Luận án tiến sĩ: Ứng dụng hình học Fractal trong thiết kế tổ hợp kiến trúc tại Việt Nam - Trường ĐH Xây dựng HN

Lý do chọn đề tài Có thể nói, hình học là một trong những đại diện cho nền tảng tư duy và văn minh của xã hội loài người. Đối với kiến trúc, hình học là nền tảng cơ bản cho tạo hình thiết kế. Đối với THKT, hình học “là nguyên tắc tổ chức, là phương tiện nối các bộ phận của kiến trúc lại với nhau” [6]. Tuy vậy, phần nhiều trong chúng ta chỉ dừng ở việc tiếp cận với hình học Euclid, vốn đã tồn tại hàng nghìn năm.

Trên thực tế, cùng với sự phát triển của khoa học nói chung, đặc biệt là khoa học máy tính, hình học đã có những bước tiến vượt bậc của mình, hiện hữu trong mọi lĩnh vực của đời sống. Các dạng hình học phi Euclid đã lần lượt ra đời, góp phần tạo nên những công trình kiến trúc rất độc đáo và những trào lưu kiến trúc mới, trong đó không thể không kể đến hình học Fractal, loại hình học mới nhất do nhà toán học Mandelbrot phát hiện và công bố vào thập niên 70. Nếu như các loại hình học khác như hình học Euclid truyền thống nghiên cứu các hình đơn lẻ như vuông, tròn, chữ nhật, tam giác thì đối tượng của hình học Fractal là các tổ hợp phức tạp, gồm nhiều, thậm chí là vô hạn đường nét. Các mảnh hình học được kết hợp với nhau dựa trên các quy tắc đồng dạng.

Điều này có thể xem là nền tảng tạo ra sự liên hệ giữa THHH Fractal và THKT. Điểm đặc biệt nhất của loại hình học này - đó là khả năng mô tả các cấu trúc phức tạp của tự nhiên, điều mà hình học Euclid trước đây không thực hiện được. Những đám mây, bụi cây, ngọn núi không còn đơn giản chỉ dừng ở những hình cách điệu vuông, tròn, chữ nhật, tam giác mà đã được mô phỏng giống như thật trên máy tính nhờ ứng dụng các quy tắc tạo hình Fractal. Sự ra đời và phát triển của hình học Fractal là điều cần thiết và tất yếu đối với tất cả các lĩnh vực tạo hình, trong đó có kiến trúc khi mà xu thế của kiến trúc hiện đại là sự bền vững dựa trên những tổ hợp phỏng sinh học với cấu trúc tương đồng hoặc gần gũi với tự nhiên.

Sau khi được khởi xướng, hình học Fractal đã phát triển rộng khắp, xâm nhập vào tất cả các lĩnh vực của đời sống, đặc biệt trong nghệ thuật. Thậm chí, trong lĩnh vực kiến trúc, từ thập niên 90, một trào lưu kiến trúc mới có tên Kiến trúc Fractal đã ra đời, lan tỏa với sức ảnh hướng mạnh mẽ đến ngày nay [43]. Tác giả Derek Thomas (2012) định nghĩa kiến 2 trúc Fractal như là một "hình thức đương đại của thiết kế hữu cơ" [44]. Bên cạnh đó, sự ra đời của hình học Fractal gắn liền với sự phát triển của đồ họa máy tính và đã đóng góp vai trò quan trọng trong lịch sử phát triển của kiến trúc tham số - Parametric architecture [44].

Đó là trào lưu kiến trúc gắn liền việc thiết kế với công nghệ đồ họa, trong đó, các kiến trúc sư nổi tiếng là Zaha Hadid, Frei Otto, v. Chính vì thế, có thể nói, hình học Fractal là chiếc cầu nối gần nhất liên kết ba yếu tố: sáng tạo nghệ thuật hình thức phỏng sinh học, đồ họa máy tính và công nghệ sản xuất. Nói một cách ngắn gọn, hình học Fractal có thể xem là nền tảng cho thiết kế kiến trúc thời đại kỹ thuật số. Theo giải nghĩa thuật ngữ quốc tế về kiến trúc, “Architecturology” tạm hiểu là khoa học kiến trúc.

“Sáng tạo kiến trúc trong giai đoạn 4.0 luôn đòi hỏi sự kết hợp hữu cơ giữa các yếu tố đối lập: công nghệ tiên tiến và bản sắc văn hóa, công năng linh hoạt và hình thức ấn tượng” [10]. Nhà lý luận kiến trúc Carl Bovil đã nhận định: "Hình học Fractal là một VD hiếm hoi về công nghệ đi vào cốt lõi của thành phần thiết kế, cho phép kiến trúc sư hoặc nhà thiết kế thể hiện sự hiểu biết phức tạp về thiên nhiên" [25] làm cơ sở cho việc chủ động áp dụng khoa học vào sáng tạo nghệ thuật. Mặc dù tầm quan trọng và ảnh hưởng của hình học Fractal trên thế giới trong suốt thời gian qua là không thể phủ nhận nhưng ở Việt Nam, đặc biệt trong lĩnh vực kiến trúc, hình học Fractal hầu như vẫn là một khái niệm hoàn toàn mới - chưa có một nghiên cứu hoàn chỉnh và chính thức nào về nó. Từ khóa “kiến trúc Fractal” bằng tiếng Việt gần như bị bỏ ngỏ trên trang tìm kiếm thông tin Google.

Hiện nay, nhu cầu hội nhập của kiến trúc Việt Nam với trào lưu phát triển chung của Kiến trúc thế giới là to lớn và cấp thiết. Nếu không cập nhật được toàn diện các vấn đề khoa học công nghệ trong thiết kế thì chắc chắn, đó sẽ là một thiếu sót lớn, thậm chí có thể khiến kiến trúc tụt hậu so với lịch sử. Vì các lý do kể trên, NCS đã lựa chọn đề tài “Ứng dụng hình học Fractal trong thiết kế tổ hợp kiến trúc tại Việt Nam”. Mục đích và mục tiêu nghiên cứu 2.

Mục đích nghiên cứu 3 Đề xuất các khả năng / giải pháp ứng dụng hình học Fractal trong trong thiết kế tổ hợp kiến trúc tại Việt Nam nhằm đáp ứng nhu cầu phát triển kiến trúc trong thời đại khoa học công nghệ 4. Mục tiêu nghiên cứu Để đạt được mục đích đã đặt ra, các mục tiêu cụ thể của nghiên cứu bao gồm: - Xác định được nguyên tắc, phạm vi ứng dụng hình học Fractal vào thiết kế THKT tại Việt Nam (mức độ, các dạng hình thái, hình thức tổ hợp và thể loại công trình). - Đề xuất được các giải pháp ứng dụng hình học Fractal trong tạo hình, kết hợp với giải pháp áp dụng công nghệ đồ họa hỗ trợ tạo hình cho thiết kế THKT tại Việt Nam. - Đề xuất được quy trình tư duy ứng dụng hình học Fractal theo từng giai đoạn thiết kế THKT tại Việt Nam.

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu 3. Đối tượng nghiên cứu - Tổ hợp kiến trúc ứng dụng hình học Fractal. Phạm vi nghiên cứu - Áp dụng cho các công trình kiến trúc tại Việt Nam trong phạm vi thời gian từ nay đến năm 2030 và tầm nhìn đến 2050. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài nghiên cứu 4.

Ý nghĩa khoa học Đề ra được giải pháp lý thuyết có tính khả thi về ứng dụng hình học Fractal vào quá trình thiết kế THKT tại Việt Nam, bổ sung vào hệ thống cơ sở khoa học lý luận phục vụ công tác giảng dạy các môn học liên quan tới lý thuyết tạo hình, thiết kế kiến trúc; là tài liệu học tập, nghiên cứu, tham khảo cho giảng viên và học viên ngành kiến trúc nói chung; là tài liệu lý luận bổ sung, có thể hỗ trợ để hoàn thiện chương trình đổi mới đào tạo của ngành kiến trúc. Ý nghĩa thực tiễn Bổ sung một hướng tìm ý mới vận dụng hình học Fractal, có thể kết hợp với 4 tạo hình đồ họa hoặc các lý thuyết hình học khác, hỗ trợ quá trình thiết kế THKT cho các công trình tại Việt Nam. Các đề xuất có giá trị thực tiễn cao, phù hợp làm tài liệu tham khảo, hướng dẫn thiết kế trong thời đại cách mạng công nghiệp 4. Phương pháp nghiên cứu 5.

Phương pháp tổng hợp, phân tích, phân loại và hệ thống hóa lý thuyết Thu thập tài liệu về lý thuyết THHH Fractal và lý thuyết thiết kế THKT. Nghiên cứu nội dung, dữ liệu, hình ảnh để tóm tắt, phân loại lý thuyết đã có thành hệ thống logic theo các mặt tương đương về bản chất, hướng phát triển như: khái niệm (khái niệm hình học Fractal, THHH Fractal, khái niệm THKT), thành phần, bố cục, nguyên tắc tạo hình và biến thể v.v của 2 loại tổ hợp, tạo điều kiện cho việc phân tích, đánh giá sự tương thích về mặt lý thuyết của hai loại hình tổ hợp. Phương pháp khảo sát, đánh giá và tổng kết lịch sử, kinh nghiệm Thu thập, tổng hợp tài liệu, hình ảnh về các công trình thực tiễn, phương án thiết kế hay các đề xuất tạo hình đã áp dụng hoặc có những đặc tính tổ hợp hình thức tương đồng với hình học Fractal; tiến hành khảo sát hình ảnh, dữ liệu, phân tích thiết kế, phân loại và hệ thống hóa VD theo các đặc điểm về THKT (công năng, diện tích, dạng tổ hợp, ý tưởng kiến trúc, v.v) nhằm phát hiện xu hướng, các phạm vi phù hợp cho ứng dụng tạo hình Fractal. Từ đó, xây dựng tổng quan về vấn đề nghiên cứu, phát hiện ra những khía cạnh liên quan đến ứng dụng hình học Fractal đã có và chưa có, nhằm kế thửa, bổ sung và phát triển các ứng dụng đó, hoặc phát hiện những thiếu sót, chưa hoàn chỉnh trong các lý luận đã có để tìm thấy chỗ đứng của đề tài nghiên cứu cùng các vấn đề mới được đặt ra.

Kết hợp lý luận với thực tiễn, đem lý luận phân tích thực tiễn, từ phân tích thực tiễn lại rút ra lý luận cao hơn. Phương pháp so sánh Quan sát, đối chiếu những dữ liệu liên quan về nguồn gốc, đối tượng nghiên cứu, tạo hình và biến thể để phân biệt và tìm ra đặc điểm nổi bật của hình học Fractal và các hình học khác. Quan sát kết hợp đối chiếu và phân tích hình ảnh các tổ hợp hình học Fractal và các THKT trong lý thuyết và thực tiễn. Từ đó, tìm ra các điểm tương đồng, khác biệt giữa hai loại hình tổ hợp, đánh giá khả năng tương thích, cho phép ứng dụng tổ 5 hợp này vào thiết kế tác tổ hợp kia.

Khảo sát các công trình thực tiễn riêng biệt, sau đó phân tích, tìm ra những đặc trưng, những đặc điểm tương tự về hình thức, công năng, tạo hình để hệ thống hóa thành các nhóm ứng dụng, thuận tiện tổng kết, đúc rút kinh nghiệm. Phương pháp mô hình hóa Nghiên cứu hình ảnh tổ hợp trong lý thuyết và công trình đã có, phân tích hình ảnh, rút ra nhận xét, mô tả khái quát hóa về hình thái, cấu trúc, cách xây dựng. Từ đó, đề ra các phương pháp tạo hình, quy trình ứng dụng. Ngược lại, các lý thuyết tạo hình và quy trình ứng dụng đề xuất lại được minh họa thông qua các mô hình, chủ yếu thực hiện trên máy tính.

Phương pháp chuyên gia Tham khảo các ý kiến của các chuyên gia có trình độ, hiểu biết liên quan tới hình học và kiến trúc để xem xét, đưa ra các nhận định, đánh giá về sự liên hệ giữa THHH Fractal và THKT, tìm phương hướng ứng dụng trong thiết kế công trình tại Việt Nam.