Tài liệu Luận án tiến sĩ ứng dụng hình học fractal trong thiết kế tổ hợp kiến trúc tại việt nam

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC XÂY DỰNG HÀ NỘI LÊ THỊ PHƯƠNG CHI ỨNG DỤNG HÌNH HỌC FRACTAL TRONG THIẾT KẾ TỔ HỢP KIẾN TRÚC TẠI VIỆT NAM Chuyên ngành: Kiến trúc Mã số: 9580101 LUẬN ÁN TIẾN SĨ Hà Nội - Năm 2022 1 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC XÂY DỰNG HÀ NỘI LÊ THỊ PHƯƠNG CHI ỨNG DỤNG HÌNH HỌC FRACTAL TRONG THIẾT KẾ TỔ HỢP KIẾN TRÚC TẠI VIỆT NAM Chuyên ngành: Kiến trúc Mã số: 9580101 NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC 1. GS.TS. DOÃN MINH KHÔI 2. PGS.TS. ĐẶNG VĂN CỨ Hà Nội - Năm 2022 i LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan: Đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi. Các số liệu kết quả nghiên cứu trong luận án là trung thực và chưa từng được ai công bố trong bất kỳ công trình khoa học nào. Tôi xin chịu trách nhiệm về tính xác thực của các kết quả nghiên cứu được công bố trong luận án này. Nghiên cứu sinh LÊ THỊ PHƯƠNG CHI LÊ THỊ PHƯƠNG CHI ii LỜI CẢM ƠN Tôi xin chân thành cảm ơn Trường Ðại học Xây dựng Hà Nội, Khoa Kiến trúc và Quy hoạch, Phòng Quản lý Đào tạo, Phòng Khoa học và Công nghệ, Viện kiến trúc và Quy hoạch UAI, Bộ môn Kiến trúc dân dụng, Bộ môn Hình họa - Vẽ kỹ thuật và các nhà khoa học trong lẫn ngoài trường đã hỗ trợ, giúp đỡ tôi trong suốt thời gian qua. Tôi xin đặc biệt bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới GS.TS Doãn Minh Khôi và PGS.TS Đặng Văn Cứ là những người thầy đã hết lòng hướng dẫn, giúp đỡ tôi hoàn thành nghiên cứu này. Tôi cũng chân thành cảm ơn toàn thể bạn bè, đồng nghiệp và nhất là gia đình đã luôn sát cánh bên tôi, ủng hộ, động viên, khích lệ tôi hoàn thành luận án. Tác giả luận án Nghiên cứu sinh LÊ THỊ PHƯƠNG CHI iii MỤC LỤC Trang phụ bìa LỜI CAM ĐOAN……………………………………………………………………i LỜI CẢM ƠN……………………………………………………………………….ii MỤC LỤC……………………………………………………………………….….iii DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT……………………………………………....vii DANH MỤC CÁC BẢNG………...…………………………………………........viii DANH MỤC CÁC SƠ ĐỒ……………………………………………...………......ix DANH MỤC CÁC HÌNH……………………………………………………………x MỞ ĐẦU 1. Lý do chọn đề tài……............................................................................................1 2. Mục đích và mục tiêu nghiên cứu...........................................................................2 3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu..........................................................................3 4. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài nghiên cứu…...........................................3 5. Phương pháp nghiên cứu .......................................................................................4 6. Các đóng góp mới của luận án................................................................................5 7. Cấu trúc của luận án…………………...................................................................6 8. Giải thích một số khái niệm và thuật ngữ sử dụng trong luận án.............................6 CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ ỨNG DỤNG HÌNH HỌC FRACTAL TRONG TỔ HỢP KIẾN TRÚC 1.1. Tổng quan về sự hình thành và phát triển của hình học Fractal…….……...9 1.1.1. Quá trình ra đời, phát triển của hình học Fractal.................................................9 1.1.2. So sánh sự khác biệt giữa hình học Fractal, hình học Euclid và hình học Topo..........................................................................................................................10 1.1.3. Hình học Fractal trong đồ họa máy tính...........................................................14 1.2. Tình hình ứng dụng hình học Fractal trong thiết kế tổ hợp kiến trúc trên thế giới và tại Việt Nam. ……………..……………….…………………..……….16 1.2.1. Tình hình ứng dụng hình học Fractal trong thiết kế tổ hợp kiến trúc trên thế iv giới ............................................................................................................................16 1.2.2. Thực trạng ứng dụng hình học Fractal trong thiết kế tổ hợp kiến trúc tại Việt Nam ..........................................................................................................................29 1.2.2.1. Biểu hiện của hình học Fractal trong kiến trúc cổ Việt Nam..............29 1.2.2.1. Biểu hiện của hình học Fractal trong kiến trúc hiện đại Việt Nam.....31 1.3. Tổng quan các công trình nghiên cứu có liên quan.……………...………….38 1.4. Nhận xét chung và vấn đề đặt ra cho nghiên cứu…………………..………..42 1.4.1. Nhận xét chung................................................................................................42 1.4.2. Vấn đề đặt ra cho nghiên cứu...........................................................................43 CHƯƠNG 2. CƠ SỞ KHOA HỌC ỨNG DỤNG HÌNH HỌC FRACTAL TRONG TỔ HỢP KIẾN TRÚC TẠI VIỆT NAM 2.1. Cơ sở lý thuyết...................................................................................................44 2.1.1. Cơ sở lý thuyết về tổ hợp hình học Fractal........................................................44 2.1.1.1. Phương pháp tạo hình Fractal theo tư duy hình khởi tạo - hình phát sinh.................................................................................................................44 2.1.1.2. Các đặc điểm của tổ hợp hình học Fractal.........................................46 2.1.1.3. Một số tổ hợp hình học Fractal căn bản.............................................48 2.1.1.3. Một số hình thức phân loại trong hình học Fractal............................51 2.1.2. Cơ sở lý thuyết về tổ hợp kiến trúc...................................................................53 2.1.2.1. Ngôn ngữ và quy luật tạo hình của tổ hợp kiến trúc............................53 2.1.2.2. Đặc điểm của tổ hợp kiến trúc............................................................53 2.1.2.3. Phép phát triển của tổ hợp kiến trúc...................................................58 2.1.2.4. Phép biến thể của tổ hợp kiến trúc…..................................................60 2.1.3. So sánh giữa tổ hợp hình học Fractal và tổ hợp kiến trúc..................................61 2.1.3.1. Sự tương thích. ..................................................................................61 2.1.3.2. Sự khác biệt........................................................................................66 2.2. Cơ sở bài học kinh nghiệm thực tiễn……………………………………….. 69 2.2.1. Các tiêu chí phân loại và căn cứ ứng dụng hình học Fractal từ thực tiễn...........69 2.2.2. Kinh nghiệm thiết kế tổ hợp theo cấp độ ứng dụng linh hoạt hình học Fractal........................................................................................................................69 v 2.2.2.1. Ứng dụng nguyên mẫu ......................................................................71 2.2.2.2. Ứng dụng sáng tạo............................................................................ 72 2.2.2.3. Ứng dụng linh hoạt, tự do..................................................................73 2.2.3. Kinh nghiệm thiết kế tổ hợp kiến trúc theo sự phát triển linh hoạt hình thái kiến trúc. .......................................................................................................................... 76 2.2.3.1.Kiến trúc phát triển theo chiều rộng...................................................76 2.2.3.2. Kiến trúc phát triển theo chiều cao....................................................77 2.2.3.3. Kiến trúc phát triển theo khối lớn.......................................................79 2.2.4. Kinh nghiệm thiết kế tổ hợp kiến trúc theo khả năng phát triển linh hoạt phong cách kiến trúc.............................................................................................................80 2.2.4.1.Kiến trúc hữu cơ, phỏng sinh học.......................................................80 2.2.4.2. Kiến trúc dựa theo tạo hình truyền thống...........................................82 2.2.4.3. Kiến trúc công nghệ...........................................................................83 2.3. Các yếu tố tác động tới việc ứng dụng hình học Fractal vào tổ hợp kiến trúc tại Việt Nam……………………………………………………………………….85 2.3.1. Điều kiện tự nhiên…………………………………........................................85 2.3.2. Yếu tố văn hóa xã hội, con người………….....................................................87 2.3.3. Sự phát triển của công nghệ .............................................................................90 2.4. Cơ sở pháp lý và nhu cầu ứng dụng hình học Fractal vào tổ hợp kiến trúc tại Việt Nam…………………………...………......................................................92 2.5. Khái quát những vấn đề chính trong xây dựng cơ sở khoa học.....................94 CHƯƠNG 3. ĐỀ XUẤT ỨNG DỤNG HÌNH HỌC FRACTAL TRONG THIẾT KẾ TỔ HỢP KIẾN TRÚC 3.1. Quan điểm, nguyên tắc ứng dụng....................................................................95 3.1.1. Quan điểm........................................................................................................95 3.1.2. Nguyên tắc.......................................................................................................96 3.2. Đề xuất các giải pháp ứng dụng hình học Fractal trong thiết kế tổ hợp kiến trúc............................................................................................................................98 3.2.1. Đề xuất phạm vi ứng dụng hình học Fractal trong thiết kết tổ hợp kiến trúc tại Việt Nam...................................................................................................................98 vi 3.2.2. Đề xuất ứng dụng hình học Fractal trong các phương pháp thiết kế tạo hình kiến trúc ....................................................................................................................99 3.2.2.1. Tạo hình bằng phương pháp biến đổi tổ hợp hình học Fractal...........99 3.2.2.2. Tạo hình bằng phương pháp tổ hợp dạng lưới hình học Fractal......103 3.2.2.3. Đề xuất tạo hình ứng dụng bằng ngôn ngữ máy tính........................107 3.2.3. Đề xuất ứng dụng hình học Fractal trong triển khai các giai đoạn thiết kế .....113 3.2.3.1. Giai đoạn 1 - Thiết kế ý tưởng..........................................................113 3.2.3.2. Giai đoạn 2 - Thiết kế sơ bộ..............................................................115 3.2.3.3. Giai đoạn 3 - Thiết kế chi tiết........................................................... 125 3.3. Ứng dụng hình học Fractal trong thiết kế tổ hợp kiến trúc - trường hợp trung tâm văn hóa quận Nam Từ Liêm, Hà Nội, Việt Nam................................128 3.3.1. Giới thiệu dự án .............................................................................................128 3.3.2. Thiết kế ý tưởng (giai đoạn 1)........................................................................129 3.3.3. Thiết kế sơ bộ (giai đoạn 2)............................................................................131 3.3.3.1. Giải pháp tạo hình Fractal ứng dụng để khai triển tổ hợp.....................131 3.3.3.2. Giải pháp ứng dụng tạo hình Fractal trong bước triển khai tổ hợp.......132 3.3.4. Thiết kế chi tiết (giai đoạn 3) )........................................................................135 3.4. Đánh giá và bàn luận về kết quả nghiên cứu.................................................139 KẾT LUẬN ...........................................................................................................143 Kết luận...................................................................................................................143 Kiến nghị.................................................................................................................145 DANH MỤC CÁC BÀI BÁO KHOA HỌC ĐÃ CÔNG BỐ CỦA TÁC GIẢ....146 TÀI LIỆU THAM KHẢO ....................................................................................147 PHỤ LỤC vii DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT Ctr: Công trình Ds: Kích thước tự đồng dạng NCS: Nghiên cứu sinh KTS: Kiến trúc sư SV: Sinh viên THHH: Tổ hợp hình học THKT: Tổ hợp kiến trúc TMB : Tổng mặt bằng VD: VD viii DANH MỤC CÁC BẢNG Bảng 1.1. So sánh hình học Fractal với hình học Euclid và Topo Bảng 2.1. Hệ thống quy luật tạo hình tổ hợp kiến trúc Bảng 2.2. Các dạng bố cục trong hình học Fractal và tổ hợp kiến trúc kèm VD Bảng 2.3. Tóm tắt các yếu tố tự nhiên theo vùng miền Việt Nam Bảng 3.1. Tóm tắt, đánh giá các phương pháp tạo hình dựa theo hình học Fractal đã đề xuất Bảng 3.2. Nguyên tắc thiết lập hai tạo hình ứng dụng Fractal cho giải pháp kết hợp lập trình Bảng 3.3. Kết quả quá trình thử nghiệm tạo hình và biến thể trên máy tính Bảng 3.4. Một số dạng triển tổ hợp Fractal từ hình khởi tạo gốc là hình vuông. phù hợp các kiểu bố cục kiến trúc Bảng 3.5. Thống kê các hạng mục công trình nhà văn hóa ix DANH MỤC CÁC SƠ ĐỒ Sơ đồ 2.1. Giải pháp ứng dụng nguyên mẫu hình học Fractal trong thiết kế tổ hợp kiến trúc quảng trường Federation Melbourn, Australia Sơ đồ 2.2. Giải pháp ứng dụng sáng tạo hình học Fractal trong thiết kế tổ hợp kiến trúc Bảo tàng Louvre Abu Dhabi Sơ đồ 2.3. Giải pháp ứng dụng sáng tạo hình học Fractal trong thiết kế tổ hợp kiến trúc dự án Housing Block Moscow Sơ đồ 2.4. Giải pháp ứng dụng linh hoạt tự do hình học Fractal trong thiết kế tổ hợp Khu nhà ở thu nhập thấp Belapur Sơ đồ 2.5. Giải pháp ứng dụng công trình "khách sạn hoa sen” - “Lotus hotel" trên sa mạc thiết kể bởi Plat Architects Sơ đồ 2.6. Mối quan hệ giữa hình học Fractal - Tự nhiên - Kiến trúc Sơ đồ 2.7. Giải pháp ứng dụng hình học Fractal trong tổ hợp công trinh Sơ đồ 3.1. Các giai đoạn chính trong thiết kế tổ hợp kiến trúc Sơ đồ 3.2. Các cấp độ ứng dụng hình học Fractal trong thiết kế kiến trúc Sơ đồ 3.3. Phạm vi ứng dụng hiệu quả hình học Fractal trong THKT tại Việt Nam Sơ đồ 3.4. Hệ thống một số bước và nhóm lệnh hỗ trợ tạo hình ứng dụng Fractal trong các phần mềm đồ họa kiến trúc phổ thông tại Việt Nam hiện nay Sơ đồ 3.5. Giải pháp tạo hình Fractal ứng dụng nhiều phần mềm đồ họa Sơ đồ 3.6. Đề xuất quy trình tạo hình ứng dụng Fractal kết hợp giải pháp lập trình Sơ đồ 3.7. Sơ đồ xây dựng Lệnh GhepLuoi_Vuong Sơ đồ 3.8. Sơ đồ xây dựng Lệnh Dragon block Sơ đồ 3.9. Định hướng ứng dụng hình học Fractal trong giai đoạn 1: Thiết kế ý tưởng Sơ đồ 3.10. Ứng dụng hình học Fractal trong giai đoạn 2: Thiết kế sơ bộ Sơ đồ 3.11. Xây dựng THHH dựa trên nguyên lý đồng dạng Fractal, ứng dụng cho khai triển THKT Sơ đồ 3.12. Ứng dụng hình học Fractal trong giai đoạn 3: thiết kế chi tiết Sơ đồ 3.13. Sự liên hệ giữa ý tưởng tạo hình và giải pháp tạo hình ứng dụng x DANH MỤC CÁC HÌNH Hình 0.1.VD về tổ hợp hình học Fractal trong toán học và tự nhiên ………….…..….7 Hình 02. VD tổ hợp dạng gạch chong chóng từ một số hình khối đơn giản và ứng dụng thực tiễn cụ thể…………………………………………………………………8 Hình 1.1. Một số VD ứng dụng của hình học Fractal ………………………..……...10 Hình 1.2. Một số VD về các loại hình ảnh đồ họa nghệ thuật Fractal……..………..15 Hình 1.3 Đền Kandariya Mahadeva, Ấn độ với kiến trúc đền núi với các biểu hiện của hình học Fractal ………………………………………………………………..16 Hình 1.4. Mặt bằng Palmer House của Frank Lloyd Wright………………………..17 Hình 1.5. Sơ đồ hợp khối đồng dạng và mô hình tòa nhà 11A của Peter Eisenman....18 Hình 1.6. Bọt biển Menger và tòa nhà Lideta mercato của Xavier Vilalta …………18 Hình 1.7. Tam giác Sierpinksi và Bảo tàng quốc gia Ai Cập……………………….19 Hình 1.8. Phương án thiết kế bảo tàng xoắn ốc V&A của Daniel Libeskind và sơ đồ THHH Fractal áp dụng cho bề mặt công trình……………………………………....21 Hình 1.9. Công trình Serpentine Gallery Pavilion 2002 và thiết kế sơ đồ lưới dạng Fractal áp dụng cho cấu trúc vỏ bao che…………………………….………………22 Hình 1.10. VD một số công trình hiện đại với phân vị mặt tiền phức tạp….….…….22 Hình 1.11. Trung tâm nghiên cứu hóa dầu King Abdullah………….………………23 Hình 1.12. Hệ giàn mái bảo tàng "The Louvre" ở Abu Dhabi ……………………....24 Hình 1.13. Sân bay Mumbai, Ấn Độ………………………………………………..25 Hình 1.14. Cấu trúc dạng Fractal của tháp Eiffel……………………………………25 Hình 1.15. Dự án "Monalisa Pavilion" và ý tưởng tổ hợp từ hình học Fractal………26 Hình 1.16. Kiến trúc lớn trên thế giới khai thác cấu trúc hình học có tính Fractal….27 Hình 1.17. Minh họa sự tương đồng giữa cấu trúc dạng lưới Fractal trong tự nhiên và kiến trúc……………………………………………………………………….……27 Hình 1.18. Minh họa sự tương đồng giữa tổ hợp lưới dạng Fractal trong tự nhiên và cấu trúc vỏ bề mặt phương án tháp sinh học…………………..…………………….28 Hình 1.19. Mặt đứng cổng vào nhà thờ Phát diệm và các chi tiết mang tinh đệ quy...29 Hình 1.20. Mặt đứng tháp Po Klong Garai và chi tiết mái vòm được lặp lại………...30 xi Hình 1.21. Mặt đứng nhà thờ lớn Hà Nội và hệ cửa vòm đồng dạng……………….31 Hình 1.22. Cầu thép Long Biên, Hà nội (1902).…………………………….……....31 Hình 1.23. Kiến trúc nội ngoại thất của trường đại học RMIT-thành phố Hồ Chí Minh và thảm Sierpinski trong hình học Fractal …….…………………………….….…..32 Hinh 1.24. Bảo tàng Hà nội. …………………………………………………….…33 Hình 1.25. Tòa nhà quốc hội Việt Nam với phân vị đứng đồng dạng……………….33 Hình 1.26. Cấu trúc lược Cantor trong hình học Fractal và kiến trúc đại học FPT (TP. Hồ Chí Minh) …………………………………………………...……..…………...34 Hình 1.27. Mặt bằng và mặt đứng công trình Vietnam Pavillion tại triển lãm Milan 2015. …………………………………………………………………...…………..34 Hình 1.28. Kiến trúc công trình Naman Spa do MIA thiết kế năm 2015. ……….......35 Hình 1.29. Kiến trúc công trình Straw Pavilion do MIA thiết kế năm 2021……….36 Hình 1.30. Một số kiến trúc hiện đại Việt Nam với mặt tiền ứng dụng tạo hình đồng dạng………………………………………………………………………...………37 Hình 1.31. Đề xuất ứng dụng thiết kế hình dạng mặt đứng và mặt bằng kiến trúc theo nhịp điệu có tính Fractal trong âm nhạc của Carl Bovill………………………….....38 Hình 1.32. Thiết kế tổ hợp nhà tháp dựa trên hình học Fractal của James Harris…..39 Hình 1.33. Phương án thiết kế kế tấm chắn nắng ứng dụng hình học Fractal theo phương pháp thiết kế tham số của Maycon Sedrez và cộng sự……………………..40 Hình 1.34. Phương án thiết kế mái dựa trên hình học Fractal của Iasef Rian……..…41 Hình 2.1. VD về Hình khởi tạo, hình phát sinh, mức trong tam giác Sierpinski…….44 Hình 2.2. VD về tạo ra biến thể ngẫu nhiên trong quá trình xây dựng thảm Sierpinski…………………………………………………...……………………...45 Hình 2.3. Cảnh quan đồ họa dựa trên nguyên tắc hình học Fractal …………………45 Hình 2.4. VD về hình dạng bất thường của Fractal trong tự nhiên và toán học……..46 Hình 2.5. Một số VD về tính chất tự đồng dạng của Fractal……………………….47 Hình 2.6. Quá trình xây dựng Đường Von Kock………………………….……….49 Hình 2.7. Quá trình xây dựng Đường Minkowski………………………....……….49 Hình 2.8. Quá trình xây dựng Tam giác Sierpinski…………………………...……49 Hình 2.9. Quá trình xây dựng Thảm Sierpinski……………………………....…….50 xii Hình 2.10. Qúa trình xây dựng Bọt biển Menger ………………………….……....50 Hình 2.11. VD phân loại Fractal theo mức độ tự đồng dạng………………………...51 Hình 2.12. VD đồng dạng thống kê ………………………………………………..51 Hình 2.13. VD phân loại Fractal theo quy luật đồng dạng…………………….…….52 Hình 2.14. Minh họa tổ hợp kiểu tập trung ……..……………………………..……54 Hình 2.15. Minh họa tổ hợp kiểu chuỗi. ……………………………………..…….55 Hình 2.16. Minh họa tổ hợp kiểu hành lang. ………………………………….…….55 Hình 2.17. Minh họa tổ hợp kiểu đơn nguyên, phân đoạn . …………………………56 Hình 2.18. Sự biểu cảm của tổ hợp kiến trúc dưới tác động của yếu tố hình học….....57 Hình 2.19. Một số VD về áp dụng các biện pháp thẩm mỹ trong kiến trúc …………58 Hình 2.20 VD sơ đồ phát triển tổ hợp một phương án nhà hát ……………………...59 Hình 2.21. Sự phát triển tổ hợp dựa trên yếu tố điển hình và cá biệt ………………..59 Hình 2.22. VD các dạng biến thể tổ hợp…………………………………….…..…..60 Hình 2.23. Minh họa các hình thức tạo ra biến thể trong THKT ……………….…...60 Hình 2.24. VD các tổ hợp Fractal phân theo ngôn ngữ tổ hợp.……………………...61 Hình 2.25. VD về xây dựng các tổ hợp Fractal từ dạng hình học căn bản…………...62 Hình 2.26.VD nguyên lý liên kết của tổ hợp KT thể hiện trong tổ hợp Fractal.…...63 Hình 2.27. VD minh họa về sự tương đồng của hình học Fractal với phát triển THKT........................................................................................................................64 Hình 2.28. Các biến thể từ hoa tuyết Kock khi thay đổi phương của yếu tố phát sinh.65 Hình 2.29. Một số phương án THKT bắt nguồn từ tổ hợp căn bản của hình học Fractal ...........................……...…………………………………………………….67 Hình 2.30. Hoa tuyết Kock và các THKT nhà ở phát triển dựa theo tổ hợp này.…….68 Hình 2.31. VD hình thức tổ hợp công trình cao tầng thông thường……………........77 Hình 2.32. Một số VD minh họa kinh nghiệm ứng dụng hình học đồng dạng trong thiết kế nhà cao tầng…………………………….…………………………………..78 Hình 2.33. VD về phân vị diện bao ngoài của các công trình có khối tích lớn…….79 Hình 2.34. Yếu tố tự nhiên phân theo ngôn ngữ tổ hợp: điểm, tuyến, diện, khối…..80 Hình 2.35. VD về hình học Fractal trong kiến trúc cổ đặc trưng theo khu vực trên thế giới............................................................................................................................82 xiii Hình 2.36. VD minh họa kiến trúc đồng dạng cách điệu truyền thống....…….........83 Hình 2.37. Một số phương án thiết kế áp dụng hình học Fractal vào kết cấu..............83 Hình 2.38. Một số họa tiết thổ cẩm truyền thống của các dân tộc Việt Nam...............87 Hình 2.39. Một số dạng kiến trúc nhà ở các dân tộc Việt Nam...................................88 Hình 2.40. Công trình bảo tàng Đắk Lắk...................................................................89 Hình 2.41. Một số thức cột của nhà thiết kế Michael Hansmeyer được tạo ra nhờ áp dụng hình học Fractal trong đồ họa và công nghệ in 3D ............................................92 Hình 2.42. Mặt tiền chắn nắng tổ hợp kiến trúc tại Việt Nam được tạo ra từ công nghệ cắt CNC (ảnh chụp đường phố Hà Nội).....................................................................92 Hình 3.1. VD về sự khác biệt giữa kẻ ô đều và phân ô đồng dạng ..............................97 Hình 3.2. VD về ứng dụng phương pháp tạo hình biến đổi dần ....………...............100 Hình 3.3. VD về ứng dụng phướng pháp tạo hình biến đổi tổng thể với tổ hợp Sierpinski theo ở dạng 2D và 3D .............................…...…….................................101 Hình 3.4. VD về ứng dụng phướng pháp tạo hình biến đổi bộ phận với tổ hợp thảm Sierpinski ……………………………………………………………….......….…101 Hình 3.5. Phát triển hình khối nhà tháp theo phương pháp “ hạt giống lõi mở rộng” từ 1 tổ hợp gốc là hình nhỏ. ………………………………………………….……102 Hình 3.6. Biến đổi tạo hình theo nhịp điệu Fractal …………...……………………103 Hình 3.7. VD về cách tạo thành 1 sơ đồ lưới phức tạp ứng dụng phương pháp kéo dài cạnh ………………………………………………………………...….…….…...104 Hình 3.8. VD về cách tạo thành 1 sơ đồ lưới phức tạp nhờ ghép cạnh ngẫu nhiên các module vuông lệch tâm…………………………………………………….....…...105 Hình 3.9. Các hình thức phân mảng dựa trên ghép module tam giác …..………...105 Hình 3.10. VD một số tiết diện lưới đồng dạng Fractal được tạo ra từ tiết diện hình khởi tạo bất thường ……………………………………..……………………..….117 Hình 3.11. VD minh họa ứng dụng một tổ hợp phân nhánh Fractal dạng tia cho tìm ý thiết kế TMB trường học trên quy mô và hình dạng khu đất khác nhau ………..…121 Hình 3.12. Hoa sữa và một số phương án cách điệu từ hình ngũ giác đều bằng hình học Fractal…………………………..……………………………………….……122 Hình 3.13. Mô hình ý tưởng kiến trúc một câu lạc bộ phát triển từ mặt bằng dạng xiv Fractal mô phỏng chùm hoa sữa ……………………..…………………………..123 Hình 3.14. VD Mặt bằng và tổ hợp hình khối của tòa nhà cao tầng xây dựng từ sơ đồ lưới kẻ ô bình thường ………………………………………………..…………...124 Hình 3.15. Mặt bằng và tổ hợp hình khối sau khi điều chỉnh dựa theo hình học Fractal ………………………………………………………………………………….…124 Hình 3.16. VD ứng dụng hình học Fractal để tạo chi tiết hóa diện mặt đứng công trình …………………………………………………………………………………….127 Hình 3.17. Ứng dụng hình học Fractal tìm ý chi tiết hóa tiết diện kết cấu mái hình ngũ giác …………………………………………………..…………………….…127 Hình 3.18. Hình dạng khu đất và sơ đồ vị trí.………………………………… …128 Hình 3.19. Thiết kế ý tưởng - phân tích dự án - Đề xuất giải pháp phân khu, diện tích và giao thông...........................................................................................................130 Hình 3.20. Giải pháp 1: triển khai TMB và mặt bằng từ sơ đồ lưới dạng Fractal...133 Hình 3.21. Giải pháp 2: Ứng dụng biến thể tổ hợp đường cong Rồng để khai triển tổ hợp mặt bằng không gian nhà văn hóa.....................................................................134 Hình 3.22. Mô hình tổ hợp khối sơ bộ phát triển từ mặt bằng phương án chọn dựng kết hợp trên phần mềm kiến trúc AutoCAD và 3D Max..........................................135 Hình 3.23. Phối cảnh tổng thể THKT - giai đoạn thiết kế chi tiết ứng dụng hình học Fractal......................................................................................................................136 Hình 3.24. Sự liên hệ giữa ý tưởng THKT và ứng dụng THHH Fractal trong giai đoạn thiết kế chi tiết..........................................................................................................137 Hình 3.25. Giải pháp ứng dụng hình học Fractal để tạo hình vòm trang trí cho THKT công trình và phương án tạo hình thứ 2 cho lưới kết cấu vỏ bao che......................138 1 MỞ ĐẦU 1. Lý do chọn đề tài Có thể nói, hình học là một trong những đại diện cho nền tảng tư duy và văn minh của xã hội loài người. Đối với kiến trúc, hình học là nền tảng cơ bản cho tạo hình thiết kế. Đối với THKT, hình học “là nguyên tắc tổ chức, là phương tiện nối các bộ phận của kiến trúc lại với nhau” [6]. Tuy vậy, phần nhiều trong chúng ta chỉ dừng ở việc tiếp cận với hình học Euclid, vốn đã tồn tại hàng nghìn năm. Trên thực tế, cùng với sự phát triển của khoa học nói chung, đặc biệt là khoa học máy tính, hình học đã có những bước tiến vượt bậc của mình, hiện hữu trong mọi lĩnh vực của đời sống. Các dạng hình học phi Euclid đã lần lượt ra đời, góp phần tạo nên những công trình kiến trúc rất độc đáo và những trào lưu kiến trúc mới, trong đó không thể không kể đến hình học Fractal, loại hình học mới nhất do nhà toán học Mandelbrot phát hiện và công bố vào thập niên 70. Nếu như các loại hình học khác như hình học Euclid truyền thống nghiên cứu các hình đơn lẻ như vuông, tròn, chữ nhật, tam giác thì đối tượng của hình học Fractal là các tổ hợp phức tạp, gồm nhiều, thậm chí là vô hạn đường nét. Các mảnh hình học được kết hợp với nhau dựa trên các quy tắc đồng dạng. Điều này có thể xem là nền tảng tạo ra sự liên hệ giữa THHH Fractal và THKT. Điểm đặc biệt nhất của loại hình học này - đó là khả năng mô tả các cấu trúc phức tạp của tự nhiên, điều mà hình học Euclid trước đây không thực hiện được. Những đám mây, bụi cây, ngọn núi không còn đơn giản chỉ dừng ở những hình cách điệu vuông, tròn, chữ nhật, tam giác mà đã được mô phỏng giống như thật trên máy tính nhờ ứng dụng các quy tắc tạo hình Fractal. Sự ra đời và phát triển của hình học Fractal là điều cần thiết và tất yếu đối với tất cả các lĩnh vực tạo hình, trong đó có kiến trúc khi mà xu thế của kiến trúc hiện đại là sự bền vững dựa trên những tổ hợp phỏng sinh học với cấu trúc tương đồng hoặc gần gũi với tự nhiên. Sau khi được khởi xướng, hình học Fractal đã phát triển rộng khắp, xâm nhập vào tất cả các lĩnh vực của đời sống, đặc biệt trong nghệ thuật. Thậm chí, trong lĩnh vực kiến trúc, từ thập niên 90, một trào lưu kiến trúc mới có tên Kiến trúc Fractal đã ra đời, lan tỏa với sức ảnh hướng mạnh mẽ đến ngày nay [43]. Tác giả Derek Thomas (2012) định nghĩa kiến 2 trúc Fractal như là một "hình thức đương đại của thiết kế hữu cơ" [44]. Bên cạnh đó, sự ra đời của hình học Fractal gắn liền với sự phát triển của đồ họa máy tính và đã đóng góp vai trò quan trọng trong lịch sử phát triển của kiến trúc tham số - Parametric architecture [44]. Đó là trào lưu kiến trúc gắn liền việc thiết kế với công nghệ đồ họa, trong đó, các kiến trúc sư nổi tiếng là Zaha Hadid, Frei Otto, v.v. Chính vì thế, có thể nói, hình học Fractal là chiếc cầu nối gần nhất liên kết ba yếu tố: sáng tạo nghệ thuật hình thức phỏng sinh học, đồ họa máy tính và công nghệ sản xuất. Nói một cách ngắn gọn, hình học Fractal có thể xem là nền tảng cho thiết kế kiến trúc thời đại kỹ thuật số. Theo giải nghĩa thuật ngữ quốc tế về kiến trúc, “Architecturology” tạm hiểu là khoa học kiến trúc. “Sáng tạo kiến trúc trong giai đoạn 4.0 luôn đòi hỏi sự kết hợp hữu cơ giữa các yếu tố đối lập: công nghệ tiên tiến và bản sắc văn hóa, công năng linh hoạt và hình thức ấn tượng” [10]. Nhà lý luận kiến trúc Carl Bovil đã nhận định: "Hình học Fractal là một VD hiếm hoi về công nghệ đi vào cốt lõi của thành phần thiết kế, cho phép kiến trúc sư hoặc nhà thiết kế thể hiện sự hiểu biết phức tạp về thiên nhiên" [25] làm cơ sở cho việc chủ động áp dụng khoa học vào sáng tạo nghệ thuật. Mặc dù tầm quan trọng và ảnh hưởng của hình học Fractal trên thế giới trong suốt thời gian qua là không thể phủ nhận nhưng ở Việt Nam, đặc biệt trong lĩnh vực kiến trúc, hình học Fractal hầu như vẫn là một khái niệm hoàn toàn mới - chưa có một nghiên cứu hoàn chỉnh và chính thức nào về nó. Từ khóa “kiến trúc Fractal” bằng tiếng Việt gần như bị bỏ ngỏ trên trang tìm kiếm thông tin Google. Hiện nay, nhu cầu hội nhập của kiến trúc Việt Nam với trào lưu phát triển chung của Kiến trúc thế giới là to lớn và cấp thiết. Nếu không cập nhật được toàn diện các vấn đề khoa học công nghệ trong thiết kế thì chắc chắn, đó sẽ là một thiếu sót lớn, thậm chí có thể khiến kiến trúc tụt hậu so với lịch sử. Vì các lý do kể trên, NCS đã lựa chọn đề tài “Ứng dụng hình học Fractal trong thiết kế tổ hợp kiến trúc tại Việt Nam”. 2. Mục đích và mục tiêu nghiên cứu 2.1. Mục đích nghiên cứu 3 Đề xuất các khả năng / giải pháp ứng dụng hình học Fractal trong trong thiết kế tổ hợp kiến trúc tại Việt Nam nhằm đáp ứng nhu cầu phát triển kiến trúc trong thời đại khoa học công nghệ 4.0. 2.2. Mục tiêu nghiên cứu Để đạt được mục đích đã đặt ra, các mục tiêu cụ thể của nghiên cứu bao gồm: - Xác định được nguyên tắc, phạm vi ứng dụng hình học Fractal vào thiết kế THKT tại Việt Nam (mức độ, các dạng hình thái, hình thức tổ hợp và thể loại công trình). - Đề xuất được các giải pháp ứng dụng hình học Fractal trong tạo hình, kết hợp với giải pháp áp dụng công nghệ đồ họa hỗ trợ tạo hình cho thiết kế THKT tại Việt Nam. - Đề xuất được quy trình tư duy ứng dụng hình học Fractal theo từng giai đoạn thiết kế THKT tại Việt Nam. 3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu 3.1. 3.2. - Đối tượng nghiên cứu Tổ hợp kiến trúc ứng dụng hình học Fractal. Phạm vi nghiên cứu Áp dụng cho các công trình kiến trúc tại Việt Nam trong phạm vi thời gian từ nay đến năm 2030 và tầm nhìn đến 2050. 4. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài nghiên cứu 4.1. Ý nghĩa khoa học Đề ra được giải pháp lý thuyết có tính khả thi về ứng dụng hình học Fractal vào quá trình thiết kế THKT tại Việt Nam, bổ sung vào hệ thống cơ sở khoa học lý luận phục vụ công tác giảng dạy các môn học liên quan tới lý thuyết tạo hình, thiết kế kiến trúc; là tài liệu học tập, nghiên cứu, tham khảo cho giảng viên và học viên ngành kiến trúc nói chung; là tài liệu lý luận bổ sung, có thể hỗ trợ để hoàn thiện chương trình đổi mới đào tạo của ngành kiến trúc. 4.2. Ý nghĩa thực tiễn Bổ sung một hướng tìm ý mới vận dụng hình học Fractal, có thể kết hợp với 4 tạo hình đồ họa hoặc các lý thuyết hình học khác, hỗ trợ quá trình thiết kế THKT cho các công trình tại Việt Nam. Các đề xuất có giá trị thực tiễn cao, phù hợp làm tài liệu tham khảo, hướng dẫn thiết kế trong thời đại cách mạng công nghiệp 4.0. 5. Phương pháp nghiên cứu 5.1. Phương pháp tổng hợp, phân tích, phân loại và hệ thống hóa lý thuyết Thu thập tài liệu về lý thuyết THHH Fractal và lý thuyết thiết kế THKT. Nghiên cứu nội dung, dữ liệu, hình ảnh để tóm tắt, phân loại lý thuyết đã có thành hệ thống logic theo các mặt tương đương về bản chất, hướng phát triển như: khái niệm (khái niệm hình học Fractal, THHH Fractal, khái niệm THKT), thành phần, bố cục, nguyên tắc tạo hình và biến thể v.v của 2 loại tổ hợp, tạo điều kiện cho việc phân tích, đánh giá sự tương thích về mặt lý thuyết của hai loại hình tổ hợp. 5.2. Phương pháp khảo sát, đánh giá và tổng kết lịch sử, kinh nghiệm Thu thập, tổng hợp tài liệu, hình ảnh về các công trình thực tiễn, phương án thiết kế hay các đề xuất tạo hình đã áp dụng hoặc có những đặc tính tổ hợp hình thức tương đồng với hình học Fractal; tiến hành khảo sát hình ảnh, dữ liệu, phân tích thiết kế, phân loại và hệ thống hóa VD theo các đặc điểm về THKT (công năng, diện tích, dạng tổ hợp, ý tưởng kiến trúc, v.v) nhằm phát hiện xu hướng, các phạm vi phù hợp cho ứng dụng tạo hình Fractal. Từ đó, xây dựng tổng quan về vấn đề nghiên cứu, phát hiện ra những khía cạnh liên quan đến ứng dụng hình học Fractal đã có và chưa có, nhằm kế thửa, bổ sung và phát triển các ứng dụng đó, hoặc phát hiện những thiếu sót, chưa hoàn chỉnh trong các lý luận đã có để tìm thấy chỗ đứng của đề tài nghiên cứu cùng các vấn đề mới được đặt ra. Kết hợp lý luận với thực tiễn, đem lý luận phân tích thực tiễn, từ phân tích thực tiễn lại rút ra lý luận cao hơn. 5.3. Phương pháp so sánh Quan sát, đối chiếu những dữ liệu liên quan về nguồn gốc, đối tượng nghiên cứu, tạo hình và biến thể để phân biệt và tìm ra đặc điểm nổi bật của hình học Fractal và các hình học khác. Quan sát kết hợp đối chiếu và phân tích hình ảnh các tổ hợp hình học Fractal và các THKT trong lý thuyết và thực tiễn. Từ đó, tìm ra các điểm tương đồng, khác biệt giữa hai loại hình tổ hợp, đánh giá khả năng tương thích, cho phép ứng dụng tổ