Thụy Sĩ: Nâng cao tính bền vững của công trình bê tông bằng sự kết hợp giữa phương pháp xây dựng thời cổ và kỹ thuật số

ETH Zurich – Viện Công nghệ liên bang Thụy Sỹ là cơ sở giáo dục đại học về công nghệ và khoa học tự nhiên hàng đầu thế giới. Được thành lập từ năm 1855, ETH Zurich luôn được xếp trong top 10 – 20 các trường đại học tốt nhất thế giới, đóng góp nhiều công trình nghiên cứu khoa học về Toán học, Hóa học, Kiến trúc, Cơ khí… và là nơi đào tạo nhiều nhà khoa học đoạt giải Nobel.

Trong khuôn viên chung của phòng thí nghiệm liên bang Thụy Sỹ về Khoa học và Công nghệ Vật liệu, Viện Khoa học và Công nghệ Thủy sản liên bang Thụy Sỹ, ETH Zurich đã tiến hành thử nghiệm kỹ thuật và phương pháp xây dựng mới tại tòa nhà nghiên cứu NEST trong gần một thập kỷ.

Đây là dự án được tài trợ bởi Chính phủ, bắt đầu từ năm 2014 nhằm thử nghiệm các mô phỏng cuộc sống và hình thức làm việc của con người trong tương lai, đồng thời ứng dụng sáng chế xây dựng và công nghệ mới, hiện thực hóa các bài kiểm tra và nghiên cứu rủi ro. NEST có thể được coi là một phòng thí nghiệm thực hành của những dự án xây dựng, kiến trúc và năng lượng từ ETH Zurich. 

Từ tháng 9/2019, ETH Zurich đã lên kế hoạch mở rộng tòa nhà NEST bằng những “phương pháp xây dựng của tương lai” và chính thức hoàn thiện vào tháng 10/2021.

Dự án mang tên NEST HiLo (viết tắt của High efficiency – Low emissions, hiệu suất cao – phát thải thấp), một mô-đun hai tầng bổ sung cho cấu trúc của tòa nhà, khai thác các nguyên tắc xây dựng từ thời Trung cổ và các phương pháp kỹ thuật số hiện đại để nâng cao tiêu chuẩn bền vững của vật liệu bê tông trong xây dựng.

Theo thống kê, ngành công nghiệp xi măng và bê tông phát thải lượng khí CO2 bằng 8% tổng lượng khí phát thải toàn cầu. Với mỗi tấn xi măng được sản xuất, có đến 600kg khí CO2 thải ra môi trường.

Trong bối cảnh thế giới phải đối mặt với biến đổi khí hậu và nóng lên toàn cầu ở mức độ nghiêm trọng, cũng như cam kết đạt mức phát thải ròng bằng 0 vào năm 2050 của nhiều quốc gia, việc hạn chế sử dụng bê tông và sử dụng bê tông một cách bền vững trong xây dựng là hành động cần thiết để ngành xây dựng – kiến trúc giảm các tác động tiêu cực đến hệ sinh thái. 

Dự án NEST HiLo được thiết kế bởi công ty kiến trúc ROK Architekten phối hợp với nhóm nghiên cứu Khối và Kiến trúc đứng đầu là Giáo sư Philippe Block cùng nhóm nghiên cứu Hệ thống xây dựng đứng đầu là Giáo sư Arno Schlueter của ETH Zurich. 

Theo Tiến sĩ Tom Van Mele – Nhà khoa học cấp cao của Block Research Group, thời cổ đại không có những vật liệu như bê tông cốt thép, do đó, các kỹ sư xây dựng phải quan tâm đến khả năng ứng dụng những vật liệu sẵn có (có nguồn gốc tự nhiên và độ bền thấp hơn) trong các thiết kế của mình.

Điều đó có nghĩa là, nếu ngày nay chúng ta muốn hạn chế sử dụng bê tông trong những công trình kiến trúc, chúng ta có thể tham khảo phương pháp và thiết kế xây dựng từ thời xưa. 

Các kỹ thuật xây dựng thời Trung cổ phần lớn được thể hiện thông qua cấu trúc hình học. Phần mái cong dạng vòm đặc trưng của kiến trúc thời xưa được định hình bởi một hệ thống ván khuôn dẻo linh hoạt với một lưới cáp căng được bao bọc bởi một lớp màng mỏng, có vai trò là bộ phận chịu lực chính. 

Để tiết kiệm vật liệu, các kỹ sư đã phun lên trên lớp màng một lớp bê tông lỏng. Từ đó, thay vì xây dựng mái hoàn toàn bằng bê tông như kỹ thuật thông thường thì phần mái của dự án HiLo là sự kết hợp giữa tính bền của bê tông và các loại vật liệu khác.

Phần mái liên kết với phần bên dưới bằng cấu trúc “bánh sandwich bê tông”, cấu tạo từ hai lớp bê tông cốt thép mỏng được kết nối bằng một mạng lưới các sườn bê tông và neo thép. 

Dưới tấm lót sàn, nhóm nghiên cứu đã phát triển một hệ thống “sàn leo núi” có dạng hình học của đường sắt vận tải. Sàn bê tông thông thường sẽ bao gồm rất nhiều bê tông bọc quanh một hệ thống thép uốn cong.

Ngược lại, sàn HiLo sử dụng chất làm cứng và hệ thống thanh giằng với mật độ thấp hơn nhằm chỉ đặt vật liệu tại vị trí chịu lực. Lực nén được phân tán đến các góc của cấu trúc, trong khi lực đẩy của phần góc này sẽ được truyền đến các thanh căng sau. Theo đó, toàn bộ kết cấu sàn chịu được trọng tải lớn nhờ chuyển động lực của lực nén và lực ngang. 

Hệ thống này cho phép sử dụng các loại vật liệu có độ bền thấp, phát thải carbon thấp, thậm chí có thể dùng cả vật liệu thải từ quá trình phá dỡ công trình xây dựng, từ đó tiết kiệm khoảng 70% lượng bê tông và 90% lượng thép so với sàn bê tông cốt thép thông thường.

Bên cạnh đó, phương pháp sản xuất kỹ thuật số cho phép tích hợp hệ thống thông gió, làm mát và sưởi ấm nhiệt độ thấp vào cấu trúc sàn để tận dụng tối đa không gian, giảm khối lượng vật liệu đến mức thấp nhất có thể. 

Mặt tiền dự án cũng được trang bị hệ thống 30 mô-đun năng lượng mặt trời, được sắp xếp “thẳng hàng với mặt trời” – tức là có thể thu thập tối đa năng lượng từ ánh sáng mặt trời bất kể là thời điểm nào trong ngày. Các mô-đun linh hoạt cũng có thể được sử dụng để chủ động kiểm soát nhiệt lượng theo yêu cầu làm nóng hay làm mát. 

Mặt tiền năng lượng mặt trời thích ứng là một trong những công nghệ tòa nhà được thiết kế và ứng dụng để điều hòa khí hậu trong nhà một cách hiệu quả.

Trong quá trình vận hành, các nhà nghiên cứu đã tối ưu hóa để nhất quán sự tác động lẫn nhau của những công nghệ riêng lẻ trong tòa nhà bằng cách sử dụng công nghệ máy học và phân tích người dùng, từ đó giúp con người sống thoải mái trong tòa nhà với mức năng lượng tiêu thụ và khí thải phát ra môi trường ít nhất có thể.

Có thể thấy, những nguyên tắc xây dựng thời cổ đại cùng với những công nghệ tối tân đã được tích hợp vào một quy trình làm việc hoàn chỉnh, từ thiết kế đến chế tạo linh hoạt và triển khai trên hệ thống COMPAS – khung tính toán mã nguồn mở dành cho nghiên cứu và hợp tác trong khoa học kiến trúc và xây dựng. Hệ thống này đóng vai trò là trung tâm dữ liệu, được dùng để tính toán, điều phối và lập kế hoạch cho những sáng kiến quan trọng, đồng thời có thể hỗ trợ chuyển giao công nghệ một cách nhanh chóng. 

Hạn chế bê tông, tối ưu hóa thiết kế và sử dụng năng lượng sạch cùng công nghệ thông minh là những điểm sáng đáng kể trong dự án HiLo của Viện Công nghệ ETH Zurich. Có thể nói rằng, trong một tầm nhìn xa và bền vững, dự án HiLo sẽ trở thành kiểu mẫu của công trình xây dựng trong tương lai với khả năng đáp ứng được nhu cầu của con người, thân thiện với môi trường và điều hòa lợi ích kinh tế – xã hội./.