Xem mẫu
- BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC XÂY DỰNG HÀ NỘI
NGUYỄN THỊ MINH THÙY
ỨNG DỤNG TOPOLOGY
TRONG THIẾT KẾ KIẾN TRÚC TẠI VIỆT NAM
Chuyên ngành: Kiến trúc
Mã số: 9580101
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
ỨNG DỤNG TOPOLOGY
TRONG THIẾT KẾ KIẾN TRÚC TẠI VIỆT NAM
Chuyên ngành: Kiến trúc
Mã số: 9580101
NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:
PGS.TS.KTS. NGUYỄN ĐÌNH THI
Hà Nội – Năm 2022
- i
LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan đây là công 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 công bố trong bất cứ công trình nào khác.Việc sử
dụng các số liệu nghiên cứu chung đã được các đồng tác giả cho
phép.
Nghiên cứu sinh
Nguyễn Thị Minh Thùy
- 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 tôi hoàn thành
luận án này.
Tôi 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 quá trình nghiên cứu
luận án.
Tôi xin trân trọng cảm ơn các chuyên gia đã đóng góp các ý kiến cho luận án;
các cơ quan, tổ chức, cá nhân đã giúp đỡ, tạo điều kiện để tôi được lấy tài liệu nghiên
cứu phục vụ luận án.
Trân trọng cảm ơn bộ môn Hình họa và Vẽ kỹ thuật đã quan tâm và tạo điều
kiện để tôi có thời gian thực hiện luận án này. Cảm ơn gia đình và bạn bè đã động
viên, chia sẻ.
Nghiên cứu sinh
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
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
CHƯƠNG I: TỔNG QUAN ỨNG DỤNG TOPOLOGY TRONG THIẾT KẾ
KIẾN TRÚC ...................................................................................................................7
1.1. TÌNH HÌNH ỨNG DỤNG TOPOLOGY TRONG THIẾT KẾ KIẾN TRÚC
TRÊN THẾ GIỚI.............................................................................................................7
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 công trình kiến trúc .......................................................41
1.2.2.4. Kết hợp công nghệ kỹ thuật số ..................................................................42
1.2.3. Nhận xét, đánh giá............................................................................................43
1.3. TỔNG QUAN CÁC CÔNG TRÌNH NGHIÊN CỨU CÓ LIÊN QUAN ...........43
1.3.1. Các công trình nghiên cứu trên thế giới ...........................................................43
1.3.2. Các công trình nghiên cứu tại Việt Nam..........................................................46
1.3.3. Nhận xét, đánh giá các công 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
1.4.1. Nhận xét đánh giá chung ..................................................................................47
1.4.2. Những vấn đề cần nghiên cứu ..........................................................................48
CHƯƠNG 2. CƠ SỞ KHOA HỌC ỨNG DỤNG TOPOLOGY TRONG THIẾT
KẾ KIẾN TRÚC TẠI VIỆT NAM ............................................................................49
2.1. CƠ SỞ LÝ THUYẾT ..........................................................................................49
2.1.1. Lý thuyết Topology ......................................................................................49
2.1.1.1. Các mối quan hệ không gian Topology .....................................................49
2.1.1.2. Đồ thị Topology .........................................................................................52
2.1.1.3. Các nguyên mẫu Topology ........................................................................56
2.1.1.4. Phép biến đổi Topology .............................................................................57
2.1.2. Topology trong thiết kế kiến trúc .................................................................58
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 công nghệ máy tính ...................73
2.1.3.3. Quá 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
2.3.1. Bài học kinh nghiệm trên thế giới ................................................................ 88
2.3.2. Bài học kinh nghiệm tại Việt Nam ...............................................................90
2.4. CƠ SỞ PHÁP LÝ ................................................................................................ 90
2.4.1. Các văn bản pháp lý có liên quan .................................................................90
2.4.2. Các quy chuẩn, tiêu chuẩn thiết kế kiến trúc ................................................91
CHƯƠNG 3. GIẢI PHÁP ỨNG DỤNG TOPOLOGY TRONG THIẾT KẾ KIẾN
TRÚC TẠI VIỆT NAM ..............................................................................................93
3.1. QUAN ĐIỂM VÀ MỤC TIÊU ỨNG DỤNG TOPOLOGY TRONG THIẾT KẾ
KIẾN TRÚC TẠI VIỆT NAM ......................................................................................93
3.1.1. Quan điểm.....................................................................................................93
3.1.2. Mục tiêu ........................................................................................................93
3.2. NGUYÊN TẮC ỨNG DỤNG TOPOLOGY VÀO THIẾT KẾ KIẾN TRÚC TẠI
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 công nghệ máy tính tại
Việt Nam ....................................................................................................................95
3.3.2. Xác định khả năng ứng dụng vào thiết kế ý tưởng kiến trúc ........................97
3.4. 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 CÔNG TRÌNH BẢO TÀNG TỈNH THÁI
BÌNH…… ...................................................................................................................126
3.5.1. Giới thiệu về công trình, yêu cầu và nhiệm vụ thiết kế ..............................126
3.5.2. Các bước thiết kế: .......................................................................................127
3.5.2.1. Bước 1- Thu thập thông tin .....................................................................127
3.5.2.2. Bước 2- Phân tích và xử lý thông tin ......................................................127
3.5.2.3. Bước 3- Tổng hợp ...................................................................................129
3.5.2.4. Bước 4 - Đánh giá và lựa chọn tổ hợp tối ưu ..........................................130
3.5.2.5. Bước 5 – Biến đổi Topology ...................................................................130
3.5.2.6. Bước 6 – Đánh giá, lựa chọn phương án.................................................131
3.5.2.7. Bước 7 – Phát triển giải pháp ..................................................................131
3.6. BÀN LUẬN VỀ CÁC KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU ..........................................136
3.6.1. 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
KẾT LUẬN ................................................................................................................141
1. KẾT LUẬN .......................................................................................................141
2. KIẾN NGHỊ ......................................................................................................142
DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH CÔNG 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
- 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
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 không gian kiến trúc của các bề mặt/nút Topology….63
Bảng 2.5. Bảng phân loại HH dựa trên các phép biến đổi và bất biến của chúng…..66
Bảng 2.6. Biến thể và hình học………………………………………………………..66
Bảng 2.7. Các hình - dạng biến thể Topology trong kiến trúc………………………..66
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 công trình kiến trúc…………………………………………………...…111
Bảng 3.4. Phân tích cấu trúc không gian chức năng tổng thể……………………….128
Bảng 3.5. Ma trận kề không 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 không 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 không 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 không 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
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 thông 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 toán bảy cây cầu ở Königsberg………………....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. Mô 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. Công 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 tòa 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 không gian liên tục và không liên tục…………………….….53
Hình 2.4. Minh họa tính liên tục của không gian kiến trúc………………………...…53
- x
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 ngoài…………..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. Không gian bên ngoài 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. Không 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 không gian Topology đa kết nối….…………………………………………54
Hình 2.15. Ví dụ bảng ma trận mối quan hệ liền kề giữa các không gian trong công
trình nhà ở……………………………………………………………………………..60
Hình 2.16. Các không gian liền kề chung nhau toàn bộ hoặc một phần ranh giới và các
không gian không 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 không 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) không lớn hơn 8………………60
Hình 2.25. Biến đổi chiếc cốc thành bông 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 không phải là đồng phôi………………….…..61
Hình 2.29. Tổng kết nối……………………………………………………………….61
Hình 2.30. Kết nối không gian – biến đổi không gian………………………………..61
Hình 2.31. Các thành phần của ngôn ngữ kiến trúc…………………………….…….61
- xi
Hình 2.32. Sơ đồ minh họa tổ hợp không gian kiểu tập trung và Trung tâm Nghệ thuật
Quốc gia Cao Hùng / Mecanoo……………………………………………………….68
Hình 2.33. Sơ đồ minh họa tổ hợp không 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 không 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 không gian theo cụm và Công trình Galaxy SOHO /
Zaha Hadid………………………………………………………………………...….68
Hình 2.36. Sơ đồ minh họa tổ hợp không 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 toán 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. Quá trình thiết kế công 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 mô hình tạo ra bởi phần mềm GC và ParaCloud Modeler……..87
Hình 2.49. Khái niệm BIM và mô hình BIM công trình……………………………...87
Hình 2.50. Dự án in 3D công trình nhà Landscape House tại Hà Lan……………..…87
Hình 3.1. PPTK sử dụng công cụ máy tính ứng dụng Topology………………......…99
Hình 3.2. Quy trình PPTK kiến trúc sử dụng công 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
- xii
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 không gian tầng 1………………….….....132
Hình 3.25. Phương án sơ đồ cấu trúc không 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 không gian Tầng hầm……………...…PL4-6
Hình 3.29. Các phương án sơ đồ cấu trúc không gian Tầng 2……………………PL4-7
Hình 3.30. Các phương án sơ đồ cấu trúc không gian Tầng 3……………….…...PL4-8
Hình 3.31. Ý tưởng biến đổi hình khối công 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 công 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
- 1
MỞ ĐẦU
1. Lý do lựa chọn đề tài
Thiết kế kiến trúc là một quá trình phức tạp, đòi 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 môi 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.
Topology, còn được mệnh danh là “hình học màng cao su”, là ngành toán học
nghiên cứu các đặc tính của đối tượng vẫn còn được bảo toàn qua các sự biến dạng
như bẻ cong, kéo giãn, ép và xoắn,…nhưng ngoại trừ việc xé rách đối tượng [29].
Lý thuyết Topology cung cấp các khái niệm mới về không gian, bề mặt và phép
biến đổi HH cho TKKT. Nhờ đó, Topology góp phần hình thành nên tư duy, phương
pháp thiết kế và ngôn ngữ tạo hình kiến trúc mới, giúp các kiến trúc sư sáng tạo không
gian và hình khối kiến trúc đa dạng, độc đáo, mang tính đột phá, có giá trị thẩm mỹ
cao và cảm xúc tốt. Hơn nữa, Topology có mối quan hệ tương hỗ và khả năng thích
ứng hiệu quả với công nghệ kỹ thuật số. Một mặt, phần mềm máy tính giúp biểu diễn
các không gian kiến trúc đa chiều, phức tạp của Topology mà không thể thực hiện
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 nguyên công 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
phát triển kiến trúc trong thời đại kỹ thuật số.
- Mục tiêu nghiên cứu: Nghiên cứu cần giải quyết 03 mục tiêu cụ thể sau đây.
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
tại Việt Nam.
3/ Đề xuất các giải pháp ứng dụng Topology trong giai đoạn thiết kế ý tưởng kiến
trúc tại Việt Nam.
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:
+ Giới hạn về không gian: Áp dụng cho các công 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 công trình xây dựng mới.
+ Giới hạn về Topology: Do các vấn đề của ngành toán học Topology rất rộng và
phức tạp, vì vậy giới hạn nghiên cứu chỉ tập trung áp dụng các nội dung của ngành
toán 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 công 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 quá 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 công nghệ máy tính cũng như sự phát triển của ngành
toán học Topology trong tương lai.
- Phương pháp chuyên gia: Phỏng vấn, lấy ý kiến các chuyên gia trong các lĩnh vực
có liên quan để có sự nhìn nhận đúng đắn, toàn diện hơn về vấn đề nghiên cứu.
- Phương pháp thiết kế thực nghiệm: Tiến hành thiết kế thực nghiệm các kết quả
nghiên cứu thông qua một ví dụ nghiên cứu thiết kế công trình cụ thể có sử dụng máy
tính và các phần mềm đồ họa.
5. Nội dung nghiên cứu
- Nghiên cứu tình hình ứng dụng Topology trong TKKT trên thế giới và tại Việt
nam cũng như tổng quan các công 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.
- Đề xuất các giải pháp ứng dụng Topology trong TKKT tại Việt Nam.
6. Giá trị khoa học và thực tiễn của luận án
- 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
dung gồm ba chương:
- Chương 1. Tổng quan ứng dụng Topology trong TKKT.
- 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.
9. Giải thích một số khái niệm và thuật ngữ sử dụng trong luận án
1/ Topology: Thuật ngữ Topology bắt nguồn từ tiếng Hy Lạp là “Topologia” gồm
“topos” (nghĩa là chỗ, vùng, miền…) và “logos” (nghĩa là nghiên cứu, tìm hiểu…). Đó
là một phát triển mới trong hình học vào thế kỉ 20 và là một trong những ngành phức
tạp và sôi nổi nhất của toán học hiện đại [29].
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 còn được
mệnh danh là "Hình học màng cao su" [3], [29].
Topology khác với các loại hình học khác ở chỗ nó không 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 còn được xem là “Hình học của vị
trí”, do đó Topology và hình học thường được coi là đi đôi với nhau.
2/ Hình học Topo: Trong toán học, bản chất sâu xa của Topology xuất phát từ
những vấn đề hình học không 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 toán học Topology dưới góc độ hình học thay vì đại số
và giải tích.
Phép biến đổi hình học Topo không bảo toàn 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 không 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
các tác động của sự biến dạng, khiến chúng có thể mất đi mọi thuộc tính về hình dạng
và kích thước mà vẫn duy trì được tính chất định tính của nó thì hình trước và sau khi
biến đổi gọi là tương đương Topo.
Nói đến hình học Topo, chính là chúng ta đang nói đến khái niệm của mạng lưới,
nút, dải Moebius và chai Klein,…
3/ Không gian Topology: Không gian Topology được hiểu như là một tập hợp các
phần tử với một cấu trúc nhất định được xác định trên tập hợp đó (cấu trúc bao gồm
các yếu tố và mối quan hệ giữa các yếu tố) [1], [37]. Trên cơ sở đó, có thể xem không
gian kiến trúc như một không gian Topology, trong đó các thành phần cấu thành kiến
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 không bảo toàn về tỉ lệ, hình dạng
- 6
và các yếu tố đo lường (kích thước, độ dài, diện tích, thể tích, góc…) mà chỉ yêu cầu
bảo toàn 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 ngoài của cấu trúc đó.
9/ Thiết kế kiến trúc: Là quá 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
thần cho con người [19], [28].
10/ Quá trình thiết kế kiến trúc: Là tập hợp các hoạt động thiết kế có tương tác
nhằm giải quyết vấn đề thiết kế kiến trúc từ khâu bắt đầu như thu thập thông tin về
công trình cần thiết kế tới khâu kết thúc là đưa ra giải pháp thiết kế bằng các bản vẽ và
giám sát tác giả.
11/ Thiết kế ý tưởng kiến trúc: Là một giai đoạn của QTTK kiến trúc, nhằm tìm
kiếm các ý tưởng và giải pháp kiến trúc, đáp ứng yêu cầu đặt ra của thiết kế kiến trúc.
nguon tai.lieu . vn
