Thiết kế tích hợp trong kiến trúc

Để đáp ứng những yêu cầu mới, ngày càng có nhiều phương pháp thiết kế mới nhằm cải tiến quy trình thiết kế thông thường. Vào những năm 1950, anh em nhà Olgyay (Mỹ) đã nghiên cứu và đề xuất cách tiếp cận sinh khí hậu trong thiết kế kiến trúc (bioclimatic architecture) [1], trong đó tích hợp khoa học về sinh học (biology) và khí hậu (climatology) và kỹ thuật vào thiết kế kiến trúc, một hình thức Thiết kế tích hợp sơ khai. Mặc dù trước đó, vào thế kỷ thứ I trước công nguyên, Vitruvius đã đề cập nhiều đến mối liên quan giữa Kiến trúc và khí hậu học trong tập sách “Ten books on Architecture”. Càng về cuối thế kỷ 20, sự quan tâm đến kiến trúc xanh, bền vững, kiến trúc sinh khí hậu và kiến trúc môi trường ngày càng lớn – Đó là kết quả của sự biến đổi khí hậu, sự gia tăng tiêu thụ năng lượng các cuộc khủng hoảng. Những người như Victor Olgyay, Leslie Martin, Wolfgang Feist, Ken Yeang, Renzo Piano và Norman Forster và nhiều tên tuổi khác đã đưa ra những kết quả thú vị về phương pháp luận kiến trúc và kiến trúc bền vững [2].

Hongqiao Vantone Sunny World Centre, Shanghai, China (2012) (Nguồn: Foster & Partners) – công trình được thiết kế bởi công nghệ tích hợp

Trong khoảng hơn 10 năm trở lại đây, thuật ngữ thiết kế tích hợp (TKTH – integrated design) được nhắc đến ngày càng nhiều hơn. Hiện chưa xác định được chính xác thuật ngữ này được khởi xướng từ nơi nào, nhưng có vài cái tên được nhắc đến như Knudstrup [2], Foster + Partners, và một vài công ty như ATP Architects Engineers, Hopkin Architects… Thời điểm xuất hiện cũng chưa rõ, nhưng dường như TKTH được sử dụng đầu tiên trong Kỹ thuật cơ khí và Sản xuất vào những năm 2000, một lĩnh vực có lộ trình tương tự như Kiến trúc (thiết kế – sản xuất – sử dụng), trước khi được dùng trong Kiến trúc vào khoảng năm 2004. Hội nghị quốc tế đầu tiên về thiết kế và sản xuất tích hợp trong kỹ thuật Cơ khí được tổ chức bởi mạng lưới AIP-PRIMECA vào năm 1996 tại Nantes (Pháp).
Vào thời điểm hiện nay, TKTH là cách tiếp cận được nhiều công ty Kiến trúc lừng danh (Foster & Partners, ATP Architects Engineers, Integrated Design Associates Ltd (IDA), Integrated Architecture…) áp dụng trong thực tế hành nghề Kiến trúc. Với sự quan tâm ngày càng lớn ở trong nước về chủ đề này, bài báo này được viết với mục đích giới thiệu với giới Kiến trúc sư (KTS) trong nước những vấn đề cơ bản của TKTH, phương pháp và trình tự cũng như việc mở rộng áp dụng phương pháp này trong nước.

Thiết kế tích hợp là gì?

TKTH là thuật ngữ dùng chung cho nhiều ngành, với ý nghĩa là cách tiếp cận trong thiết kế dưới hình thức tích hợp các chuyên môn khác nhau (vốn dĩ được coi là độc lập) trong quá trình thiết kế một cách đồng thời, trong khi bị ràng buộc ngân sách và kế hoạch. Dựa trên một đội ngũ đa ngành và hợp tác chặt chẽ, các thành viên thống nhất quyết định trên cơ sở một tầm nhìn chung và một sự hiểu biết toàn diện về dự án. Điều này sẽ đi theo việc thiết kế xuyên suốt toàn bộ vòng đời của dự án, từ giai đoạn tiền thiết kế cho đến khi đi vào hoạt động [3].
Trong kiến trúc, TKTH (hay quá trình TKTH) được hiểu là một quá trình hợp tác lao động có sự tham gia của các chuyên môn kiến trúc, kỹ thuật kết cấu, HVAC, mô phỏng, kinh tế xây dựng… và vận hành trong toàn thể vòng đời của công trình với sự quan tâm đặc biệt đến người sử dụng. Đây là phương pháp nhằm thiết kế được các công trình có hiệu năng cao, góp phần vào sự bền vững của cộng đồng [4].

Nhìn chung, quá trình TKTH thường có những đặc điểm sau [3]:

• Là một quá trình có tính lặp đi lặp lại chứ không phải là cách tiếp cận tuyến tính (tức theo trình tự) hay cách tiếp cận kiểu si-lô (silo-based approach – cách tiếp cận riêng biệt từng lĩnh vực, sau đó phối hợp để có kết quả);
• Là một phương pháp linh hoạt, không phải một công thức;
• Mỗi lần mỗi khác, không phải theo một hình thức định sẵn;
• Là một quá trình lặp đi lặp lại với việc học tập liên tục và cập nhật tính năng mới, không phải là một chuỗi định trước các sự kiện.

Trong thiết kế kiến trúc, quá trình TKTH không đảm bảo tính thẩm mỹ cũng như tính bền vững (sustainable) của giải pháp thiết kế, nhưng nó giúp người thiết kế kiểm soát được nhiều tham số phải xem xét và tích hợp chúng vào trong dự án khi sáng tạo kiến trúc bền vững – Để toàn diện hơn, đạt được các giải pháp bền vững hơn, bởi vì tất cả các thông số khác nhau được xem xét trong quá trình này.

Các thành tố của quá trình TKTH trong kiến trúc bao gồm:

• Sự phối hợp liên ngành giữa KTS, kỹ sư, chuyên gia định giá (kinh tế xây dựng), người vận hành công trình và các nhân vật thích hợp khác ngay từ khi bắt đầu của quá trình thiết kế;
• Sự trao đổi và thống nhất về tầm quan trọng tương đối của các tiêu chí hiệu suất cần phải đạt và sự thiết lập một bản thỏa thuận giữa khách hàng và người thiết kế;
• Chỉ có sự giới hạn ngân sách cho toàn bộ dự án, chứ không giới hạn ngân sách hay phân chia ngân sách cho từng bộ phận công trình, như hệ thống HVAC hay kết cấu công trình. Điều này là do những khoản đầu tư thêm cho một hệ thống có thể lại giúp tiết kiệm đầu tư cho hệ thống khác. Ví dụ: Đầu tư cho hệ thống che nắng và kính giúp giảm đầu tư và chi phí vận hành của hệ thống HVAC;
• Có sự bổ sung một chuyên gia trong lĩnh vực kỹ thuật năng lượng và mô phỏng năng lượng;
• Thử nghiệm các phương án thiết kế khác nhau thông qua việc sử dụng các phần mềm mô phỏng năng lượng trong suốt quá trình này, để cung cấp thông tin tương đối khách quan về chỉ số quan trọng nhất là hiệu quả năng lượng;
• Việc bổ sung các chuyên gia ngành (ví dụ: Các chuyên gia về chiếu sáng tự nhiên, trữ nhiệt, tiện nghi, lựa chọn vật liệu…) để tham vấn nhanh với đội ngũ thiết kế;
• Sự công bố rõ ràng mục tiêu hiệu năng và các chiến lược, và được cập nhật trong suốt quá trình bởi đội ngũ thiết kế;
• Trong một số trường hợp, một người điều phối thiết kế (design facilitator) được bổ sung vào đội ngũ để nâng cao hiệu suất làm việc trong suốt quá trình và đảm bảo các yếu tố đầu vào chuyên sâu theo yêu cầu.

Hình: Các bước triển khai của một quá trình TKTH công trình xây dựng (nguồn: iiSBE 2005)

Các giai đoạn trong thiết kế tích hợp

TKTH thường bao gồm 7 bước chính như sau:

Những công cụ hỗ trợ Thiết kế tích hợp

Hiện nay, những công cụ thiết kế sử dụng công nghệ BIM được các nhóm TKTH sử dụng cho công việc của họ. Các mô hình trung tâm BIM chứa đựng đầy đủ các thông tin trên máy tính về kiến trúc, kết cấu, kỹ thuật cũng như các tính năng vận hành của công trình. Thậm chí, các thông tin về quá trình thiết kế, vận hành cho đến thay thế và phá dỡ được ghi nhận, lưu trữ và cập nhật. Những thông tin như vậy hỗ trợ việc dự đoán chính xác quá trình xây dựng và tính toán chi phí vòng đời của công trình.

Các thành viên của nhóm thiết kế chủ chốt:

Reem Island Residential Towers, Abu Dhabi, Các Tiểu Vương quốc Ả rập thống nhất, 2008 (nguồn: Foster & partners)

• Khách hàng hoặc người đại diện chủ sở hữu (tức là, có chuyên môn về quản lý cơ sở vật chất và hoạt động);
• Người Quản lý dự án;
• KTS;
• Điều phối viên TKTH (facilitator);
• Nhà vô địch (tùy chọn) (hoặc, có thể là một thành viên của nhóm thiết kế. Nhà vô địch là một người năng động và có khả năng dẫn dắt đội thiết kế theo hướng bền vững; có thể là một KTS dày dạn và năng động);
• Kỹ sư Kết cấu;
• Kỹ sư cơ khí có chuyên môn trong:
+ Mô phỏng: Mô hình năng lượng, phân tích tiện nghi nhiệt, và / hoặc mô phỏng CFD.
+ Phân tích năng lượng: Một kỹ sư năng lượng và / hoặc kỹ sư sinh khí hậu có thể cần để quán xuyến các lĩnh vực cần thiết về chuyên môn, chẳng hạn như: Thiết kế thụ động năng lượng mặt trời, công nghệ năng lượng tái tạo, và chiến lược công nghệ lai.
• Kĩ sư điện;
• Chuyên gia thiết kế Xanh;
• Kỹ sư dân dụng có chuyên môn về: Nước mưa lớn, nước ngầm, nước mưa, và / hoặc các hệ thống xử lý nước thải;
• Người quản lý / vận hành công trình (bảo trì và hoạt động);
• Chuyên gia Tư vấn chi phí (có kinh nghiệm trong tính chi phí vòng đời);
• KTS cảnh quan;
• Tổng thầu hoặc người quản lý xây dựng.

Hình: Tổ chức đội ngũ thiết kế theo truyền thống

Hình: Tổ chức đội ngũ thiết kế theo phương pháp TKTH

Những thành viên khác có thể có trong đội ngũ:

Các thành viên khác, những người có thể được mời tham dự trong suốt thời gian của dự án hoặc chỉ cho một vài hội thảo, bao gồm một số hoặc tất cả những người sau:
• Nhà Sinh thái học;
• Người sử dụng hoặc đại diện;
• Đại diện lập trình công trình, nếu thích hợp cho loại hình công trình;
• Các cơ quan phê duyệt Quy hoạch / Luật / Quy chuẩn;
• Thiết kế nội thất / tư vấn vật liệu;
• Chuyên gia chiếu sáng hoặc chiếu sáng tự nhiên;
• Kỹ sư đất hay địa chất;
• Đại diện nghiệm thu;
• Chuyên gia tiếp thị;
• Người khảo sát khu đất;
• Chuyên gia định giá / thẩm định;
• Chuyên gia kiểm soát;
• Các chuyên gia khác theo yêu cầu (ví dụ, thông gió tự nhiên, trữ nhiệt, âm học);
• Học giả và / hoặc sinh viên có kiến thức về một chủ đề liên quan;
• Các thành viên của cộng đồng những người bị ảnh hưởng bởi dự án.

London Velodrome Olympic 2012, Luân Đôn, Anh (nguồn: Hopkin architects)

Thiết kế tích hợp so với thiết kế thông thường

Quá trình thiết kế thông thường đang được áp dụng rộng rãi trong nhiều công ty thiết kế, thường bắt đầu bằng việc KTS làm việc với khách hàng và thống nhất sơ bộ các phương án hình khối, màu sắc, và công năng. Kỹ sư kết cấu và sau đó là kỹ sư M.E – được yêu cầu đưa ra phương án kỹ thuật tương thích và hoàn thiện các chi tiết của dự án. Mặc dù cách thức này khá đơn giản, nhưng thường không giúp công trình đạt được các mức hiệu năng cần thiết. Việc tối ưu hóa hiệu năng là rất khó, công trình đạt được có chất lượng môi trường bên trong thấp, tốn nhiều năng lượng vận hành, vận hành hay trục trặc.

Trường UWCSEA New Building, Singapore, 2016 (nguồn: Future Cities Laboratory – Thụy Sĩ)

Có nhiều sự khác biệt trong thực tế triển khai TKTH. Mỗi nhóm thiết kế có cách thức làm việc khác nhau một chút, và có thể có những cách nghĩ khác nhau về thế nào là phương pháp “đúng”. Tuy nhiên, có một sự nhất trí cao về sự khác biệt giữa TKTH và thiết kế thông thường. Có thể so sánh sự khác nhau giữa 2 cách tiếp cận này như sau:

Hình bên trên so sánh mức độ liên hệ lẫn nhau của đội ngũ thiết kế trong suốt quá trình thiết kế thông thường và một quá trình TKTH. Hình ảnh cho thấy sự liên hệ lẫn nhau này có sự ảnh hưởng đến tính bền vững của dự án, cụ thể là những nỗ lực trong một quá trình TKTH là nhiều hơn trong giai đoạn đầu, cho phép nhóm thiết kế tận dụng tốt nhất các cơ hội để nâng cao tính bền vững.

Những lợi ích của cách tiếp cận thiết kế tích hợp

Có nhiều kết quả tích cực rõ rệt xuất phát trực tiếp từ việc sử dụng các nguyên tắc của phương pháp tiếp cận tích hợp. Bảng dưới đây tóm tắt một số những lợi ích quan trọng có liên quan với các nguyên tắc của quá trình TKTH. Bảng này cũng liệt kê một số các lợi ích tổng hay tối đa nhận được từ một quá trình TKTH thành công [3].

Hình: Sự liên quan của các thành viên trong đội ngũ thiết kế xây dựng (nguồn: [3])

Thiết kế tích hợp và việc theo đuổi chứng nhận công trình xanh

Các công ty thiết kế có thể giúp khách hàng hiểu rõ cơ hội kinh doanh khi theo đuổi chứng nhận công trình xanh bằng cách đưa họ đi một tour tham quan các công trình xanh hoặc các dự án có mục tiêu tương tự trong khu vực bằng cách thu thập các công trình xanh điển hình có liên quan và các thông tin cơ bản về các trường hợp đó. Quyết định theo đuổi chứng nhận xanh hay không cũng có thể được xác nhận khi bắt đầu giai đoạn thiết kế sơ bộ, khi khách hàng có thêm thông tin về quy trình, chi phí phát sinh dự kiến, lợi ích được và mất.
Công ty cần tổ chức một hội thảo để làm sáng tỏ ý nghĩa của hệ thống đánh giá công trình xanh mà công ty theo đuổi (LEED, LOTUS, Green mark…). Đây là loại hình hội thảo giúp giáo dục nâng cao cho người sử dụng hay khách hàng về quá trình xin cấp chứng chỉ xanh và giúp loại bỏ bất kỳ sự hiểu lầm về quá trình, chi phí và cân bằng lợi ích có thể xảy ra trong suốt giai đoạn thiết kế tiếp theo.

Kết luận

Hiện nay, nhiều công ty thiết kế liên ngành đã và đang gặt hái thành công rực rỡ. Những công ty này có liên hệ với sinh viên, giảng viên, các kỹ sư thiết kế và kỹ thuật, thậm chí cả khách hàng và cán bộ quản lý. Một số hãng tham gia vào các dự án dịch vụ học tập để xây dựng mạng lưới cho các khách hàng tiềm năng. Tất cả mọi người liên quan: Sinh viên, các chuyên gia và các thành viên của cộng đồng đều có lợi ích từ quá trình, cũng như sự trao đổi ý tưởng và kỹ thuật.
Trong đào tạo KTS, học phần “Introduction to Integrated Design” đã được giảng dạy từ những năm 2006 cho sinh viên ngành kiến trúc tại Viện công nghệ Massachusetts (MIT) Hoa Kỳ hay học phần “Digital Integrated Design” ở trường Đại học Liverpool. Một vài trường cung cấp các khóa học về TKTH như Köln International School of Design. Đại học Bath ở Anh tổ chức hội nghị quốc tế định kỳ về TKTH. Có thể nói TKTH là một phương pháp bắt đầu từ những điều tưởng chừng rất nhỏ bé như sự hợp tác của các thành viên trong nhóm thiết kế, cách thức tổ chức làm việc, nhưng lại mang lại hiệu quả lớn và mở ra tương lai mới của ngành Kiến trúc. TKTH hứa hẹn là một xu hướng hành nghề của những công ty lớn, có tính chuyên nghiệp cao và có định hướng kiến trúc bền vững.

Reem Island Residential Towers, Abu Dhabi, Các Tiểu vương quốc Ả rập thống nhất, 2008 (nguồn: Foster & partners)