Kiến trúc sinh thái bền vững kiến trúc phỏng sinh học

TRƯỜNG ĐẠI HỌC KIẾN TRÚC HÀ NỘI
KHOA SAU ĐẠI HỌC

TIỂU LUẬN: KIẾN TRÚC BỀN VỮNG 
ĐỀ TÀI: CÁC GIÁ TRỊ TỰ NHIÊN ĐƯỢC KHAI THÁC
TRONG CƠNG TRÌNH PHỎNG SINH HỌC

Giảng viên: PGS. TS:




MỤC LỤC:



I: KHÁI NIỆM



II: MỐI LIÊN HỆ VÀ ỨNG DỤNG



III:CÁC YẾU TỐ TỰ NHIÊN



IV: KẾT LUẬN



V: VÍ DỤ CÁC CƠNG TRÌNH THỰC TẾ KHAI THÁC GIÁ TRỊ TỰ NHIÊN


I: KHÁI NIỆM

1.Khái niệm phỏng sinh học :
- Phỏng sinh học là việc con người mơ phỏng lại các hình thức hoặc hệ thống sinh học từ tự nhiên,
phát triển nên những giải pháp kỹ thuật cho các lĩnh vực khoa học khác trong đó có thiết kế và
kiến trúc.
2.Khái niện cơng trình phỏng sinh học.
- Là được thiết kế lấy cảm hứng Sinh học là phương pháp tiếp cận thiết kế dựa trên cảm hứng,
thước đo và sự sao chéo ngoại hình hoặc bản chất của một đối tượng sinh học
3.Khái niện giá trị tự nhiên:
- tự nhiên là thế giới vật chất vũ trụ. Nó bao gồm tất cả các dạng vật chất và năng
lượng tồn tại từ cấp độ bé là hạt nguyên tử đến cấp độ to lớn như ngơi sao, thiên hà,
ngân hà…
- Nói một cách khác đơn giản và thơng dụng thì tự nhiên bao gồm tất cả những gì bao quanh
con người mà khơng do bàn tay con người tạo nên. Thiên nhiên bao gồm khơng khí,
khí hậu, nguồn nước, nguồn tài ngun thiên nhiên, nguồn động thực vật, các yếu tố
địa lý, địa hình…


II. MỐI LIÊN HỆ GIỮA CÁC ỨNG DỤNG

- Con người vẫn để ý mọi cái xung quanh mình, khơng phải chỉ
để thỏa mãn trí tị mị, mà là để tìm ra lợi ích. Trong tự nhiên
có những cái đáng để học hỏi: nguyên tắc và cơ chế hoạt
động sống của động - thực vật có thể sử dụng được trong xây
dựng và kiến trúc, tạo ra các thiết bị và kỹ thuật có khả năng

cảm ứng cao.
2.1 Ứng dụng hình thể của cấu trúc tự nhiên trong tạo hình
kiến trúc
a. Các hình thể trong cấu trúc tự nhiên gồm 3 dạng
* Dạng nhánh khung xương
*Dạng kiểu tuyến mạng
*Dạng cấu trúc mảng khối
1.Dạng nhánh khung xương: Là dạng cấu trúc được tập hợp
bởi một số nhánh (tuyến) có chiều hướng khác nhau, thường lặp
lại theo một quy luật nào đó. Các nhánh đều nối với trục (tuyến)
chính thơng qua các khớp nối.

Xương cành cây


II. MỐI LIÊN HỆ GIỮA CÁC ỨNG DỤNG

 2.Dạng kiểu tuyến mạng: Là dạng cấu trúc cũng
được tập hợp bởi các tuyến mà tạo nên hình thể. Nhưng
khác với hệ cấu tạo nhánh khung xương, các tuyến kiểu
này được nối thông mạch nhau, khơng có hoặc có rất ít
tuyến cụt, chúng nối kết với nhau thành mạng. Hệ
mạng này có thể là mạng phẳng, cong hay dạng không
gian ba chiều dày đặc

Mạng 3 chiều

3. Dạng cấu trúc mảng khối:
Dạng này đối lập với hình thể có kết cấu khung xương
hay tuyến mạng. Chúng khơng có nhánh, và chúng cố

kết thành từng cục, từng mảng. Có thể là khối đơn lẻ
hay kết nhóm lại với nhau. Cảm nhận về khối thường là
“đặc chắc”, có trạng thái tĩnh, thường là không động.
Chúng mang vẻ đầy đặn và có cảm giác về trọng lượng.
Tuy vậy, khối có thể có vai trị kép, tức nó vừa chiếm
chỗ trong một khoảng khơng vừa có thể bị rỗng, tạo ra
cái hốc trong nó

Khối rỗng


III: CÁC YẾU TỐ TỰ NHIÊN VÀ ỨNG DỤNG

1, HÌNH THÁI KIẾN TRÚC CƠNG TRÌNH
- Hiện nay ngày càng có nhiều cơng trình ứng dụng các hình thái kiến trúc bắt chước hình dạng, hình thức của
các yếu tố tự nhiên cây cối, động vật. Tận dụng các ưu điểm về mặt cấu tạo và hình thức kiến trúc lớp vỏ bên
ngồi nhằm tạo hiệu ứng về mặt hình ảnh cũng như khắc phục các nhược điểm của cơng trình.


- Giải quyết các bài toán về các vấn đề :



+ Che chắn nắng cho cơng trình



+ Hạn chế sử dụng năng lượng cũng như tận dụng tối đa nguồn lợi từ thiên nhiên



+ Gây hiệu ứng thị giác cho mặt đứng của cơng trình



+ Giải pháp đón gió, thốt nhiệt làm mát cho cơng trình



+ Tạo ra tính ổn định, giải pháp cấu trúc cho cơng trình



+ Xử lý cũng như tận dụng tối đa lượng nước thải cũng



như các sản phẩm dư thừa trong quá trình hoạt động của cơng trình


III: CÁC YẾU TỐ TỰ NHIÊN VÀ ỨNG DỤNG
2, Các cấu trúc tự nhiên được ứng dụng
Trên cơ sở nghiên cứu nhận diện các loại hình thể hữu cơ trong cấu trúc tự nhiên nêu trên, các nhà điêu khắc cũng
như các nhà thiết kế kiến trúc tùy theo khả năng sáng tạo mà linh hoạt ứng dụng các hình thể ba chiều vào tạo
hình nghệ thuật và tạo hình kiến trúc. Các nhà điêu khắc hay ứng dụng kiểu dạng tuyến mạng, tuyến khung xương
trong tạo hình.

Hai tác phẩm điêu khắc của Mark Di Survero, được thể hiện dưới dạng khung tuyến. Cấu
trúc kiểu cân bằng động có kiểu tuyến mạng và tuyến khung xương.

III: CÁC YẾU TỐ TỰ NHIÊN VÀ ỨNG DỤNG
Các kiến trúc sư cũng hay dùng dạng nhánh khung xương, dạng tuyến mạng hay dạng mảng khối để tổ chức tổng
mặt bằng cơng trình, tổ chức khơng gian kiến trúc và tổ chức hình thức mặt đứng, hình khối cơng trình kiến trúc.
Việc ứng dụng cấu trúc tự nhiên vào tạo hình được gọi là phong cách kiến trúc phỏng sinh học, phong cách này
được dụng nhiều trong kiến trúc hiện đại và có xu hướng kéo dài đến ngày nay. Kiến trúc ứng dụng hình thể cấu
trúc tự nhiên sử dụng rộng rãi từ cơng trình nhà ở đến cơng trình cơng cộng, cơng trình văn hóa, nghỉ dưỡng và giải
trí

Federation Square,
Melbourne, Australia,
2002, Lab
Architecture Studio

Taiwan Solar Powered
Stadium, 2013, Toyo
Ito
Serpentine GalleAry Pavillion ở Lon-don,
2002, Toyo Ito.


III: CÁC YẾU TỐ TỰ NHIÊN VÀ ỨNG DỤNG
Nhiều công trình kiến trúc ứng dụng cấu trúc mảng khối theo kiểu tổ chức biến đổi dần hoặc dạng khối rỗng để
tạo hình kiến trúc. Một số cơng trình kiến trúc đã ứng dụng một cách hiệu quả việc mô phỏng hình thể trong cấu
trúc tự nhiên vào thiết kế cơng trình ví dụ như ngơi nhà có hình dạng một con ốc biển; hình dạng tổ chim; hình
dạng gốc cây khô…

Dongdaemun Design Plaza, Seoul, 2010, Zaha
Hadid

III: CÁC YẾU TỐ TỰ NHIÊN VÀ ỨNG DỤNG
3, Ứng dụng vật liệu sử dụng trong cơng trình
- Trong sự tự tổ chức của thực vật, ta thấy các cấu trức bền vững được hợp thành từ sự sắp xếp cấp bậc các nhu
cầu thấp hơn như các cơ quan, cấp tế bào ( Cellular ). Điểm then chốt trong sự cấu thành vật liệu mới chính là ở vật
liệu cấp tế bào hay còn gọi là vật liệu rỗng.
CẤU TẠO VẬT LIỆU TỰ NHIÊN
- Vật liệu rỗng trong tự nhiên có
nhiều kích cỡ khác nhau: cấu trúc
san hơ, bọt biển, gỗ, xương…..
- Chúng đều có đặc điểm chung là
cấu trúc bên trong dạng vỏ, các lỗ
rỗng chứa không khi hoặc dịch, bề
mặt vỏ là dạng lỏng hoắc rắn
- Dạng hình học của vỏ là đa diện
đều, được sắp xếp theo một trật tự
nhất định, ví dụ như tổ ong
Mẫu xương san hơ: phần vỏ quyết định hình thái cấu trúc của
san hơ, các lỗ rỗng có kích thước bất kỳ, chứa tủy bên trong


III: CÁC YẾU TỐ TỰ NHIÊN VÀ ỨNG DỤNG

Ảnh chụp bọt xà phòng, thể hiện sự
đa dạng của các đa diện cầu tạo nên
vật liệu xốp.

Ảnh chụp kính hiển vi mẫu sơn bọt, trong đó các đa diện có kích
thước đa dạng, có đa diện đóng và đa diện mở.

III: CÁC YẾU TỐ TỰ NHIÊN VÀ ỨNG DỤNG
TRE:
- Khác cá loại cây khác, tre mọc
chủ yếu theo chiều thẳng đứng với
tỉ lệ chiều cao và đường kính thân
rât lớn.
- Thân cây gồm 50% mô trụ, 40%
thớ sợi và 10% ống dẫn nước và
chất dinh dưỡng. Nhưng sự phân
bố của chúng khơng đồng đều,
theo cả chiều ngang và dọc, vịng
ngồi thân tre và ở phần ngọn, mật
độ thớ nhiều hơn (thịt dày hơn) 
phần ngọn chịu lực tốt hơn.
- Mô hình này được dùng để chế
tạo vật liệu sợi composite như:
sợi cacbon, sợi thủy tinh bằng các
phân bố các bó sợi vào một khn
cối nào đó.

Mơ hình 3D mơ phỏng hình thái của thân
tre. Hình dạng ngồi của thân tre là dạng
ống được lặp lại bên trong long tre, cắt
ngang long tre, ta thấy dạng ống tiếp tục
lặp lại ở các thớ tre khơng đồng bộ với
nhau. Có sự khác biệt trong kích thước và
hình dáng của các thớ sợi.

Thân tre có cấu trúc bề mặt bên trong

được dàn trải giúp chịu được lực cang
theo cả 2 chiều. Chỗ giao của các phần tử
trong mạng lưới phân bổ ở những điểm
chịu lực cao nhất.


III: CÁC YẾU TỐ TỰ NHIÊN VÀ ỨNG DỤNG
Ảnh chụp kính hiển vi 1
mẫu xương bọt biển. Khi
chúng lắp ráp cơ thể lại với
nhau sẽ tạo thành 1 bộ
xương dạng lưới hoặc cấu
trúc tổ ong.
Cấu trúc hình học được lắp
từ những module có hình
dạng xương bọt biển 3
chiều, với góc cạnh đã
được tính tốn tối ưu là
109’28’’16’’’.
152 module lồng ghép với
nhau sẽ tạo thành 1 lưới
dưới dạng tam giác. Hệ
thống tham số cho phép
cấu trúc này thay đổi hình
dạng 114 lần. Khi đó trọng
tâm kết cấu được di dời
nhưng lên kết giữa các
module vẫn đảm bảo

CẤU TẠO VẬT LIỆU XÂY DỰNG MỚI

- Vật liệu xây dựng mưới hầu hết đều là vật
liệu polime: dựa trên phản ứng hóa học
polymer có các gốc tự do, kết hợp nhiều
monomer ( mắt xích đơn) tạo thành phlyme
( chuỗi amwts xích ). Dưới cấp độ phân tử,
phản ứng này có thể cho ra sản phầm là một
phân tử có dạng tổ ong.
- Các vật lieu polymer ban đầu ở dạng sợi
hoặc dạng hạt, sau đó được đan lai hoặc kết
hợp thành một cấu trúc lướn hơn.
- Các monomer hiện nay đang dung để chê tạo
polymer hay copolymer ( > 1 monomer ): hợp
kim, chất dẻo, tinh thể lỏng, tơ nhện, ceramics,
……


III: CÁC YẾU TỐ TỰ NHIÊN VÀ ỨNG DỤNG
- BỌT NHÔM
- HỢP KIM ĐÔNG ĐẶC TRỰC TIẾP
- CERAMIC CHỐNG TRẦY
+ Ứng dụng bơng sợi gốm CERAMIC
- Cách nhiệt cho lị nung ngành xi – măng, ngành ceramics, ngành luyện kim, hóa dầu,
ngành thủy tinh.
- Chịu lửa và cách nhiệt thiết bị xử lý nhiệt.
- Gạch chịu nhiệt cho lò luyện nhơm
- Cách nhiệt cho vách, thành lị và thiết bị chịu nhiệt cao.
+ Ưu điểm bông sợi gốm CENRAMIC
- Giữ, hấp thu và dẫn nhiệt thấp
- Rất dẻo dai, bền với lực nén ép.
- Kích cỡ chính xác, độ phẳng cao.

- Cấu trúc rất đồng nhất, sản lượng máy rất cao.


Rất dễ thi cơng và sửa chữa.

- Quy trình sản xuất liên tục, sản phẩm rất sắc sảo và tính ổn định cao.
- Rất bền với hóa chất và kháng nhiệt rất tốt.


III: CÁC YẾU TỐ TỰ NHIÊN VÀ ỨNG DỤNG
SỢI KEVLAR
- Là một loại sợi có cấu trúc mạnh dài và định hướng cao.
- Sợi Kevlar có độ bền gấp 5 lần thép nhưng cũng rất dẻo dai nên thường được sử dụng làm vật
liệu chế tạo áo chống đạn.
- Hiện nay, Kevlar có nhiều ứng dụng khác nhau; lốp xe đạp, thuyền buồm ….
- Tỷ lệ sức bền trên trọng lượng cao độ bền kéo, mạnh hơn 5 lần thếp trên cơ sở cùng trọng lượng.
SỢI THỦY TINH
- Sợi thủy tinh được kéo ra từ các loại thủy tinh kéo sợi được (thủy tinh dệt).
- Khi đó các sợi này sẽ mất những nhược điểm của thủy tinh khối, như: giịn dễ nứt gãy mà trở nên
có nhiều ưu điểm cơ học hơn.
- Có đường kính nhỏ cài chục micromet.
- Thành phần của thủy tinh dệt có thể chwuas them những khống chất như: silic, nhơm, magie, ….
Tạo ra các loại sợi thủy tinh khác nhau như: sợi thủy tinh E (dẫn điện tốt), sợi thủy tinh D (cách
điện tốt), sợi thủy tinh A (hàm lượng kiềm cao), sợi thủy tinh C (độ bền háo cao), sợi thủy tinh R và
S (độ bền cơ học cao).
- Loại thủy tinh E là loại phổ biến, các loại khác thường ít (chiếm 1%) được sử dụng trong các ứng
dụng riêng biệt.


III: CÁC YẾU TỐ TỰ NHIÊN VÀ ỨNG DỤNG

QUÁ TRÌNH CHUYỂN HÓA
- Trao đổi chất trong sinh vật sống là q
trình vật lý – sinh hóa dung để sản xuất và
lưu trữ năng lượng.
- Quá trình này đã được nghiên cứu chi tiết
thơng qua q trình quang hợp, cho phép
con người sử dụng nó trong việc phát triển
và ứng dụng công nghệ tiên tiên, công nghệ
mô phỏng sinh học.
- Một trong những tiềm năng lớn nhất là sản
xuất nhiên liếu ạch trên quy mô công nghiệp
giúp đem lại 1 lợi ích rất to lớn khi tính bền
vững và thích ứng khí hậu.
- Khai thác quang hợp nhân tạo có thể tạo
nên khả năng tự cung cấp năng lượng của
các tòa nhà và không gây ô nhiễm. Ứng
dụng trong tương lai là trong các lĩnh vực
năng lượng mặt trời, xử lý sinh học, sản
xuất nhiên liệu sạch.

-Hình chụp qua kính hiển vi đã tô
màu lá cây Mao Lương. Trong
trung tâm của lá có nhiều tế bào
chứa chất lục lạp (hạt màu xanh
lá cây). Đây là những quang bào
nhỏ tích hợp trong lá, có chức
năng sử dụng ánh sang mặt trời
để chuyển CO2 thành đường. Độ
phóng 750 lần ở kích thước 4x5
inch.

-Hiện tượng tảo nở tạo nên óng
màu xanh ở biển Đỏ, xảy ra vào
giữa mùa xuân và thu do sự tang
đột ngột lượng ánh sang mặt
trời. Tảo là một thành phần cps
sẵn đã được sử dụng trong
quang hợp nhân tạo để dung cấp
năng lượng và cải thiện môi
trường
-Phản ứng sinh học sử dụng tảo
tạo ra nguồn năng lượng sạch
ứng dụng cho nguồn năng lượng
thay thế trong tương lai


IV: KẾT LUẬN

- Kiến trúc phỏng sinh học không phải là sự áp dụng máy móc các mơ hình có sẵn, mà là biết cách quan sát
những gì diễn ra tại chỗ để học cách thích ứng. Dù đã có những cơ sở và bước tiến ban đầu, phỏng sinh học
là một khoa học công nghệ đang ở bước khởi đầu, mà để phát triển được, rất cần được sự đầu tư lớn, đặc biệt
một đột phá trong nhận thức.
- Để học hỏi những gì mà tự nhiên đã tạo ra sau hàng tỷ năm tiến hóa, các nhà phỏng sinh học nhấn mạnh đến
một thái độ khiêm nhường cần có, để con người có cơ hội nắm được nhiều điều tinh túy từ các loài động thực
vật, dù  hết sức bé nhỏ, và các hệ sinh thái ở khắp mọi nơi. Trước những thách thức sinh thái nhãn tiền đối với
nhân loại chúng ta, phỏng sinh học là một cơ hội cho việc chuyển đổi nền khoa học – công nghệ và kinh tế
hướng đến sự phát triển bền vững.


V: VÍ DỤ CÁC CƠNG TRÌNH THỰC TẾ ĐÃ ỨNG DỤNG GIÁ TRỊ TỰ NHIÊN
Dự án BioArch được thiết kế bởi Elnaz Amiri,

Hesam Andalib, Roza Atarod và M-amin
Mohamadi đến từ Viện Nghệ thuật Isfahan tại
Iran. Nhóm thiết kế sử dụng các chiến lược
Phỏng Sinh học trên vỏ ốc sa mạc để tịa nhà
BioArch có thể tự tránh khỏi ánh sáng mặt trời dữ
dội tại một vùng khí hậu khắc nghiệt như sa mạc
Iran (với nhiệt độ trung bình là 43 độ C vào ban
ngày và nhiệt độ cao nhất có thể lên đến 65 độ C).
Các bề mặt tiếp xúc cong giảm thiểu tối đa bức xạ
mặt trời, chia thành nhiều vùng lớp để tạo ra khu
vực đệm và khu vực thốt nhiệt từ bề mặt cát
nóng. Giải pháp này đồng thời cung cấp độ ẩm và
lối thơng gió tự nhiên. 

Ý tưởng tồ nhà BioArch được hình thành từ vỏ ốc,.Giúp cho tồ
nhà có đường cơng mềm mai, sự dụng kiens trúc trong lịng của
vỏ ốc, để giúp khơng khi ln được lưu thông làm cho ngôi nhà
luôn được mát mẻ


V: VÍ DỤ CÁC CƠNG TRÌNH THỰC TẾ ĐÃ ỨNG DỤNG GIÁ TRỊ TỰ NHIÊN
Tịa thị chính London
Tịa thị chính được thiết kế bởi công ty của Norman Foster –
người tin rằng, thế giới có thể thay đổi bằng cách thay đổi thiết kế
của nơi mà chúng ta sống. Tòa nhà được thiết kế nằm cạnh sông
Thames, thuộc khu Southwark của London.
Nó có kiểu dáng hình hành khơng bình thường, nhằm giảm diện
tích bề mặt và tăng cường hiệu quả năng lượng. Có người nói nó
giống chiếc mũ của nhân vật Darth Vader- nhân vật trong Star War,
hay là một quả trứng méo, mọt gỗ hay là một chiếc mũ bảo hiểm.

Cịn với Foster – tác giả của cơng trình, ơng coi nó như một viên
ngọc treo bên cạnh dịng sơng của thành phố, nhưng mục đích
chính khi xây dựng là tịa nhà khơng ơ nhiễm, được xây dựng bằng
các vật liệu bền vững

Lấy ý tưởng xoắn ốc ở trong long tồ nhà , tạo tro tồ
nhà có khơng gian bên trong vô cùng độc đáo và phá
cách


V: VÍ DỤ CÁC CƠNG TRÌNH THỰC TẾ ĐÃ ỨNG DỤNG GIÁ TRỊ TỰ NHIÊN
Tòa nhà Anti-Smog, Paris
Tòa nhà Anti-Smog là một trong những dự án của Vincent
Callebaut, kĩ sư trẻ người Pháp- người đã tạo ra những cơn
sốt thực sự trên tồn thế giới về những cơng trình phỏng sinh
học. Cơng trình gồm hai phần: Phần trung tâm là Solar Dropmột tịa nhà hình elip được xây dựng trên một đường ray cũ
thuộc quận Parisan. Phần mái vòm rộng 250 m2 với các tấm
panen quang điện giúp sản xuất điện năng từ ánh sáng mặt
trời, ngồi ra cịn được phủ lớp Titan dioxit (TiO2) có nhằm
sử dụng các bức xạ tia cực tím để tác động tới các phần tử
trong khơng khí, phá vỡ cấu trúc và nhằm giảm các thành
phần gây ơ nhiễm trong khơng khí.
Kiến trúc sư Callebaut miêu tả cơng trình của mình như là
một tịa nhà ăn khói bụi độc hại từ tình trạng giao thông kinh
khủng của Paris bằng việc hấp thụ và tái chế khí thải. Bên
cạnh đó, tịa nhà Solar Drop cịn khai thác nước mưa từ các
vùng xanh trên mái nhà nhằm sử dụng cho tồn bộ tịa nhà.
Phần thứ hai là “Tháp gió”. Tháp được xây hình xoắn ốc,
xen kẽ giữa các khoảng trồng rau và các tua bia gió trục dọc
(VAWT) để tạo ra điện. Cầu thang xoắn ốc đưa du khách lên

từ khu bảo tàng ở Solar Drop tới phần nóc khu vườn trên
khơng, từ đây có thể ngắm nhiều cảnh đẹp của Paris.


V: VÍ DỤ CÁC CƠNG TRÌNH THỰC TẾ ĐÃ ỨNG DỤNG GIÁ TRỊ TỰ NHIÊN
SMO Architektur and Arup,
Bubble Highrise, Berlin, 2002
Thiết kế thí nghiệm ban đầu, từ
đó đưa ra phương an
Watercube ( Bắc Kinh ). Cấu
trúc tòa nhà đưuọc tạo ra bằng
cách chạy 1 thuật tốn bao phủ
bề mặt tịa nhà bằng những
hình cầu với bán kính khác
nhau, sau đó cắt ngang ở giao
tuyến bề mặt.
PTWArchitects,
CSCEGDesign and Arup,
‘Watercube’ National
Swimming Centre, Beijing,
2007.
Mơ hình kiến trúc với quy mơ
tổng thể 177x177, cao 30m,
hồn tồn khơng có cột