Reciprocal Frame Structure: The Art of Balance in Architecture

Hãy tưởng tượng một trò chơi vui nhộn, nơi các bạn ngồi thành vòng tròn, mỗi người đặt tay lên đùi người ngồi trước. Trọng lượng được phân bố đều, không ai phải gánh vác quá nhiều, và cũng không ai phụ thuộc vào sự hỗ trợ bên ngoài. Đây chính là nguyên lý cơ bản của khung đối ứng (Reciprocal Frame – RF)

Nguyên lý hoạt động

Khung đối ứng là một hệ thống cấu trúc thông minh, nơi mỗi thanh kết cấu đóng vai trò hỗ trợ cho thanh kế tiếp, tạo thành một vòng tròn tự đứng vững mà không cần đến cột trụ trung tâm. Tương tự như vòng tròn tay trong trò chơi, các cấu trúc RF cân bằng trọng lượng một cách tự nhiên và hiệu quả.

Thông thường, các thanh kết cấu được bố trí theo dạng lưới hướng tâm hoặc đa giác, với các góc và độ dài được tính toán cẩn thận để đảm bảo sự khớp nối chặt chẽ. Sự khớp nối này cho phép phân bố tải trọng hiệu quả trên toàn bộ kết cấu, đồng thời cung cấp đủ độ linh hoạt để đối phó với các lực động như gió hoặc sự dịch chuyển nhỏ của nền đất.

Nhờ đó, các cấu trúc RF trở nên bền bỉ, đa dụng và phù hợp với nhiều ứng dụng kiến trúc khác nhau. Ở bài viết này, chúng ta sẽ khám phá lịch sử của các cấu trúc khung đối ứng và giới thiệu 5 ví dụ hiện đại sử dụng kỹ thuật thông minh này theo những cách thú vị.

Lịch sử của các cấu trúc RF

Một số học giả cho rằng nguồn gốc của các cấu trúc RF có thể bắt nguồn từ các nền văn minh sơ khai của con người, ví dụ như kiến trúc của nhà sàn, lều du mục và nhà Hogan của người Navajo. Những ngôi nhà nguyên thủy này không hoàn toàn sử dụng kỹ thuật cấu trúc RF mà sử dụng những phương pháp tương tự để đan kết các vật liệu khác nhau tạo thành mái nhà.

Sự xuất hiện thực sự của các cấu trúc này diễn ra vào thế kỷ 12 tại Nhật Bản, nơi nhà sư Chogen (1121 – 1206) phát triển kỹ thuật xếp chồng gỗ theo hình xoắn ốc để xây dựng các ngôi chùa và đền thờ. Cổng Nam của ngôi chùa Todaiji ở Nara và Jodo Hall ở tỉnh Hyogo là một số ví dụ tiêu biểu sớm nhất về các cấu trúc khung đối ứng.

Các kiến trúc sư người Đức gọi những cấu trúc này là “Mái Mandala” vì hình dạng hình học của chúng gợi nhớ đến họa tiết mandala trong Phật giáo. Một thế kỷ sau, nghệ sĩ thời trung cổ Villard de Honnecour (1200 – 1250) đã đưa ra một giải pháp thông minh để kéo dài không gian bằng cách sắp xếp bốn thanh dầm theo cấu hình khung đối ứng (RF)

Bước sang thời kỳ Gothic, chúng ta bắt đầu thấy các yếu tố của những khung đối ứng này trong các khung mái gỗ của các nhà thờ. Sau đó, Leonardo da Vinci đã phác thảo một sắp xếp thanh kết cấu tương tự trong Codex Madrid của ông trong thời kỳ Phục hưng. Việc sử dụng lặp đi lặp lại khái niệm khung đối ứng này để hỗ trợ các cây cầu cho thấy tầm ảnh hưởng và tính đa dụng của nó trong thiết kế kết cấu.

Kỹ thuật này được phát hiện lại và chính thức hóa bởi kiến trúc sư và kỹ sư Graham Brown vào những năm 1980, người đã đăng ký nhãn hiệu “khung đối ứng” lấy cảm hứng từ cách thức các thanh kết cấu hỗ trợ lẫn nhau. Ông là người tiên phong trong việc sử dụng các cấu trúc RF và chứng minh cách thức các thanh kết cấu gỗ hoặc thậm chí là thép đơn giản có thể tạo ra những thiết kế phức tạp nhưng chính xác về mặt hình học.

Các ví dụ hiện đại về cấu trúc khung đối ứng

1. Nhà hàng Serpentine Pavilion

• Kiến trúc sư: Álvaro Siza, Eduardo Souto de Moura, và Cecil Balmond
• Năm hoàn thiện: 2005

Tại Hyde Park, London, gian hàng triển lãm Serpentine Gallery hoàn thiện năm 2005 đã tạo nên một dấu ấn kiến trúc đáng chú ý. Được thiết kế bởi bộ ba kiến trúc sư Álvaro Siza, Eduardo Souto de Moura và Cecil Balmond, công trình nổi bật với cấu trúc lưới gỗ thông ghép lớp uốn cong độc đáo, trải rộng trên diện tích 400 mét vuông.

Điểm đột phá của thiết kế này nằm ở cách tiếp cận sáng tạo đối với cấu trúc tương hỗ. Các kiến trúc sư đã khéo léo sắp xếp các yếu tố liên kết có độ dài gấp đôi đơn vị lưới theo một mô hình hỗ trợ lẫn nhau. Nhờ đó, mỗi thành phần đều được kết nối bằng mộng và then, đảm bảo độ cứng uốn cong cho toàn bộ lưới.

Vẻ đẹp của gian hàng còn được tôn lên bởi các tấm ốp trong suốt, kết hợp hài hòa với hệ thống đèn năng lượng mặt trời. Thiết kế này gợi nhớ đến những mái vòm gỗ xếp lớp hình thùng đặc trưng trong kiến trúc Đức thập niên 1920.

Sự độc đáo của công trình còn thể hiện qua việc biến đổi linh hoạt độ dài và góc nghiêng của từng thanh gỗ. Ý tưởng này tạo ra một cuộc đối thoại thú vị giữa kiến trúc cổ điển và đương đại, đồng thời kiến tạo nên một hình khối cong mềm mại, hòa quyện hoàn hảo với cảnh quan xung quanh.

2. Gian hàng Triển lãm Đại học Ningbo

• Kiến trúc sư: Nathan Melenbrink, Samo Pedersen và Shibu Raman
• Năm hoàn thiện: 2014

Tại Đại học Ningbo, Nottingham, một nhóm sinh viên đã tạo nên dấu ấn đặc biệt với gian hàng kiến trúc độc đáo, đánh dấu cột mốc quan trọng trong hành trình học tập bốn năm của họ. Nathan Melenbrink, Samo Pedersen và Shibu Raman – ba cái tên đứng sau dự án này – đã cùng nhau hợp tác để hiện thực hóa ý tưởng của mình.

Gian hàng nổi bật với cấu trúc ba phần, được thiết kế theo phương pháp tham số. Quá trình lắp ráp diễn ra ngay tại sảnh chính của trường, tạo nên không gian trưng bày thu hút.

Mặc dù ban đầu còn hạn chế về kinh nghiệm trong lĩnh vực thiết kế kỹ thuật số và tham số, nhóm sinh viên đã không ngừng thử nghiệm và xây dựng nhiều mô hình khác nhau. Cấu trúc cuối cùng thể hiện sự chính xác và uyển chuyển đáng kinh ngạc của vật liệu gỗ dán.

Mang tên “Reciprocal Frame”, gian hàng được tạo thành từ 3.019 đoạn gỗ dán có rãnh, kết hợp tạo nên một tổng thể hài hòa và tinh tế. Để tăng thêm hiệu ứng thị giác, các sinh viên đã khéo léo bố trí hệ thống đèn nội thất chiếu sáng bề mặt lưới phức tạp của gian hàng.

3. Gian hàng Tre Shanghai

• Kiến trúc sư: Đại học Keio và Đại học Tongji
• Năm hoàn thiện: 2018

Gian hàng Tre Shanghai, một dự án hợp tác giữa Ban Laboratory của Đại học Keio và Đại học Tongji (Trung Quốc), đang mở ra chân trời mới cho việc ứng dụng tre trong kiến trúc hiện đại.

Nhóm nghiên cứu đã phải đối mặt với nhiều thách thức, trong đó nổi bật là việc sử dụng tre có mặt cắt hình chữ nhật. Điều này làm phức tạp hóa quá trình tạo ra các tiếp tuyến liền mạch giữa các thành phần khung.

Để giải quyết vấn đề, các nhà khoa học đã phát triển hai mô hình độc đáo: mô hình tiếp tuyến tròn và mô hình uốn cong tùy chỉnh. Cả hai đều sử dụng kỹ thuật tối ưu hóa giảm độ nghiêng, đảm bảo sự kết hợp hoàn hảo giữa các yếu tố.

Thiết kế mái vòm nông cùng với độ dày và chiều dài định sẵn của khung đã tạo ra những thách thức về ứng suất nội và biến dạng. Tuy nhiên, nhờ áp dụng mô hình tính toán tiên tiến, nhóm nghiên cứu đã phân tích kỹ lưỡng và khắc phục được những hạn chế này.

4. Dự án Future Tree

• Kiến trúc sư: Nhóm Nghiên cứu Gramazio Kohler
• Năm hoàn thiện: 2019

Future Tree được thiết kế bởi Gramazio Kohler, là một dự án sáng tạo tại văn phòng mở rộng Basler & Hofmann ở Esslingen, Thụy Sĩ. Điểm nhấn của công trình là phần mái che độc đáo, được tạo nên từ 380 mảnh gỗ sắp xếp theo kiểu khung đối ứng.

Cấu trúc này được nâng đỡ bởi một cột bê tông trung tâm, với hai cạnh gắn vào tòa nhà chính, trong khi cạnh còn lại vươn ra không gian mở mà không cần hỗ trợ trực tiếp.

Hình học của khung gỗ được tối ưu hóa để đạt hiệu suất cấu trúc tối đa. Đặc biệt, độ cứng của khung được điều chỉnh thông qua các lỗ mở nút đối ứng. Gỗ thông được lựa chọn làm vật liệu chính và được lắp ráp bằng ốc vít cùng cáp căng, thể hiện ứng dụng xuất sắc của công nghệ chế tạo robot trong xây dựng.

Cột bê tông trung tâm được xây dựng bằng quy trình “Eggshell” tiên tiến. Phương pháp này sử dụng khuôn 3D siêu mỏng được in bằng robot, kết hợp với bê tông đông cứng nhanh. Kỹ thuật này không chỉ giúp giảm thiểu chất thải mà còn cho phép tạo ra các hình dạng hiệu quả về mặt cấu trúc.

5. Nghiên cứu “Vỏ gỗ đối ứng”

• Kiến trúc sư: Đại học Công nghệ Chalmers và Đại học Khoa ứng dụng Augsburg
• Năm hoàn thiện: 2024

Vỏ gỗ đối ứng (Reciprocal Shell) là kết quả của sự hợp tác giữa Đại học Công nghệ Chalmers và Đại học Khoa ứng dụng Augsburg. Nghiên cứu này hứa hẹn mang lại giải pháp cho những thách thức lâu nay trong việc tạo ra các cấu trúc vỏ tự do.

Hệ thống “Vỏ gỗ đối ứng” có sự kết hợp độc đáo giữa các thanh chống chéo và các nút đan xen tạo ra một khung vừa vững chắc vừa ổn định. Để chứng minh hiệu quả của thiết kế, các nhà nghiên cứu đã xây dựng một mô hình trình diễn cao 7,5 mét. Công trình này sử dụng 144 thành phần gỗ được lắp ráp sẵn, đơn giản hóa đáng kể quá trình xây dựng.

Công nghệ cắt robot đa trục được áp dụng trong quá trình chế tạo, mang lại độ chính xác cao. Điều này không chỉ giúp quá trình lắp ráp diễn ra nhanh chóng mà còn giảm thiểu lãng phí vật liệu.

Công nghệ này mở ra triển vọng mới cho ngành xây dựng xanh. Bằng cách kết hợp vật liệu gỗ với phần mềm thiết kế CAD hiện đại, các kỹ sư đã tạo ra một phương pháp xây dựng vừa hiệu quả vừa thân thiện với môi trường.

Khung kết cấu đối ứng đã trải qua một hành trình dài từ những ứng dụng đơn giản trong kiến trúc truyền thống đến những thiết kế phức tạp và sáng tạo trong thời đại hiện nay. Sự kết hợp giữa tính thẩm mỹ, hiệu quả kết cấu và khả năng thích ứng đã biến RF thành một công cụ đắc lực trong tay các kiến trúc sư đương đại, mở ra những khả năng mới trong việc định hình không gian và hình thức kiến trúc.

Biên tập: Thu Trang / Nguồn: Parametric Architecture.