Kiến Trúc Thuật Toán Và Những ứng Dụng Tại Việt Nam

Chúng ta đang sống trong thời đại của công nghệ, các dự án kiến trúc xây dựng dưới sự hỗ trợ của công nghệ đang trở nên hiệu quả và chính xác hơn. Kiến trúc thuật toán – Computational Design là một xu hướng công nghệ quan trọng và đang được các công ty kiến trúc hàng đầu sử dụng. Nó cũng đang được phổ cập vào rất nhiều các cơ sở đào tạo kiến trúc trên thế giới.

Bằng việc thực hành Computational Design ở Việt Nam ngay từ những đồ án sinh viên đến những dự án kiến trúc thực tế. Tác giả bài viết này mong muốn đóng góp một góc nhìn đa dạng hơn về những ứng dụng của Computational Design trong bối cảnh hội nhập.

Những ứng dụng của kiến trúc thuật toán (Computational Design)

Để dễ hình dung Computational Design, ta có thể gọi là kiến trúc thuật toán. Hiểu đơn giản là việc áp dụng các thuật toán vào quá trình thiết kế kiến trúc. Trong khi các KTS truyền thống dựa vào trực giác và kinh nghiệm để giải quyết các vấn đề thiết kế, thì Computational Design nâng cao quy trình đó bằng cách mã hóa các quyết định thiết kế bằng ngôn ngữ máy tính. Mục tiêu không nhất thiết phải tạo ra kết quả cuối cùng mà là các bước cần thiết để tạo ra kết quả đó.

1. Hỗ trợ thực hiện những công việc phức tạp

Một trong trong những ứng dụng dễ thấy nhất của Computational Design là giúp KTS dựng mô hình những cấu trúc phức tạp.

Lớp vỏ của công trình được tạo nên bởi các thuật toán. Các ô kính tam giác có kích thước thay đổi dần đều theo chiều dài của lớp vỏ. Các họa tiết trên lớp vỏ thì được biến đổi ngẫu nhiên lấy cảm hứng từ hình bông hoa. Nếu như công việc này được thực hiện theo phương pháp thủ công thì sẽ mất rất nhiều thời gian.

Với sự phát triển của toán học và công nghệ càng ngày người ta càng tìm ra thêm những dạng hình học mới. Gyroid là một bề mặt tối giản (Minimal surface) được tìm ra bởi NASA vào năm 1970. Với sự hỗ trợ của các thuật toán, từ phương trình gốc ban đầu của Gyroid, nhóm tác giả đã mô phỏng thành hình khối và xây dựng công năng cho nó là một tòa tháp dưới đáy biển giúp làm sạch và bảo tồn hệ sinh thái dưới đại dương. Đối với những cấu trúc này, việc mô hình theo cách thủ công là bất khả thi.

Lấy cảm hứng từ hình ảnh của những con sóng, dự án sử dụng thuật toán field để mô tả lại những chuyển động của chúng. Do là một dự án thực tế, cho nên thiết kế phải được tối ưu hóa cho việc lặp đặt được dễ dàng. Với hàng trăm mảnh ghép khác nhau, các phương án và hồ sơ bản vẽ của dự án được tác giả minh họa với công nghệ thực tế tăng cường (AR) giúp cho việc thi công trở nên đơn giản hơn.

2. Tham gia vào quá trình thiết kế ý tưởng

Bài toán đặt ra là trong một diện tích sàn vô cùng nhỏ, làm thế nào để con người ở trong đó có những không gian thoải mái hơn để sử dụng, thay vì các đồ đạc nội thất phải được thiết kế tích hợp đa năng.

Kết quả là một chương trình được tạo ra để có thể sắp xếp không gian nội thất trong nhà theo nhu cầu của người sử dụng theo từng thời gian trong ngày. Hệ ròng rọc phía trên có vai trò sắp xếp và cất bớt những chức năng không cần thiết trong một thời điểm.

Có rất nhiều nguồn cảm hứng để hình thành nên một ý tưởng kiến trúc, việc ứng dụng Computational Design vào quá trình lên ý tưởng là một trong những cách đó. Nó không có nghĩa là KTS đang làm việc không có sáng tạo. Bởi vì mỗi thuật toán đều hoạt động dựa trên những logic riêng, mà người đứng sau thiết lập những logic đó chính là KTS. Đồ án tốt nghiệp của tác giả ở trường Đại học Kiến trúc Hà Nội là một sự thử nghiệm cho việc đó.

Các thuật toán được sử dụng để tạo ra hình khối cơ bản của công trình lấy dữ liệu đầu vào là vị trí, chiều cao, mực nước và hình dạng của những hòn đảo xung quanh. Điều kiện là hình khối công trình được tạo ra đảm bảo có được view nhìn tối đa đến các hòn đảo trong diện tích và chiều cao giới hạn.

Kết quả tối ưu của điều kiện trên là một khối tròn đơn điệu. Do đó đồng thời một thuật toán khác được tạo ra để hình dạng của khối nhà có sự tương đồng với hình dạng với những hòn đảo xung quanh, mục đích là để phá đi sự nhàm chán của điều kiện ban đầu và đảm bảo tính hài hòa với bối cảnh. Nhưng cũng chính vì thế, những kết quả được máy tính đưa ra không có đúng hay sai tuyệt đối.

Sau khi nhận được hàng trăm kết quả khác nhau, tác giả dựa vào cảm xúc chủ quan của bản thân để quyết định phương án cuối cùng. Quyết định này phải đảm bảo sự cân bằng giữa các ưu thế của phương án đã tính toán và hình thức kiến trúc độc đáo. Từ những đường cong cơ sở làm gợi ý phương án được phát triển lên thành một hình khối kiến trúc hoàn thiện.

Về đồ án này, do vẫn còn thiếu rất nhiều tham số nên nó vẫn còn nhiều bất cập. Tuy nhiên chúng ta thấy được rằng: Logic của con người khác logic của máy móc, thiếu đi một tham số đầu vào thì lập tức kết quả ra rõ ràng sẽ phiến diện. Nó khác với cách con người tư duy, anh ta có thể không quy nạp hoàn chỉnh các vấn đề nhưng kết quả cuối cùng có thể gây ngỡ ngàng bởi cái tình ở trong đó.

Có thể nói, Computational Design cũng có thể được ứng dụng trong việc phác thảo nhanh tư duy của KTS dưới dạng là các phương án so sánh, những gợi ý. Khi đó, sự sáng tạo của KTS được thể hiện qua logic trong thuật toán, sự chuyển hóa từ những tham số thành không gian. Kết quả cuối cùng vẫn do KTS quyết định.

3. Phân tích và tối ưu hóa thiết kế

LAVA (Laboratory for Visionary Architecture) là đơn vị tư vấn nước ngoài có chi nhánh tại Việt Nam, cũng là một trong những đơn vị hiếm hoi ở Việt Nam ứng dụng Computational Design vào quá trình thiết kế dự án. Dưới đây là một vài dự án trong quá trình công tác của tác giả tại LAVA sau khi khi tốt nghiệp ĐHKTHN (2020)

Các yếu tố nắng, gió được tính toán và mô hình hóa dựa trên dữ liệu thời tiết thu thập được của địa điểm. Với sự hỗ trợ của Computational Design, các phương án massing đưa ra có thể dễ dàng được kiểm tra và so sánh với nhau. Những công việc này vốn là thế mạnh của máy tính khi mà các KTS truyền thống thường chỉ dựa vào kinh nghiệm để đưa ra quyết định.

Kết quả của công việc này có tính thực tiễn cao hay không phụ thuộc vào hai yếu tố chính: Dữ liệu đầu vào mà KTS cung cấp có đầy đủ và chính xác hay không. Logic của thuật toán có được xây dựng đúng theo những tiêu chuẩn thiết kế hay không.

4. Tự động hóa các công việc lặp đi lặp lại

Chính vì là việc tạo ra các bước để thực hiện một công việc, nó giống như việc tạo ra các công cụ để rút ngắn thời gian làm việc của KTS đi nhiều lần, các công cụ này có thể sử dụng trong nhiều các dự án khác nhau với khả năng thích nghi tùy theo người lập trình tạo ra. Trong trường hợp thay đổi hình khối, KTS không vẽ lại từ đầu mà sẽ chỉ điều chỉnh một vài tham số của thuật toán, việc này tiết kiệm rất nhiều thời gian thiết kế.

Có thể nói, không những giúp thực hiện những công việc phức tạp mà Computational Design còn giúp KTS thực hiện những công việc đơn giản có tính lặp lại, nhanh hơn và chính xác hơn.

Kiến trúc thuật toán ở Việt Nam trong bối cảnh hội nhập

Computational Design giống như một chiếc “bút chì” mới của các KTS trong thời đại công nghệ. Nó cũng là bước đầu để kiến trúc tiến tới những ứng dụng công nghệ cao hơn như AI (Artificial Intelligence)

Việc ứng dụng Computational Design ở các đơn vị tư vấn Việt Nam chưa trở nên phổ biến không phải là do hạn chế về trang thiết bị máy móc, mà do sự thiếu cập nhật, thiếu sự quyết tâm để thay đổi cả một hệ thống đang làm việc theo những phương thức cũ. Thêm nữa, các trường đào tạo kiến trúc trong nước chưa chú trọng đẩy mạnh nghiên cứu phát triển Computational Design, dẫn đến nguồn nhân lực có kĩ năng cần thiết ở Việt Nam là vô cùng khan hiếm.

Nhờ có công nghệ, rồi đây các KTS trên thế giới sẽ giao tiếp chung một ngôn ngữ đó là ngôn ngữ máy tính. Những công trình phô diễn cấu trúc parametric ở khắp mọi nơi như đến từ ngoài hành tinh. Nó khiến những KTS càng phải quan tâm hơn đến vấn đề bản sắc, làm thế nào để tham số hóa những giá trị bản địa trong kiến trúc của chúng ta và chuyển hóa chúng vào trong những công trình của thời đại mới. Và rõ ràng sự chuyển hóa đó là công việc của KTS chứ không phải của máy tính.

Có nhiều lo ngại rằng trong bối cảnh công nghệ đang tiến bộ một cách vượt bậc như hiện nay, một tương lai không xa nữa, các AI (trí tuệ nhân tạo) sẽ sớm thay thế công việc của các KTS. Điều này là hoàn toàn có cơ sở, dễ thấy nhất khi dữ liệu lớn (Big Data) của chúng ta là hệ thống các công trình thiết kế theo BIM, máy tính sẽ truy cập dữ liệu đó để rèn luyện và ngày càng trở nên thông minh hơn. Nó có thể đưa ra các gợi ý thiết kế tối ưu hơn được học hỏi từ rất nhiều các công trình tương tự.

Tuy nhiên, chúng ta thường dễ dàng thấy được những điều sắp bị mất đi hơn là những điều sắp được tạo ra. Có lẽ công việc của KTS trong tương lai sẽ không hoàn toàn mất đi mà sẽ có sự thay đổi. Và để sẵn sàng cho sự thay đổi đó, chúng ta cần phải trau dồi cho mình kiến thức đủ để làm chủ những công nghệ mới và biến chúng thành “trợ thủ” chứ không phải là “khắc tinh”. Bên cạnh đó, việc phát huy tối đa những giá trị của những công việc mà máy tính không thể thay thế được KTS.

KTS Trịnh Quốc Bảo (Bài đăng trên Tạp chí Kiến trúc số 06-2021)