Kiến trúc và sinh học

Các kiến trúc sư ứng dụng ngày càng nhiều công nghệ sinh học trong các thiết kế của mình. Nhưng tại sao?

Mái vòm của sân vận động Olympic 1972 tại Munich do Frei Otto thiết kế. Nguồn: Arch Daily.

Khi Frei Otto, một trong những kiến trúc sư nổi tiếng của thế kỷ 20, thiết kế mái vòm của sân vận động Olympic ở Munich, công trình mà rồi sau đó trở thành kiệt tác vĩ đại nhất của ông, ông đã lục tìm ý tưởng ở nơi ít ai ngờ tới: trong những bánh xà phòng. 
Với sự cẩn trọng có chút thiên vị của một nhà khoa học tự nhiên, Otto đã nghiên cứu các hình thức của các hệ thống tự nhiên như màng xà phòng, cây tre, tảo silic và thậm chí là sinh vật phù du trùng tia. Nhưng ông không chỉ đơn giản là sao chép những gì đã thấy. Thay vì bắt chước và điêu khắc trên bề mặt những hình ảnh trang nhã từ tự nhiên – ví dụ như cây cột Corinth của Hy Lạp được khắc theo hình lá cây Ô rô, Otto muốn tái hiện các quy trình bên trong, hay nói cách khác là để trả lời câu hỏi : “Làm thế nào mà tự nhiên có thể tạo ra hình dạng như vậy?” 
Vậy điểm chung giữa kiến trúc và sinh học là gì? Otto nhận ra các hệ thống tự nhiên luôn duy trì được sự tự ổn định và tối ưu hóa: Bất kỳ thay đổi nào trong môi trường bên trong hoặc bên ngoài đều có hậu quả trực tiếp lên hình dạng, do đó cách tốt nhất để đạt tới hình dạng cuối cùng chính là học tập quá trình tạo ra hình dạng của các vật thể tự nhiên. Otto gọi sự sáng tạo “hữu cơ” của mình là các quá trình “tự kiến tạo”, mà ở đó “thiên nhiên cần phải được tái hiện một cách dễ hiểu chứ không chỉ đơn thuần là sao chép.
Khi thiết kế mái vòm sân vận động Munich, Otto xem xét kỹ lưỡng các tính chất của màng xà phòng. Thật vậy, bề mặt của bong bóng xà phòng chính là một chiếc máy tự nhiên cực kì hiệu quả, cân bằng giữa sự dẻo dai và trọng lượng nhẹ: chúng chính là ví dụ điển hình của việc đạt được hình dạng lớn nhất với mức sử dụng nguyên liệu nhỏ nhất. màng bọc mỏng manh có thể kéo dãn để phù hợp với sự cách biệt giữa áp lực bên trong và bên ngoài, nhưng hiếm khi bị vỡ. Ông nhận ra đó chính là mục tiêu mà cấu trúc mái vòm của sân vận động cần có, bởi nó được làm từ màng co giãn với hình dáng của một cái lều. Otto bắt tay vào tính toán góc thay đổi trên bề mặt của màng xà phòng, và sử dụng những thông số này để tìm hiểu về cấu trúc động tương tự trong độ cong của mái vòm. 
Trước thế kỷ 20, đa số các kiến trúc sư đều chỉ giới hạn công trình mình thiết kế trong phạm vi địa điểm mà nó sẽ được đặt. Thay vì nhìn thành phố như một tổ chức sống động, những kiến trúc sư này thiết lập các hình thức và quy tắc bất biến mà không hề tính đến sự thay đổi của môi trường. Đó là lý do vì sao ở rất nhiều thành phố, có rất nhiều tòa nhà trông chẳng hề ăn nhập với nhau, và bất cứ một tòa nào cũng có thể được nhấc lên và dịch chuyển sang chỗ khác. Tuy nhiên, Otto không đồng tình với điều này, và ông không phải là người duy nhất. Ngày nay, ngày càng nhiều kiến trúc sư cho rằng cấu trúc vật lý chỉ là một phần của một mạng lưới hữu cơ lớn hơn, và cấu trúc, hình dáng cũng như môi trường đều ảnh hưởng lẫn nhau, như trong một môi trường sống. 

Frei Otto (1925-2015)

Mái vòm sẽ phải căng trên một khoảng dài 1,443 ft (khoảng 440m) của sân vận động Munich, và do đó Otto đã sử dụng kết cấu của da trong thiết kế: bạt – hay lớp da được kéo căng nhờ các dây dẫn, nhưng chính chúng lại phải được sắp xếp theo cách khiến áp lực của tấm bạt giúp ổn định cấu trúc chung. Vì vậy có thể nói các chiếc cột giữ các dây dẫn, nhờ thế mà căng lớp da, nhưng chính lớp da đang phủ kín sân vận động kia cũng góp phần tạo cân bằng cho cột. Ở phần tiếp giáp với mặt đất, lớp da này lượn sóng thành một địa hình độc đáo, như dòng nước và vòng tuần hoàn của sân vận động. 
Các kiến trúc sư của thời đại chúng ta đang quan tâm hơn bao giờ hết đến khái niệm “tự tổ chức”. Trong hệ thống tự nhiên, sự sống luôn thay đổi liên tục để thích nghi với môi trường của nó, nhưng đồng thời vẫn tuân theo một loạt các ràng buộc (chẳng hạn như cấu trúc gene). Điều đó được các kiến trúc sư ứng dụng trong thực tế như sau: bắt đầu với những ràng buộc giới hạn cấu trúc, sau đó cho phép một số thay đổi, nhưng không quá lớn đến mức làm sụp đổ hệ thống, và rồi để cho các thiết kế cuối cùng tự phát triển. Hai ví dụ điển hình chính là phòng trưng bày Serpentine ở Anh do kiến trúc sư Toyo Ito và Cecil Balmond thiết kế, và Cung thể thao dưới nước ở Bắc Kinh. 
Khi thiết kế các mẫu nhà cho khu vực ngoại ô, Nastasi Architecs, một công ty thiết kế tại New Jersey, đã có một sự sắp đặt đặc biệt cho các ngôi nhà: những bức tường cong, mái nhà và cả móng đều không được thiết kế vuông thành sắc cạnh như thông thường. Điều này đảm bảo cho mỗi ngôi nhà đều tiếp cận với nhiều ánh sáng nhất có thể, và tránh ảnh hưởng đến mạch nước ngầm tự nhiên. Giống như một vật thể sống, mỗi phần của dự án đều chịu tác động bởi mối quan hệ với những phần khác. Trong “Công trình thực vật sống” (Living Plan Constructions) tại trường Đại học Stuttgart, Gerd de Bruyn và các sinh viên Ferdinand Ludwig và Oliver Storz đã sử dụng các ống khí để tạm thời hỗ trợ và định hướng cho sự phát triển của cây vả, giúp chúng tự tạo thành cây cầu đi bộ giữa biên giới Đức và Ba Lan. (Thiết kế này vẫn đang được phát triển và có thể sẽ mất bảy năm trước khi nó đủ vững chắc để sử dụng.)
Frei Otto đã dành nhiều năm để nghiên cứu “pneus” – các cấu trúc chứa khí. Katja Linnig, một trong những sinh viên đã tốt nghiệp tại Học viện Công nghệ Illinois, đã khám phá cấu trúc “tự tổ chức” bằng cách sử dụng “tế bào” giấy và một đồ vật có dạng quả bóng chứa đầy không khí bên trong để hỗ trợ. Các vật liệu này có sức chịu đựng tương đối tốt và các thuộc tính cấu trúc tương đối đơn giản nhưng có thể thay đổi dựa theo tương tác với các bộ phận khác, trong khi cấu trúc chung tự sắp xếp và phát triển. 
Rõ ràng các kiến trúc sư đã lấy cảm hứng từ các nhà sinh học: từ thế kỉ trước, Otto đã cộng tác với nhà sinh học JG Helmke. Ngày nay, các giáo sư kiến trúc và các kiến trúc sư đều nghiên cứu một cách tỉ mỉ các tài liệu của các nhà sinh học như Eric Bonabeau và Stewart Kauffman. Và điều ngược lại cũng đang xảy ra: nhà sinh vật học Donald Ingber tại Harvard đã nghiên cứu các nguyên lý kiến trúc để giải thích cách thức các tế bào  tìm đến và kết hợp cùng với nhau. Như Otto từng nói: “Sinh học đã trở thành một phần không thể thiếu đối với kiến trúc – nhưng kiến trúc cũng trở nên không thể thiếu đối với sinh học”. □
Hạnh Duyên dịch
Nguồn: 
https://www.the-scientist.com/daily-news/designing-buildings-using-biology-46288
https://www.theguardian.com/artanddesign/architecture-design-blog/2015/mar/11/frei-otto-the-titan-of-tent-architecture