Ứng dụng các công cụ và phần mềm mô phỏng trong đổi mới đào tạo kiến trúc theo hướng bền vững

Ứng dụng các công cụ và phần mềm mô phỏng trong đổi mới đào tạo kiến trúc theo hướng bền vững

Tính toán số giờ chiếu nắng cho khu đô thị (nguồn: www.bentley.com)
 

Nhu cầu đổi mới đào tạo Kiến trúc theo hướng bền vững

Cuối của thế kỷ 20 và đầu thế kỷ 21, nhân loại đã phải đối diện với nhiều nguy cơ có tính toàn cầu như sự ô nhiễm môi trường, cạn kiệt các nguồn tài nguyên, khủng hoảng năng lượng,… và đặc biệt là hiện tượng biến đổi khí hậu toàn cầu. Đây là những mối đe dọa cho sự phát triển, thậm chí là ảnh hưởng đến sự sinh tồn của các thế hệ tương lai. Trong bối cảnh đó, định hướng phát triển bền vững nói chung, phát triển kiến trúc bền vững nói riêng đã trở thành xu thế và là mục tiêu ưu tiên của nhiều quốc gia trên thế giới, trong đó có Việt Nam [1].

Mục tiêu của phát triển kiến trúc bền vững là hướng đến những công trình xây dựng sử dụng hiệu quả các nguồn tài nguyên, tiết kiệm năng lượng, khuyến khích tái sử dụng các nguồn vật liệu, năng lượng và hạn chế tối đa các ảnh hưởng đến môi trường. Để các dự án Kiến trúc bền vững đi vào thực tiễn, quá trình thiết kế xây dựng cần có sự tham gia phối hợp của KTS, các chuyên gia, người sử dụng và cả cộng đồng dân cư; trong đó, chuyên gia thiết kế quy hoạch – kiến trúc có vai trò quan trọng và là nhân tố then chốt để có được hiệu quả “xanh” của một công trình kiến trúc.

Hiện nay, các cơ sở đào tạo Kiến trúc trong cả nước chủ yếu vẫn đào tạo theo truyền thống, không có hoặc quá ít các học phần lý thuyết – thực hành và các đồ án chuyên về kiến trúc bền vững. Điều này gây nhiều khó khăn cho các KTS, tham gia thiết kế công trình theo tiêu chí “xanh” do họ thiếu hẳn kỹ năng này. Vì vậy, đổi mới đào tạo Kiến trúc theo hướng bền vững là nhằm trang bị cho các KTS hoặc cử nhân Kiến trúc kiến thức và kỹ năng cần thiết theo yêu cầu mới của xã hội. Bài báo này giới thiệu giải pháp ứng dụng công nghệ thông tin trong đổi mới đào tạo KTS theo hướng bền vững tại các trường thuộc Đại học Đà Nẵng, bước đầu đã cho kết quả tốt.

Mối quan hệ giữa các công cụ và phần mềm hỗ trợ thiết kế kiến trúc với thực tiễn ngành nghề (nét đứt: xu hướng hoặc nhu cầu)

 

Mối quan hệ giữa các công cụ và phần mềm hỗ trợ thiết kế kiến trúc với thực tiễn ngành nghề (nét đứt: xu hướng hoặc nhu cầu)
 

Vai trò của các công cụ và phần mềm mô phỏng trong thiết kế kiến trúc theo hướng bền vững

Trong nhiều lĩnh vực khác nhau, việc sử dụng máy tính điện tử để mô phỏng và giải quyết các tình huống, vấn đề hay thách thức nan giải đang ngày càng phổ biến. Trong thiết kế kiến trúc nói riêng, máy tính điện tử giúp các KTS phác thảo, vẽ triển khai kỹ thuật, mô phỏng lại môi trường vật liệu, ánh sáng thực (kỹ thuật render ảnh trên các phần mềm 3Ds-Max, Revit…), sự tiêu dùng năng lượng và trao đổi nhiệt của công trình, môi trường âm thanh và các môi trường vật lý công trình xây dựng khác. Sự tham gia của công nghệ thông tin trong thiết kế kiến trúc đã diễn ra qua ba giai đoạn bao gồm [2]:

  • Giai đoạn thiết kế mô hình cơ bản: ứng dụng các phần mềm thiết kế đồ họa cơ bản (CAD – Computer-Aided Design) như AutoCAD, 3Ds-max… để thiết kế xây dựng mô hình công trình đa chiều;
  • Giai đoạn thiết kế mô hình nâng cao: ứng dụng các mô hình công trình được gán thông tin (BIM – Building Information Modelling) nhằm tạo ra tính kết nối trong: thiết kế, thi công và vận hành công trình;
  • Giai đoạn thiết kế mô hình bền vững: ứng dụng các công cụ mô phỏng hiệu năng công trình (BPS – Building Performance Simulation) để kiểm tra hiệu quả các giải pháp thiết kế theo hướng bền vững, trước khi được xây dựng trong thực tế.
  • Mô phỏng đã và sẽ đóng vai trò chủ đạo trong nghiên cứu về công trình. Đến đầu năm 2015, đã có khoảng 417 phần mềm mô phỏng – tính toán liên quan đến công trình đã được ghi nhận trên thế giới [3].

Trong đào tạo KTS, việc sử dụng các công cụ và phần mềm mô phỏng trong đào tạo giúp Giáo viên dễ truyền tải những nội dung khoa học Kiến trúc khô khan đến sinh viên; sinh viên có điều kiện đối chiếu giữa lý thuyết và thực tiễn, và dễ nắm bài hơn; đồng thời giảm bớt chi phí và thời gian đào tạo do phải làm thí nghiệm hay khảo sát.

Trong thực tiễn hành nghề, giới KTS đang dần dần thừa nhận và áp dụng từng phần các công cụ và phần mềm mô phỏng, giúp họ kiểm soát toàn diện hơn tác phẩm thiết kế và đáp ứng các yêu cầu nghiêm ngặt của chủ đầu tư và các tiêu chuẩn, quy chuẩn “xanh”. Trong một bài viết gần đây, chúng tôi đã giới thiệu cách mà nhà thầu thiết kế khai thác sức mạnh của các công cụ và phần mềm mô phỏng trong việc thiết kế công trình Olympic London 2012 Velodrome [4].

Trong quản lý Xây dựng hay quản lý đô thị, ứng dụng các công cụ và và phần mềm mô phỏng đang còn rất hạn chế. Tuy nhiên đây là lĩnh vực cũng cần được cập nhật và bổ sung kiến thức để đảm bảo quản lý hiệu quả và chính sách quản lý theo kịp với thực tiễn.

Ứng dụng các công cụ và phần mềm mô phỏng trong đổi mới đào tạo

Các công cụ phân tích sinh khí hậu, vi khí hậu và tiện nghi con người

Khí hậu, vi khí hậu và tiện nghi nhiệt là những nội dung trọng tâm trong giảng dạy các học phần liên quan đến Kiến trúc bền vững, kiến trúc sinh khí hậu… Trong các giáo trình giảng dạy chủ yếu là lý thuyết, các công cụ và phần mềm máy tính gần như chưa có. Từ thực tế giảng dạy, chúng tôi giới thiệu các công cụ sau:

  • Công cụ Climate Consultant phân tích khí hậu và tiện nghi sinh khí hậu dựa trên tập tin khí hậu điển hình của ĐH California Los Angeles (miễn phí), hoặc công cụ phân tích khí hậu ứng dụng cho Việt Nam (do tác giả xây dựng, download : Tại đây )
  • Công cụ phân tích khí hậu đơn giản dựa trên số liệu khí hậu trung bình tháng: Mahoney Tables (do chúng tôi tái xây dựng dựa trên hướng dẫn của GS Carl Mahoney, download : Tại đây )
  • Công cụ phân tích tiện nghi nhiệt (miễn phí) dựa trên các mô hình PMV-PPD, mô hình 2 cực và mô hình tiện nghi nhiệt thích ứng của GS Richard de Dear tại đây ; CBE Thermal Comfort Tool của trường ĐH California Berkeley tại đây .
Nguyên lý chung của các phần mềm mô phỏng năng lượng công trình

 

Nguyên lý chung của các phần mềm mô phỏng năng lượng công trình
 

Các phương pháp và công cụ nói trên đều cập nhật những tiến bộ trong lĩnh vực này và có nhiều điểm mới so với nội dung các giáo trình Vật lý công trình xây dựng đang giảng dạy ở nước ta. Việc đổi mới đào tạo cần gắn liền với việc đưa thêm các nội dung mới này vào giảng dạy, có thể tích hợp ở dạng bài tập nhóm hoặc bài tập ở nhà.

WERTWERMột số kết quả mô phỏng bằng Autodesk Simulation CFD

Một số kết quả mô phỏng bằng Autodesk Simulation CFD

Các phương pháp và công cụ phân tích năng lượng trong công trình

Hiện nay trọng tâm giảng dạy tại trường Đại học là lý thuyết quá trình truyền nhiệt ổn định và một phần nhỏ là truyền nhiệt dao động vốn cần các tính toán khá phức tạp, nhưng lại có rất ít ứng dụng thực tế. Trên thực tế, người làm thiết kế thường quan tâm đến những vấn đề cụ thể hơn như: Tiện nghi nhiệt, năng lượng tiêu thụ, diễn biến nhiệt độ trong công trình theo thời gian thực, cải thiện hiệu năng như thế nào, hiệu quả là bao nhiêu…

Các phần mềm phân tích năng lượng công trình thường được lập trình dựa trên nguyên lý cân bằng nhiệt và quá trình truyền nhiệt ổn định của công trình. Đi kèm là thông số thời tiết chi tiết đến từng giờ tại nơi đặt công trình (thường được gói gọn trong 1 file thời tiết, với các định dạng như TRY, TMY, IWEC…). Trong mỗi giờ, máy tính sẽ tính chính xác lượng nhiệt nhận thêm và mất đi của công trình, từ đó tính toán được tải trọng nhiệt của công trình và yêu cầu vận hành hệ thống HVAC cùng với mức năng lượng tiêu thụ. Các thông số đầu ra của chương trình – trên lý thuyết – có thể là tất cả các biến số có trong các công thức khi lập trình phần mềm, trong đó có tiện nghi nhiệt, năng lượng tiêu thụ, tác động môi trường của công trình…

Những chương trình mô phỏng năng lượng công trình thường có giá thành khá cao. Hiện nay các phần mềm của Autodesk đang được cung cấp miễn phí cho sinh viên và giáo viên, do đó có thể sử dụng chương trình Ecotect hoặc Vasari để giảng dạy. Ecotect và Vasari có giao diện đơn giản, thân thiện và phù hợp với đào tạo KTS. Ecotect còn có thể giúp việc nghiên cứu giảng dạy về mặt trời, ánh sáng, bóng đổ, tính toán che nắng… Ở cấp độ sau Đại học, học viên có thể sử dụng EnergyPlus (miễn phí) có chất lượng tốt; ở bậc đào tạo này, nên có một học phần chuyên về mô phỏng hiệu năng công trình như các trường Đại học tiên tiến đã làm [5].

Kết quả mô phỏng chiếu sáng và chiếu nắng bằng phần mềm Radiance, Ecotect (nguồn: tác giả)

 

Kết quả mô phỏng chiếu sáng và chiếu nắng bằng phần mềm Radiance, Ecotect (nguồn: tác giả)
 

Các công cụ nghiên cứu sâu về thông gió, chiếu sáng và môi trường âm thanh

Trong nghiên cứu lý thuyết về thông gió tự nhiên và thông gió nhân tạo, hiện đang có rất nhiều các công cụ để mô phỏng, phân tích, tính toán và thiết kế. Các phần mềm thường sử dụng một trong 2 phương pháp: Mạng thông gió (airflow network model) hoặc CFD (computational fluid dynamics). Cả hai nhóm công cụ này có những ưu nhược điểm bổ sung cho nhau, giúp việc thiết kế tính toán rất linh hoạt. Một số công cụ và phần mềm sử dụng phổ biến như: Aiolos, Comis, EnergyPlus, Ansys CFX, Phoenics, Autodesk Simulation CFD, …

Theo chúng tôi, phần mềm Autodesk Simulation CFD (miễn phí trong giáo dục và nghiên cứu) có thể sử dụng cho công tác nghiên cứu chuyên sâu ở bậc sau đại học. Đối với sinh viên Kiến trúc, nên bố trí nội dung này ở các Chuyên đề tự chọn. Autodesk Simulation CFD là phần mềm chuyên về mô phỏng quá trình vận động của lưu chất (chất lỏng và chất khí) trong và ngoài vật thể rắn. Đây là công cụ được ứng dụng trong nhiều lĩnh vực, trong đó có thiết kế thông gió kiến trúc. Một số ưu điểm của phần mềm này:

  • Giao diện thân thiện, thao tác nhập các thông số đầu vào thuận tiện;
  • Trao đổi dữ liệu với các phần mềm đồ họa hoặc các phần mềm mô phỏng hiệu năng khác dễ dàng;
  • Cho kết quả tương đối đầy đủ và trực quan về các đại lượng thông gió trong công trình.

Chiếu sáng công trình vốn dĩ rất quan trọng góp phần nâng cao các giá trị thẩm mỹ của không gian và hình khối. Đặc biệt khi các vấn đề về kiến trúc bền vững ngày càng được quan tâm, chiếu sáng công trình còn được xem như là một trong những yếu tố ảnh hưởng đến các mục tiêu tiết kiệm năng lượng. Nghiên cứu về chiếu sáng thường phức tạp, đòi hỏi người thiết kế nắm vững những đặc tính và quy luật cơ bản của ánh sáng; kết hợp hài hòa các giải pháp chiếu sáng tự nhiên và nhân tạo; có khả năng cảm thụ tốt về không gian (đánh giá cảm tính); và có những công cụ tính toán và mô phỏng ánh sáng hiệu quả (đánh giá định tính).

Các công cụ mô phỏng ánh sáng đã được xây dựng dựa trên các thuật toán mô phỏng ánh sáng (lighting simulation algorithms) với 3 phương pháp cơ bản: từ cách đơn giản nhất là phương pháp chia ánh sáng thành 3 thành phần (split flux method – trực tiếp + phản xạ bên ngoài + phản xạ trong nhà), cho đến những cách phức tạp hơn như phương pháp dò tia (ray tracing method) sử dụng trong Autocad, Revit, Ecotect, Radiance, Genelux, Passport… hay phương pháp phát xạ (radiosity method) sử dụng trong 3D Studio Max,V-ray, Superlite… Những chương trình sử dụng phương pháp dò tia hay phát xạ đều cho ra những kết quả ánh sáng gần giống với ảnh chụp thực tế, đặc biệt là phương pháp phát xạ. Các chương trình này đã được ứng dụng trong đào tạo và hành nghề kiến trúc tại các nước [6]. Trên cơ sở phân tích các đặc điểm và công dụng, chúng tôi đề xuất nên áp dụng hai công cụ: Ecotect và Radiance để nghiên cứu chiếu sáng vào đào tạo kiến trúc tại Việt Nam.

  • Phần mềm Radiance (Lawrence Berkeley National Laboratory) giúp mô phỏng ánh sáng theo hình ảnh không gian 3 chiều, với những ưu điểm như: Đảm bảo độ chính xác về độ rọi tính toán; Phạm vi mô phỏng cho ánh sáng tự nhiên và nhân tạo; Xem xét đặc tính các đối tượng phản xạ; Áp dụng cho nhiều dạng mô hình phức tạp; và kết nối thuận tiện với các phần mềm khác.
  • Phần mềm Ecotect (Autodesk) giúp tính toán độ rọi và hệ số độ rọi trên mặt làm việc, chiếu nắng, che nắng. Ecotect có nhiều ưu điểm như: giao diện thân thiện, dễ dựng mô hình và nhiều công cụ phân tích, từ những mô phỏng ánh sáng tổng thể theo biều đồ mặt trời, bóng đổ của công trình,…cho đến tính toán chiếu sáng trên các mặt phẳng khảo sát, đánh giá được hiệu quả các giải pháp chiếu sáng tự nhiên và nhân tạo [7].

Trong học phần âm học Kiến trúc, ở nước ta chỉ phổ biến phương pháp thiết kế âm học phòng thính giả theo điều kiện thời gian âm vang. Đây là phương pháp cổ điển, dài dòng và ít được sử dụng. Hiện nay có rất nhiều phương pháp mới, tiến bộ hơn cần được đưa vào giảng dạy, trong đó có phương pháp dùng mô hình thu nhỏ, hay mô phỏng trên máy tính. Việc mô phỏng quá trình hình thành lan truyền và tắt dần của trường âm trong công trình có thể dễ dàng hơn với sự hỗ trợ của các phần mềm âm học.

Hiện nay một số gói phần mềm thương mại đang được sử dụng thường xuyên bởi các chuyên gia âm thanh cũng như các nhà nghiên cứu trên toàn thế giới như Odeon, Catt, Autodesk Ecotect, AcouSto, QPBT, EASE… Các phần mềm âm học có ưu điểm là tính toán nhanh, chính xác, dự đoán được nhiều thông số chất lượng âm như: thời gian âm vang, độ rõ, cảm giác không gian, độ mạnh yếu… của thính phòng, kiểm soát được tiếng dội, hội tụ âm, đường đi của tia âm… có khả năng áp dụng vào thực tiễn hành nghề của KTS rất cao. Phần mềm Ecotect – được lập trình dựa trên nguyên lý âm hình học và các thuật toán Monte Carlo – tích hợp nhiều module Nhiệt năng lượng – Chiếu sáng – Âm học, đang được áp dụng thí điểm tại Đại học Bách khoa Đà Nẵng.

Các phương pháp thường dùng trong tính toán truyền âm trong phòng – FEM: phương pháp phần tử hữu hạn; BEM: phương pháp phần tử biên

 

Các phương pháp thường dùng trong tính toán truyền âm trong phòng – FEM: phương pháp phần tử hữu hạn; BEM: phương pháp phần tử biên
 

Kết luận

Việc ứng dụng các công cụ và phần mềm mô phỏng vào đào tạo KTS là cần thiết và đang có nhu cầu thực sự. Tuy nhiên, đưa cái gì vào và đưa vào như thế nào thì còn phải cân nhắc do chúng ta chưa có mô hình tốt hay kinh nghiệm. Trong điều kiện các cơ sở đào tạo KTS còn thiếu cơ sở vật chất và con người có chuyên môn thì việc ứng dụng còn gặp nhiều khó khăn. Trường Đại học Xây dựng cũng đang thí điểm việc ứng dụng các công cụ và phần mềm mô phỏng vào giảng dạy. Các đồ án sinh viên được giải Loa thành và các giải khác cũng đã xuất hiện các ứng dụng nói trên. Trong khuôn khổ bài viết, chúng tôi chỉ đưa ra những thông tin mang tính giới thiệu và tham khảo, với mong muốn thúc đẩy nhanh quá trình đổi mới đào tạo Kiến trúc ở Việt Nam theo hướng bền vững.


Tài liệu tham khảo

[1] Phạm Ngọc Đăng (2012), Khung chiến lược quốc gia về phát triển xây dựng xanh đến năm 2020, tầm nhìn đến năm 2030, Tài liệu hội thảo “Phát triển công trình xây dựng bền vững” tại Đà Nẵng, Bộ xây dựng

[2] Lê Thanh Hòa (2014), Đề xuất các giải pháp ứng dụng mô phỏng hiệu năng công trình (BPS) trong đào tạo kiến trúc tại Đà Nẵng. Tạp chí Khoa học và Công nghệ – Đại học Đà Nẵng, số 3, trang 15-20.

[3] http://apps1.eere.energy.gov/buildings/tools_directory/alpha_list.cfm [Truy cập 23/2/2015]

[4] Nguyễn Anh Tuấn (2015), Công trình xanh London 2012 Velodrome đã được thiết kế như thế nào? Tạp chí Kiến trúc, số: 237, trang: 89-94.

[5] Xem ví dụ học phần tại đây: http://www.bwk.tue.nl/bps/hensen/courseware/TUe-7S750/7S750_module_descr.htm [Truy cập 23/2/2015]

[6] Guglielmetti, R., Pless. S. & Torcellini. P.A. (2010), On the use of integrated daylighting and energy simulations to drive the design of a large net-zero energy office building. Conference paper NREL/CP-550-4752, presented at SimBuild 2010.

[7] Lê Thanh Hòa (2014), Nâng cao các giải pháp thiết kế bền vững cho đồ án sinh viên kiến trúc bằng phần mềm phân tích môi trường Ecotect. Tạp chí Khoa học và Công nghệ – Đại học Đà Nẵng, số 11(84), trang 29-33.

TS KTS Nguyễn Anh Tuấn

Khoa Kiến trúc, trường Đại học Bách Khoa – Đại học Đà Nẵng

ThS KTS Phan Tiến Vinh, ThS KTS Lê Thanh Hòa

Khoa Kỹ thuật Xây dựng, trường Cao đẳng Công nghệ – Đại học Đà Nẵng

Close Menu
error: Nội dung được bảo vệ !!