Những năm gần đây, quá trình số hóa trong thể hiện kiến trúc chứng kiến một bước ngoặt với sự xuất hiện của thiết kế tính toán (TKTT) (computational design) dựa trên lập trình thuật toán và tham số. Các chủ đề liên quan đến TKTT được nhắc đến nhiều trong các nghiên cứu và ứng dụng tại nhiều công trình lớn trên thế giới. Tuy nhiên tại Việt Nam, TKTT mới chỉ bắt đầu được đề cập gần đây và còn ít phổ biến trong các tài liệu nghiên cứu cũng như ứng dụng thực tế. Bài báo này làm rõ khái niệm, những lợi thế và đặc biệt là cản trở của TKTT đối với nhà thiết kế để hiểu hơn về một công cụ thiết kế còn mới mẻ ở Việt Nam.
Một phương pháp hiệu quả cho những yêu cầu của kiến trúc
TKTT sử dụng thuật toán cho phép người dùng thiết kế thông qua thao tác lập trình, kiểm soát hình thức tòa nhà thông qua các tập lệnh do người dùng thiết kế. Các thuật toán xác định thông tin đầu vào và quy trình thiết kế. Chúng là một chuỗi hữu hạn các quy tắc để tạo ra các khái niệm, hình thức, không gian kiến trúc hoặc giải quyết các vấn đề của kiến trúc [1, 2]. TKTT gồm Ngôn ngữ lập trình trực quan (Visual Programming Languages) và Ngôn ngữ lập trình văn bản (Textual Programming Languages) [3]. Lập trình trực quan được biết đến nhiều thông qua ứng dụng Dynamo hay Grasshopper được tích hợp trong Rhino, cho phép người dùng lập trình bằng cách “kéo và thả” nhằm kết nối các yếu tố của công trình – được biểu diễn bằng các “hộp thành phần”, thành một sơ đồ có hướng được kết nối với nhau bởi các dây thiết lập luồng dữ liệu giữa các thành phần. Nói cách khác, chương trình được xây dựng dựa trên thao tác giữa “dây” và “hộp”. Trong khi đó, ngôn ngữ lập trình văn bản là một chuỗi các câu lệnh, ký tự tuyến tính được thiết lập theo chiều từ trên xuống dưới [4]. Có nhiều ứng dụng phổ biến trong thiết kế thuật toán dạng văn bản như RhinoScript, Python, Javascript, Luna Moth,…
Nhờ lập trình, TKTT cho phép thể hiện hiệu quả hơn những hình thức kiến trúc phức tạp so với việc thực hiện thủ công và tốn nhiều thời gian của các phương pháp trước đây như BIM và CAD. Việc mã hóa này tạo ra những hình học có mức độ phức tạp chưa từng có, vì nó không còn bị giới hạn bởi sự tưởng tượng hay khả năng vẽ thủ công. Kiến trúc bây giờ có thể được tạo ra bởi các “hình dạng mở” (open form) [5], được điều chỉnh thông qua các thuật toán. Bên cạnh đó, TKTT còn cho phép giải quyết tích hợp nhiều yêu cầu cùng lúc như hiệu suất, hiệu quả kinh tế, môi trường… Tất cả những điều này nằm ngoài khả năng của những công cụ biểu diễn trước đó.
Sự phát triển của TKTT đáp ứng tốt nhất cho những trào lưu kiến trúc hậu hiện đại như Kiến trúc công nghệ cao (high-tech architecture), Tân vị lai (neo-futurism), Giải cấu trúc (deconstructivism),…mang đặc trưng phi tuyến tính, tạo ấn tượng như bị biến dạng, khó đoán và hỗn loạn [6]. Thậm chí, việc ứng dụng TKTT đã truyền cảm hứng cho một phong trào mới được gọi là “Chủ nghĩa tham số” (Parametricism) [7]. Không chỉ là những công trình đơn lẻ mà thiết kế thuật toán và tham số đã phát triển thành một trường phái kiến trúc toàn cầu mới, được xem như phong cách cấp tiến (avant-garde architecture) mới nhất trên thế giới hiện nay. Nói cách khác, điều mà chúng ta chứng kiến là một phong cách và thẩm mỹ mới chứ không chỉ đơn thuần là một loại kỹ thuật mới, có sức lan tỏa rộng rãi từ kiến trúc công trình đến thiết kế đô thị [7].
Những cản trở cho sự tiếp cận với TKTT
Ngoài những lợi thế trong việc biểu diễn, TKTT vẫn có những trở ngại trong việc tiếp cận đối với nhà thiết kế. Đó là tính trực quan, lập trình và tư duy toán học.
Tính trực quan
Các phương pháp thể hiện kiến trúc trước đây luôn gắn với tính trực quan dựa trên tính tương đương hình học, nghĩa là một mối quan hệ mô tả chính xác về mặt hình học giữa công trình và bản vẽ. Điều này khác với TKTT khi các công thức lập trình toán học đã thay thế các bản vẽ hoặc mô hình hóa. Tính tương đương hình học mất đi, phá vỡ mối quan hệ trực quan giữa người thiết kế và đối tượng thiết kế. Điều này đòi hỏi một quá trình tư duy trừu tượng của người thiết kế để chuyển đổi hình ảnh, ngôn ngữ của kiến trúc thành thuật toán dựa trên các đặc điểm chính, ý tưởng lớn của kiến trúc mà không đi vào chi tiết cụ thể. Trong bối cảnh các mô hình thiết kế kỹ thuật số đương đại tồn tại trong cơ chế thị giác, việc này tách rời với thói quen của người thiết kế, làm giảm đi tính trực quan của TKTT.
Bên cạnh đó, thực tế là hiện nay hầu hết các ngôn ngữ lập trình đều ở dạng văn bản [3]. Tuy nhiên, hầu hết chúng đều có nhược điểm là thiếu sự phản hồi tức thời từ đối tượng hình học trong quá trình lập trình. Để cải thiện điều này, gần đây một số ứng dụng đã phát triển các tính năng mới nhằm tăng tính trực quan cho việc lập trình bằng việc tích hợp tính năng “truy xuất nguồn gốc” (traceability) và “phản hồi theo thời gian thực” (real-time feedback). Truy xuất nguồn gốc là tạo ra mối quan hệ giữa các phần của lập trình và các phần của mô hình hình học được tạo ra. Điều này đặc biệt quan trọng để hiểu các chương trình thiết kế thuật toán. Phản hồi thời gian thực cho phép thấy ngay tác động của những thay đổi trong chương trình thiết kế thuật toán, giúp nhà thiết kế phát triển và thay đổi các chương trình đó [48]. Ví dụ như trường hợp của ứng dụng Luna Moth, chương trình được chạy lại và kết quả được hiển thị theo thời gian thực bất cứ khi nào mã lập trình thay đổi. Ngoài ra, nó cho phép thấy được đoạn nào của mã lập trình tương ứng với một đối tượng 3D hoặc ngược lại. Khi người dùng trỏ vào một hàm, ngay lập tức làm nổi bật các hình dạng mà nó tạo ra trong chế độ xem 3D (Hình 2).
Ngoài ra, TKTT thể hiện ưu điểm khi cho phép việc truyền đạt thông tin một cách trực quan hơn so với các phương thức trước đây. Nếu như ở CAD và BIM, người xem chỉ thấy được bố cục chung của kết quả, trong khi cách thức kết quả được tạo ra thế nào có thể không rõ ràng. Trong khi đó với TKTT, các quy tắc thiết kế được viết ra và đưa vào trong các tài liệu lưu trữ hoặc xuất bản cùng các tài liệu kỹ thuật của dự án. Điều này cho phép nhà thiết kế nhìn thấy các khả năng và tác động của việc thay đổi các tham số và quy tắc. Nói cách khác, việc hiểu kết quả được “làm thế nào” thường rõ ràng qua đó góp phần tăng tính trực quan của TKTT.
Lập trình và tư duy toán học
Phải thừa nhận rằng lập trình không phải là một hoạt động đơn giản, đặc biệt đối với những người không được đào tạo bài bản về lĩnh vực này. Để hiểu được những thuật toán này, nhà thiết kế cần phải hiểu về cú pháp của hàm, tham số, khai báo mảng, vòng lặp,…Những điều này đòi hỏi một số kiến thức nền tảng về lập trình, điều thường tạo nên sự e ngại đối với những nhà thiết kế theo phương pháp cũ. Bên cạnh đó, việc thực hiện TKTT còn đòi hỏi tư duy toán học. Nhà thiết kế phải hiểu rõ về bản chất hình học của các thực thể kiến trúc. Tư duy toán học là một trong những lợi thế lớn nhất của TKTT nhưng cũng là một trong những rào cản chính đối với việc sử dụng TKTT. Các khái niệm thiết kế được thể hiện trừu tượng thông qua các quy tắc toán học. Việc hiểu về hình học giải tích, phương trình lượng giác, phương trình tham số của các thực thể hình học,…là những đòi hỏi của TKTT.
Có thể nói, TKTT đã tạo ra một độ dốc lớn trong việc tiếp cận so với các công cụ trước đây. Đây có thể được coi là sự thay đổi mạnh mẽ nhất được đưa ra trong cách thể hiện kiến trúc từ trước đến nay [2]. Tuy nhiên, những thay đổi này cũng không hoàn toàn xa lạ. Trên thực tế, việc sử dụng tư duy toán học trong kiến trúc không phải là điều mới mẻ, ít nhất có thể đã bắt nguồn từ thời cổ đại. Các chuyên luận về kiến trúc, chẳng hạn như “De architectureura libri decem” của Vitruvius (Thế kỷ I-TCN) hay “De re aedificatoria” của Alberti (1485), là những ví dụ điển hình. Ở đó, một số thông tin quan trọng được thể hiện thông qua ngôn ngữ toán học bằng văn bản thay vì hình vẽ. Ví dụ Vitruvius đã mô tả chi tiết các tỷ lệ của cột Doric bằng ngôn ngữ toán học như sau [7]: h = 7db ; hc = 12 db ; wc = 216 db. Trong đó h là chiều cao của cột, db là đường kính ở chân cột, hc là chiều cao của đầu cột và wc là chiều rộng của đầu cột. Những công thức này mô tả trừu tượng nhưng chặt chẽ ý tưởng của Vitruvius về tỷ lệ cột Doric. Sau này, các phép chiếu trong Hình họa của Monge cũng có mối liên hệ mật thiết với toán học. Những điều này cho thấy việc ứng dụng toán học trong thể hiện kiến trúc không phải là điều mới mẻ. Chúng ta đã có thể vượt qua trở ngại này để trở nên thành thạo với những phương pháp thể hiện trước đây và điều này không có nghĩa là không thể đối với TKTT.
Kết luận
TKTT là một bước ngoặt thực sự trong thể hiện kiến trúc so với các công cụ trước đây. Nó mở ra cánh cửa cho những hình thức và cách thể hiện kiến trúc mới, cung cấp tính thẩm mỹ, hiệu suất và tự động hóa các nhiệm vụ thủ công tốn nhiều công sức. Vượt qua những yếu tố kỹ thuật đơn thuần, TKTT trở thành một trường phái kiến trúc toàn cầu mới.
Mặc dù có những trở ngại liên quan đến tính trực quan, tư duy toán học và lập trình, tuy nhiên, sự phát triển gần đây của các ứng dụng TKTT trong việc cải thiện tính trực quan đã cho thấy sự gần gũi hơn của nó với người thiết kế. Bên cạnh đó, hiện nay TKTT đã và đang được nghiên cứu và đưa vào giảng dạy tại nhiều trường đại học trên thế giới. Tất cả những điều này cho thấy TKTT hoàn toàn có thể trở thành một lĩnh vực nhiều tiềm năng và phổ biến trong tương lai gần. Học TKTT có thể mất nhiều công sức hơn các phương pháp khác, nhưng nỗ lực này sẽ nhanh chóng cho thấy hiệu quả khi độ phức tạp của vấn đề thiết kế trở nên lớn hơn. Trên thực tế, hầu hết các đổi mới đều cần một thời gian thích nghi. Thật vậy, mặc dù ngày nay việc chuyển đổi giữa các hình chiếu 2D và mô hình 3D có vẻ là dễ dàng với các nhà thiết kế nhưng thực chất nó là kết quả của nhiều năm nghiên cứu và làm quen với các phép chiếu của Hình họa theo phương pháp của Monge. Tương tự như vậy, nếu sớm được học TKTT, nó sẽ sớm trở thành một phần trong công việc thường xuyên của KTS và sẽ không phải là một phương pháp biểu diễn xa vời.
Nguồn: tapchikienthuc.com.vn
