Nằm ở trung tâm Chiang Mai, một thành phố giàu lịch sử và di sản văn hóa của miền bắc Thái Lan, Panyaden Hall , hoàn thành vào năm 2017, mang trong mình câu chuyện về sự đổi mới kỹ thuật và lòng tôn kính truyền thống, được tái hiện qua tre. Kết hợp nghề thủ công Thái Lan hàng thế kỷ với các giải pháp thiết kế hiện đại, dự án phản ánh tinh thần của Chiangmai Life Architects, một công ty tận tụy nâng cao vật liệu tự nhiên lên tiềm năng cao nhất của chúng. Trong bài viết này, chúng ta sẽ khám phá một số giải pháp kết cấu đương đại được áp dụng cho dự án mang tính biểu tượng này, tiếp tục tiết lộ tiềm năng thực sự của tre và mang đến một góc nhìn mới về kiến trúc bền vững và kỹ thuật tre.
Hệ thống cấu trúc
Hệ thống kết cấu của Panyaden Hall dựa trên cấu hình vòm, trong đó các giàn vòm rộng 15m tạo thành các thành phần chính của hệ thống, phân bố ở các khoảng cách rộng 3m. Các giàn này hỗ trợ mái nhà cũng hoạt động như một màng chắn mái , đóng vai trò quan trọng trong độ cứng ngang của hệ thống. Việc tích hợp màng chắn này vào hệ thống kết cấu giúp tăng đáng kể độ ổn định cho toàn bộ cấu trúc, phân phối hiệu quả các dịch chuyển do gió và hoạt động địa chấn gây ra.
Mái nhà: Sự ổn định thông qua thiết kế
Ngoài vai trò thông thường là lớp phủ bảo vệ, mái nhà trong kiến trúc tre thường có chức năng cấu trúc quan trọng. Trong trường hợp của Panyaden Hall, thiết kế mái nhà đảm bảo rằng nó đóng góp tích cực vào sự ổn định tổng thể của tòa nhà, một chiến lược được sử dụng rộng rãi trong xây dựng tre trên toàn thế giới. Được gọi là “hiệu ứng màng chắn mái” trong kỹ thuật kết cấu, phương pháp này cung cấp sự ổn định theo chiều ngang quan trọng, giúp các cấu trúc tre chống lại lực gió và động đất.
Để đạt được điều này, một phương pháp tiếp cận theo lớp được sử dụng. Đầu tiên, một lớp lưới tre tách đôi được đặt lên trên khung kết cấu. Lớp ban đầu này hoạt động như một lớp nền, tạo nền tảng cho các đặc tính ổn định của màng chắn. Trên cùng, các tấm tre dẹt – được gọi là esterilla ở Mỹ Latinh và pelupuh ở Indonesia – được thêm vào để tạo thành một lớp vỏ cứng và gắn kết.
Có thể kết hợp thêm các lớp lưới tre chẻ đôi và tre dẹt dựa trên các yêu cầu về cấu trúc. Trong một số trường hợp, các lớp này được sắp xếp với các sợi tre theo chiều vuông góc hoặc theo góc để tăng thêm độ cứng. Để đảm bảo độ bền và khả năng bảo vệ khỏi các yếu tố, một màng chống thấm nước – thường là lớp lót nhựa đường hoặc vật liệu tương tự – được tích hợp bên dưới lớp lợp cuối cùng.
Vòm kèo, thành viên và cụm lắp ráp
Ở giai đoạn thiết kế sơ bộ, người ta đã cân nhắc đến các vòm catenary để định hình giàn. Tuy nhiên, các hạn chế về chiều cao đã dẫn đến việc áp dụng các vòm bán nguyệt, tối ưu hóa việc phân bổ tải trọng trong khi tận dụng sức chịu nén tự nhiên của tre. Cách tiếp cận này chứng minh tiềm năng của tre khi kết hợp với kỹ thuật chu đáo, ngay cả trong các hạn chế về thiết kế. Kết quả là chức năng và hiệu quả, đồng thời cũng đẹp, thể hiện những gì có thể làm được với các vật liệu tự nhiên.
Được xây dựng bằng cách kết hợp các bó tre và thân tre có đường kính lớn hơn, hệ giàn vòm của Panyaden Hall cho thấy cách lựa chọn vật liệu hợp lý đã được sử dụng để đạt được cả độ bền và tính linh hoạt, phù hợp với nhu cầu cụ thể của dự án.
Các bó tre, được tạo thành bằng cách buộc chặt các thân tre có đường kính nhỏ hơn lại với nhau, cung cấp một giải pháp hiệu quả để tạo ra các thành phần cong có đủ độ bền và độ cứng để chịu được tải trọng thiết kế. Tre nhỏ hơn rất nhiều trong khu vực, khiến việc bó lại trở thành một chiến lược hiệu quả để tạo thành các thành phần kết cấu chắc chắn. Tuy nhiên, để các bó này hoạt động hiệu quả, chúng phải được buộc chặt với nhau và được gia cố bằng các đầu nối cắt ngang để đảm bảo rằng các mảnh tre riêng lẻ hoạt động như một khối thống nhất.
Cách tiếp cận này đặc biệt có lợi, vì nó cho phép bán kính cong đáng kể thông qua uốn nguội, vì các mảnh tre nhỏ hơn dễ thao tác hơn nhiều so với các thân tre lớn hơn, cứng hơn. Việc lựa chọn tre Thyrsostachys oliveri để tạo thành các thành phần bó cũng là chìa khóa. Được biết đến với mô đun đàn hồi cao, loài này vừa linh hoạt vừa mạnh về mặt cơ học, khiến nó trở nên lý tưởng để tạo thành các đường cong duyên dáng nhưng mạnh mẽ của các vì kèo cong.
Bằng cách sử dụng các tiêu chí dựa trên kỹ thuật để lựa chọn thời điểm và địa điểm sử dụng các bó tre so với các thân tre đơn lẻ , nhóm thiết kế đã tối ưu hóa hiệu suất kết cấu trong khi ưu tiên sử dụng các vật liệu có sẵn tại địa phương. Lựa chọn này phản ánh một nguyên tắc cốt lõi của thiết kế bền vững: sử dụng những gì có sẵn và điều chỉnh phương pháp thiết kế cho phù hợp, thay vì dựa vào các vật liệu nhập khẩu hoặc khan hiếm hoặc các loài tre không phổ biến trong khu vực.
Ngoài ra, việc chế tạo sẵn các thành phần giàn còn đặt ra một thách thức quan trọng khác: nâng. Giàn tre, mặc dù nhẹ, phải được thiết kế để chịu được ứng suất khi nâng và đặt, ngoài tải trọng thiết kế cuối cùng của chúng. Đảm bảo rằng tải trọng điểm và lực nâng được tính đến trong giai đoạn thiết kế là điều cần thiết để lắp ráp thành công.
Kết nối: Linh hồn của các cấu trúc tre
Như nhiều người xây dựng tre nói, các kết nối là linh hồn của các cấu trúc tre. Các mối nối này là những điểm quan trọng nơi ứng suất tập trung, và nếu không được thiết kế cẩn thận, chúng có thể trở thành điểm hỏng. Tuy nhiên, những gì có vẻ như là điểm yếu cũng có thể mang đến cơ hội cho sự đổi mới. Thiết kế các kết nối tre là một ngành đang phát triển kết hợp nghề thủ công truyền thống với các nguyên tắc kỹ thuật hiện đại.
Tại Panyaden Hall, các kết nối thành công phụ thuộc vào sự hiểu biết sâu sắc về cường độ tải tại mỗi mối nối. Đây là nơi phần mềm phân tích cấu trúc đóng vai trò quan trọng, cho phép mô hình hóa lực chính xác để xác định các chiến lược kết nối hiệu quả nhất.
Phương pháp tiếp cận chính bao gồm sự kết hợp giữa tre và thép, một sự kết hợp tận dụng những đặc tính tốt nhất của cả hai vật liệu. Trong khi tre vượt trội về khả năng chịu nén, thép, được biết đến với tính dẻo dai, lại có khả năng xử lý lực kéo cực kỳ tốt. Bằng cách tích hợp những vật liệu này một cách chu đáo, nhóm thiết kế đã đạt được các kết nối dẻo dai, đáng tin cậy giúp nâng cao hiệu suất tổng thể của kết cấu.
Kỹ thuật kết cấu: Độ chính xác, mục đích và hiểu biết sâu sắc hơn
Trong thời gian sống như một tu sĩ tại tu viện Vaishnava ở vùng núi Colombia, kỹ sư kết cấu Esteban Morales ( Kỹ sư tre ) được yêu cầu tiến hành phân tích kết cấu của một gian hàng tre cánh sen dài 50 mét, ngày nay được gọi là Panyaden Hall.
Đối với Morales, lời mời này được coi là cơ hội để áp dụng chuyên môn kỹ thuật của mình. Hơn nữa, nó đến từ bác sĩ-kiến trúc sư người Áo Markus Roselieb ( Chiangmai Life Architects ), người hiểu các cấu trúc tre giống như một phần của cơ thể sống, giống như xương được khớp nối bằng dây chằng và khớp. Không giống như nhiều nhà thiết kế áp đặt các hình thức lý tưởng hóa không liên quan đến logic cấu trúc, Roselieb hiểu rằng thiết kế tốt phải xuất phát từ kiến thức sâu sắc về cơ học vật liệu và phương pháp xây dựng.
Chìa khóa để tối ưu hóa cấu trúc
Quá trình kỹ thuật đằng sau Panyaden Hall không chỉ bao gồm việc đảm bảo cấu trúc cuối cùng có thể đứng vững mà còn đòi hỏi phải cân nhắc cẩn thận mọi giai đoạn, từ lắp ráp đến hiệu suất lâu dài. Thông thường, đối với trường hợp này và các trường hợp khác, một số bước chính liên quan là:
- Xác định hệ thống cấu trúc và phát triển mô hình kỹ thuật số.
- Chỉ định các đặc tính vật liệu dựa trên hành vi cơ học của tre.
- Tối ưu hóa mặt cắt ngang để tăng cường độ bền và hiệu quả.
- Mô phỏng tải trọng chết, tải trọng sống, tải trọng gió và tải trọng động đất để phản ánh các điều kiện thực tế.
- Chạy phân tích lặp đi lặp lại để tinh chỉnh mô hình.
- Theo dõi sự dịch chuyển tại các điểm kiểm soát để đảm bảo tính ổn định.
- Trích xuất lực tại các phần tử, đế và kết nối để thiết kế cuối cùng.
Gió, thường bị đánh giá thấp trong các công trình bằng tre, đã chứng minh là lực quyết định. Ở những khu vực dễ xảy ra động đất, tải trọng động đất được công nhận rộng rãi, nhưng đối với các công trình bằng tre nhẹ, gió thường là đối thủ thực sự. Để minh họa cho điều này, hai mô hình kết cấu đã được phát triển. Mô hình đầu tiên, cho thấy cấu hình không được gia cố trước khi tối ưu hóa kết cấu, cho thấy sự dịch chuyển đáng kể dưới tải trọng ngang:
Thứ hai, kết hợp các thanh giằng được đặt ở vị trí chiến lược, đã cải thiện đáng kể hiệu suất bằng cách cho thấy độ dịch chuyển nhỏ hơn đáng kể:
Từ cảm hứng đến di sản
Những bài học từ Panyaden Hall mở rộng xa hơn nhiều so với dự án đơn lẻ này hoặc các ví dụ được mô tả trong bài viết này. Chúng làm nổi bật một sự thay đổi thiết yếu trong cách chúng ta nghĩ về tre: không phải là một lựa chọn thứ cấp, mà là một vật liệu có khả năng hoạt động ngang bằng hoặc thậm chí tốt hơn các hệ thống xây dựng thông thường khi được xử lý với cùng mức độ nghiêm ngặt.
PV/archdaily