VAI TRÒ CỦA HÌNH HỌC FRACTAL VÀ NGÔN NGỮ TẠO HÌNH CỦA KIẾN TRÚC HIỆN ĐẠI

Thế kỷ XIX cho đến ngày nay, sự phát triển của toán học và khoa học vũ trụ đã cung cấp những cảm hứng không giới hạn cho ngôn ngữ tạo hình của các kiến trúc sư. Thuyết tương đối tổng quát của nhà bác học Einstein (1879 – 1955) và các nghiên cứu về hình học giải tích, đặc biệt là hình học fractal … đã cung cấp những mô hình miêu tả cấu trúc không gian và vật thể chính xác hơn, cho thấy không gian có thể cong hơn là thẳng. Điều này trở thành một chất liệu hấp dẫn cung cấp thêm cho chí tưởng tượng của các nhà kiến trúc sư ý tưởng về những tạo hình kiến trúc mới phi cấu trúc, giàu tính sáng tạo và bay bổng hơn đại diện bởi các trường phái kiến trúc hữu cơ, phi kết cấu, giải tỏa kết cấu, hi-tech… của kiến trúc hiện đại. Điều mày có thể thấy ở ngôn ngữ sáng tác kiến trúc trong các công trình của Frank Lloyd Wright (1867 – 1959) , Frank O. Gehry (1929 -), Renzo Piano (1937 -)…

Sự phức tạp của thời đại mới trong xu hướng tìm kếm ngôn ngữ thiết kế đã dẫn đến nhiều nhu cầu khác nhau trong đó quy mô là yếu tố chính. Trong khi đó, cũng cần có những thiết kế có tính phân tán cao nhằm thúc đẩy cách tiếp cận ‘công nghệ’ hướng về thiên nhiên. Hình học Fractals trong kiến trúc đã mang lại sự tự do để khám phá các mô hình lặp lại ở các quy mô khác nhau. Với môi trường hiện đại và nhu cầu hiện tại của chúng, hình học fractal đang phát triển mạnh mẽ. Các họa tiết hấp dẫn mang nét duyên dáng trong sự lặp lại của chúng và giống với các hình dạng tự nhiên để mang lại sự thoải mái hơn cho thiết kế.

Dù cố ý hay vô tình, chúng ta vẫn luôn bị bao quanh bởi các fractal. Theo định nghĩa của Benoit Mandelbrot, một nhà toán học người Mỹ gốc Pháp-Ba Lan, fractal là một hình dạng bị phá vỡ với các đặc tính lặp lại. Đó là một hình dạng phức tạp lặp đi lặp lại để tạo thành một mẫu phức tạp. Khi bạn phóng to nó, bạn sẽ vẫn đạt được hình dạng tương tự- đó là sự kì diệu của fractal.

Có sự hiện diện của fractal trong toán học, máy tính, thời gian, âm thanh, tự nhiên và thậm chí cả kiến trúc. Kiến trúc Fractal đã có từ thời cổ điển. Một trong những ví dụ điển hình nhất của hình học này là thiết kế Shikhara trong các ngôi đền Hindu. Những hoa văn phức tạp đầy sức sống chứa đựng vũ trụ học của Ấn Độ giáo bên trong chúng, đồng thời cũng nói lên tính thẩm mỹ.

Hình 1: Hình học fractal trên mặt đứng ngôi đền Hindu Nguồn: https://www.futurly.com/

Một trong những hướng chính trong việc ứng dụng các phương pháp toán học hiện đại trong xây dựng - là tạo ra các đối tượng phức tạp bằng cách sử dụng các thuật toán đơn giản của hình học fractal với việc sử dụng công nghệ máy tính. Việc sử dụng các phương pháp hình học fractal để mô tả các hệ thống thực, đặc biệt, trong sự phát triển diện mạo kiến trúc của thành phố và thiết kế các cấu trúc hiện đại có hình dạng tuyệt vời nhất.

Hình học Fractal nghiên cứu các thuộc tính của các đối tượng có sự phân mảnh, đường đứt đoạn, ranh giới mờ và kích thước phân số. Thông thường, Fractal có sự phân loại sau: hình học, đại số, ngẫu nhiên và hệ thống các hàm lặp. Ý tưởng chính là một cách để có được các đối tượng phức tạp bằng cách thay thế các phần của phần tử ban đầu theo các quy tắc nhất định. Nhưng cũng có những đặc tính khác của Fractal. Đây là sự bất đối xứng và tỷ lệ. Tính bất đối xứng là sự thống nhất của đối xứng và không đối xứng, và tỷ lệ là một sự tương đồng thay đổi.

Cách tiếp cận fractal là một cách phân tích và thiết kế tạo hình kiến trúc có thể làm phong phú đáng kể kiến trúc hiện đại. Các nguyên tắc của kiến trúc fractal được áp dụng cho việc xây dựng các vật thể riêng lẻ và tổ chức không gian đô thị. Ứng dụng của các dạng tương tự lặp đi lặp lại được phổ biến rộng rãi trong việc thiết kế nhiều loại cấu trúc, phù hợp với sự công nghiệp hóa và modul hóa mà không làm giảm đi tính thẩm mỹ của ngôn ngữ tạo hình. Trước đây, các yếu tố kiến trúc trong quá trình xây dựng đều giống nhau. Nhưng các kiến trúc sư đã có thể tạo ra những cấu trúc tuyệt vời một cách trực quan bằng cách sử dụng các nguyên tắc kiến trúc fractal. Điều này làm cho các vật thể trở nên hoàn toàn độc đáo, các kiến trúc sư đã biết cách tổ chức và làm đẹp cho không gian bên trong và mặt tiền, điều này đã làm cho những công trình kiến trúc này trở nên độc đáo.

Sự phát triển của công nghệ máy tính có thể thiết kế và thực hiện những dự án khác thường nhất bằng hình học fractal. Và phương pháp tiếp cận fractal như một phương pháp nghiên cứu, một cách thiết kế và mô hình hóa các hình thức kiến trúc giúp tạo ra các cấu trúc và tổ hợp công trình tuyệt đẹp và đẹp đẽ. Tính phân dạng trực quan được thể hiện trong nhiều cấu trúc của kiến trúc hiện đại ở sự giống nhau về đường nét, hình dạng và bề mặt của các phần tử của các cấu trúc này. Các yếu tố độc đáo của cấu trúc không phải là các vật thể tĩnh, mà là một dấu vết chuyển động, uốn cong, đứt gãy bề mặt, ranh giới mờ, dạng mềm mô phỏng đường nét của tự nhiên sống. Tiêu biểu cho sự thành công của ứng dụng hình học fractal trong tạo hình kiến trúc là các công trình được thiết kế bởi các kiến trúc sư như Antoni Gaudi, Zaha Hadid, Jem Utzon, Gottlieb Eltel Saarinen, Renzo Piano, Gottfried Böhm, Frank Owen Gehry …

Hình 2: Hình học fractal và ứng dụng không giới hạn trong ngôn ngữ tạo hình của kiến trúc hiện đại Nguồn: https://www.futurly.com/

Các kiến trúc sư và nhà thiết kế hiện đại đang tìm kiếm các hình ảnh phân dạng đồ họa, các hình thức kiến trúc ở định dạng 2D và 3D và sử dụng các phương pháp mô hình hóa máy tính trong nghiên cứu của họ. Các yếu tố độc đáo của cấu trúc không phải là các vật thể tĩnh, mà là một dấu vết chuyển động, uốn cong, đứt gãy bề mặt, ranh giới mờ, dạng mềm mô phỏng đường nét của tự nhiên sống. Thuật toán Fractal cho phép nén, xoay, biến đổi phi tuyến của hình dạng ban đầu. Để thế giới của chúng ta trở nên đẹp đẽ và hài hòa, cần phải áp dụng rộng rãi hơn các phương pháp mô hình hóa máy tính và đưa công nghệ kỹ thuật số vào thực tiễn thiết kế để tạo ra các tổ hợp công trình độc đáo và một môi trường sống tiện nghi, hài hòa và bền vững cho con người. 

5 đặc tính độc đáo của thiết kế Fractal

1. Không bao giờ kết thúc

Hình học fractal không có hồi kết. Khi bạn nhìn vào một fractal, bạn có thể tiếp tục phóng to và nhận thấy mô hình tương tự lặp lại. Nó giống như một ảo ảnh không dừng lại mà càng ngày càng thú vị hơn.

2. Tự tương tự

Cho dù đó là hình học fractal trong tự nhiên hay kiến trúc, đặc tính xác định fractal là sự lặp lại. Hình thức cơ bản của mẫu cứ nhân lên và lặp lại để tạo thành một mẫu vô cùng đẹp mắt.

3. Không đều

Khi tiếp cận quy mô lớn hơn, hình dạng của mẫu thường không đều hơn so với xác định.

4. Sự đơn giản

Có bản chất của sự đơn giản trong sự phức tạp của fractal. Fractal bắt đầu bằng một hình dạng đơn giản, chính hoa văn làm cho nó trông phức tạp. Chúng được sắp xếp theo cách mà ngay cả một vài con số toán học cũng có thể diễn tả được quy luật.

5. Chiều không gian

Một trong những sự thật đáng ngạc nhiên nhất về hình học fractal là chiều của chúng nằm giữa các kích thước 1D, 2D và 3D. 

Các ứng dụng nổi bật của kiến trúc Fractal

Cấu trúc Fractal đã thống trị các thiết kế có từ lâu đời của các ngôi đền Hindu và Phật giáo, liệu nó có vai trò thế nào trong các thiết kế hiện đại? Chúng ta hãy cùng xem xét các ứng dụng nổi bật của kiến trúc Fractal hiện đại dưới đây:

• Xây dựng mô-đun

Chủ nghĩa hiện đại trong kiến trúc chia thiết kế thành các lưới và ma trận. Một mô-đun được phát triển, so le và thử nghiệm để đạt được thiết kế tổng thể. Điều này có thể đạt được tốt nhất với hình dạng cơ bản được lặp lại như kiến trúc fractal.

• Tổ chức các quần thể kiến trúc phức tạp như Thành phố

Thiết kế của thành phố được định hình bởi các khu vực và phải có sự kết nối tốt giữa chúng. Khi áp dụng cách tiếp cận fractal, sẽ có sự sắp xếp tối ưu về không gian và các vật thể kiến trúc trong thiết kế thành phố.

• Kiến tạo

Fractal cho ta một thứ ngôn ngữ thiết kế đa dạng từ sự tổ hợp và tổ chức các mô típ lặp lại và tương tự của kết cấu, chi tiết kiến trúc và trang trí.

• Nhận thức luận

Fractals không chỉ được áp dụng trong thiết kế mà còn có thể được sử dụng để xây dựng sơ đồ biểu diễn bằng đồ họa mang lại sự dễ hiểu. Với sự lặp lại của một hình dạng cơ bản, người ta có thể dễ dàng xây dựng mối quan hệ giữa không gian và khái niệm.

• Thuật toán khuếch tán cho hệ thống bản đồ

Tính ngẫu nhiên và vô hạn của fractal được sử dụng cho các hệ thống bản đồ. Lập bản đồ kỹ thuật số đã được thực hiện dễ dàng hơn bằng cách kết hợp các phân dạng hiệu quả.

• Fractal tạo ra một thiết kế lấy 'Cảm xúc' làm trung tâm một cách hiệu quả

Có một kết nối bí mật được hình thành bằng fractal trong kiến trúc – kết nối cảm xúc. Ý tưởng đưa fractal vào kiến trúc không chỉ dẫn đến tính thẩm mỹ vô song mà nguồn gốc còn đi sâu và hòa quyện với thế giới tự nhiên. Con người có xu hướng tìm kiếm sự kết nối đó và fractal giúp kết nối cảm xúc của người dùng với không gian và thiên nhiên.

Sự cộng hưởng của các họa tiết tự nhiên không chỉ mang lại sự thoải mái cho mắt mà còn mang lại nhiều lợi ích sức khỏe khác nhau cho người sử dụng. Fractals cũng thu hút người dùng nhờ quy mô nhân văn của chúng. Chính cảm giác thoải mái đã kéo con người về phía nó.

Một ví dụ như vậy có thể thấy ở Lieta Mercato– một trung tâm mua sắm ở Addis Ababa do Xavier Vilalta thiết kế, hoàn toàn ứng dụng hình học fractal. Bản sắc văn hóa truyền thống được tiếp nối với cách tiếp cận tương lai trong thiết kế này. Có sự hài hòa, đồng nhất và vẻ đẹp không gì sánh bằng trong hình thức của nó. Thiết kế này còn kết nối môi trường xây dựng với bối cảnh địa phương vì mặt tiền được lấy cảm hứng từ trang phục của phụ nữ Ethiopia địa phương. Người ta có thể nhìn thấy một phần của chúng trong cấu trúc khi quan sát mặt đứng công trình và nội thất bên trong.

Hình 3: Bản sắc văn hóa truyền thống của địa phương được gắn kết với kiến trúc hiện đại thông qua ngôn ngữ tạo hình của fractal ứng dụng trong công trình trung tâm thương mại Lieta Mercato Nguồn: https://www.futurly.com/

Tại sao Kiến trúc sư nên học và ứng dụng ngôn ngữ Thiết kế Fractal?

Thiết kế thời đại mới tập trung vào việc tiếp cận các môi trường được xây dựng theo cách chúng phản ứng với cảm xúc của người dùng. Một số kiến trúc sư và nhà thiết kế đã cùng nhau chia nhỏ kiến trúc thành các fractal, quy luật tỷ lệ và thiết kế hình thái. Hình học có thể được thực hiện trước trong thiết kế một cách có chủ ý hoặc vô ý.

Ngoài việc cho phép tự do đưa ra ý tưởng, những điều này còn đóng vai trò là đặc điểm cơ bản của môi trường con người bền vững. Đây là những thành phần kết nối giữa cái cũ và cái mới, mang đến sự biến đổi trong thiết kế. Một mô-đun cơ bản của fractal có thể tạo ra các thiết kế hiệu quả hơn và mang lại vẻ đẹp có một không hai cho cấu trúc.

Sự kết hợp giữa toán học và sự sáng tạo có thể tạo ra những mô hình hữu cơ có sức hấp dẫn tự nhiên. Những điều này chứng tỏ có lợi cho sức khỏe tinh thần của người dùng ngoài việc xác định một phong cách kiến trúc mới.

Nhu cầu học hình học fractal không chỉ giới hạn ở kiến trúc. Có một số lĩnh vực khác như thiết kế thời trang, công nghiệp thiết kế sản phẩm, mô hình 3D và lĩnh vực quy hoạch đô thị đã công nhận giá trị của khái niệm cơ bản này. Cấu trúc fractal có thể được áp dụng khi nghiên cứu hoặc thiết lập một mô hình đô thị đơn giản hơn nhưng thành công hơn.

Thực tiễn của các nhà thiết kế đang phát triển mỗi ngày để đáp ứng nhu cầu hiện đại. Sự kết hợp các nguyên tắc fractal trong kiến trúc cùng với các kỹ thuật xây dựng là một bước đưa cấu trúc đến gần hơn với ý tưởng về tính bền vững và mức độ hiệu quả mong muốn.

Tài liệu tham khảo:

[1] Bovill, C. (1996). Fractal Geometry in Architecture and Design . Nexus Network Journal, Volume I.

[2] Zhou Ling. (2009). The Crisis of Geometry in Architecture and Phenomenology. New Architecture, 6/2009

[3] C. Leopold (2006). Geometry Concepts in Architectural Design. Proc. 12th Internat. Conf. on Geometry and Graphics. Salvador/Brasil 2006.

Nguồn: Ths. Nguyễn Hoàng Linh - Bộ môn Kiến trúc Cảnh quan, Khoa Kiến trúc & Quy hoạch, Trường Đại học Xây dựng Hà Nội.