Hãy tưởng tượng một trò chơi đầy thú vị, nơi mọi người ngồi thành vòng tròn, mỗi người tựa vào người bên cạnh, tạo nên một chuỗi liên kết vững chắc. Không ai phải chịu quá nhiều sức nặng, và không ai cần sự hỗ trợ từ bên ngoài. Đây chính là hình ảnh ẩn dụ hoàn hảo cho nguyên lý cơ bản của kết cấu khung đối ứng (Reciprocal Frame – RF) trong kiến trúc. Với khả năng phân bố tải trọng một cách đồng đều, khung đối ứng đã trở thành giải pháp kiến trúc tiên tiến, giúp tạo nên những công trình vừa tinh tế vừa bền vững.
Nguyên lý hoạt động kết cấu khung đối ứng
Nguyên lý hoạt động của khung đối ứng là một cơ chế thông minh trong kiến trúc, nơi mỗi phần của kết cấu hỗ trợ và phụ thuộc vào phần tiếp theo, tạo nên một hệ thống vững chãi mà không cần cột trụ trung tâm. Điều này giống như sự liên kết giữa các bàn tay trong một vòng tròn, mỗi người hỗ trợ người kế bên để duy trì sự cân bằng.
Các thanh kết cấu trong hệ thống này thường được sắp xếp thành dạng lưới đa giác hoặc hướng tâm. Sự tính toán kỹ lưỡng về góc độ và chiều dài của các thanh giúp đảm bảo sự kết nối chặt chẽ, từ đó phân phối tải trọng đều khắp hệ thống. Chính điều này làm cho khung đối ứng trở nên đặc biệt hiệu quả trong việc chịu đựng các lực động, như sức gió hoặc sự dịch chuyển của đất nền.
Sự linh hoạt và tính bền vững của khung đối ứng khiến nó phù hợp với nhiều ứng dụng kiến trúc đa dạng. Từ việc xây dựng những công trình hiện đại đến việc ứng dụng trong các thiết kế sáng tạo, hệ thống này đã trở thành một yếu tố quan trọng trong kiến trúc đương đại.
Lịch sử của các kết cấu khung đối ứng
Cấu trúc RF (Reciprocal Frame) có một lịch sử lâu dài và phong phú, với nhiều nguồn gốc khác nhau từ các nền văn minh cổ đại. Nhiều học giả cho rằng, những kiến trúc ban đầu như nhà sàn, lều du mục hay nhà Hogan của người Navajo đều thể hiện những yếu tố tương tự với kỹ thuật cấu trúc RF hiện đại. Mặc dù không phải là RF thuần túy, các công trình này sử dụng nguyên lý đan kết vật liệu, tạo nền tảng cho sự phát triển sau này.
Điểm nổi bật của cấu trúc RF xuất hiện vào thế kỷ 12 tại Nhật Bản, khi nhà sư Chogen giới thiệu kỹ thuật xếp gỗ xoắn ốc để xây dựng đền chùa. Tiêu biểu nhất là cổng Nam của chùa Todaiji, một công trình vẫn giữ được sự kỳ vĩ qua nhiều thế kỷ. Vào thời kỳ trung cổ, Villard de Honnecour đã tinh chỉnh kỹ thuật này để tạo không gian mở rộng với sự sắp xếp thông minh của dầm gỗ.
Sang thời kỳ Gothic, cấu trúc RF dần được tích hợp vào mái nhà thờ và sau này được phát triển bởi Leonardo da Vinci trong các bản phác thảo của ông. Đến thập niên 1980, kỹ thuật này được hồi sinh và định hình bởi Graham Brown, người đã đăng ký bản quyền cấu trúc RF và mở ra hướng đi mới trong thiết kế kiến trúc hiện đại.
Các công trình hiện đại về cấu trúc khung đối ứng nổi tiếng
1. Gian hàng Serpentine Pavilion
Serpentine Pavilion hoàn thiện vào năm 2005 tại Hyde Park, London, là tác phẩm nổi bật của bộ ba kiến trúc sư Álvaro Siza, Eduardo Souto de Moura và Cecil Balmond. Công trình này không chỉ gây ấn tượng bởi thiết kế lưới gỗ thông ghép lớp uốn cong độc đáo, mà còn bởi cách tiếp cận cấu trúc khung đối ứng tiên tiến. Với diện tích rộng 400 mét vuông, gian hàng thể hiện sự sáng tạo trong việc sử dụng gỗ uốn cong, đồng thời tạo ra không gian mở và hấp dẫn thị giác.
Cấu trúc của Serpentine Pavilion được xây dựng dựa trên mô hình hỗ trợ lẫn nhau, với các yếu tố liên kết chặt chẽ qua hệ thống mộng và then. Điều này giúp gia tăng độ cứng và độ bền cho toàn bộ khung, đồng thời giảm thiểu việc sử dụng các cột chống trực tiếp. Các tấm ốp trong suốt kết hợp với đèn năng lượng mặt trời không chỉ tạo điểm nhấn thị giác, mà còn giúp giảm thiểu lượng năng lượng tiêu thụ. Sự tinh tế trong thiết kế này gợi nhớ đến các mái vòm gỗ đặc trưng của kiến trúc Đức, tạo nên sự cân bằng giữa nét cổ điển và đương đại, đồng thời hài hòa với cảnh quan xung quanh.
2. Gian hàng Đại học Ningbo
Năm 2014, gian hàng Đại học Ningbo tại Nottingham đã đánh dấu sự kết hợp sáng tạo giữa ba sinh viên Nathan Melenbrink, Samo Pedersen và Shibu Raman. Công trình này là thành quả sau bốn năm học tập và nghiên cứu kỹ thuật số tham số của nhóm. Với cấu trúc ba phần được thiết kế theo mô hình tham số, gian hàng nổi bật bởi tính linh hoạt và sự chính xác trong lắp ráp.
Khung gỗ dán được sử dụng để tạo nên cấu trúc này, với 3.019 đoạn gỗ được cắt rãnh tinh tế và lắp ráp chính xác. Quá trình này đòi hỏi sự tính toán và thử nghiệm kỹ lưỡng nhằm đạt được độ cong và độ chắc chắn mong muốn. Hệ thống đèn nội thất được tích hợp thông minh giúp tôn lên sự phức tạp của bề mặt lưới, tạo ra hiệu ứng thị giác đẹp mắt. Dự án thể hiện tiềm năng to lớn của công nghệ tham số trong kiến trúc hiện đại.
3. Gian hàng Tre Shanghai kết cấu khung đối ứng
Hoàn thành vào năm 2018, gian hàng Tre Shanghai là kết quả hợp tác giữa Đại học Keio và Đại học Tongji, mở ra một hướng đi mới cho việc ứng dụng vật liệu tre trong kiến trúc đương đại. Tre vốn là một nguyên liệu phổ biến trong kiến trúc truyền thống châu Á, nhưng với công trình này, nhóm kiến trúc sư đã vượt qua nhiều thách thức để phát triển một thiết kế khung đối ứng sáng tạo.
Khó khăn lớn nhất là việc xử lý tre với mặt cắt hình chữ nhật, yêu cầu sự tinh tế trong việc tạo ra các tiếp tuyến liền mạch. Để giải quyết vấn đề này, nhóm nghiên cứu đã phát triển các mô hình tiếp tuyến và uốn cong độc đáo. Thiết kế mái vòm nông và các thanh tre được xếp chồng lên nhau một cách khoa học, giúp giảm thiểu các lực ứng suất bên trong và tạo ra sự ổn định cho công trình. Đây là một minh chứng rõ ràng về khả năng kết hợp giữa công nghệ tiên tiến và vật liệu truyền thống trong kiến trúc hiện đại.
4. Future Tree – Công trình kết cấu khung đối ứng điển hình
Future Tree là một dự án tiêu biểu của Gramazio Kohler tại Thụy Sĩ, nổi bật với cấu trúc khung đối ứng gỗ được chế tạo bằng công nghệ robot tiên tiến. Phần mái che của công trình gồm 380 mảnh gỗ được cắt và lắp ráp chính xác theo kiểu khung đối ứng, tạo nên một hình thái cấu trúc độc đáo. Khung này được hỗ trợ bởi một cột bê tông trung tâm, trong khi các cạnh của mái vươn ra mà không cần sự chống đỡ từ các cột phụ, thể hiện tính sáng tạo vượt trội trong thiết kế.
Điểm đặc biệt của công trình này còn nằm ở quy trình xây dựng. Bằng cách sử dụng kỹ thuật “Eggshell” tiên tiến, phần cột bê tông được tạo ra từ khuôn 3D siêu mỏng in bằng robot, giúp giảm thiểu lượng bê tông và chất thải xây dựng. Kết hợp giữa gỗ thông và quy trình chế tạo tự động, Future Tree là minh chứng cho tiềm năng của công nghệ robot trong việc thay đổi cách chúng ta xây dựng và sử dụng vật liệu bền vững trong kiến trúc.
5. Nghiên cứu “Vỏ gỗ đối ứng”
Nghiên cứu “Vỏ gỗ đối ứng” là kết quả hợp tác giữa Đại học Công nghệ Chalmers và Đại học Khoa ứng dụng Augsburg, mở ra một bước đột phá trong việc tạo ra các cấu trúc vỏ tự do. Được hoàn thành vào năm 2024, hệ thống này sử dụng các thanh chống chéo và các nút đan xen để tạo ra một khung đối ứng vừa vững chắc vừa thẩm mỹ.
Mô hình trình diễn cao 7,5 mét với 144 thành phần gỗ lắp ráp sẵn đã chứng minh sự hiệu quả của thiết kế này. Quá trình chế tạo sử dụng công nghệ cắt robot đa trục, mang lại độ chính xác cao và giảm thiểu lãng phí vật liệu. Kết quả là một cấu trúc vỏ gỗ hoàn hảo, vừa thân thiện với môi trường vừa mang lại hiệu quả kinh tế cao. Nghiên cứu này không chỉ đóng góp vào lĩnh vực kiến trúc, mà còn mở ra những khả năng mới cho ngành xây dựng xanh trong tương lai.
