Bergermann Partner

Năm: 2015

Trung tâm quần vợt Olympic có mái căng được làm từ màng polyester phủ PVC tạo bóng râm cho khán giả và các tay vợt. Mái cũng kết hợp một số yếu tố bền vững như hệ thống gom nước mưa, hệ thống làm mát và chống nắng.

• Cầu Sheikh Zayed, Abu Dhabi, UAE

Cây cầu sử dụng các dây cáp chắc chắn neo thẳng vào xương sống cầu. Ảnh: Christian Richters

Kiến trúc sư: Zaha Hadid Architects

Năm: 2010

Cây cầu ấn tượng này sử dụng các dây cáp được neo thẳng vào xương sống cầu và được kéo căng tạo sự ổn định.

United Nations Porte Cochere by FTL Design Engineering Studio

Tóm lại, dù còn một số nhược điểm cần khắc phục nhưng không thể phủ nhận tính ứng dụng cao của kết cấu chịu lực. Chúng có thể tạo nên một cuộc cách mạng trong kiến trúc bằng cách sử dụng lực căng và lực nén để tạo nên các kết cấu nhẹ, chắc chắn và thích ứng. Bằng cách này, chúng ta có thể giảm lượng vật liệu và chi phí đồng thời tạo ra các cấu trúc có thể thích ứng hiệu quả hơn khi có các nhu cầu thay đổi. Khi công nghệ tiến bộ, chúng ta có thể thấy được ngày càng nhiều những kết cấu chịu lực trong tương lai.

Biên dịch: Vũ Hương | Nguồn: Parametric-architecture

XEM THÊM:

• Kiến trúc sư học được gì khi sống trong một ngôi nhà nhỏ
• Giếng trời hình tròn và ứng dụng trong các loại công trình
• Các ứng dụng hàng đầu dành cho kiến trúc sư
• Nền kinh tế đăng ký để sử dụng dịch vụ (Subscription Economy ) trong lĩnh vực kiến trúc
• Các vấn đề quan trọng trong thiết kế cảnh quan và hướng giải quyết