Làm thế nào người ta thiết kế được những tòa nhà "siêu cao khổng lồ"? Phức tạp hơn nhiều so với bạn nghĩ!

Tòa nhà cao nhất thế giới, Burj Khalifa ở Dubai đã trở thành "tượng đài" vô địch trong ngành kiến trúc suốt hơn thập kỷ vừa rồi bởi chiều cao 828m và in dấu đậm sâu trong tâm trí giới kiến trúc sư.

Nó thổi bay vô số kỷ lục trước đó: Cao hơn "người tiền nhiệm" Taipei 101 tới 62% và để lại di sản khổng lồ theo cả nghĩa đen và nghĩa bóng cho người thiết kế ra nó.

Người đàn ông đó là Adrian Smith, và ý tưởng về tòa nhà khổng lồ này thai nghén từ khi ông còn làm kiến trúc sư ở Skidmore, Owings and Merill (SOM). Nhưng thời điểm tòa tháp mở cửa năm 2010, ông đã có công ty riêng cùng cộng sự Gordon Gill, với tên gọi tắt của 2 người là AS + GG.

Công ty này chuyên thiết kế ra những tòa nhà cực cao và siêu cao, tức là từ 300m và 600m trở lên.

Những tòa nhà cực cao (supertall) vốn đã rất hiếm, với danh sách 173 tòa trên khắp toàn cầu, nhưng siêu cao (megatall) mới thực sự là "đỉnh của chóp" với chỉ 3 tòa. Có những tòa đã được lên kế hoạch, để rồi bị hủy vào nhiều giai đoạn khác nhau. Đó là lý do Smith cho rằng không có nhiều ví dụ về những công trình này để người ta xem xét.

Central Park Tower (New York) và concept thiết kế của Greenland Tower (Thành Đô).

Gần đây, AS + GG cũng ra mắt một cuốn sách dành cho cả các sinh viên và kiến trúc sư hành nghề để đưa họ một cái nhìn thấu đáo về cách tạo dựng những tòa nhà này từ góc độ kỹ thuật thiết kế.

Họ đưa ra ví dụ về những tòa nhà mới xây gần đây như Central Park Tower ở New York (472m), hay Greenland Tower ở Thành Đô sắp tới (468m) gồm các bản vẽ kỹ thuật chi tiết. Thậm chí còn đưa ra những bản nháp cho các concept cao hơn 1 cây số.

Thiết kế nổi tiếng nhất của AS + GG là Jeddah Tower (trước đây gọi là Kingdom Tower) ở Ả Rập Xê Út.

Chiều cao của Jeddah Tower được dự tính là hơn 1.000m khi hoàn thành, điều này sẽ khiến nó trở thành tòa nhà cao nhất thế giới. Mặc dù dự kiến hoàn thành vào năm 2020, năm đó nó mới đạt 58 tầng và tiến độ bị chậm lại.

Burj Khalifa (bên trái) và thiết kế Jeddah Tower có nhiều tương đồng.

Smith cho biết các kỹ sư xây dựng đã "bảo vệ mọi thứ mà họ cần bảo vệ" và "tòa nhà không bị xuống cấp". Đáp lại những câu hỏi về việc tiếp tục xây dựng lại của nó, Gill nói "Không bao giờ nói không bao giờ".

Vô số bài toán phức tạp trong việc xây dựng một "siêu cao ốc"

Xét về yếu tố thiết kế, có những yếu tố phức tạp mà các kiến trúc sư phải xem qua như các tiến bộ kỹ thuật được áp dụng, từ các bài kiểm tra khả năng chống chịu gió bằng mô hình tỷ lệ 1:4000, tới các chiến lược giảm thiểu bức xạ mặt trời, hay hệ thống thu hồi nước ngưng có khả năng thu về lượng nước tương đương 14 bể bơi chuẩn Olympic mỗi năm...

Cuốn sách chỉ ra rằng kết cấu của Jeddah học hỏi và hoàn thiện từ Burj Khalifa, với thiết kế 3 cánh hình chữ Y để tối đa hóa sự ổn định. Smith còn cho biết cả hai tòa đều lấy cảm hứng từ thiết kế cao ốc Friedrichstrasse có từ hơn 100 năm trước.

Tuy nhiên, ông cũng thừa nhận rằng có rất nhiều concept đã được thai nghén nhưng không được triển khai. Mặc dù vậy, chúng vẫn có giá trị học hỏi, một vài trong số đó là Meraas Tower (526m), Za'abeel Signature Tower I (598m) và 1 Dubai Atrium City (1,000m) (đều dự kiến xây ở Dubai).

Gill cho biết "hàng tấn" bài học từ những tòa nhà này đã được ứng dụng trong các thiết kế AS + GG khác. Ví dụ, việc phát triển thiết kế của "thành phố thẳng đứng" 1 Dubai cao 1km đã thúc đẩy các cuộc thảo luận về hệ thống cơ khí, hiệu suất kết cấu, thang máy, an toàn cháy nổ, không khí và ánh sáng, trong vô số các chủ đề khác, "đã trở thành một đối thoại lớn hơn xung quanh chiều cao".

Đối với concept 1 Dubai cao 1km, các nhà thiết kế có ý tưởng sử dụng 3 tòa tháp siêu cao được kết nối với nhau bằng hệ thống trung tâm để giữ ổn định.

Một số concept của 1 Dubai Atrium City, được thiết kế với chiều cao tối đa hơn 1km.

Ngoài những cân nhắc về chiều cao - thứ người ta nói đến nhiều nhất về những tòa nhà chọc trời, Smith cho rằng đó chỉ là điểm khởi đầu cho hàng loạt thảo luận khác về chủ đề kiến trúc và giải quyết vấn đề của đô thị.

Cuốn sách gợi ý rằng các tòa nhà cực cao và siêu cao có thể giúp cập nhật các ý tưởng về hiệu suất sử dụng năng lượng, giảm dấu chân carbon và kết nối giữa môi trường xây dựng với thế giới tự nhiên thông qua thiết kế ưa sinh học (biophilic - một trào lưu thiết kế mới gắn với việc mang trải nghiệm thiên nhiên vào môi trường sống).

Một bản vẽ thiết kế ý tưởng về tòa Biophillic ở Tô Châu.

Tháp Biophilic, một thiết kế chưa được thực hiện từ năm 2012 dành cho Tô Châu, Trung Quốc có nhiều điểm khác biệt so với quy ước, bao gồm một khu rừng thẳng đứng xoắn ốc cao 119 tầng và các tấm che nắng lấy cảm hứng từ cấu trúc của lá và tổ ong.

Vấn đề, Gill chỉ ra, là ở chỗ mọi người thường không hiểu được có những yếu tố nào ẩn sâu đằng sau khoa học và kỹ thuật của các kỳ công này, dù chúng là những phần thiết yếu làm cho các tòa nhà tuyệt vời hơn bên ngoài chiều cao choáng ngợp.

Mô hình máy tính thể hiện khả năng chịu đựng của 1 tòa nhà ở Dubai trong các bài kiểm tra áp lực.

Các tòa nhà cao đi kèm với tất cả các loại vấn đề cơ học và kết cấu. Thậm chí, có vô số câu hỏi liên quan đến hậu cần như mọi người sẽ đợi thang máy trong bao lâu khi đi từ sảnh đến tầng 200?

Làm thế nào các tòa nhà siêu lớn sẽ chịu được các lực tự nhiên mà chúng ta có thể dự đoán được và những lực mà chúng ta không thể? Nhiều vấn đề trong số này được giải quyết bằng cách tận dụng các vật liệu và hệ thống hiện đại mà chúng ta đã quen thuộc và tạo ra những vật liệu và hệ thống cải tiến mới. Tức là, khi một đại công trình như vậy hoàn thành, nhiều rào cản về kỹ thuật và kết cấu đã được bứt phá.

Một vấn đề quan trọng khác liên quan đến kết cấu để một tòa nhà đứng vững như vậy là việc thay thế thép. Với bài toán này, nhôm cung cấp một sự thay thế nhẹ hơn thép với quy trình ép đùn dễ dàng cho phép nó phù hợp với nhiều hình dạng cho hầu hết mọi thiết kế mặt tiền. Nó cũng phản ứng tốt với ứng suất từ các yếu tố cấu trúc bên trong và lực bên ngoài như nhiệt độ thay đổi nhanh chóng và sự gián đoạn địa chấn do động đất.

Sợi carbon cũng là một vật liệu mới nổi khác, cũng có trọng lượng nhẹ, nhưng nó có các sợi dài đan xen với nhau để tạo thành một cấu trúc giống như vải. Do đó, nó cứng hơn đáng kể so với thép, cho phép nó được sử dụng trong các tòa nhà chịu tải trọng tác động cao. Các sợi carbon đã và đang tiến vào các phần tử bê tông đúc sẵn.

Cũng từ việc thiết kế các tòa nhà chọc trời và nghiên cứu vật liệu xây dựng, người ta cũng bắt đầu các ý tưởng thay thế bê tông - vật liệu xây dựng vốn chưa thay đổi suốt hàng thế kỷ. Dù bền, nó lại là nguồn phát thải CO2 khá lớn.

Một số nhà nghiên cứu đang xem xét các loại bê tông sinh học, có khả năng tự chữa lành vết nứt bằng cách bổ sung vi khuẩn đá vôi có thể kéo dài tuổi thọ của bê tông lên đến 200 năm. Ngay cả gỗ, dường như không bao giờ được sử dụng như một thành phần cấu trúc chính trong cấu trúc siêu cao, cũng đang được áp dụng trong cấu trúc nhiều lớp giúp nó có độ bền tương đương với thép.

Để chứng minh khả năng của gỗ, SumitomoForestry, một công ty thiết kế có trụ sở tại Nhật Bản, gần đây đã tiết lộ kế hoạch xây dựng một công trình kiến trúc bằng gỗ cao 350m ở Tokyo. Các tòa nhà cao hơn đang ở trong tầm mắt và các vật liệu cũng như phương pháp xây dựng đang nhanh chóng bắt kịp để có thể biến những giấc mơ cao hàng dặm này thành hiện thực.

Nguồn: Tổng hợp