GIẢI PHÁP KIẾN TRÚC MẶT ĐỨNG THÍCH ỨNG TRONG CAO ỐC VĂN PHÒNG TẠI TP.HCM THEO HƯỚNG HIỆU QUẢ NĂNG LƯỢNG

PHẦN MỞ ĐẦU

Lý do chọn đề tài

Biến đổi khí hậu là một thách thức cấp bách đối với toàn xã hội và thiết kế kiến trúc, đóng vai trò quan trọng trong xây dựng bền vững và bảo vệ môi trường Hiệu quả năng lượng là yếu tố then chốt trong việc giảm thiểu năng lượng tiêu thụ trong quá trình vận hành và sử dụng công trình Để đạt được điều này, cần áp dụng các công nghệ mới trong thiết kế và tính toán năng lượng sử dụng thông qua mô phỏng.

Lĩnh vực xây dựng chiếm khoảng 42% tổng tiêu thụ năng lượng toàn cầu, với nhu cầu sử dụng điện năng cho các cao ốc văn phòng ngày càng gia tăng Theo Cơ quan Năng lượng Quốc tế (IEA), tổng mức tiêu thụ điện cuối cùng trên thế giới năm 2018 đạt 22.315 TWh, tăng 4% so với năm 2017, trong đó các tòa nhà chiếm khoảng 40% mức tiêu thụ năng lượng ở hầu hết các quốc gia Đặc biệt, trong bối cảnh đại dịch, nhu cầu về năng lượng tái tạo vẫn tăng mạnh, với mức tăng 45% vào năm 2020, đạt 280GW, là mức cao nhất kể từ năm 1999.

Với tốc độ đô thị hóa nhanh chóng và nhu cầu sử dụng điện gia tăng trong bối cảnh đại dịch toàn cầu, số lượng cao ốc tại các khu vực đô thị đang tăng lên, kéo theo nhu cầu về điện và các dạng năng lượng khác cho các công trình xây dựng Do đó, việc nâng cao chất lượng và hiệu quả năng lượng trong các công trình này đang trở thành một vấn đề quan trọng được quan tâm.

Thiết kế công trình HQNL mang lại nhiều lợi ích trong vận hành các COVP tại Việt Nam và toàn cầu, giúp tiêu thụ ít năng lượng hơn, thậm chí đạt mức zero năng lượng, nơi tổng năng lượng tiêu thụ trong một năm cân bằng với tổng năng lượng sản sinh Công trình HQNL không chỉ giảm thiểu lượng carbon (CO2) mà còn giảm tác động đến môi trường, thích ứng tốt với tự nhiên Trong giai đoạn 2000-2013, tổng lượng phát thải carbon và tiêu thụ năng lượng toàn cầu đã tăng lần lượt 34% và 31% Thiết kế HQNL được đề xuất thông qua hai giải pháp chính: thiết kế thụ động (TKTĐ) và thiết kế chủ động (TKCĐ), trong đó TKTĐ được ưu tiên hơn TKTĐ bao gồm các giải pháp sử dụng năng lượng tự nhiên như kiểm soát nhiệt thụ động, thông gió tự nhiên và sưởi ấm bằng năng lượng mặt trời Bối cảnh thiết kế HQNL trong các tòa nhà đang dần được chú trọng, với một trong những phương pháp TKTĐ là sử dụng MĐTU, có khả năng thay đổi hành vi ứng xử với tự nhiên và tối ưu hóa thông gió cũng như chiếu sáng tự nhiên.

Thiết kế mô hình điều tiết sử dụng năng lượng (MĐTU) trong các công trình văn phòng (COVP) đã chứng tỏ tính thiết thực thông qua nhu cầu sử dụng hiệu quả năng lượng Phương pháp này ngày càng được quan tâm và ứng dụng trong các dự án lớn Nhiều COVP đã nâng cao hiệu suất sử dụng năng lượng nhờ vào việc đảm bảo các hệ thống đánh giá công trình xanh như LEED, LOTUS, BREEAM.

Các COVP đang thu hút sự quan tâm và đầu tư từ cả doanh nghiệp trong và ngoài nước, đặc biệt tại các khu đô thị lớn như Hà Nội và TP.HCM, nơi mà sự phát triển của các công trình này diễn ra mạnh mẽ Trong 35 năm qua, chính sách mở cửa đã thúc đẩy sự hiện đại hóa của các COVP, với nhiều công trình sử dụng mặt đứng bằng kính, mang lại góc nhìn rộng và sự hiện đại Tuy nhiên, việc sử dụng kính cũng dẫn đến chi phí vận hành cao, do đó cần thiết phải có các giải pháp giảm thiểu năng lượng tiêu thụ cho các COVP hiện nay.

Do vậy, đề tài nghiên cứu “GIẢI PHÁP KIẾN TRÚC MẶT ĐỨNG THÍCH ỨNG

Trong bối cảnh hiện đại hóa và biến đổi khí hậu, việc tối ưu hóa năng lượng trong các cao ốc văn phòng tại TP.HCM là vô cùng cần thiết Bài viết này tập trung vào việc đánh giá thực trạng và đề xuất giải pháp mô hình thiết kế năng lượng tối ưu (MĐTU) cho các công trình cao ốc văn phòng Qua nghiên cứu, các giải pháp kiến trúc MĐTU được phát triển dựa trên cơ sở khoa học, nhằm cải thiện thiết kế mặt đứng theo hướng hiệu quả năng lượng (HQNL).

Tổng quan các nghiên cứu liên quan đến đề tài

Sự quan tâm đến kiến trúc hiệu quả năng lượng (HQNL) tại TP.HCM, đặc biệt là trong các công trình công cộng, đã đặt ra nhiều câu hỏi về tiêu chuẩn và tiêu chí đánh giá Luận văn cao học của Nguyễn Lê Minh Quân (2019) đã đề xuất các tiêu chí đánh giá khả năng ứng dụng của kiến trúc HQNL trong các công trình công cộng tại thành phố Nghiên cứu này cung cấp cái nhìn tổng quan về kiến trúc HQNL và tạo nền tảng khoa học cho nghiên cứu khoa học về mô hình thiết kế tối ưu trong các công trình văn phòng tại TP.HCM Đồng thời, bài báo của Wei Feng (2019) trên tạp chí Renewable and Sustainable Energy Reviews, với tiêu đề “A review of net zero energy buildings in hot and humid climates: Experience learned from 34 case study buildings”, cũng đã tổng hợp kinh nghiệm từ 34 công trình, nhấn mạnh việc sử dụng năng lượng hiệu quả và giảm nhu cầu năng lượng trong các điều kiện khí hậu nóng ẩm.

Bài nghiên cứu này tập trung vào 4 loại tòa nhà nhằm hướng tới công trình có mức tiêu thụ năng lượng trung bình cả năm bằng 0 (NZEBs) Nó cung cấp các tiêu chí quan trọng để thiết kế các công trình sử dụng năng lượng hiệu quả Nghiên cứu đã khảo sát 34 công trình tiêu biểu ở các vùng khí hậu nóng ẩm và đề xuất các chiến lược phù hợp cho các tòa nhà tại những khu vực này.

HQNL được thể hiện qua nhiều hình thức thiết kế, trong đó có thiết kế MĐTU, nhằm giải quyết các vấn đề về hiệu quả năng lượng và tính kinh tế trong xây dựng và vận hành Nhiều dạng MĐTU phục vụ cho các định hướng thiết kế khác nhau Bài báo khoa học “Adaptive biomimetic facades: Enhancing energy efficiency of highly glazed buildings” của nhóm tác giả Sheikh, Wajiha Tariq Asghar và Quratulain đã đề cập đến cách nâng cao hiệu quả năng lượng cho các công trình có kính lớn thông qua việc áp dụng các mặt dựng sinh học thích ứng.

Nghiên cứu năm 2019 đã chứng minh tính ứng dụng của MĐTU trong thiết kế các COVP sử dụng kính ở các nước có khí hậu nóng ẩm Nhóm tác giả đã phát triển MĐTU bằng cách khám phá và bắt chước các đặc tính vật lý, sinh lý và thích nghi của cây Oxalis oregana, một loại lá có khả năng tự nhiên theo dõi đường đi của mặt trời và điều chỉnh góc vị trí của nó cho phù hợp.

Nhóm tác giả đã giới thiệu một giải pháp MĐTU nhằm giảm nhiệt lượng từ mặt trời, qua đó cải thiện hiệu suất tiêu thụ năng lượng của tòa nhà Giải pháp này không chỉ giúp tiết kiệm năng lượng mà còn giảm thiểu sự chói mắt và nâng cao trải nghiệm thị giác cho người sử dụng, bao gồm mức độ chiếu sáng trong nhà và tầm nhìn ra môi trường bên ngoài.

COVP tại TP.HCM đã trải qua nhiều xu hướng phát triển khác nhau theo từng giai đoạn, đặc biệt từ sau năm 1990, khi các COVP đã hình thành và nhận diện rõ rệt Một trong những xu hướng nổi bật là KTBV và TKNL Luận văn “Hình thức cao ốc văn phòng tại TP.HCM từ giai đoạn 1990 đến nay” của tác giả Lê Quốc Thắng (2019) đã đề cập đến các hình thức COVP mang xu hướng kiến trúc phát triển bền vững (PTBV).

LVCH “Vỏ bao che cao ốc văn phòng tại TP.HCM” của tác giả Nguyễn Việt An

(2010) đã nêu ra tầm nhìn về vấn đề sử dụng HQNL thông qua lớp vỏ bao che sử

1 Oxalis oregana là một loài thực vật có hoa trong họ Chua me đất Loài này được Nutt mô tả khoa học đầu tiên năm 1838

Khái niệm "Vỏ bao che - Building Envelope" được đề cập trong luận văn của tác giả Việt An, bao gồm các thành phần như tường và mái, trong đó MĐTU cũng là một phần quan trọng Tác giả nhấn mạnh vấn đề hiệu quả năng lượng (HQNL) đang được quan tâm lớn tại các tòa nhà văn phòng ở TP.HCM Việc sử dụng vật liệu kính lấy sáng nhằm mục đích thẩm mỹ đã dẫn đến hiện tượng sinh nhiệt, làm tăng tiêu thụ điện năng để làm mát Mặc dù các tấm kính có khả năng giảm bức xạ, nhưng hiệu quả sử dụng năng lượng tự nhiên vẫn chưa đạt yêu cầu Nghiên cứu cho thấy tác động của yếu tố tự nhiên rất lớn đến nhu cầu sử dụng của công trình, do đó, việc cải thiện lớp vỏ bao che của các tòa nhà văn phòng tại TP.HCM là cần thiết để giảm tiêu thụ năng lượng, nâng cao tiện nghi sử dụng và giảm thiểu tác động của biến đổi khí hậu.

Qua việc nghiên cứu HQNL trong các COVP tại TPHCM, có thể nhận thấy tầm nhìn chiến lược tương lai về HQNL trong thiết kế và vận hành rất lớn Các nghiên cứu đã cung cấp khái niệm và tổng quan sơ lược, tạo cơ sở cho luận văn “Giải pháp Mặt đứng thích ứng trong Cao ốc Văn phòng tại TP.HCM theo hướng Hiệu quả Năng lượng.” Đề tài này không chỉ độc đáo mà còn thể hiện sự cấp thiết và tính khách quan Học viên cũng đã trình bày những ưu và nhược điểm của các nghiên cứu liên quan trong Bảng 1.

Mục tiêu nghiên cứu

Mục tiêu nghiên cứu của đề tài là đề xuất các giải pháp mặt đứng thích ứng cho các cao ốc văn phòng tại TP.HCM, nhằm nâng cao hiệu quả năng lượng.

4 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu Đối tượng nghiên cứu là kiến trúc mặt đứng thích ứng trong COVP tại TP.HCM

Giới hạn về không gian: đề tài tập trung nghiên cứu mặt đứng kiến trúc trong các COVP tại khu vực TP.HCM

Nghiên cứu khảo sát các COVP từ năm 1990 đến nay đã xác định những giải pháp thiết kế định hướng, nhằm áp dụng hiệu quả cho đến năm 2040.

Phương pháp khảo sát điền dã được áp dụng để điều tra một số công trình COVP đã xây dựng tại khu vực trung tâm TP.HCM, nhằm phát hiện các quy luật, trình độ phát triển và đặc điểm về mặt định tính cũng như định lượng của các COVP Hai loại điều tra chính được thực hiện bao gồm điều tra cơ bản và điều tra xã hội học.

Phương pháp phân tích và tổng kết kinh nghiệm là quá trình nghiên cứu và xem xét các thành tựu của hoạt động tổ chức không gian và thiết kế sinh thái Qua đó, chúng ta có thể rút ra những kết luận có giá trị để áp dụng vào thực tiễn và khoa học.

Phương pháp thống kê và so sánh là cách tổng hợp kết quả từ các cuộc khảo sát điền dã, sau đó so sánh với các đối tượng tương ứng Qua đó, chúng ta có thể đưa ra những nhận định và đánh giá một cách khách quan nhất.

Phương pháp chuyên gia là việc áp dụng kiến thức và kinh nghiệm của các chuyên gia hàng đầu trong lĩnh vực thiết kế cao ốc văn phòng và tư vấn công trình xanh Để thu thập thông tin, bảng câu hỏi sẽ được gửi đến hoặc phỏng vấn trực tiếp các chuyên gia.

Phương pháp sơ đồ hóa là cách sử dụng các ký hiệu để hệ thống hóa các khảo sát điều tra Những sơ đồ này sẽ được so sánh một cách khách quan nhằm tìm ra quy luật vận động và phát triển.

Phương pháp phân tích và tổng hợp lý thuyết bao gồm việc thu thập tài liệu liên quan đến đề tài nghiên cứu và hệ thống hóa các cơ sở khoa học cần thiết Mục tiêu là đề xuất các giải pháp tổ chức không gian hiệu quả cho các COVP tại TP.HCM.

Phương pháp nghiên cứu

Phương pháp khảo sát điền dã được áp dụng để điều tra một số công trình COVP đã xây dựng tại khu vực trung tâm TP.HCM Mục tiêu là phát hiện các quy luật, trình độ phát triển và đặc điểm về mặt định tính và định lượng của các COVP tại TP.HCM Hai loại điều tra được thực hiện bao gồm: (i) Điều tra cơ bản và (ii) Điều tra xã hội học.

Phương pháp phân tích và tổng kết kinh nghiệm bao gồm việc nghiên cứu và đánh giá các thành quả đạt được từ hoạt động của tổ chức không gian và thiết kế sinh thái Qua đó, chúng ta có thể rút ra những kết luận có giá trị để áp dụng vào thực tiễn và lĩnh vực khoa học.

Phương pháp thống kê và so sánh là cách tổng hợp kết quả từ khảo sát điền dã và đối chiếu với các đối tượng tương ứng, nhằm đưa ra những nhận định và đánh giá khách quan nhất.

Phương pháp chuyên gia là việc áp dụng kiến thức và kinh nghiệm của các chuyên gia có trình độ cao trong lĩnh vực thiết kế công trình cao tầng và tư vấn công trình xanh Điều này bao gồm việc gửi bảng câu hỏi hoặc thực hiện phỏng vấn trực tiếp với các chuyên gia để thu thập thông tin quý giá.

Phương pháp sơ đồ hóa là việc sử dụng các ký hiệu để hệ thống hóa các khảo sát điều tra Qua việc so sánh các sơ đồ một cách khách quan, chúng ta có thể tìm ra quy luật phát triển và vận động.

Phương pháp phân tích – tổng hợp lý thuyết bao gồm việc thu thập tài liệu liên quan đến đề tài nghiên cứu, từ đó hệ thống hóa các cơ sở khoa học cần thiết để đề xuất giải pháp tổ chức không gian trong các COVP tại TP.HCM.

PHẦN NỘI DUNG NGHIÊN CỨU

TỔNG QUAN VỀ KIẾN TRÚC MẶT ĐỨNG THÍCH ỨNG

Khái niệm và phân loại cao ốc văn phòng

COVP liên quan chặt chẽ đến vấn đề dân số đô thị, với dự báo của IEA cho thấy hơn một nửa dân số thế giới sẽ sống và làm việc tại các khu đô thị vào năm 2007, và con số này dự kiến sẽ tăng lên 70% vào năm 2050 Quá trình di cư và gia tăng dân số đô thị đã tạo ra nhu cầu xây dựng mạnh mẽ tại các thành phố lớn Để giải quyết vấn đề mật độ dân số, các công trình cao ốc được xem là giải pháp quan trọng, giúp tối ưu hóa không gian đô thị Hiện nay, nhiều thành phố và quốc gia đã xây dựng hàng loạt tòa nhà cao tầng để đáp ứng nhu cầu về chỗ ở và việc làm trong bối cảnh dân số tăng nhanh.

COVP, hay còn gọi là các tòa nhà chọc trời, là giải pháp hiệu quả cho vấn đề mật độ dân số và nhu cầu việc làm ngày càng tăng tại các đô thị lớn và siêu đô thị Khái niệm COVP đề cập đến các cao ốc có chức năng văn phòng, nằm ở trung tâm thành phố với mật độ dân số cao, và yêu cầu tối thiểu 20 tầng Những tòa nhà này thường cho nhiều doanh nghiệp thuê lại từng vị trí trên mỗi sàn, với diện tích được tính theo mét vuông.

Các hình thức nhà cao tầng và cao ốc đều là những khối công trình khép kín về hình khối và chức năng, bao gồm tường, sàn, trần, mái và cửa sổ Giao thông bên trong cao ốc chủ yếu dựa vào các phương tiện di chuyển theo trục đứng như thang máy và thang bộ Các cao ốc văn phòng (COVP) thường được thiết kế cho mục đích kinh doanh, với mỗi tầng được phân chia để hoạt động kinh doanh riêng lẻ, thường cho thuê hoặc bán các không gian nhỏ bên trong Những COVP này thường có chất lượng sử dụng và tiện nghi cao, với hệ thống HVAC và PCCC đầy đủ Thường thì, các COVP tập trung ở trung tâm thành phố, nơi có mật độ sử dụng cao.

Không phải tất cả các cao ốc đều chỉ có chức năng là văn phòng thương mại, mà còn có nhiều loại hình sử dụng khác nhau tùy thuộc vào tính chất an ninh và phòng cháy chữa cháy Theo chương 1 của cuốn sách "High-Rise Security and Life Safety", các loại hình sử dụng cao ốc bao gồm: Cao ốc văn phòng, nơi có cấu trúc cho thuê hoặc bán các văn phòng riêng lẻ; Tòa nhà khách sạn, cung cấp cơ sở hạ tầng cho chức năng ở và lưu trú; Cư xá và Chung cư, cung cấp chỗ ở ổn định với tiện nghi đầy đủ; và Tòa nhà hỗn hợp, kết hợp nhiều chức năng như văn phòng, căn hộ, khách sạn và nhà ở.

Trong luận văn này, khái niệm COVP được tập trung vào các dịch vụ văn phòng thuần túy và hỗn hợp, có thể phân loại thành hai nhóm chính: theo chiều cao tầng và theo kết cấu Theo chuyên gia F.R.Khan, độ cao của cao ốc ảnh hưởng lớn đến thiết kế, bố cục và nhu cầu sử dụng Ủy Ban nhà cao tầng Quốc tế đã phân loại nhà cao tầng tại hội nghị lần thứ 4 vào tháng 11/1990 thành bốn loại: Loại I từ 9 đến 16 tầng (H100m) Các tòa nhà trên 60 tầng được gọi là tháp hoặc nhà siêu cao tầng.

Vấn đề phân loại COVP được liệt kê theo Kết cấu, bao gồm 5 kiểu hình kết cấu chính được liệt kê như sau (Hình 1.16):

Hệ thống kết cấu khung giằng là giải pháp hiệu quả cho các tòa nhà từ thấp đến trung bình Nó bao gồm khung đứng bằng thép chịu lực thẳng đứng và giằng chéo để tăng cường khả năng chịu lực ngang.

Hệ thống kết cấu khung cứng (Rigid-frame structural system) là một giải pháp xây dựng hiệu quả, trong đó dầm và cột được thiết kế nguyên khối để chịu tải trọng và momen tác động Hệ thống này đặc biệt phù hợp cho các tòa nhà bê tông cốt thép, bao gồm cả các công trình như tòa nhà COVP Buji Kalifa Bên cạnh đó, khung cứng còn có khả năng chịu momen uốn và lực cắt, mang lại sự ổn định và bền vững cho công trình.

Hệ thống kết cấu khung tường (Wall-Frame System) là một cấu trúc kép, bao gồm tường và khung tương tác theo chiều ngang, nhằm tạo ra một hệ thống khung cứng hơn Các bức tường trong hệ thống này thường được thiết kế chắc chắn và được đặt ở những vị trí quan trọng như thang máy, giếng thang, hoặc ở trung tâm tòa nhà.

Hệ thống kết cấu tường cắt (Shear Wall System) thường được xây dựng tại lõi của tòa nhà, nhờ vào khả năng chịu tải từ trọng lực và tải trọng bên hiệu quả Tải trọng bên, là lực tác dụng song song với mặt đất, bao gồm các lực ngang như gió, động đất, nước và áp suất đất, khác với tải trọng lực, là lực thẳng đứng tác động xuống.

Hệ thống cấu trúc Core và Outtrigger được thiết kế để tăng cường độ cứng của công trình bằng cách kết nối lõi hoặc cột với các cột lân cận Hệ thống này hoạt động bằng cách liên kết các cấu trúc lại với nhau, giúp cải thiện khả năng chịu lực Loại hệ thống này thường được áp dụng cho các tòa nhà cao từ 70 tầng trở lên, nhờ vào hiệu quả chống chịu lực tốt hơn.

Trong luận văn, việc phân loại và quan tâm đến các kiểu hình mặt đứng của COVP là rất quan trọng Nghiên cứu của Edward Halaw đã chỉ ra rằng các mặt đứng COVP cần được xem xét kỹ lưỡng để hiểu rõ hơn về đặc điểm và ứng dụng của chúng.

Mặt đứng được phân loại theo hiệu năng sử dụng và chia thành 7 loại chính: Mặt tiền bằng đỏ (Stone façade), Mặt đứng bằng kim loại, Mặt đứng bằng kính (Glazing façade), Mặt đứng trồng cây xanh (Vegetated façade), Mặt đứng năng lượng mặt trời (Solar façade), Mặt đứng có vật liệu thay đổi theo chu kỳ (Phase change material), và Mặt đứng động học (Kinetic façade) Cấu trúc phân loại COVP theo kiểu hình mặt đứng này giúp COVP có những thay đổi về hiệu suất khác nhau, được trình bày trong Bảng 2.

Khái niệm và phân loại mặt đứng thích ứng

Trong thiết kế kiến trúc hiện đại, việc áp dụng hướng HQNL phụ thuộc vào nhiều yếu tố, trong đó VBC (vỏ bọc công trình) đóng vai trò quan trọng trong việc giảm thiểu tiêu thụ năng lượng VBC bao gồm tất cả các yếu tố của lớp vỏ bên ngoài, giúp duy trì môi trường trong nhà khô ráo, được sưởi ấm hoặc làm mát, đồng thời tạo điều kiện thuận lợi cho người sử dụng VBC được đặt ở mặt tiếp xúc giữa không gian bên trong và bên ngoài của tòa nhà Thiết kế MĐTU cũng là một phần quan trọng trong VBC, góp phần vào những tác động tích cực đến công trình, hướng tới giá trị bền vững và mục tiêu xây dựng nhà trung lập về năng lượng.

MĐTU trong thiết kế kiến trúc là hệ thống thích ứng đa chức năng, có khả năng thay đổi các tính năng và hành vi để đáp ứng yêu cầu về hiệu suất sử dụng, nhằm cải thiện hiệu quả năng lượng của công trình Hệ thống này đóng vai trò ngăn cách giữa bên trong và bên ngoài, giúp duy trì hoặc gia tăng các chức năng như điều kiện nhiệt, không khí, nước mưa, bức xạ mặt trời, tiếng ồn, trọng lượng, tính ổn định và thẩm mỹ của tòa nhà.

MĐTU có khả năng thích ứng với điều kiện môi trường, cho phép kiểm soát các yếu tố như trao đổi nhiệt bức xạ, khối lượng bức xạ nhiệt, thông gió tự nhiên, hấp thụ năng lượng, điều kiện chiếu sáng tự nhiên, che nắng và kiểm soát độ ẩm Điều này không chỉ giúp giải quyết ô nhiễm tiếng ồn đô thị mà còn giảm thiểu năng lượng sử dụng và phát thải CO2 trong các tòa nhà, đặc biệt là ở các nước phát triển và đang phát triển Để đối phó với những thách thức trong vận hành MĐTU, dự án Cost Action TU-1403 do Adaptive Façade Network khởi xướng vào năm 2014 tại Châu Âu đã ra đời nhằm chia sẻ nghiên cứu về công nghệ MĐTU.

Quá trình tổng hợp thông tin về đặc điểm môi trường cho thấy không có một kiểu hình hay cấu trúc chuyển động của MĐTU nào phù hợp cho tất cả các vị trí và loại hình công trình Mỗi đặc điểm khu vực hay hình thức mặt đứng sẽ yêu cầu những kiểu hình và cấu trúc MĐTU khác nhau.

MĐTU được phân loại thành nhóm tính chất như:

Mặt đứng vật liệu kính thích ứng (Adaptive Glazing Façade) là một giải pháp kiến trúc sử dụng các biến thể vật liệu và hình dáng kính khác nhau để phù hợp với điều kiện thời tiết Các thông số thay đổi được xác định dựa trên các đặc tính của kính như Tvis, giá trị G và giá trị U, giúp tối ưu hóa hiệu suất năng lượng và sự thoải mái cho người sử dụng.

Mặt đứng với vật liệu thay đổi theo chu kỳ (Phase Change Material Facade) là một giải pháp hiệu quả trong việc lưu trữ nhiệt năng ban ngày và giải phóng vào ban đêm, giúp sưởi ấm cho các khu vực có nhiệt độ thấp Loại vật liệu này không chỉ giảm mức tiêu thụ điện năng mà còn giảm nhu cầu sử dụng điện, mang lại lợi ích cho môi trường và tiết kiệm chi phí năng lượng.

Mặt đứng thích ứng năng lượng mặt trời (Adaptive Solar Façade) là một giải pháp mặt đứng thông minh, có tính năng modular, động năng và linh hoạt Thiết kế này không chỉ tối ưu hóa việc sử dụng năng lượng mặt trời mà còn mang lại tính thẩm mỹ cao cho các công trình hiện đại.

Hình dạng mặt đứng này dựa vào quỹ đạo di chuyển của mặt trời để điều chỉnh che chắn, giúp cân bằng ánh sáng tự nhiên và giảm thiểu năng lượng tiêu thụ do tác động làm nóng từ bức xạ mặt trời.

Hệ thống thích ứng chiếu sáng ban ngày (Adaptive Daylighting System) là công nghệ thu ánh sáng tự nhiên thông qua các thiết bị thu và khúc xạ ánh sáng, giúp tự động điều chỉnh mức độ ánh sáng xung quanh Hệ thống này có khả năng tiết kiệm từ 20-40% năng lượng tiêu thụ trong các công trình, tuy nhiên, để đạt hiệu quả tối ưu, cần có một hệ thống vận hành và điều khiển tốt.

Các kiểu hình MĐTU rất đa dạng, với mỗi KTS tạo ra giải pháp mới nhằm nâng cao chất lượng và hiệu quả của MĐTU Học viên đã khảo sát và tổng hợp thông tin từ nhiều nguồn đánh giá trong và ngoài nước, dựa trên các công bố khoa học về hệ thống phân loại MĐTU Những tiêu chí phân loại này được liệt kê trong Bảng 3, trình bày chi tiết về cấu trúc phân loại các kiểu hình MĐTU, bao gồm nguyên lý hoạt động, cơ chế phân loại theo cấu trúc chức năng và mục đích mà các MĐTU hướng đến Tuy nhiên, sự phát triển qua các giai đoạn khác nhau dẫn đến những kiểu hình MĐTU mới giải quyết các vấn đề tổng quát, điều này chưa được trình bày đầy đủ trong Bảng 3.

Trong các phân loại về mô hình điều trị ung thư (MĐTU), một trong những loại quan trọng là phân loại theo nguyên lý hoạt động, được trình bày chi tiết trong nghiên cứu của Amir Tabadkani.

Nghiên cứu này giới thiệu 10 kiểu hình MĐTU hiện có trong các công trình thực tế và nghiên cứu toàn cầu, được tổng hợp trong Bảng 4 Các kiểu hình MĐTU này bao gồm nhiều nội dung và ý nghĩa quan trọng.

Mặt đứng chủ động (Active façade) là một hệ thống sử dụng công nghệ tích hợp trong hệ thống VBC của tòa nhà mà không cần đến các thiết bị điện tử phức tạp Hệ thống này cho phép tự điều chỉnh các tham số bên trong và bên ngoài, giúp giảm tiêu thụ năng lượng mà không cần can thiệp từ con người Tuy nhiên, mặt đứng chủ động không có khả năng điều chỉnh các tiện nghi bên trong tòa nhà.

Bảo tàng trẻ em ở Pittsburgh là một trong những công trình đặc trưng với mặt đứng được tạo thành từ hàng ngàn tấm Aluminum Sự tác động của gió làm cho các tấm Aluminum này rung chuyển, tạo ra một cảnh quan quan sát độc đáo từ bên ngoài Hai công trình tiêu biểu cho loại hình kiến trúc hiện đại này được trình bày trong Hình 1.2.

Mặt đứng thụ động (Passive façade) được phát triển từ nguyên tắc thiết kế thụ động nhằm phản ứng với các điều kiện tự nhiên, tạo thành lớp bảo vệ cho tòa nhà trước thời tiết Các dạng mặt đứng hai lớp, như tường Trombe và các lớp đệm, giúp hấp thụ nhiệt mặt trời và tạo ra đối lưu tự nhiên cho không khí Nguyên lý đối lưu tự nhiên trong bức tường hai lớp thường được gọi là "Ống khói nhiệt - Solar chimney" Nghiên cứu về mặt đứng thụ động đã chỉ ra khả năng nâng cao hiệu quả thông gió tự nhiên Loại mặt đứng này là kết quả của quá trình thiết kế thụ động, với các đặc tính nhiệt giúp thích ứng tốt hơn Một ví dụ điển hình là Thư viện Morvaian tại Brno, Cộng hòa Czech, với cấu kiện mặt đứng hai lớp trên nhiều tầng của tòa nhà.

Tổng quan hiệu quả năng lượng

1.3.1 Khái niệm, lợi ích và giải pháp hiệu quả năng lượng

Công trình HQNL là thành phần thiết yếu trong KTBV, nhằm tạo ra các công trình tiết kiệm năng lượng và thân thiện với môi trường Nó tập trung vào việc tối ưu hóa tiêu thụ năng lượng và sử dụng năng lượng tái tạo, giảm thiểu tác động môi trường lên tòa nhà để hạn chế nhu cầu năng lượng HQNL được xác định bằng quá trình giảm thiểu tiêu thụ năng lượng trên mỗi mét vuông sàn sử dụng Theo tiêu chuẩn ISO 23045:2008, thiết kế và xây dựng công trình HQNL phải áp dụng các phương pháp tiếp cận toàn diện và giải pháp thiết kế thụ động, đảm bảo tiêu chuẩn chất lượng môi trường trong nhà cao nhất cho các hệ thống thiết bị liên quan, đặc biệt là hệ thống HVAC.

Các công trình năng lượng tái tạo (HQNL) không chỉ mang lại lợi ích kinh tế lớn mà còn có tác động tích cực đến môi trường Về mặt kinh tế, việc giảm thiểu năng lượng giúp giảm chi phí sử dụng điện, giảm quy mô trợ cấp chính phủ và nợ quốc gia, đồng thời giảm tải cho lưới điện quốc gia, tiết kiệm hàng tỷ đô la cho việc xây dựng nhà máy điện và tăng tính ổn định cho các phụ tải lưới điện Về môi trường, việc sử dụng HQNL góp phần giảm khí thải nhà kính (GHG), hỗ trợ mục tiêu quốc gia trong việc hạn chế tác động tiêu cực đến khí hậu.

17 biến đổi khí hậu toàn cầu, (ii) giảm lượng tiêu thụ nước sử dụng trong các nhà máy điện hơi nước [31]

Hiện nay, nhiều quốc gia trên thế giới đang hướng đến việc áp dụng khái niệm công trình trung hòa năng lượng (NZEBs) để đạt được hiệu quả sử dụng năng lượng hàng năm bằng 0 trong ngành công nghiệp xây dựng Khái niệm NZEBs được thúc đẩy thông qua chỉ thị về hiệu suất năng lượng trong công trình (EPBD recast) của Ủy ban châu Âu Bộ Năng lượng Hoa Kỳ (DOE) định nghĩa NZEB là tòa nhà có mức tiêu thụ năng lượng cực thấp, nơi năng lượng thực tế tiêu thụ từ lưới điện bằng hoặc thấp hơn năng lượng tái tạo mà tòa nhà tự sản xuất Theo Pless và Torcellini, có bốn loại chính của tòa nhà NZEB, bao gồm loại A và B sử dụng nguồn năng lượng tái tạo tại chỗ, trong đó loại A là thiết bị tái tạo trực tiếp trên công trình và loại B nằm trong khuôn viên công trình; loại C và D sử dụng nguồn năng lượng tái tạo bên ngoài công trình.

Trong các tòa nhà, năng lượng chủ yếu được sử dụng cho sưởi ấm, làm mát, thông gió, nước nóng, chiếu sáng và thiết bị gia dụng Để đạt được hiệu quả năng lượng tại lĩnh vực xây dựng, cần tập trung vào việc giải quyết vấn đề sưởi ấm và làm mát, vì đây là hai nguồn năng lượng tiêu thụ cao nhất Việc duy trì nhiệt độ ổn định trong công trình là rất quan trọng, và một giải pháp hiệu quả là sử dụng vật liệu thông minh như vật liệu cách nhiệt cho lớp vỏ bọc công trình Nhiều phương pháp có thể được áp dụng để đạt được hiệu quả năng lượng, bao gồm kiến trúc thụ động, thiết kế hệ thống kỹ thuật và quản lý hành vi sử dụng năng lượng Các giải pháp cụ thể như tường nhiều lớp, cửa sổ cách nhiệt, và mái cách nhiệt cũng được đề xuất nhằm tối ưu hóa hiệu suất năng lượng cho tòa nhà.

Luận văn này tập trung vào năm hệ thống giải pháp phổ biến được thống kê bởi W Feng, bao gồm thiết kế kiến trúc và VBC, hệ thống HVAC, hệ thống chiếu sáng, hệ thống trang thiết bị, và việc sử dụng các nguồn năng lượng tái tạo Nghiên cứu của W Feng cũng nhấn mạnh tầm quan trọng của một số giải pháp, đặc biệt là hệ thống VBC cao cấp, thông gió tự nhiên, và việc lắp đặt pin quang điện trên mái Những hệ thống giải pháp này được trình bày với các chức năng cụ thể nhằm tối ưu hóa hiệu quả năng lượng.

Thiết kế kiến trúc và vỏ bao che (VBC) tập trung vào việc tối ưu hóa mặt bằng sử dụng, nhằm giảm thiểu các góc ánh sáng bất lợi cho công trình Một trong những phương pháp quan trọng là sử dụng mái che, giúp hạn chế tác động tiêu cực từ việc truyền nhiệt qua vật liệu Các kiểu hình MĐTU cũng thuộc về thiết kế VBC và các thiết bị che chắn, được các chuyên gia trong ngành kiến trúc và kỹ thuật quan tâm Họ chú trọng đến các yếu tố trong VBC như kích thước cửa kính (WWR), hệ thống mái che, rèm và vật liệu xây dựng Nghiên cứu còn chỉ ra rằng việc áp dụng năng lượng xanh trên lớp VBC mang lại hiệu quả đáng kể, như việc kết hợp các mảng xanh trên mái và tường, cũng như các hệ thống vườn treo Các mảng xanh này không chỉ làm đẹp không gian mà còn giúp làm mát thông qua quá trình thoát hơi nước và quang hợp, với khả năng giảm tới 80% lượng nhiệt truyền qua mái vào mùa hè và giảm từ 2.2% đến 16.7% năng lượng tiêu thụ so với mái truyền thống.

Hệ thống HVAC và thông gió tự nhiên đóng vai trò quan trọng trong các công trình sử dụng HQNL và tòa nhà NZEBs, nhờ vào việc áp dụng các thiết bị HVAC hiện đại và chiến lược HQNL hiệu quả Nghiên cứu thực nghiệm cho thấy thông gió tự nhiên là giải pháp tối ưu giúp giảm thiểu tiêu thụ năng lượng và nâng cao hiệu quả sử dụng năng lượng trong các tòa nhà.

Các tòa nhà thải ra 19% CO2, điều này đòi hỏi các giải pháp thông gió hiệu quả Các phương pháp thông gió có thể bao gồm thông gió tự nhiên, sử dụng quạt và làm mát bức xạ để cải thiện chất lượng không khí trong công trình.

Hệ thống chiếu sáng là giải pháp tối ưu hóa ánh sáng tự nhiên và sử dụng chiếu sáng nhân tạo hiệu quả Các giải pháp chiếu sáng tập trung vào việc điều hướng và xử lý ánh sáng tự nhiên qua mặt tiền, đồng thời có thể sử dụng ống năng lượng mặt trời để đưa ánh sáng vào sâu bên trong Thiết kế và vận hành hệ thống chiếu sáng hợp lý cùng với các thiết bị che nắng sẽ cải thiện chất lượng môi trường nội thất (HQNL) tại các tòa nhà NZEB, mang lại sự thoải mái về thị giác cho người sử dụng.

Hệ thống quản lý phụ tải ổ cắm và trang thiết bị (Plug Load and Equipment

Phụ tải ổ cắm là nguồn năng lượng quan trọng trong quản lý năng lượng của tòa nhà, chiếm đến 1/3 nguồn năng lượng tái tạo theo báo cáo của EIA Các thiết bị ổ cắm hoạt động ổn định trong mọi điều kiện thời tiết và ít bị ảnh hưởng bởi các hệ thống khác trong tòa nhà Để tối ưu hóa phụ tải ổ cắm, có hai phương pháp chính: sử dụng thiết bị tiêu thụ điện năng thấp và kiểm soát hành vi sử dụng thiết bị Các định hướng và nhãn đánh giá như ASHRAE và Energy Star đã được phát triển để hướng dẫn việc quản lý này.

Lắp đặt hệ thống năng lượng tái tạo, đặc biệt là các tấm pin quang điện, đang trở thành giải pháp phổ biến để thay thế nguồn điện từ lưới điện quốc gia Các tấm pin này thường được gắn ở hướng Nam của các tòa nhà COVP nhằm tối ưu hóa việc thu năng lượng suốt cả ngày Bên cạnh đó, năng lượng gió cũng được khai thác để tạo ra nguồn năng lượng tái tạo, mặc dù việc này gặp nhiều hạn chế do tốc độ gió có thể không đủ để vận hành các turbin gió Một ví dụ điển hình là tòa nhà Pearl Tower tại Guangzhou, Trung Quốc, nơi đã lắp đặt 4 turbin gió ở vị trí trung tâm.

Việc tận dụng chiều cao của công trình bằng cách lắp đặt 20 trên nóc đã tạo ra 288.000 kWh, vượt trội hơn cả các giải pháp sử dụng pin quang điện Vấn đề sử dụng năng lượng tái tạo (HQNL) là một thách thức toàn cầu, đòi hỏi sự hợp tác từ nhiều cấp chức năng, bao gồm các tổ chức Chính phủ và Phi chính phủ như Cơ quan Năng lượng Quốc tế (IEA) và Phòng thí nghiệm Năng lượng Tái tạo Quốc gia (NREL) Những tổ chức này tập trung vào việc phát triển hệ thống sử dụng năng lượng bền vững (SDNL) hiệu quả cho các công trình Các đơn vị thiết kế và xây dựng đang hướng tới năm hệ thống giải pháp đã được nêu, nhằm tìm ra giải pháp phù hợp cho HQNL Hiện nay, mô hình đô thị thông minh (MĐTU) được nhiều cơ quan đề xuất để giảm thiểu tiêu thụ năng lượng trong công trình, đóng góp tích cực vào việc sử dụng HQNL.

1.3.2 Xu hướng thiết kế hiệu quả năng lượng trên Thế giới

Giảm thiểu sự phát thải CO2 và tiêu thụ năng lượng trong xây dựng là những thách thức quan trọng trong lĩnh vực này Toàn cầu đang hướng tới mục tiêu phát triển bền vững, với sự quan tâm lớn đến việc tiết kiệm năng lượng trong vận hành tòa nhà và nhà máy công nghiệp Theo báo cáo của IEA (2016), các thành phố tiêu thụ hai phần ba năng lượng toàn cầu và đóng góp 70% lượng phát thải CO2 vào năm 2013 Trong lĩnh vực công trình và xây dựng, tiêu thụ năng lượng lên đến 120 EJ, chiếm khoảng 30-40% so với các lĩnh vực khác như vận tải và sản xuất Các tòa nhà tiêu thụ nhiều điện năng cho sinh hoạt, bao gồm cả mục đích thương mại và dân cư, do đó, nâng cao hiệu quả năng lượng là cần thiết.

21 tại các công trình và giảm thiểu phát thải CO2 là chiến lược đầy tiềm năng cho PTBV của đô thị và toàn thế giới

Chiến lược phát triển bền vững (PTBV) hiện nay đang tập trung vào việc thúc đẩy các công trình sử dụng năng lượng thấp và nguồn năng lượng tái tạo (NLTT) Xu hướng phát triển công trình HQNL bắt nguồn từ phong trào phát triển CTX, bắt đầu từ năm 1990 tại Anh và 1991 tại Hoa Kỳ Đến năm 1993, xu hướng này đã trở thành một phong trào mạnh mẽ tại Hoa Kỳ, Canada và nhiều quốc gia phát triển khác Chủ tịch Hội đồng CTX Hoa Kỳ, Richard Fedrizzi, đã khẳng định rằng "Cuộc Cách mạng CTX đang diễn ra ở mọi nơi, mọi lúc", làm thay đổi thị trường bất động sản và lối sống cộng đồng, đồng thời là một phần của cuộc Cách mạng PTBV lớn hơn, có khả năng biến đổi môi trường xây dựng thông qua việc thúc đẩy sử dụng HQNL, nâng cao sức khỏe và giảm thiểu tác động tiêu cực của công trình lên cuộc sống đô thị và môi trường.

Theo đánh giá của HTĐG CTX LEED 2009, tiêu chí năng lượng và khí quyển (Energy and atmosphere) được xác định là 6 tín chỉ (Credit), chiếm 35 điểm trong tổng số 110 điểm đánh giá công trình xanh Tiêu chí này đã được nhiều quốc gia tham khảo để xây dựng tiêu chuẩn và công nhận các công trình xanh tại nước mình.

1.3.3 Xu hướng thiết kế HQNL ở Việt Nam và TP.Hồ Chí Minh

Tổng quan quá trình hình thành và phát triển kiến trúc COVP

1.4.1 Kiến trúc cao ốc văn phòng trên Thế giới

Kiến trúc COVP đang phát triển mạnh mẽ để đáp ứng nhu cầu về nơi ở và điều kiện làm việc cho người lao động, đặc biệt tại các thành phố lớn có dân số trên 10 triệu người Theo báo cáo của Hội đồng các tòa nhà cao tầng và môi trường sống đô thị (CTBUH), tính đến năm 2015, số lượng tòa nhà cao tầng và COVP có chiều cao trên 200m tập trung chủ yếu tại Trung Quốc (348 tòa), Hàn Quốc (48 tòa), cùng với một số quốc gia khác ở Châu Á, bao gồm cả Việt Nam.

Theo báo cáo của CTBUH, năm 2014 chứng kiến sự hoàn thành của 97 tòa nhà cao hơn 200 mét, tăng so với 81 tòa năm trước đó Tuy nhiên, đến năm 2020, số lượng này đã giảm xuống còn 106 tòa, giảm 20% so với năm 2019 và gần bằng số liệu của năm 2014 Sự giảm sút này được cho là ảnh hưởng của đại dịch Covid-19.

Các tòa nhà chọc trời, hay cao ốc, lần đầu tiên được định nghĩa trong khái niệm COVP (Công trình cao vượt trội) trên thế giới Tòa nhà cao mười tầng, với chiều cao hơn 137 ft, được xây dựng tại Chicago vào năm 1885 với kết cấu khung xương.

“Home Insurance Building” Cũng tại thời điểm này, các tòa nhà cao tầng bị phản đối

Một phương pháp hiệu quả để xây dựng các tòa nhà cao là sử dụng thép cuộn cho các phần chính theo chiều ngang và dọc, trong khi phần lớn các bức tường được hỗ trợ bởi khung thép ở các tầng.

Việc xây dựng cao ốc tại các trung tâm thành phố đã gây ra sự phá vỡ tính lịch sử và làm mất đi đường chân trời của các thành phố lớn Để khắc phục tình trạng này, chính phủ đã triển khai các chính sách quy hoạch nhằm đảm bảo sự phát triển của các công trình cao tầng mà vẫn giữ gìn được nét lịch sử của khu vực Sự phát triển của các công trình văn phòng cao tầng (COVP) tiếp tục diễn ra mạnh mẽ sau đó.

Tòa nhà Chrysler với 77 tầng cao 319m và tòa nhà Empire State có 102 tầng, chiều cao 381m, đã vượt qua Woolworth Building cao 241m và 55 tầng trước đó Hai công trình này không chỉ là biểu tượng của New York mà còn đóng vai trò quan trọng trong việc phát triển các tòa nhà siêu cao tầng ở Mỹ và trên toàn thế giới.

Quá trình phát triển kiến trúc COVP được chia thành 7 giai đoạn, như được trình bày trong công bố khoa học của Mousavi Các giai đoạn này không chỉ phản ánh sự tiến hóa của COVP mà còn liên quan chặt chẽ đến sự phát triển chung của phong cách kiến trúc Mỗi giai đoạn phát triển của COVP tương ứng với các học thuyết về phong cách kiến trúc khác nhau, tạo nên một bức tranh tổng thể về sự tiến bộ trong lĩnh vực này.

Giai đoạn một đánh dấu sự hình thành xu hướng COVP tại Chicago, với phong cách hiện đại tối giản và không cầu kỳ trong trang trí Đây cũng là nền tảng cho sự phát triển của các kiến trúc cao ốc trên toàn thế giới Phong cách này đã bắt đầu hình thành vào cuối thế kỷ XIX và đầu thế kỷ XX.

Vào thời điểm này, các kiến trúc sư nổi tiếng như Burnham, Adler, Le Baron Jenney và Sullivan đã tạo ra những thiết kế công trình cao tầng hiện đại tại Chicago Các công trình này mang dấu ấn của phong cách Art Nouveau, tiêu biểu là các tác phẩm của Louis Sullivan và Carson Pirie Scott Kiến trúc sư William Le Baron Jenny đã giới thiệu một kiểu kết cấu mới với khung xương thép, giúp tăng cường khả năng chịu lực cho công trình Để đảm bảo an toàn sử dụng, ông cũng đề xuất lớp phủ chịu nhiệt cho khung thép, nhằm chống lại các tác động từ lửa.

Giai đoạn hai của kiến trúc COVP tại New York diễn ra chỉ vài năm sau khi các tòa nhà cao tầng ở Chicago trở nên phổ biến Kiến trúc cao tầng ở Mỹ đã phát triển mạnh mẽ, phản ánh xu hướng đô thị hóa và nhu cầu về không gian sống và làm việc trong các thành phố lớn.

Dự án 25 được phát triển nhằm nâng cao hiệu suất sử dụng đất cho các tòa nhà cao tầng tại Chicago Vào thời điểm này, các công trình COVP áp dụng kết cấu khung (Frame structure) để tối ưu hóa khả năng sử dụng không gian.

Giai đoạn ba trong thiết kế COVP thể hiện sự tiến bộ về phong cách, đặc biệt là mối liên hệ giữa thời gian và không gian Giai đoạn này giao thoa với các phong cách nghệ thuật như Chủ nghĩa Lập thể, Chủ nghĩa Vị lai và Chủ nghĩa Kiến tạo Chủ nghĩa Kiến tạo và Vị lai đã tạo ra ý tưởng về việc kết hợp hai tòa nhà cao tầng, từ đó hình thành những không gian chức năng mới Phong cách mặt bằng của Antoneo San Elia trong thiết kế “New City” đặc trưng cho phong cách Vị lai, trong khi Alexander Vesnin và Yakov Chernikhov đại diện cho phong cách Kiến tạo.

Giai đoạn bốn của kiến trúc COVP theo chủ nghĩa Hiện đại nổi bật với các thiết kế của Mies Van der Rohe, Le Corbusier, Louis Kahn và Alvaro Aalto Các công trình trong giai đoạn này thường sử dụng kính và kim loại, thể hiện phương châm "ít tức là nhiều" (Less is more) Nghiên cứu cho thấy, mỗi kiến trúc sư trong giai đoạn này đều tạo ra mối liên hệ sâu sắc giữa kiến trúc và những đặc trưng riêng của mình, ví dụ như Alvaro Aalto với kiến trúc hiện đại hướng đến tự nhiên và văn hóa bản địa.

Giai đoạn năm là sự kế thừa từ những thiết kế của KTS Mies van der Rohe, với những công trình tiêu biểu như Sears Tower và tòa nhà John Hancock tại Chicago Thời kỳ này chứng kiến những đổi mới trong cấu trúc xây dựng, bao gồm tính toán tải trọng và các cấu trúc chịu kéo, chịu nén Đồng thời, các công trình theo thuyết kiến tạo cấp tiến (Radical Constructivism) cũng xuất hiện, điển hình là National Commercial Bank tại Jeddah Các công trình trong giai đoạn này thường được thiết kế với bề mặt kính hoàn toàn, tạo nên vẻ đẹp hiện đại và ấn tượng.

Giai đoạn sáu đánh dấu sự hình thành của mâu thuẫn trong kiến trúc Hậu hiện đại, đặc biệt qua tác phẩm của kiến trúc sư Robert Venturi Chủ nghĩa hậu hiện đại được thể hiện rõ nét qua tòa nhà Municipal Services do kiến trúc sư Michael Graves thiết kế tại New Orleans, với đầy đủ các đặc trưng của phong cách này.

Thực trạng hình thức kiến trúc cao ốc văn phòng tại TP.HCM

1.5.1 Đặc điểm mặt đứng kiến trúc COVP

Công trình COVP tại TP.HCM có thiết kế hình khối và mặt đứng đa dạng, mỗi kiểu hình mang lại những đặc điểm và chức năng riêng Khảo sát các công trình COVP tại Việt Nam cho thấy, kiến trúc hiện đại thường sử dụng vật liệu bề mặt như kính một lớp, đá, hoặc kính hai lớp.

Các công trình hiện đại như Sai Gon Trade Center, Diamond Plaza, Landmark 81, Deutches Haus và Vietcombank Center sử dụng nhiều vật liệu kính để đáp ứng nhu cầu thẩm mỹ và giá trị khu vực Trong khi đó, các công trình cổ điển và tân cổ điển như Leman Luxury Building và The Manor Building thường có tường dày và tỷ lệ diện tích kính so với tường (WWR) thấp hơn, nhằm mục đích trang trí.

Các kiểu hình mặt đứng khác cũng được ứng dụng rộng rãi trong kiến trúc văn phòng

Mặt đứng sử dụng vật liệu đá (Stone facade) là loại hình kiến trúc có tính chất đặc biệt với khả năng dãn nở thấp (Obaque facade), bao gồm nhiều biến thể như tường sử dụng đá cẩm thạch (Marble curtain wall) và tường ốp gạch (Brick masonry curtain wall) Tại TP.HCM, các công trình như Me Linh Point Tower, The Manor Building, Kumho Asiana Plaza Tower và Phượng Long 2 Building đã áp dụng loại mặt đứng này, với các tấm đá cẩm thạch ốp vào mặt tiền Vật liệu đá không chỉ mang lại vẻ đẹp bề thế cho công trình, thường được sử dụng trong các thiết kế Tân cổ điển, mà còn có khả năng che chắn tốt, hạn chế ánh sáng vào bên trong Tuy nhiên, việc sử dụng mặt đứng này cũng tiềm ẩn nguy cơ về an toàn cháy nổ Ở Việt Nam, kiểu mặt đứng này thường được áp dụng ở những hướng tiếp xúc nhiều với ánh sáng mặt trời nhằm giảm hiện tượng truyền nhiệt bức xạ qua kính, đồng thời có WWR thấp hơn nhiều so với các kiểu mặt đứng bằng kính (Glazing facade).

Mặt đứng vật liệu kim loại (Metal facade) là loại hình MĐ phổ biến trong các công trình COVP tại TP.HCM, bao gồm hai biến thể chính là tấm Nhôm (Aluminum) và vật liệu thép (Steel panel curtain wall) Tuy nhiên, loại mặt đứng này có hạn chế về khả năng chống biến dạng và độ bền không cao trong điều kiện khí hậu Việt Nam, thường thấy rõ sự xuống cấp sau vài năm Các vách ngăn kim loại được cấu tạo từ khung nhôm mỏng, bên trong chứa các tấm kính, kim loại hoặc đá mỏng, gắn vào cấu trúc tòa nhà mà không chịu tải trọng từ sàn hoặc mái Tấm Nhôm và Thép có khả năng cách nhiệt tốt nếu được thiết kế để giảm cầu nhiệt Việc sử dụng mặt đứng này không chỉ tạo hình hiện đại cho công trình mà còn giúp hạn chế bức xạ lan truyền vào bên trong Một số công trình tiêu biểu tại TP.HCM sử dụng mặt đứng vật liệu kim loại bao gồm 94 Golden Building và Ap Building (Điện Biên Phủ).

Mặt đứng Sử dụng vật liệu kính được ứng dụng khá rộng rãi trong các COVP tại

TP.HCM hiện có hai loại hình mặt đứng chính: mặt đứng 1 lớp và mặt đứng 2 lớp Hầu hết các công trình văn phòng hiện đại đều sử dụng kính vì tính thẩm mỹ và những ưu điểm của vật liệu này Một số công trình tiêu biểu với mặt đứng kính 1 lớp bao gồm Ree Tower, Landmark 81, Saigon Trade Center, Vincom Center Đồng Khởi và Vietcombank Tower Mặc dù mặt đứng kính 1 lớp có khả năng xuyên sáng cao, nhưng hiệu suất cách nhiệt kém dẫn đến sự không tiện nghi cho người sử dụng; tuy nhiên, có thể khắc phục bằng cách phủ lớp cách nhiệt để giảm bức xạ Mặt đứng 2 lớp mang lại hiệu quả tốt hơn về thông gió tự nhiên và hiệu suất nhiệt cao hơn, với công trình tiêu biểu như Deutsches Haus Tuy nhiên, cả hai loại mặt đứng này đều có nhược điểm như khả năng giãn nở kém và vấn đề vệ sinh khó khăn.

Mặt đứng xanh (Vegestable facade) ít được áp dụng cho các công trình cao tầng do khó khăn trong việc nuôi trồng ở độ cao, cùng với đó là kỹ thuật chăm sóc chưa phát triển.

Sử dụng mặt đứng của thực vật giúp giảm thiểu bức xạ và nâng cao hiệu suất nhiệt, mặc dù có thể làm giảm tuổi thọ của thực vật Giải pháp này đã được áp dụng thành công tại nhiều công trình thấp tầng trong và ngoài nước, nổi bật là Stacking Green House.

Mặt đứng BXMT (Solar facade), mặt đứng thay đổi chu kỳ (Phase change material) và mặt đứng động học (Kinetic facade) là những loại mặt đứng thích ứng được ứng dụng trong các công trình COVP tại Việt Nam và trên thế giới Những mặt đứng này nổi bật với khả năng thích nghi với môi trường, giúp giải quyết hiệu quả vấn đề tiết kiệm năng lượng (TTNL) và tiết kiệm chi phí năng lượng (TKNL) Tuy nhiên, hạn chế lớn nhất của các loại mặt đứng này là chi phí xây dựng và vận hành khá cao Công nghệ kỹ thuật, thi công và bảo trì cũng cần được chú trọng để đảm bảo hiệu quả hoạt động Tại Việt Nam, việc ứng dụng các mặt đứng này vẫn còn hạn chế, nhưng hiệu quả năng lượng mà chúng mang lại là rất lớn, ví dụ như mặt đứng thụ động dạng kính hai lớp tại tòa nhà Deutsches Haus, giúp thông gió tự nhiên thông qua quá trình trao đổi nhiệt giữa hai lớp kính.

1.5.2 Đặc điểm phân bố công trình COVP

TP.HCM là trung tâm văn hóa, kinh tế và tài chính của miền Nam, với các COVP chủ yếu tập trung tại các quận trung tâm như Quận 1, 2, 3, 4 và Bình Thạnh Khu vực này đã được quy hoạch bởi UBND TP.HCM từ năm 2012 Đặc biệt, đường Nguyễn Huệ nổi bật với hơn 30 cao ốc văn phòng cho thuê, trong khi đường Nguyễn Thị Minh Khai tại Quận 1 cũng có hơn 15 tòa nhà văn phòng lớn nhỏ như Sailing Tower và D&D Tower Ngoài ra, các tuyến đường như Lê Thánh Tôn, Nguyễn Công Trứ và Hàm Nghi cũng có nhiều COVP So với các khu vực khác như Quận 3 và Phú Nhuận, hai quận này có sự giáp ranh với Quận 1, tạo điều kiện thuận lợi cho việc phát triển văn phòng cho thuê trong tương lai.

Quận 1 hiện đang là trung tâm xây dựng chính tại TP.HCM, nhưng khu vực văn phòng cho thuê ở Quận Thủ Đức đang ngày càng trở nên quan trọng trong việc phân tán doanh nghiệp ra khỏi trung tâm Sự phát triển của hệ thống giao thông công cộng, đặc biệt là tàu điện ngầm Metro, hứa hẹn sẽ tạo cơ hội cho việc phân bổ dân cư và doanh nghiệp đều khắp khu vực phía Nam Với cơ cấu kinh tế đang chuyển dịch và tuyến Metro đi vào hoạt động, các công trình văn phòng có khả năng mở rộng tại các khu vực lân cận, đặc biệt là khu đô thị Thủ Thiêm, giúp nâng cao tiềm năng phát triển cho TP.Thủ Đức.

1.5.3 Phân loại công trình kiến trúc COVP

Tại TP.HCM, các công trình COVP được phân loại theo thứ hạng A, B, C dựa trên 26 tiêu chí được công bố trên diễn đàn nghiên cứu Moscow Phân loại này bao gồm các nhóm danh mục như Hệ thống Kỹ thuật Tòa nhà, Cấu trúc Tòa nhà, Vị trí, Bãi đậu xe, Quyền sở hữu và Dịch vụ Quản lý Tài sản & Người ở Một điểm mới quan trọng là Chứng nhận, trong đó có chứng nhận trung tâm kinh doanh theo các tiêu chuẩn HQNL quốc tế như BREEAM và LEED Các yêu cầu phân loại văn phòng ngày càng nghiêm ngặt, với bảy tiêu chí bắt buộc như: hệ thống quản lý tòa nhà (hạng B+), hệ thống HVAC (hạng B-), thời gian chờ thang máy không quá 30 giây (hạng A), chiều cao trần tối thiểu 2,7 mét (hạng B+), độ sâu sàn không quá 10 mét từ cửa sổ đến lõi tấm sàn (hạng A), hệ số tổn thất không quá 12% (hạng B+) và khu vực tiếp tân được tổ chức hiệu quả (hạng A) Phân loại này đã được tổng hợp trong Bảng 6.

Các COVP tại Việt Nam hoạt động chủ yếu dưới hai hình thức: Văn phòng cho thuê và Trụ sở chính (Vietcambanl Tower) Do đó, COVP có thể được phân loại dựa trên chức năng của chúng.

COVP đơn thuần có chức năng là một văn phòng làm việc được thuê bởi các tập đoàn

Một số công trình văn phòng tiêu biểu tại Việt Nam bao gồm Vietcombank Tower, AB Tower và President Place Bên cạnh đó, các công trình đa chức năng (mix-used) như Sai Gon Centre 1 cũng nổi bật, cho phép kết hợp nhiều chức năng khác nhau như trung tâm thương mại, chung cư và khách sạn.

2 Trong nhiều năm trở lại đây, các COVP còn được phân loại theo các HTĐG CTX như Leed, Green Mark… Có thể kể đến các công trình điển hình như President Place (chứng chỉ Leed Gold), Etown Central (chứng chỉ Leed Gold), Deutsches Haus (chứng chỉ Leed Platinum) (Bảng 6)

Trong chương 1, bài viết cung cấp cái nhìn tổng quan về kiến trúc COVP, bao gồm kiến trúc HQNL và kiến trúc MĐTU Những khái niệm này có mối liên hệ chặt chẽ trong việc hướng tới xây dựng bền vững và phát triển bền vững (PTBV) Bên cạnh đó, bài viết cũng trình bày một cách toàn diện về kiến trúc COVP tại Việt Nam và trên thế giới, tạo nền tảng cho sự phát triển và xây dựng bền vững trong tương lai.

CƠ SỞ KHOA HỌC CHO VIỆC ĐỀ XUẤT GIẢI PHÁP KIẾN TRÚC MẶT ĐỨNG THÍCH ỨNG TẠI TP.HCM THEO HƯỚNG HQNL

CÁC GIẢI PHÁP KIẾN TRÚC MẶT ĐỨNG THÍCH ỨNG