Luận án tiến sĩ kiến trúc ứng dụng topology trong thiết kế kiến trúc tại việt nam
Bạn đang xem bản rút gọn của tài liệu. Xem và tải ngay bản đầy đủ của tài liệu tại đây (10.09 MB, 182 trang )
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC XÂY DỰNG HÀ NỘI
NGUYỄN THỊ MINH THÙY
ận
Lu
án
ỨNG DỤNG TOPOLOGY
tiế
TRONG THIẾT KẾ KIẾN TRÚC TẠI VIỆT NAM
n
sĩ
ến
Ki
Chuyên ngành: Kiến trúc
Mã số: 9580101
úc
tr
LUẬN ÁN TIẾN SĨ
Hà Nội – Năm 2022
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC XÂY DỰNG HÀ NỘI
NGUYỄN THỊ MINH THÙY
Lu
ận
ỨNG DỤNG TOPOLOGY
TRONG THIẾT KẾ KIẾN TRÚC TẠI VIỆT NAM
án
n
tiế
Chuyên ngành: Kiến trúc
Mã số: 9580101
sĩ
Ki
ến
NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:
PGS.TS.KTS. NGUYỄN ĐÌNH THI
úc
tr
Hà Nội – Năm 2022
i
LỜI CAM ĐOAN
Tơi xin cam đoan đây là cơng trình nghiên cứu của riêng tôi,
dưới sự hướng dẫn của PGS.TS.KTS. Nguyễn Đình Thi. Các số
liệu, kết quả nghiên cứu nêu trong luận án là trung thực, có
nguồn gốc rõ ràng, được trích dẫn đầy đủ theo quy định và chưa
từng được ai cơng bố trong bất cứ cơng trình nào khác.Việc sử
dụng các số liệu nghiên cứu chung đã được các đồng tác giả cho
phép.
ận
Lu
Nghiên cứu sinh
án
n
tiế
sĩ
Nguyễn Thị Minh Thùy
ến
Ki
úc
tr
ii
LỜI CẢM ƠN
Tôi xin trân trọng cảm ơn sự quan tâm giúp đỡ của Ban Giám Hiệu, khoa Đào
tạo Sau đại học, khoa Kiến trúc và Quy hoạch, bộ môn Lý thuyết và Lịch sử kiến trúc Trường Đại học Xây dựng Hà Nội đã quan tâm và tạo điều kiện cho tơi hồn thành
luận án này.
Tơi xin trân trọng cảm ơn và ghi nhận sâu sắc sự động viên, giúp đỡ, hướng dẫn
tận tình, chu đáo của PGS.TS.KTS Nguyễn Đình Thi trong suốt q trình nghiên cứu
Lu
luận án.
Tơi xin trân trọng cảm ơn các chuyên gia đã đóng góp các ý kiến cho luận án;
ận
các cơ quan, tổ chức, cá nhân đã giúp đỡ, tạo điều kiện để tôi được lấy tài liệu nghiên
án
cứu phục vụ luận án.
tiế
Trân trọng cảm ơn bộ mơn Hình họa và Vẽ kỹ thuật đã quan tâm và tạo điều
sĩ
viên, chia sẻ.
n
kiện để tôi có thời gian thực hiện luận án này. Cảm ơn gia đình và bạn bè đã động
Ki
ến
Nghiên cứu sinh
úc
tr
Nguyễn Thị Minh Thùy
iii
MỤC LỤC
LỜI CAM ĐOAN……………………………………………………………..…….....i
LỜI CẢM ƠN…………………………………………………………………….…...ii
DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT………………….……………………………vii
DANH MỤC CÁC BẢNG………………………………………………………….viii
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, SƠ ĐỒ……………………………………………...ix
MỞ ĐẦU .........................................................................................................................1
Lý do lựa chọn đề tài .............................................................................................1
2.
Mục đích và mục tiêu nghiên cứu .........................................................................2
3.
Đối tượng, phạm vi và giới hạn nghiên cứu ..........................................................2
4.
Phương pháp nghiên cứu .......................................................................................2
5.
Nội dung nghiên cứu .............................................................................................3
6.
Giá trị khoa học và thực tiễn của luận án ..............................................................3
7.
Những đóng góp mới của luận án .........................................................................4
8.
Cấu trúc của luận án ..............................................................................................4
9.
Giải thích một số khái niệm và thuật ngữ sử dụng trong luận án .........................4
ận
Lu
1.
án
n
tiế
sĩ
CHƯƠNG I: TỔNG QUAN ỨNG DỤNG TOPOLOGY TRONG THIẾT KẾ
TÌNH HÌNH ỨNG DỤNG TOPOLOGY TRONG THIẾT KẾ KIẾN TRÚC
ến
1.1.
Ki
KIẾN TRÚC ...................................................................................................................7
tr
TRÊN THẾ GIỚI.............................................................................................................7
úc
1.1.1. Quá trình hình thành và phát triển Topology .....................................................7
1.1.1.1. Quá trình hình thành và phát triển Topology ..............................................7
1.1.1.2. Ứng dụng Topology trong các lĩnh vực khoa học .......................................8
1.1.2. Các xu hướng phương pháp thiết kế kiến trúc trên thế giới.............................12
1.1.3. Ứng dụng Topology trong TKKT trên thế giới ...............................................14
1.1.4. Nhận xét, đánh giá............................................................................................28
1.2.
THỰC TRẠNG ỨNG DỤNG TOPOLOGY TRONG THIẾT KẾ KIẾN TRÚC
TẠI VIỆT NAM ............................................................................................................28
1.2.1. Xu hướng phương pháp thiết kế kiến trúc tại Việt Nam ..................................28
1.2.2. Một số biểu hiện Topology trong thiết kế kiến trúc tại Việt Nam ...................31
1.2.2.1. Vào các giai đoạn thiết kế ..........................................................................31
iv
1.2.2.2. Vào các hoạt động thiết kế.........................................................................36
1.2.2.3. Cho các loại hình cơng trình kiến trúc .......................................................41
1.2.2.4. Kết hợp cơng nghệ kỹ thuật số ..................................................................42
1.2.3. Nhận xét, đánh giá............................................................................................43
1.3.
TỔNG QUAN CÁC CƠNG TRÌNH NGHIÊN CỨU CĨ LIÊN QUAN ...........43
1.3.1. Các cơng trình nghiên cứu trên thế giới ...........................................................43
1.3.2. Các cơng trình nghiên cứu tại Việt Nam..........................................................46
1.3.3. Nhận xét, đánh giá các cơng trình nghiên cứu liên quan đề tài .......................46
1.4.
NHẬN XÉT, ĐÁNH GIÁ CHUNG VÀ RÚT RA NHỮNG VẤN ĐỀ CẦN
NGHIÊN CỨU ..............................................................................................................47
Lu
1.4.1. Nhận xét đánh giá chung ..................................................................................47
1.4.2. Những vấn đề cần nghiên cứu ..........................................................................48
ận
CHƯƠNG 2. CƠ SỞ KHOA HỌC ỨNG DỤNG TOPOLOGY TRONG THIẾT
CƠ SỞ LÝ THUYẾT ..........................................................................................49
Lý thuyết Topology ......................................................................................49
n
2.1.1.
tiế
2.1.
án
KẾ KIẾN TRÚC TẠI VIỆT NAM ............................................................................49
sĩ
2.1.1.1. Các mối quan hệ không gian Topology .....................................................49
Ki
2.1.1.2. Đồ thị Topology .........................................................................................52
ến
2.1.1.3. Các nguyên mẫu Topology ........................................................................56
Topology trong thiết kế kiến trúc .................................................................58
úc
2.1.2.
tr
2.1.1.4. Phép biến đổi Topology .............................................................................57
2.1.2.1. Topology trong thành phần và khả năng biểu hiện của ngôn ngữ kiến trúc
................................................................................................................................ 58
2.1.2.2. Topology trong tổ hợp không gian kiến trúc .............................................65
2.1.3.
Phương pháp, quá trình thiết kế và giai đoạn thiết kế ý tưởng kiến trúc .....69
2.1.3.1. Phương pháp thiết kế kiến trúc truyền thống.............................................69
2.1.3.2. Phương pháp thiết kế kiến trúc sử dụng cơng nghệ máy tính ...................73
2.1.3.3. Q trình thiết kế kiến trúc ........................................................................73
2.1.3.4. Giai đoạn thiết kế ý tưởng kiến trúc: .........................................................75
2.2.
CÁC YẾU TỐ ẢNH HƯỞNG ỨNG DỤNG TOPOLOGY TRONG THIẾT KẾ
KIẾN TRÚC TẠI VIỆT NAM ......................................................................................78
v
2.2.1.
Điều kiện địa hình, khí hậu...........................................................................78
2.2.2.
Điều kiện văn hóa .........................................................................................79
2.2.3.
Điều kiện kinh tế, xã hội...............................................................................81
2.2.4.
Vai trò của con người ...................................................................................81
2.2.5.
Nhu cầu về ứng dụng Topology trong thiết kế kiến trúc tại Việt Nam ........82
2.2.6.
Điều kiện công nghệ xây dựng, vật liệu và kỹ thuật số ................................ 84
2.2.6.1. Công nghệ kỹ thuật số ...............................................................................84
2.2.6.2. Công nghệ xây dựng và vật liệu mới .........................................................86
2.3.
BÀI HỌC KINH NGHIỆM THỰC TIỄN ..........................................................88
Bài học kinh nghiệm trên thế giới ................................................................ 88
2.3.2.
Bài học kinh nghiệm tại Việt Nam ...............................................................90
2.4.
Lu
2.3.1.
CƠ SỞ PHÁP LÝ ................................................................................................ 90
ận
Các văn bản pháp lý có liên quan .................................................................90
2.4.2.
Các quy chuẩn, tiêu chuẩn thiết kế kiến trúc ................................................91
án
2.4.1.
tiế
CHƯƠNG 3. GIẢI PHÁP ỨNG DỤNG TOPOLOGY TRONG THIẾT KẾ KIẾN
QUAN ĐIỂM VÀ MỤC TIÊU ỨNG DỤNG TOPOLOGY TRONG THIẾT KẾ
sĩ
3.1.
n
TRÚC TẠI VIỆT NAM ..............................................................................................93
Ki
KIẾN TRÚC TẠI VIỆT NAM ......................................................................................93
Quan điểm.....................................................................................................93
3.1.2.
Mục tiêu ........................................................................................................93
tr
NGUYÊN TẮC ỨNG DỤNG TOPOLOGY VÀO THIẾT KẾ KIẾN TRÚC TẠI
úc
3.2.
ến
3.1.1.
VIỆT NAM ....................................................................................................................94
3.3.
XÁC ĐỊNH KHẢ NĂNG ỨNG DỤNG TOPOLOGY VÀO THIẾT KẾ KIẾN
TRÚC TẠI VIỆT NAM ................................................................................................ 95
3.3.1.
Xác định khả năng ứng dụng vào PPTK sử dụng cơng nghệ máy tính tại
Việt Nam ....................................................................................................................95
3.3.2.
3.4.
Xác định khả năng ứng dụng vào thiết kế ý tưởng kiến trúc ........................97
GIẢI PHÁP ỨNG DỤNG TOPOLOGY TRONG THIẾT KẾ KIẾN TRÚC ..100
3.4.1.
Đề xuất mức độ và nội dung ứng dụng Topology trong giai đoạn thiết kế ý
tưởng kiến trúc .........................................................................................................100
3.4.1.1. Mức độ ứng dụng Topology....................................................................100
vi
3.4.1.2. Nội dung ứng dụng Topology .................................................................100
3.4.2.
Các giải pháp ứng dụng Topology trong giai đoạn thiết kế ý tưởng kiến
trúc………………………………………………………………………………...104
3.4.2.1. Các giải pháp ứng dụng Topology ..........................................................106
3.4.2.2. Các giải pháp ứng dụng Topology kết hợp với các loại HH khác ..........121
3.4.3.
Bổ sung, hoàn thiện hệ thống văn bản pháp lý và đổi mới đào tạo sáng tác
kiến trúc trong các trường đại học ở Việt Nam ....................................................125
3.5.
VÍ DỤ NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ CƠNG TRÌNH BẢO TÀNG TỈNH THÁI
BÌNH…… ...................................................................................................................126
Giới thiệu về cơng trình, u cầu và nhiệm vụ thiết kế ..............................126
3.5.2.
Các bước thiết kế: .......................................................................................127
Lu
3.5.1.
3.5.2.1. Bước 1- Thu thập thông tin .....................................................................127
ận
3.5.2.2. Bước 2- Phân tích và xử lý thơng tin ......................................................127
án
3.5.2.3. Bước 3- Tổng hợp ...................................................................................129
tiế
3.5.2.4. Bước 4 - Đánh giá và lựa chọn tổ hợp tối ưu ..........................................130
n
3.5.2.5. Bước 5 – Biến đổi Topology ...................................................................130
sĩ
3.5.2.6. Bước 6 – Đánh giá, lựa chọn phương án.................................................131
BÀN LUẬN VỀ CÁC KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU ..........................................136
ến
3.6.
Ki
3.5.2.7. Bước 7 – Phát triển giải pháp ..................................................................131
Về quan điểm, nguyên tắc ..........................................................................136
3.6.2.
Về các giải pháp .........................................................................................137
3.6.3.
Về khả năng ứng dụng ................................................................................139
3.6.4.
Về hướng nghiên cứu tiếp theo ..................................................................140
úc
tr
3.6.1.
KẾT LUẬN ................................................................................................................141
1.
KẾT LUẬN .......................................................................................................141
2.
KIẾN NGHỊ ......................................................................................................142
DANH MỤC CÁC CƠNG TRÌNH CƠNG BỐ CỦA TÁC GIẢ LIÊN QUAN TỚI
ĐỀ TÀI LUẬN ÁN ....................................................................................................144
DANH MỤC TÀI LIỆU THAM KHẢO .................................................................145
PHỤ LỤC ............................................................................................................... PL-1
vii
DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT
Thiết kế kiến trúc: TKKT
Hình học: HH
Phương pháp thiết kế: PPTK
Phương pháp thiết kế kiến trúc: PPTKKT
Quá trình thiết kế QTTK
Giai đoạn thiết kế: GĐTK
ận
Lu
án
n
tiế
sĩ
ến
Ki
úc
tr
viii
DANH MỤC CÁC BẢNG
Bảng 1.1. QTTK kiến trúc theo giai đoạn ở một số nước trên thế giới…………...PL1-1
Bảng 1.2.QTTK kiến trúc theo hoạt động của một số nhà nghiên cứu trên thế giới…...PL1-2
Bảng 1.3. Topology tham gia nhiều nhất vào giai đoạn thiết kế ý tưởng……………..17
Bảng 1.4. Phân tích giai đoạn thiết kế Trung tâm triển lãm Vĩnh Phúc dựa trên cách
tiếp cận của Topology……………………………………………………………...…33
Bảng 1.5. Phân tích giai đoạn thiết Cung quy hoạch, hội chợ và triển lãm tỉnh Quảng
Ninh dựa trên cách tiếp cận của Topology……………………………………………34
Bảng 1.6. Phân tích giai đoạn thiết Bảo tàng thế giới Cà Phê dựa trên cách tiếp cận của
Topology………………………………………………………………………….…...35
Bảng 1.7. Những dạng công trình kiến trúc tại Việt Nam có sự liên tưởng đến
Topology………….…...................................................................................................41
ận
Lu
Bảng 2.1. Các mối quan hệ không gian Topology trong kiến trúc……………….…...54
Bảng 2.2. Phân loại bề mặt dựa trên các bất biến Topology………………………….61
Bảng 2.3. So sánh các thành phần của ngôn ngữ kiến trúc trong lý thuyết sáng tác kiến
trúc và Topology……………………………………………………………...……….62
Bảng 2.4. Đặc trưng hình thái khơng gian kiến trúc của các bề mặt/nút Topology….63
án
tiế
Bảng 2.5. Bảng phân loại HH dựa trên các phép biến đổi và bất biến của chúng…..66
n
sĩ
Bảng 2.6. Biến thể và hình học………………………………………………………..66
Bảng 2.7. Các hình - dạng biến thể Topology trong kiến trúc………………………..66
Ki
ến
Bảng 2.8. Phân loại biến dạng Topology theo phương tác động…………………..…66
Bảng 3.1. Một số tiêu chí đánh giá lựa chọn ý tưởng dựa trên Topology…………...104
Bảng 3.2. Các bước phân tích cấu trúc Topology ở mức độ tổng thể và chi tiết của
công trình kiến trúc……………………………………………………………….….108
Bảng 3.3. Các bước tổng hợp sử dụng công cụ tổ hợp Topology ở mức độ tổng thể và
chi tiết của cơng trình kiến trúc…………………………………………………...…111
Bảng 3.4. Phân tích cấu trúc không gian chức năng tổng thể……………………….128
úc
tr
Bảng 3.5. Ma trận kề khơng gian Tổng mặt bằng……………………………….…..128
Bảng 3.6. Phân tích cấu trúc không gian chức năng Tầng hầm……………….….PL4-1
Bảng 3.7. Ma trận kề khơng gian Tầng hầm……………………………………...PL4-1
Bảng 3.8. Phân tích cấu trúc không gian chức năng Tầng 1………………….…..PL4-2
Bảng 3.9. Ma trận kề khơng gian Tầng 1…………………………………………PL4-2
Bảng 3.10. Phân tích cấu trúc không gian chức năng Tầng 2………………...…..PL4-3
Bảng 3.11. Ma trận kề khơng gian Tầng 2…………………………………….… PL4-3
Bảng 3.12. Phân tích cấu trúc không gian chức năng Tầng 3……………….……PL4-4
Bảng 3.13. Ma trận kề không gian Tầng 3…………………………………….….PL4-4
ix
ận
Lu
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, SƠ ĐỒ
Hình 1.1. Sự biến đổi của một bánh rán vòng thành một cái cốc có quai………….…..9
Hình 1.2. Minh họa biến dạng màng cao su……………………………………………9
Hình 1.3. Quá trình hình thành và phát triển của Topology……………………….…...9
Hình 1.4. Topology ứng dụng trong Vật lý và Sinh học ……………………………..11
Hình 1.5. Topology ứng dụng trong điêu khắc và giao thơng vận tải………………...11
Hình 1.6. Topology ứng dụng trong quy hoạch và kiến trúc………………………....11
Hình 1.7. Sơ đồ QTTK kiến trúc theo viện kiến trúc sư Mỹ AIA………….……..PL1-1
Hình 1.8. QTTK kiến trúc theo hai chiều ngang và dọc…………………….…….PL1-1
Hình 1.9. Đồ thị Topology của bài tốn bảy cây cầu ở Kưnigsberg………………....18
Hình 1.10. Topology ứng dụng trong hoạt động phân tích……………………….......19
Hình 1.11. Topology ứng dụng trong hoạt động tổng hợp………………………...….21
Hình 1.12. Các nguyên mẫu Topology và đặc trưng hình thái của chúng……………23
Hình 1.13. Mobius house, 1998, Hà Lan, UN studio, Van Berkel …………….……..23
Hình 1.14. Mơ hình chai Klein và ý tưởng cho Klein bottle house………………...…23
Hình 1.15. Mặt Boy và thiết kế sơ bộ Knotted Stained Glass Folly………………….23
Hình 1.16. Ứng dụng Nút trong kiến trúc………………………………………….…23
Hình 1.17. Kết quả của các hoạt động biến đổi Topology một hình gốc……….…….25
Hình 1.18. Cơng trình “18 Turn” của Daniel Libeskind, Trung tâm âm nhạc BBC
London và Springtecture B của Shuhei Endo (2006)………………………………..25
Hình 1.19. Nhà Sway house- Infact Studio và Trung tâm Triển lãm Otog, Trung Quốc,
2014………………………………………………………………….………………..25
Hình 1.20. Các tịa tháp vặn xoắn………………………………………………….….25
Hình 1.21. Quá trình tìm ý tưởng kiến trúc dựa trên phép biến đổi - vặn xoắn khối
hộp…………………………………………………………………………………….26
Hình 1.22. Ứng dụng rộng rãi của Topology vào nhiều loại hình kiến trúc…….…....27
Hình 1.23. Sử dụng các hình khối cơ bản để tổ hợp không gian mặt bằng - tổ hợp hình
khối kiến trúc……………………………………………………………………..…...29
Hình 1.24. Quá trình thiết kế kiến trúc theo các giai đoạn tại Việt Nam……………..30
Hình 1.25. Quá trình thiết kế kiến trúc theo hoạt động thiết kế tại Việt Nam……...…31
Hình 1.26. Nhà trẻ Farming Kindergarten giải thích ý tưởng từ nút ba lá……………38
Hình 1.27. Tổ hợp du lịch và văn hóa Bến Thành-Long Hải………………………....39
Hình 1.28. Bảo tàng Gốm Bát Tràng………………………………………………….40
Hình 2.1. Kề cận………………………………………………………………………53
Hình 2.2. Khu định cư thời kỳ đồ đá…………………………………………………53
Hình 2.3. Mối quan hệ khơng gian liên tục và khơng liên tục…………………….….53
Hình 2.4. Minh họa tính liên tục của không gian kiến trúc………………………...…53
án
n
tiế
sĩ
ến
Ki
úc
tr
x
ận
Lu
Hình 2.5. Bức tranh hai bàn tay được tạo nên với chỉ một đường cong Jordan. ……..53
Hình 2.6. Sơ đồ Topology trong và ngoài – Sơ đồ kết nối trong và ngồi…………..53
Hình 2.7. Sơ đồ Topology: vùng ranh giới ZF nằm giữa miền bên trong I và miền bên
ngoài E. Vùng ranh giới ZF có thể coi như một bức tường có độ dày………………..53
Hình 2.8. Khơng gian bên ngồi và bên trong Nhà tưởng niệm liệt sỹ bằng gạch nhôm
ở Israel, Kimmel Eshkolot, 2018……………………………………………………...53
Hình 2.9. Sơ đồ Topology minh họa vùng mở và đóng………………………………53
Hình 2.10. Sơ đồ Topology minh họa bề mặt mở và đóng …………………………..53
Hình 2.11. Khơng gian đóng và mở trong kiến trúc…………………………………..53
Hình 2.12. Sơ đồ Topology: Vùng kết nối đơn giản – Vùng đa kết nối………………54
Hình 2.13. Dùng một vết cắt để ngắt kết nối vùng kết nối đơn giản – nhiều vết cắt với
vùng đa kết nối………………………………………………………………………..54
Hình 2.14. Guangzh Huadu Culture & Art Center, Suhei Endo Architect Institute,
2009 với khơng gian Topology đa kết nối….…………………………………………54
Hình 2.15. Ví dụ bảng ma trận mối quan hệ liền kề giữa các khơng gian trong cơng
trình nhà ở……………………………………………………………………………..60
Hình 2.16. Các khơng gian liền kề chung nhau tồn bộ hoặc một phần ranh giới và các
khơng gian khơng liền kề……………………………………………………………..60
Hình 2.17. Các bước từ đồ thị Topology chuyển thành mặt bằng…………………….60
Hình 2.18. Ví dụ mặt kết nối và khơng kết nối……………………………………….60
Hình 2.19. Mặt cầu có g = 0; xuyến đơn có g = 1; xuyến kép có g = 2………..….….60
Hình 2.20. Các mặt có số cạnh biên là 0, 1, 2…………………………………….…..60
Hình 2.21. Minh họa mặt định hướng, mặt không định hướng ………………………60
Hình 2.22. Các bước tạo một nút…………………………………………………..….60
Hình 2.23. Những tính chất của nút ……………………………………………….…60
Hình 2.24. Các nút có số crossing (số điểm giao cắt) khơng lớn hơn 8………………60
Hình 2.25. Biến đổi chiếc cốc thành bơng hoa…………………………………….….61
Hình 2.26. Biến đổi đồng phôi: Thổi phồng một mặt lập phương và làm mịn (xóa bỏ
các cạnh, đỉnh của nó) sẽ được một mặt cầu. Mặt lập phương và mặt cầu là không
phân biệt với nhau về Topology…………………………………………………...….61
Hình 2.27. Một hình xuyến ở dạng chuẩn và một nút ba lá được biến đổi qua nhau
bằng hoạt động đồng phôi cắt nút tại một điểm, mở nút và dán lại một cách chính xác
như trước đó…………………………………………………………………………..61
Hình 2.28. Ví dụ hoạt động biến dạng khơng phải là đồng phơi………………….…..61
Hình 2.29. Tổng kết nối……………………………………………………………….61
Hình 2.30. Kết nối khơng gian – biến đổi khơng gian………………………………..61
Hình 2.31. Các thành phần của ngôn ngữ kiến trúc…………………………….…….61
án
n
tiế
sĩ
ến
Ki
úc
tr
xi
ận
Lu
Hình 2.32. Sơ đồ minh họa tổ hợp khơng gian kiểu tập trung và Trung tâm Nghệ thuật
Quốc gia Cao Hùng / Mecanoo……………………………………………………….68
Hình 2.33. Sơ đồ minh họa tổ hợp khơng gian tuyến tính và Trung tâm Văn hóa và
Nghệ thuật Thanh Đảo / Steven Holl Architects………………..…………….…..…..68
Hình 2.34. Sơ đồ minh họa tổ hợp khơng gian tuyến tính và tổ hợp không gian kiểu tán
xạ của bảo tàng nghệ thuật đương đại (MICA) ………………………………............68
Hình 2.35. Sơ đồ minh họa tổ hợp khơng gian theo cụm và Cơng trình Galaxy SOHO /
Zaha Hadid………………………………………………………………………...….68
Hình 2.36. Sơ đồ minh họa tổ hợp khơng gian theo lưới và nghiên cứu biến đổi khối
theo lưới của Zaha Hadid……………………………………………………………..68
Hình 2.37. Cấu trúc Topology………………………………………………………...70
Hình 2.38.a. Các yếu tố Topology gồm mặt phẳng, điểm, đường được sắp xếp theo các
mối quan hệ gần gũi, liên tục, kết nối, số lỗ rỗng để tạo nên một cấu trúc Topology.. 70
Hình 2.38.b.Tổ hợp khối đặc và 1 lỗ rỗng tạo nên cấu trúc Topology gồm các đường,
mặt, khối, lỗ rỗng……………………………………………………………………...70
Hình 2.38.c. Các yếu tố đường, mặt được sắp xếp theo các mối quan hệ liên tục, mở,
số lỗ rỗng để tạo một cấu trúc Topology là một bề mặt mở với 1 lỗ rỗng……………70
Hình 2.38. Minh họa hoạt động tổ hợp cấu trúc từ các yếu tố Topology………….….70
Hình 2.39. Các hoạt động biến đổi Topology………………………………………...70
Hình 2.40. Các tổ hợp hình thức khác nhau của cùng một cấu trúc gốc………….…..70
Hình 2.41. Minh họa cách tạo ra các tổ hợp hình thức từ một cấu trúc Topology…....71
Hình 2.42. Phác thảo ý tưởng của Ben Van Berkel và phác thảo Guggenheim Bilbao
của Frank Gehry.…………………………………………………………………….. 76
Hình 2.43. Giao diện thuật tốn và giao diện hình học trong thiết kế tham số…….…76
Hình 2.44. Quy trình thiết kế sáng tác kiến trúc của PPTK sử dụng máy tính……….76
Hình 2.45. Q trình thiết kế cơng trình kiến trúc………………………………….…76
Hình 2.46. Chi tiết bước Tổng hợp giải pháp…………………………………………77
Hình 2.47. Sơ đồ giai đoạn thiết kế ý tưởng kiến trúc………………………………...77
Hình 2.48. Hình ảnh mơ hình tạo ra bởi phần mềm GC và ParaCloud Modeler……..87
Hình 2.49. Khái niệm BIM và mơ hình BIM cơng trình……………………………...87
Hình 2.50. Dự án in 3D cơng trình nhà Landscape House tại Hà Lan……………..…87
Hình 3.1. PPTK sử dụng cơng cụ máy tính ứng dụng Topology………………......…99
Hình 3.2. Quy trình PPTK kiến trúc sử dụng cơng cụ máy tính ứng dụng
Topology……………………………………………………………….……………...99
Hình 3.3. Vị trí ứng dụng của Topology trong QTTK kiến trúc …………………..…99
Hình 3.4. Minh họa sơ đồ đồ thị, sơ đồ tổ hợp Topology và sơ đồ biến đổi Topology
theo bối cảnh địa điểm……………………………………………………………….102
án
n
tiế
sĩ
ến
Ki
úc
tr
xii
ận
Lu
Hình 3.5. Sơ đồ giai đoạn thiết kế ý tưởng kiến trúc ứng dụng Topology…………..105
Hình 3.6. Sơ đồ quy trình thiết kế ý tưởng kiến trúc ứng dụng lý thuyết đồ thị
Topology……………………………………………………………………………..118
Hình 3.7. Quy trình đánh giá dựa trên đồ thị Topology……………………..…...…112
Hình 3.8. Sơ đồ quy trình thiết kế ý tưởng kiến trúc ứng dụng phép biến đổi Topology
một hình gốc ………………………………………………………………………...118
Hình 3.9. Minh họa phân tích cấu trúc và hình thức của đối tượng gốc…………….114
Hình 3.10. Minh họa tổ hợp cấu trúc và tổ hợp hình thức để tìm kiếm ý tưởng …...116
Hình 3.11. Sơ đồ quy trình thiết kế ý tưởng kiến trúc dựa trên đặc trưng hình thái
nguyên mẫu Topology kết hợp với phép biến đổi Topology một hình gốc………....122
Hình 3.12. Sơ đồ quy trình thiết kế ý tưởng kiến trúc ứng dụng lý thuyết đồ thị
Topology kết hợp phép biến đổi Topology một hình gốc ……………………..…....122
Hình 3.13. Minh họa các bước kết hợp tổ hợp dựa trên Euclid rồi biến đổi
Topology……………………………………………………………………………..123
Hình 3.14. Các bước kết hợp biến đổi Topology rồi tổ hợp Euclid…………………123
Hình 3.15. Minh họa biến đổi Topology rồi tổ hợp Euclid dạng cụm ……………...123
Hình 3.16. Minh họa biến đổi Topology rồi tổ hợp Euclid dạng tuyến……………..123
Hình 3.17. Minh họa biến đổi Topology rồi tổ hợp Euclid dạng lưới ………………123
Hình 3.18. Minh họa biến đổi Topology rồi tổ hợp Euclid chồng theo chiều dọc ….123
Hình 3.19. Minh họa biến đổi Topology rồi tổ hợp Euclid ghép theo chiều ngang ...123
Hình 3.20. Minh họa kết hợp phương pháp sáng tác dựa trên hình học Fractal ……124
Hình 3.21. Kết hợp nhiều phương pháp – cách 1……………………………………124
Hình 3.22. Kết hợp nhiều phương pháp – cách 2 …………………………….……..124
Hình 3.23. Hiện trạng và vị trí xây dựng Bảo tàng tỉnh Thái Bình…………….…PL3-1
Hình 3.24. Các phương án sơ đồ cấu trúc khơng gian tầng 1………………….….....132
Hình 3.25. Phương án sơ đồ cấu trúc khơng gian lựa chọn cho Tầng 1………..……132
Hình 3.26. Phương án sơ đồ đối ngẫu cho Tầng 1…………………………………..132
Hình 3.27. Các phương án sơ đồ cấu trúc không gian Tổng mặt bằng……….…..PL4-5
Hình 3.28. Các phương án sơ đồ cấu trúc khơng gian Tầng hầm……………...…PL4-6
Hình 3.29. Các phương án sơ đồ cấu trúc khơng gian Tầng 2……………………PL4-7
Hình 3.30. Các phương án sơ đồ cấu trúc khơng gian Tầng 3……………….…...PL4-8
Hình 3.31. Ý tưởng biến đổi hình khối cơng trình……………………………….….133
Hình 3.32. Gộp khối và biến đổi hình khối dựa trên nguyên tắc Topology………....133
Hình 3.33. Các phương án biến đổi hình khối cơng trình dựa trên nguyên tắc
Topology……………………………………………………………………………..134
Hình 3.34. Lựa chọn phương án và phát triển giải pháp………………………….…135
Hình 3.35. Một số nghiên cứu thiết kế về cấu trúc và phát triển giải pháp…….....PL4-9
án
n
tiế
sĩ
ến
Ki
úc
tr
1
MỞ ĐẦU
1. Lý do lựa chọn đề tài
Thiết kế kiến trúc là một q trình phức tạp, địi hỏi sự kết hợp hài hòa giữa tư duy
sáng tạo và logic, giữa nghệ thuật và kỹ thuật và giữa phương pháp cảm tính với
phương pháp khoa học để tạo nên tác phẩm kiến trúc đảm bảo yếu tố công năng, thẩm
mỹ, kỹ thuật và mơi trường. Hai nghìn năm trước, hình học Euclid với những hình
khối cơ bản đã được sử dụng như một công cụ nền tảng cho TKKT. Từ thế kỷ XIX,
nhiều ngành toán học mới ra đời như Lobachevsky, Fractal, Topology…trở thành
những vật liệu mới cho TKKT. Đặc biệt, Topology đã tạo nên những tác động và hiệu
quả mới đến TKKT.
Lu
Topology, cịn được mệnh danh là “hình học màng cao su”, là ngành toán học
nghiên cứu các đặc tính của đối tượng vẫn cịn được bảo tồn qua các sự biến dạng
ận
như bẻ cong, kéo giãn, ép và xoắn,…nhưng ngoại trừ việc xé rách đối tượng [29].
án
Lý thuyết Topology cung cấp các khái niệm mới về không gian, bề mặt và phép
tiế
biến đổi HH cho TKKT. Nhờ đó, Topology góp phần hình thành nên tư duy, phương
n
pháp thiết kế và ngơn ngữ tạo hình kiến trúc mới, giúp các kiến trúc sư sáng tạo khơng
sĩ
gian và hình khối kiến trúc đa dạng, độc đáo, mang tính đột phá, có giá trị thẩm mỹ
Ki
cao và cảm xúc tốt. Hơn nữa, Topology có mối quan hệ tương hỗ và khả năng thích
ến
ứng hiệu quả với cơng nghệ kỹ thuật số. Một mặt, phần mềm máy tính giúp biểu diễn
các khơng gian kiến trúc đa chiều, phức tạp của Topology mà không thể thực hiện
tr
úc
được bằng phương pháp truyền thống. Mặt khác, Topology có khả năng cung cấp các
quy tắc để xây dựng thuật toán cho phần mềm TKKT, từng bước số hóa phương thức
hình thành các ý tưởng kiến trúc. Vì vậy, nó trở thành phương tiện hữu hiệu hỗ trợ
người thiết kế tìm kiếm nhiều giải pháp kiến trúc một cách nhanh chóng, hiệu quả, có
nhiều phương án để lựa chọn với sự hỗ trợ của công nghệ máy tính.
Trên thế giới, tại các nước như Anh, Mỹ, Ý, Áo, Bồ Đào Nha, Argentina, Hà Lan,
v.v. đã có những nghiên cứu đề xuất ứng dụng về mặt lý thuyết cũng như thực tiễn của
việc áp dụng Topology trong TKKT ở nhiều khía cạnh khác nhau. Tuy nhiên, chưa có
nghiên cứu ứng dụng Topology trong TKKT trong điều kiện, bối cảnh cụ thể của Việt
Nam.
Tại Việt Nam, các phương thức thiết kế kiến trúc và chương trình đào tạo kiến trúc
sư trong các trường đại học chủ yếu dựa trên tư duy của HH Euclid thông thường. Do
2
đó, việc nghiên cứu áp dụng Topology để tạo hướng tiếp cận mới cho phương thức
TKKT, chương trình đào tạo kiến trúc và phát huy khả năng sáng tạo kiến trúc trong
giai đoạn tăng cường chuyển đổi số ở mọi lĩnh vực kinh tế - xã hội là cần thiết. Tuy
nhiên, đây là một vấn đề mới mẻ, hầu như chưa được các kiến trúc sư và các nhà
nghiên cứu trong nước quan tâm. Vì vậy, nghiên cứu ứng dụng Topology trong
TKKT tại Việt Nam là một đề tài có tính thời sự, cấp thiết và thực tiễn nhằm hỗ trợ
các kiến trúc sư sáng tạo, tìm kiếm ý tưởng đáp ứng nhu cầu phát triển của thời đại
mới trong kỷ ngun cơng nghệ 4.0.
2. Mục đích và mục tiêu nghiên cứu
- Mục đích nghiên cứu: Đề xuất các giải pháp ứng dụng Topology trong thiết kế
kiến trúc tại Việt Nam nhằm phát huy khả năng sáng tạo kiến trúc đáp ứng nhu cầu
Lu
phát triển kiến trúc trong thời đại kỹ thuật số.
ận
- Mục tiêu nghiên cứu: Nghiên cứu cần giải quyết 03 mục tiêu cụ thể sau đây.
án
1/ Xác định khả năng ứng dụng Topology vào TKKT tại Việt Nam.
2/ Đề xuất mức độ và nội dung ứng dụng Topology vào thiết kế ý tưởng kiến trúc
n
tiế
tại Việt Nam.
3/ Đề xuất các giải pháp ứng dụng Topology trong giai đoạn thiết kế ý tưởng kiến
sĩ
trúc tại Việt Nam.
Ki
ến
3. Đối tượng, phạm vi và giới hạn nghiên cứu
Đối tượng nghiên cứu: Thiết kế kiến trúc ứng dụng Topology.
-
Phạm vi, giới hạn nghiên cứu:
úc
tr
-
+ Giới hạn về không gian: Áp dụng cho các cơng trình kiến trúc tại Việt Nam.
+ Giới hạn về thời gian: Đến năm 2030, tầm nhìn đến năm 2050.
+ Giới hạn về giai đoạn nghiên cứu trong quá trình thiết kế kiến trúc: Giai đoạn
thiết kế ý tưởng kiến trúc đối với cơng trình xây dựng mới.
+ Giới hạn về Topology: Do các vấn đề của ngành tốn học Topology rất rộng và
phức tạp, vì vậy giới hạn nghiên cứu chỉ tập trung áp dụng các nội dung của ngành
tốn học Topology dưới góc độ hình học Topo cũng như mối quan hệ không gian và
tổ hợp Topology để ứng dụng vào thiết kế kiến trúc.
4. Phương pháp nghiên cứu
Luận án sử dụng các phương pháp nghiên cứu như sau:
3
- Phương pháp phân tích, tổng hợp, đánh giá: Sưu tầm, thu thập các thông tin, tài
liệu trong nước và quốc tế nhằm phân tích, hệ thống hóa và đánh giá các cơng trình
nghiên cứu có liên quan trong và ngoài nước để phát hiện những vấn đề cần nghiên
cứu, giải quyết.
- Phương pháp so sánh, đối chiếu: So sánh, đối chiếu, phân tích ưu nhược điểm của
các q trình thiết kế hiện có để từ đó rút ra những đánh giá, nhận định, ưu nhược
điểm đối với những nội dung đề xuất.
- Phương pháp dự báo: Dự báo trong thời gian tới, với sự phát triển của công nghệ
kỹ thuật số và cách mạng công nghệ 4.0, thiết kế kiến trúc có thể thay đổi theo hướng
tiếp cận mới nhờ sự hỗ trợ của cơng nghệ máy tính cũng như sự phát triển của ngành
toán học Topology trong tương lai.
Lu
- Phương pháp chuyên gia: Phỏng vấn, lấy ý kiến các chuyên gia trong các lĩnh vực
ận
có liên quan để có sự nhìn nhận đúng đắn, tồn diện hơn về vấn đề nghiên cứu.
án
- Phương pháp thiết kế thực nghiệm: Tiến hành thiết kế thực nghiệm các kết quả
nghiên cứu thơng qua một ví dụ nghiên cứu thiết kế cơng trình cụ thể có sử dụng máy
n
5. Nội dung nghiên cứu
tiế
tính và các phần mềm đồ họa.
sĩ
- Nghiên cứu tình hình ứng dụng Topology trong TKKT trên thế giới và tại Việt
Ki
ến
nam cũng như tổng quan các cơng trình khoa học và đề tài nghiên cứu có liên quan.
- Phân tích các cơ sở khoa học ứng dụng Topology trong TKKT tại Việt Nam.
6. Giá trị khoa học và thực tiễn của luận án
úc
tr
- Đề xuất các giải pháp ứng dụng Topology trong TKKT tại Việt Nam.
- Giá trị khoa học: Xây dựng được một hệ thống lý thuyết về ứng dụng Topology
trong TKKT có khả năng áp dụng cao để bổ sung vào hệ thống cơ sở lý luận cho kiến
thức chuyên ngành giảng dạy về các môn học có liên quan lý thuyết sáng tác kiến trúc
tại Việt Nam; là tài liệu học tập, nghiên cứu, tham khảo cho giảng viên, sinh viên, học
viên cao học chuyên ngành kiến trúc, quy hoạch, cảnh quan và trang trí nội thất.
- Giá trị thực tiễn: Đề xuất được các giải pháp ứng dụng Topology trong giai đoạn
nghiên cứu thiết kế ý tưởng kiến trúc tại Việt Nam. Các đề xuất này có giá trị thực tiễn
cao với các kiến trúc sư tại Việt Nam để sử dụng làm tài liệu tham khảo, hướng dẫn
thiết kế cho công tác sáng tác ý tưởng kiến trúc trong thời đại cách mạng công nghiệp
4.0. Là cơ sở bổ sung, hoàn thiện hệ thống văn bản pháp lý và đổi mới đào tạo sáng tác
4
kiến trúc trong các trường đại học ở Việt Nam.
7. Những đóng góp mới của luận án
Luận án đã đề xuất được những kết quả mới như sau:
1/ Bổ sung, hoàn thiện hệ thống lý thuyết chuyên ngành về các môn học liên quan
đến sáng tác kiến trúc dựa trên Topology, phục vụ công tác đào tạo kiến trúc sư.
2/ Đề xuất các quan điểm và nguyên tắc mới cho việc ứng dụng Topology trong
TKKT tại Việt Nam.
3/ Đề xuất mức độ, nội dung và các giải pháp ứng dụng Topology trong TKKT tại
Việt Nam.
8. Cấu trúc của luận án
Luận án ngoài mở đầu, kết luận, kiến nghị và danh mục tài liệu tham khảo, nội
Lu
dung gồm ba chương:
ận
- Chương 1. Tổng quan ứng dụng Topology trong TKKT.
án
- Chương 2. Cơ sở khoa học ứng dụng Topology trong TKKT tại Việt Nam.
- Chương 3. Đề xuất các giải pháp ứng dụng Topology trong TKKT tại Việt Nam.
tiế
9. Giải thích một số khái niệm và thuật ngữ sử dụng trong luận án
n
1/ Topology: Thuật ngữ Topology bắt nguồn từ tiếng Hy Lạp là “Topologia” gồm
sĩ
“topos” (nghĩa là chỗ, vùng, miền…) và “logos” (nghĩa là nghiên cứu, tìm hiểu…). Đó
Ki
tạp và sơi nổi nhất của toán học hiện đại [29].
ến
là một phát triển mới trong hình học vào thế kỉ 20 và là một trong những ngành phức
úc
tr
Topology là một loại hình học nghiên cứu các tính chất của đối tượng vẫn không
bị thay đổi khi đối tượng này phải trải qua những sự biến đổi liên tục như bẻ cong,
uốn, xoắn, kéo dãn, nén lại… ngoại trừ việc bị xé rách. Do đó, Topology cịn được
mệnh danh là "Hình học màng cao su" [3], [29].
Topology khác với các loại hình học khác ở chỗ nó khơng quan tâm tới kích thước,
độ lớn hay hình dạng của các đối tượng hình học liên quan mà chỉ quan tâm tới các
yếu tố và vị trí tương đối giữa các yếu tố cũng như những tính chất bất biến của đối
tượng vẫn được bảo tồn qua các sự biến dạng kéo giãn, bóp nén, bẻ cong, xoắn, nhưng
không xé, nhập hay chồng [3], [6], [29]. Topology cịn được xem là “Hình học của vị
trí”, do đó Topology và hình học thường được coi là đi đơi với nhau.
2/ Hình học Topo: Trong tốn học, bản chất sâu xa của Topology xuất phát từ
những vấn đề hình học khơng phụ thuộc vào hình dạng chính xác của đối tượng mà
5
phụ thuộc “cách thức chúng nối kết nhau” hay “mối quan hệ bất biến giữa các đối
tượng”. Tuy sau này Topology có nhiều bước phát triển mới và được phân thành nhiều
nhánh nghiên cứu nhưng sự phân chia chỉ mang tính chất thuận tiện bởi vì có sự chồng
lấn đáng kể giữa các phân ngành của Topology [29]. Do đó, có thể xem hình học Topo
nghiên cứu những vấn đề của tốn học Topology dưới góc độ hình học thay vì đại số
và giải tích.
Phép biến đổi hình học Topo khơng bảo tồn tỉ lệ, các yếu tố đo lường (kích thước,
độ dài, diện tích, thể tích, góc…) và các hướng mà chỉ bảo tồn tính liên tục và mối
quan hệ lân cận của bề mặt. Có thể nói, hình học Topo quan tâm tới phân tích định tính
chứ khơng phải là định lượng. Những thuộc tính được duy trì sau các biến dạng như
vặn, xoắn, kéo giãn… được gọi là các bất biến Topo. Một hình dạng hình học, dưới
Lu
các tác động của sự biến dạng, khiến chúng có thể mất đi mọi thuộc tính về hình dạng
ận
và kích thước mà vẫn duy trì được tính chất định tính của nó thì hình trước và sau khi
án
biến đổi gọi là tương đương Topo.
Nói đến hình học Topo, chính là chúng ta đang nói đến khái niệm của mạng lưới,
tiế
nút, dải Moebius và chai Klein,…
n
3/ Không gian Topology: Không gian Topology được hiểu như là một tập hợp các
sĩ
phần tử với một cấu trúc nhất định được xác định trên tập hợp đó (cấu trúc bao gồm
Ki
ến
các yếu tố và mối quan hệ giữa các yếu tố) [1], [37]. Trên cơ sở đó, có thể xem khơng
gian kiến trúc như một khơng gian Topology, trong đó các thành phần cấu thành kiến
úc
tr
trúc có thể được xem xét như sự kết hợp của các mối quan hệ Topology [37].
4/ Lý thuyết đồ thị Topology: Lý thuyết đồ thị nghiên cứu các tính chất của đồ
thị. Đồ thị Topology là một tập hợp các đỉnh và cạnh, trong đó mỗi đỉnh đại diện cho
một không gian, mỗi cạnh đại diện cho mối liên hệ liền kề giữa các không gian [64];
5/ Nguyên mẫu Topology: Là các đối tượng nghiên cứu điển hình của Topology
như các bề mặt Topology, dải Mobius, chai Klein, mặt Boy, các Nút,…
6/ Đặc trưng hình thái nguyên mẫu Topology: Là các đặc tính Topology nổi bật
của các nguyên mẫu Topology như sự kết nối, tính chất liên tục, vô hướng, vặn xoắn,
số lỗ rỗng, số cạnh biên.
7/ Phép biến đổi Topology từ một hình gốc: Là phép biến dạng đàn hồi, một sự
biến đổi liên tục theo hai chiều thuận và nghịch, nó khơng bảo tồn về tỉ lệ, hình dạng
6
và các yếu tố đo lường (kích thước, độ dài, diện tích, thể tích, góc…) mà chỉ u cầu
bảo tồn về tính “liên tục” và tính “lân cận” của các điểm [37], [65], [72].
8/ Tổ hợp Topology: Là sự kết hợp, bố trí, sắp đặt các yếu tố Topology theo
những mối quan hệ bất biến để tạo thành cấu trúc Topology hoặc sắp đặt, kết hợp các
hoạt động biến đổi Topology tác động lên các yếu tố trong một cấu trúc đã được xác
định trước. Tổ hợp Topology bao gồm tổ hợp cấu trúc và tổ hợp hình thức. Tổ hợp cấu
trúc nhằm xác định logic bên trong của ý tưởng kiến trúc và tổ hợp hình thức là đi tìm
thể hiện bên ngồi của cấu trúc đó.
9/ Thiết kế kiến trúc: Là q trình chuyển hóa các yếu tố đầu vào như nhiệm vụ,
mục tiêu, ràng buộc thiết kế thành các yếu tố đầu ra là các giải pháp thiết kế nhằm tổ
chức và tạo lập không gian sống, sinh hoạt đáp ứng nhu cầu về mặt vật chất và tinh
Lu
thần cho con người [19], [28].
ận
10/ Quá trình thiết kế kiến trúc: Là tập hợp các hoạt động thiết kế có tương tác
án
nhằm giải quyết vấn đề thiết kế kiến trúc từ khâu bắt đầu như thu thập thông tin về
cơng trình cần thiết kế tới khâu kết thúc là đưa ra giải pháp thiết kế bằng các bản vẽ và
n
tiế
giám sát tác giả.
11/ Thiết kế ý tưởng kiến trúc: Là một giai đoạn của QTTK kiến trúc, nhằm tìm
sĩ
kiếm các ý tưởng và giải pháp kiến trúc, đáp ứng yêu cầu đặt ra của thiết kế kiến trúc.
ến
Ki
úc
tr
7
CHƯƠNG I: TỔNG QUAN ỨNG DỤNG TOPOLOGY
TRONG THIẾT KẾ KIẾN TRÚC
1.1.
TÌNH HÌNH ỨNG DỤNG TOPOLOGY TRONG THIẾT KẾ KIẾN
TRÚC TRÊN THẾ GIỚI
1.1.1. Quá trình hình thành và phát triển Topology
1.1.1.1. Quá trình hình thành và phát triển Topology
Cùng với sự phát triển mạnh mẽ của các ngành khoa học tự nhiên, nhiều ngành
toán học mới đã ra đời và phát triển như hình học Lobachevsky, Fractal, Topology.
Trong đó, Topology xuất hiện chính thức từ giữa thế kỷ XIX, là một trong các ngành
toán học phức tạp và phát triển nhanh nhất của toán học hiện đại.
Lu
Topology là ngành toán học nghiên cứu các đặc tính của đối tượng vẫn cịn được
ận
bảo toàn qua các sự biến đổi như bẻ cong, kéo giãn, ép và xoắn ngoại trừ việc xé rách
đối tượng [29]. Phép biến đổi Topology khơng bảo tồn về tỉ lệ, hình dạng và các yếu
án
tố đo lường (kích thước, độ dài, diện tích, thể tích, góc…) mà chỉ u cầu bảo tồn về
tiế
tính “liên tục” và tính “lân cận” của các điểm [65]. Có thể nói, Topology quan tâm tới
n
phân tích định tính chứ khơng phải là định lượng. Những thuộc tính được duy trì sau
sĩ
các biến dạng như vặn, xoắn, kéo dãn, v.v. được gọi là các bất biến Topology. Hình
tương đương Topology.
ến
Ki
trước và sau khi biến đổi mà vẫn duy trì được tính chất định tính của nó thì gọi là
úc
tr
Dưới quan điểm của Topology, khơng thể phân biệt được một cái bánh vòng và một
cái cốc có quai vì cả hai đều là vật rắn và đều có duy nhất một lỗ hổng (hình 1.1). Chẳng
hạn như nếu vẽ một hình trịn lên tấm sao su, sau đó bằng cách co, kéo dãn…thì nó có
thể biến dạng thành một hình vng, elip, tam giác,… trừ hình xuyến vì khơng thể kéo
dãn hình trịn thành hình xuyến phẳng mà khơng đục xé nó thêm một lỗ (hình 1.2). Từ
đó, có thể nói rằng Topology là khoa học của biến dạng và cũng là khoa học của bất biến.
Từ thời cổ đại, từ Topo (số ít), Topoi (số nhiều) - nghĩa là vị trí, nơi chốn trong
tiếng Hy lạp được sử dụng với ý nghĩa vị trí của các yếu tố và mối quan hệ giữa các
yếu tố. Thế kỷ XVII đánh dấu sự thâm nhập của “phân tích vị trí” (Analysis situs) vào
lĩnh vực tốn học với ý tưởng hình thành một ngơn ngữ hình học mới, hình học của vị
trí, mà chủ đề chính là mối quan hệ giữa các hình và điểm [109]. Sau này, cụm từ
“Analysis situs” được thay thế bằng “Topology”. Do đó, Topology và hình học thường
8
được coi là đi đơi với nhau.
Năm 1736, nhà tốn học Leonhard Euler đã đưa ra Bài toán 7 cây cầu ở
Kưnigsberg. Kết quả của bài tốn khơng phụ thuộc vào hình dạng, kích thước chính
xác của các đối tượng cần khảo sát mà dựa vào mối quan hệ không đổi giữa các đối
tượng [6]. Bài toán này là cơ sở của thuyết đồ thị và tạo nền móng khởi nguồn cho
Topology. Giữa thế kỷ XIX, năm 1847, thuật ngữ Topology lần đầu tiên xuất hiện khi
được nhà toán học người Đức Johann Benedict Listing sử dụng trong cuốn sách
“Vorstudien zur Topologie” (nghiên cứu sơ bộ về Topology) để phân biệt hình học
định tính với hình học thơng thường vốn chủ yếu xử lý các quan hệ định lượng [46].
Năm 1895, Henri Poincaré xuất bản các bài báo có tiêu đề “Analysis situs”, đánh
Lu
dấu sự ra đời chính thức của ngành toán học mới mà bây giờ được gọi là Topology.
Poincaré định nghĩa Topology là ngành khoa học của sự hiểu biết các đặc tính định
ận
tính của các hình dạng hình học khơng chỉ trong khơng gian thơng thường mà cịn
án
trong khơng gian có số chiều lớn hơn ba [49]. Năm 1914, Felix Hausdorff đã tổng qt
tiế
hóa đặc tính của không gian metric và đặt ra khái niệm "không gian Topology". Khơng
n
gian Topology là một cấu trúc tốn học có thể giữ các đặc tính định tính như hội tụ,
sĩ
liên kết và liên tục khi biến đổi [91]. Việc nghiên cứu không gian Topology dựa trên
Ki
nền tảng là lý thuyết tập hợp. Topology cịn được coi là ngành tốn học nghiên cứu về
ến
các không gian Topology. Từ 1925-1975, Topology trở thành một trong các lĩnh vực
úc
tr
phát triển nhanh và quan trọng nhất của tốn học hiện đại (hình 1.3).
1.1.1.2. Ứng dụng Topology trong các lĩnh vực khoa học
Tuy Topology bắt đầu xuất hiện từ thế kỷ XVIII và chính thức ra đời từ giữa thế kỷ
XIX, nhưng đến đầu thế kỷ XX nó mới bắt đầu ảnh hưởng tới triết học, văn học, nghệ
thuật và cuối cùng là kiến trúc. Lịch sử ứng dụng của Topology có thể chia thành 2
giai đoạn: Đầu thế kỷ XX đến những năm 1990 và cuối thế kỷ XX đến nay.
Topology được ứng dụng trong nhiều lĩnh vực như tốn học, vật lý, hóa học, sinh
vật học, tin học. Năm 2016, ba nhà khoa học người Anh đã giành được giải Nobel vật
lý nhờ những phát hiện lý thuyết về sự chuyển pha Topology và các pha Topology của
vật chất. Trong tác phẩm “On grow and form” nhà sinh vật học Darcy Thompson đã
áp dụng Topology để chứng minh rằng biến đổi liên tục của mạng hình học có thể cho
thấy mối liên hệ giữa các lồi liên quan (hình 1.4) [94].
9
Hình 1.1. Sự biến đổi của một bánh rán vịng thành một cái cốc có quai [110]
Hình 1.2. Minh họa biến dạng màng cao su [87]
ận
Lu
án
tiế
Hình 1.3. Quá trình hình thành và phát triển của Topology
n
Từ những năm 1930, phương pháp tiếp cận Topology đã được ứng dụng trong nghệ
sĩ
thuật thị giác, thiết kế đồ họa và các bản đồ vận tải. Max Bill (1908-1994), kiến trúc
Ki
sư, họa sĩ nổi tiếng người Thụy Sĩ có những tác phẩm điêu khắc mang chủ đề “Vịng
ến
lặp vơ hạn” lấy cảm hứng từ dải Mobius, một trong các bề mặt Topology điển hình.
úc
tr
Năm 1933, Harry Beck đã thiết kế lại bản đồ tàu điện ngầm London khơng dựa trên vị
trí địa lý mà dựa trên vị trí tương đối của các trạm và cách kết nối của chúng với nhau.
Phương pháp tiếp cập Topology của Ơng đã nhanh chóng được áp dụng rộng rãi cho
các bản đồ vận tải trên thế giới (hình 1.5).
Đến những năm 1950, một cách tiếp cận Topology mới được xuất hiện trong lý
thuyết và thiết kế kiến trúc [91]. Các kiến trúc sư như Pascal Häusemann, Alfred
Neumann và Michael Webb,…đã khám phá các khơng gian kiến trúc có những điều
kiện của không gian Topology, nơi mà mối quan hệ bên trong và bên ngồi là khơng
thể tách rời [113]. Năm 1955, khái niệm Topology đã xuất hiện lần đầu tiên trong lý
thuyết kiến trúc với tiểu luận New Brutalism (Chủ nghĩa Thô mộc mới), mô tả đặc
điểm Phong trào kiến trúc mới xuất hiện tại Anh của nhà phê bình kiến trúc Reyner
Banham. Đối với Banham, những gì liên quan đến Topology trong kiến trúc không
10
phải là hình dạng của vật thể mà là cách kiến trúc liên quan đến môi trường xung
quanh và cấu trúc của nó [91], [92].
Cuối thập niên 1960, Topology được áp dụng trong quy hoạch để nghiên cứu các
vấn đề phức tạp liên quan đến sự phát triển của thành phố. Năm 1965, Christopher
Alexander đã viết bài luận "Thành phố khơng phải là một cái cây" trong đó cấu trúc
của thành phố được giảm xuống vấn đề của các đồ thị Topology [30] (hình 1.6).
Cuối thế kỷ XX, các tư tưởng của Topology đã thâm nhập trở lại vào kiến trúc
thông qua kênh triết học. Gilles Deleuze (1925-1995) là một nhà triết học Pháp với
những tác phẩm có sức ảnh hưởng đến nhiều lĩnh vực như triết học, lý luận văn học,
nghệ thuật, chủ nghĩa hậu cấu trúc và chủ nghĩa hậu hiện đại. Ông đã khai thác các
Lu
thuật ngữ và các tư tưởng từ ngành tốn học Topology, ví dụ như thuật ngữ
“Manifold”- có nghĩa là “đa tạp” vốn là một khái niệm mở rộng của đường và mặt -để
ận
phát triển các ý tưởng liên quan đến độ cong như độ mượt, gấp, không thể đo lường và
án
các khái niệm mới về không gian, sự đa dạng, sự khác biệt, tính liên tục…[46] từ đó
tiế
thiết lập nền tảng cho khái niệm Topology trong kiến trúc [91], [92].
n
Những tư tưởng triết học của Gilles Deleuze đã ảnh hưởng đến nhiều kiến trúc sư
sĩ
và các nhà lý thuyết kiến trúc như Jeffrey Kipnis, Grey Lynn, Peter Eisenman và
Ki
Bahram Shirdel, khơi dậy một xu hướng Topology trong TKKT từ những năm 1990.
ến
Tác giả Giuseppa Di Cristina đã nhận định trong bài báo “Xu hướng Topology trong
tr
kiến trúc” [38]: “Trong khuôn khổ của hình học hoặc tốn học hiện đại, Topology
và cả như là một kỹ thuật thực hành”.
úc
chứng minh hữu ích cho kiến trúc như là một nguồn tài nguyên các khái niệm, ý tưởng
Những năm 90 của thế kỷ XX cũng đánh dấu sự phát triển mạnh mẽ của khoa học
máy tính và cơng nghệ kỹ thuật số hiện đại giúp chuyển tải các ý tưởng toán học phức
tạp của Topology vào thực tiễn kiến trúc. Những bề mặt cong phức tạp của kiến trúc
Topology giờ đây đã có thể thực hiện được bằng các phần mềm đồ họa như AutoCad,
3Dmax, Revit, Grasshoper,…Từ đó, các kiến trúc sư đã có thể ứng dụng Topology
một cách chủ động, có ý đồ vận dụng những ưu điểm của không gian Topology hữu
cơ, linh hoạt, năng động vào các sáng tác của họ (hình 1.6).
Thế kỷ XX ghi nhận những ảnh hưởng lan tỏa của Topology vào kiến trúc, chuyển
tiếp từ điêu khắc, giao thơng, quy hoạch tới kiến trúc cơng trình. Đầu thế kỷ XX, việc
11
Hình 1.4. Topology ứng dụng trong Vật lý [100] và Sinh học [94]
ận
Lu
án
n
tiế
Hình 1.5. Topology ứng dụng trong điêu khắc và giao thông vận tải [121]
sĩ
ến
Ki
úc
tr
Biểu đồ của C. Alexander ứng dụng
Topology trong quy hoạch [30].
Tòa nhà Max Reinhardt (1992) Đức,
Peiter Einsenman thiết kế mô phỏng dải
Mobius – đối tượng nghiên cứu của
Topology [121].
Hình 1.6. Topology ứng dụng trong quy hoạch và kiến trúc
áp dụng Topology cịn mang tính thụ động, xuất phát từ nhu cầu làm mới kiến trúc,
thoát khỏi hình thức khơ cứng của khối hộp và sự đơn giản trong bố cục khơng gian hình khối của trào lưu kiến trúc hiện đại nhằm hướng tới một xu hướng kiến trúc
Topology cong, mềm mại, năng động, kết nối, chuyển tiếp trơn chu và hài hòa với tự
