Biomorphism và Parametric Design: Tương lai của kiến trúc sinh học

Phần 3: Parametric Design và tương lai của kiến trúc sinh học

Biomorphism dưới góc nhìn của Parametric Design

Nếu Biomorphism của thế kỷ XX chủ yếu được nhận biết qua những đường cong mềm mại và hình khối gợi nhớ đến thiên nhiên, thì bước sang thế kỷ XXI, khái niệm này đã thay đổi đáng kể. Kiến trúc sư không còn dừng lại ở việc mô phỏng vẻ ngoài của một chiếc lá, một cánh chim hay lớp vỏ của sinh vật biển. Điều họ quan tâm hơn là quá trình hình thành nên những cấu trúc ấy.

Đó cũng là điểm giao nhau giữa Biomorphism và Parametric Design.

Trong thiết kế truyền thống, hình khối thường là điểm khởi đầu. Kiến trúc sư phác thảo một ý tưởng, sau đó điều chỉnh để đáp ứng yêu cầu về kết cấu, công năng hay chi phí xây dựng. Ngược lại, thiết kế tham số bắt đầu bằng việc xác định các mối quan hệ. Thay vì vẽ từng đường cong, nhà thiết kế xây dựng một hệ thống gồm nhiều tham số như ánh sáng, hướng gió, khả năng chịu lực, mật độ sử dụng, vật liệu hay điều kiện khí hậu. Hình dạng cuối cùng không phải là sản phẩm của trực giác, mà là kết quả của quá trình tính toán và tối ưu liên tục.

Điều này rất gần với cách tự nhiên vận hành. Một chiếc lá không được "vẽ" trước rồi mới thêm chức năng quang hợp. Hình dạng của nó hình thành dần trong quá trình thích nghi với môi trường, nhằm tối ưu khả năng hấp thụ ánh sáng, trao đổi khí và sử dụng năng lượng. Nói cách khác, trong tự nhiên, quá trình tạo nên hình thức quan trọng hơn chính hình thức.

Đó cũng là triết lý cốt lõi của Parametric Design.

Từ mô phỏng hình dạng đến mô phỏng quá trình

Có một khác biệt quan trọng giữa kiến trúc Biomorphism của thế kỷ trước và những công trình đang được nghiên cứu ngày nay.

Trước đây, nhiều công trình lấy cảm hứng từ thiên nhiên chủ yếu dừng ở mức độ tạo hình. Một nhà ga có thể mang dáng dấp cánh chim, một nhà hát gợi nhớ đến vỏ sò hay một bảo tàng giống như cánh hoa đang nở. Những hình ảnh ấy tạo nên dấu ấn thị giác mạnh mẽ, nhưng đôi khi mối liên hệ với thiên nhiên chỉ dừng lại ở biểu tượng.

The Hive, Đại học Công nghệ Nanyang: Công trình được thiết kế giống như một tổ ong. Các lỗ thông gió được thiết kế giữa các khoang giúp lưu thông không khí tự nhiên cho các khoảng thông tầng, hành lang và cầu thang. Đây là tòa nhà đầu tiên nhận được giải thưởng Green Mark Platinum Star Champion - giải thưởng cao nhất cho công trình nổi bật với thiết kế bền vững ở Singapore.

Ngày nay, các công cụ mô phỏng số cho phép kiến trúc sư tiến xa hơn. Thay vì sao chép hình dạng, họ nghiên cứu cách thiên nhiên phát triển, rồi chuyển những quy luật ấy thành thuật toán. Một hệ kết cấu có thể được tối ưu theo cách xương chim phân bổ vật liệu. Mặt đứng có thể phản ứng với ánh nắng như lá cây. Hệ thống thông gió có thể học từ tổ mối để duy trì nhiệt độ ổn định mà không cần tiêu tốn nhiều năng lượng.

Sự thay đổi này đánh dấu bước chuyển từ thiết kế dựa trên hình ảnh sang thiết kế dựa trên quy luật.

Công nghệ đang định hình thế hệ Biomorphism mới

Nếu nhìn vào những phòng nghiên cứu kiến trúc hàng đầu hiện nay, có thể thấy bốn lĩnh vực đang hội tụ và mở ra một giai đoạn phát triển hoàn toàn mới.

Khoa Nghệ thuật, Thiết kế và Truyền thông, Đại học Công nghệ Nanyang: Công trình bao gồm 3 khối đan xen nhau để bao quanh một quảng trường, cùng với mái nhà là một lớp cỏ xanh tươi. Bên trong có các lớp học, thư viện và xưởng thiết kế.

Thiết kế tính toán (Computational Design)

Các thuật toán cho phép mô phỏng hàng nghìn phương án hình học trong thời gian ngắn, từ đó lựa chọn giải pháp tối ưu về kết cấu, môi trường và công năng. Kiến trúc sư không còn phải tự mình thử từng phương án như trước đây.

Thiết kế tham số (Parametric Design)

SkyTerrace @ Dawson: SkyTerrace @ Dawson được cho là tác phẩm tuyệt đẹp trong ngành kiến ​​trúc. Thiết kế của tòa nhà thú vị này lấy cảm hứng từ trò chơi xếp hình cổ điển hoặc các khối lego. Công trình cũng chú trọng đến tính thân thiện với môi trường bằng nhiều khu vườn trên cao. Hơn 70% diện tích được bao phủ bởi cây xanh.

Thông qua các nền tảng như Grasshopper hay Houdini, hình khối có thể thay đổi theo dữ liệu đầu vào. Chỉ cần điều chỉnh một tham số, toàn bộ hệ thống sẽ tự thích nghi mà vẫn giữ được mối quan hệ giữa các thành phần.

Chế tạo số và robot xây dựng

Dự án Ruixue cho thấy một hướng đi khác, nơi hình khối không còn bị ép theo cách xây dựng quen thuộc. Nhờ công nghệ in 3D cải tiến, mái công trình được tạo hình như một bề mặt liền mạch, uốn lượn thoải mái, tạo cảm giác mềm và tự nhiên hơn - trên một quy mô cực lớn.

Những cấu trúc từng được xem là quá phức tạp để thi công giờ đây có thể được sản xuất bằng robot, CNC hoặc in 3D với độ chính xác rất cao. Điều này giúp khoảng cách giữa mô hình số và công trình thực tế ngày càng thu hẹp.

Vật liệu thông minh và sinh học tổng hợp

Tre kỹ thuật tiếp tục mở ra nhiều khả năng thú vị. Nhẹ, bền vững và linh hoạt, vật liệu này tạo nên một không gian có thể chuyển đổi theo từng trải nghiệm khác nhau của người dùng, từ những khoảnh khắc tĩnh lặng đến các hoạt động cộng đồng.

Đây có lẽ là lĩnh vực hứa hẹn nhất. Các vật liệu mới có khả năng tự thay đổi hình dạng, phản ứng với nhiệt độ, độ ẩm hoặc ánh sáng. Xa hơn nữa, sinh học tổng hợp mở ra khả năng tạo ra những vật liệu có thể tự phát triển, tự sửa chữa hoặc tự phân hủy sau khi hết vòng đời sử dụng.

Lần đầu tiên trong lịch sử, con người không chỉ mô phỏng thiên nhiên mà còn bắt đầu học cách hợp tác với các quá trình sinh học.

Từ "xây dựng" đến "nuôi dưỡng"

Ferrell Residences, Bukit Timah: Tòa nhà nổi bật bởi thiết kế kỳ quái với nhiều đường nét uốn lượn.

Ngành xây dựng truyền thống vận hành theo tư duy lắp ráp. Mỗi công trình là tập hợp của hàng nghìn bộ phận được sản xuất riêng lẻ, vận chuyển đến công trường rồi ghép lại với nhau.

Thiên nhiên đi theo một con đường hoàn toàn khác.

Không có sinh vật nào được lắp ráp.

Chúng phát triển.

Một cái cây lớn lên từ hạt giống. Bộ xương của động vật thay đổi theo từng giai đoạn phát triển. Da liên tục tái tạo. Tế bào không ngừng tự sửa chữa.

Khi nhìn kiến trúc dưới lăng kính Biomorphism, câu hỏi không còn là làm thế nào để xây dựng một công trình hoàn hảo ngay từ ngày đầu tiên.

Câu hỏi trở thành: liệu công trình có thể tiếp tục phát triển sau khi hoàn thành hay không?

Opera Park biến một hòn đảo công nghiệp cũ thành lá phổi xanh của bến cảng Copenhagen, nơi sáu khu vườn, thảm thực vật đa dạng và hệ thống thu gom nước mưa cùng tạo nên một không gian công cộng bền vững.

Đó là sự chuyển dịch từ tư duy "building" sang tư duy "growing".

Ngày nay, ý tưởng này đã xuất hiện trong nhiều hướng nghiên cứu như vật liệu sinh học, bê tông tự phục hồi, mặt đứng thích ứng hay kiến trúc in bằng vật liệu hữu cơ. Dù vẫn còn ở giai đoạn thử nghiệm, chúng cho thấy tương lai của kiến trúc có thể sẽ gần với sinh học hơn là cơ khí.

Góc nhìn Parametric

Frank Gehry luôn khiến kiến trúc mang dáng dấp của một tác phẩm điêu khắc. Một trong những dự án chúng tôi khá ấn tượng, Dar al Funoon lấy cảm hứng từ sự mềm mại của lụa để tạo nên những đường nét uốn lượn đặc trưng, nơi kiến trúc và điêu khắc gần như hòa làm một. Công trình đang được xây dựng tại Abu Dhabi và dự kiến hoàn thành vào năm 2030.

Đối với cộng đồng thiết kế tham số, Biomorphism không nên được hiểu là việc tạo ra những mô hình có hình dáng "giống thiên nhiên". Nếu chỉ dừng ở việc uốn cong bề mặt hay tạo những đường nét hữu cơ, Biomorphism rất dễ trở thành một phong cách thị giác.

Điều đáng học từ thiên nhiên không phải là hình dáng, mà là logic tổ chức.

Một chiếc lá phân phối vật liệu như thế nào?

Vì sao mạng gân lá vừa nhẹ vừa bền?

Điều gì khiến tổ mối có thể thông gió tự nhiên?

Tại sao xương chim rỗng nhưng vẫn chịu được tải trọng lớn?

Những câu hỏi ấy mới là nền tảng để xây dựng các thuật toán thiết kế. Khi Parametric Design được sử dụng để mô phỏng các quy luật tự nhiên thay vì sao chép hình ảnh, kiến trúc sẽ đạt đến một cấp độ mới, nơi hình thức xuất hiện như kết quả tất yếu của dữ liệu, môi trường và chức năng.

Đó cũng là điểm khác biệt giữa một công trình "trông giống tự nhiên" và một công trình "vận hành như tự nhiên".

Kiến trúc trở nên ý nghĩa nhất khi giúp con người cảm nhận thiên nhiên mà không lấn át nó. Một vật liệu nhẹ thường cũng đồng nghĩa với một dấu chân sinh thái nhẹ hơn. Chúng tôi thích gỗ với mối kết nối mềm mại giữa kiến trúc và vùng đất ngập nước, để cảnh quan vẫn luôn là trải nghiệm trung tâm.

Thiên nhiên đã có gần bốn tỷ năm để thử nghiệm, thích nghi và hoàn thiện các giải pháp của mình. Mỗi chiếc lá, mỗi bộ xương hay mỗi tổ ong đều là kết quả của một quá trình tối ưu kéo dài vượt xa lịch sử của nền văn minh nhân loại.

Biomorphism nhắc chúng ta rằng thiên nhiên không chỉ là nguồn cảm hứng thẩm mỹ. Đó là một thư viện khổng lồ về cấu trúc, vật liệu, năng lượng và khả năng thích nghi. Khi kiến trúc biết học từ những quy luật ấy, công trình sẽ không chỉ đẹp hơn mà còn vận hành hiệu quả hơn, bền vững hơn và gắn kết hơn với môi trường sống.

Nhà hát Opera Hà Nội, do Renzo Piano thiết kế, được kỳ vọng sẽ trở thành một công trình văn hóa mang tính biểu tượng. Nhìn tổng quan, dự án mang tính cộng hưởng giữa lịch sử phong phú của Hà Nội, cùng dấu ấn kiến trúc toàn cầu.

Trong bối cảnh trí tuệ nhân tạo, thiết kế tham số và công nghệ chế tạo số đang phát triển với tốc độ chưa từng có, Biomorphism có lẽ sẽ không còn được xem như một trường phái riêng biệt. Nó sẽ dần trở thành một phần của tư duy thiết kế, nơi kiến trúc sư không còn áp đặt hình thức lên tự nhiên, mà cùng thiên nhiên tạo nên những hệ thống có khả năng thích nghi và phát triển.

Có lẽ câu hỏi quan trọng nhất của kiến trúc trong tương lai sẽ không còn là "Chúng ta có thể xây dựng công trình gì?", mà là "Chúng ta có thể tạo ra những hệ sinh thái sống như thế nào?"