“Khách hàng” và “người sử dụng” kiến trúc của các trường đại học chính là các giáo sư, các nhà khoa học và sinh viên – những nhà khoa học tương lai, những người nắm kiến thức khoa học hiện đại. Điều này đương nhiên có liên quan tới kiến trúc. Nơi học tập – nghiên cứu của những người đại diện cho những tiến bộ khoa học cần phải là thế giới vật chất và trí tuệ đặc biệt, và kiến trúc của các tổ hợp giáo dục đại học cần đáp ứng các nhiệm vụ: thúc đẩy khoa học - giáo dục phát triển; tạo điều kiện để các nhà khoa học tiếp tục có nhiều khám phá mới. Do đó, để xây dựng các trường đại học mới trên thế giới, rất nhiều công nghệ xây dựng hiện đại đã được áp dụng, nhiều phương pháp thiết kế thử nghiệm đã và đang được nghiên cứu thí điểm.

Trung tâm nghiên cứu môi trường Adam Joseph Lewis, trường đại học Oberlin (Mỹ) - tòa nhà trung hòa khí hậu, hoàn toàn tự chủ năng lượng

Thuật ngữ mới - hệ số thông minh của tòa nhà - đã ra đời. Nhiều công trình mới thay đổi hoàn toàn diện mạo và cả vị thế của các trường đại học hiện đại, và đều là những thiết kế của các kiến trúc sư nổi tiếng thế giới. Tòa tháp Sáng tạo Jockey Club cao 15 tầng, được xây năm 2013 theo thiết kế của Zaha Hadid bên trong khuôn viên trường Đại học Bách khoa Hongkong là một ví dụ. Trong tòa nhà có Trường Thiết kế với các phòng trưng bày, giảng đường, các xưởng kiến trúc – thiết kế. Tòa nhà được coi là một xu hướng kiến trúc hiện đại, kết hợp trong đó những hình ảnh về sự phát triển nhanh chóng của tuổi trẻ và trình độ học vấn cao của thế hệ mới. Giới chuyên môn mô tả tòa nhà bằng thuật ngữ “kiến trúc liền mạch” - các đường thẳng trơn tạo sự linh hoạt không chỉ cho kiến trúc của công trình mà cả cảnh quan xung quanh.

Ngay cả những nước đang phát triển, kinh tế chưa giàu mạnh cũng nỗ lực xây những tổ hợp giáo dục đại học siêu hiện đại, góp phần nâng tầm hình ảnh quốc gia. Đại học Tổng hợp Chi lê, Đại học Công nghệ & Kỹ thuật Peru là những ví dụ điển hình.

Tòa tháp Sáng tạo Jockey Club, thiết kế của Zaha Hadid bên trong khuôn viên Đại học Bách khoa Hongkong 

Hiện nay đã xuất hiện nhiều công nghệ mới góp phần giải quyết các vấn đề môi trường. Cộng đồng khoa học và các trường đại học hàng đầu rất chú trọng áp dụng các nghiên cứu thử nghiệm mới khi thiết kế và xây mới các trường đại học. Kiến trúc bền vững hiện đại của các trường đại học đòi hỏi công trình vận hành theo quy luật tự nhiên, là một phần của hệ sinh thái mà không phá vỡ sự cân bằng tự nhiên.

Một tổ hợp giáo dục đại học tự chủ năng lượng cần hiện thực hóa sự cân bằng của kiến trúc và tự nhiên –  là một phần của thiên nhiên, không làm ô nhiễm môi trường và có khả năng tự bảo đảm năng lượng. Mô hình kiến trúc tự chủ năng lượng của các trường đại học đáp ứng ý tưởng trường đại học là trung tâm của các hoạt động trí tuệ, nơi ra đời những phát minh khoa học trong lĩnh vực công nghệ sinh thái hiện đại.

Dự án Trung tâm Đào tạo và nghiên cứu công nghệ Đại học FPT (Việt Nam) của KTS. Võ Trọng Nghĩa

Các nguyên tắc thiết kế tổ hợp giáo dục đại học tự chủ năng lượng khởi nguồn từ những định đề dành cho các công trình sử dụng năng lượng hiệu quả do GS. David Orr của Mỹ nghiên cứu từ cuối thế kỷ XX. Theo đó, việc xây dựng và vận hành tổ hợp cần thúc đẩy sự phát triển của các công nghệ gắn liền với thái độ tôn trọng môi trường xung quanh, đồng thời góp phần tái tạo cảnh quan tự nhiên, cải thiện đa dạng sinh học. Tổ hợp không được thải ra bất cứ loại nước thải nào, có nghĩa là các tòa nhà phải tiêu thụ nước đồng thời xả được nước, và nước đó có thể tái sử dụng. Tổ hợp phải sản xuất nhiều điện hơn mức sử dụng; không được sử dụng vật liệu xây dựng độc hại, mà cần sử dụng các vật liệu mà quy trình sản xuất, việc xử lý về sau những vật liệu này không gây tổn hại cho môi trường. Phải bảo đảm tính toán chặt chẽ chi phí vận hành. Việc xây dựng và vận hành tổ hợp phải góp phần phát triển hệ sinh thái và lối ứng xử trân trọng môi trường tự nhiên, có nghĩa là tổ hợp cần trở thành công cụ giáo dục về môi trường.

Như vậy, một trường đại học hiện đại được coi là tự chủ năng lượng trước hết cần được áp dụng các công nghệ sinh thái hiện đại trong xây dựng; áp dụng các vật liệu xây dựng có tính công nghệ cao.

Các công nghệ tiết kiệm năng lượng, năng lượng tái tạo

Các tòa nhà thường xuyên mất nhiệt qua cửa sổ (khoảng 19%) và tường (5%), còn hệ thống điều hòa không khí và thông gió nhân tạo thường không đáp ứng các tiêu chuẩn tiết kiệm năng lượng hiện đại, chi phí vận hành các hệ thống này vượt xa tổng chi phí bảo dưỡng bảo trì tòa nhà. Các xu hướng chính để nâng cao hiệu quả sử dụng năng lượng là ứng dụng các loại kết cấu xây dựng mới; sử dụng vật liệu cách nhiệt hiệu quả; tận dụng năng lượng mặt trời, gió và đất.

Trung tâm nghiên cứu môi trường Adam Joseph Lewis được xây dựng trong khuôn viên trường đại học Oberlin (Mỹ); bản thân tòa nhà được GS.David Orr ví “kiến trúc là công cụ sư phạm”. Nhiều công nghệ mới được áp dụng tại đây (hệ thống điện gió và các panel pin mặt trời; từ năm 2002 lò sưởi chạy điện tại sảnh lớn đã được thay thế bằng thiết bị bơm nhiệt).Tới năm 2020, một tòa nhà trung hòa khí hậu, không cần cung cấp năng lượng và nước từ bên ngoài đã được hoàn thiện. Ước tính, công trình tiêu thụ không quá 25% mức tiêu thụ năng lượng của các tòa nhà truyền thống cùng quy mô. Để sưởi ấm /làm mát các căn phòng, có 24 giếng địa nhiệt sâu 73m, đường kính 152 mm, nằm ở phía bắc tòa nhà, với khoảng cách đều nhau 4,5 m. Nước được sử dụng làm chất dẫn nhiệt, tuần hoàn theo một chu trình khép kín. Bơm nhiệt khí – nước được sử dụng để truyền nhiệt hoặc hơi lạnh. Mỗi bơm nhiệt được điều khiển riêng, cho phép sưởi ấm một số phòng trong tòa nhà và làm mát một số phòng khác.

 Mái xanh độc đáo của Đại học Nữ sinh Ewha (Seoul, Hàn Quốc) 

Dự án Đại học Nghiên cứu Quốc gia Singapore được thực hiện trên tổng diện tích xây dựng 60 nghìn m2. Dự án xem xét việc thiết kế khu vườn bách thảo bên trong tòa nhà, giao cắt với các tuyến đi bộ và hình thành một không gian công cộng với nhiều chức năng xã hội khác nhau. Việc tổ chức không gian của cả tổ hợp thích ứng với khí hậu nhiệt đới của Singapore, với nhiệt độ trung bình hàng năm +27°C. Trong khuôn viên trường, nhiều không gian ngoài trời râm mát được tạo ra. Hình thức của bốn tòa nhà được tối ưu hóa để vùng vi khí hậu bên trong ổn định, nhờ đó giảm hơn 30% mức tiêu thụ điện để điều hòa thông khí.

Các công trình cũng tận dụng tối đa chiếu sáng tự nhiên và chiếu sáng nhân tạo tiết kiệm năng lượng với thiết bị cảm ứng về sự hiện diện của người trong các phòng học để giảm chi phí điện dành cho chiếu sáng. Phương pháp phản xạ và sử dụng ánh sáng phản xạ để chiếu sáng nội thất được áp dụng trong tất cả các trường đại học hiện đại. Để giảm bớt sức nóng vào mùa hè (khi mặt trời đạt đỉnh cao nhất so với đường chân trời), bức tường phía nam của tòa nhà Trung tâm ở Oberlin được che kín bởi các hiên che nắng nhô ra từ mái nhà. Hướng của tòa nhà trải dài từ đông sang tây, và việc sử dụng các ô thu sáng có diện tích lắp kính lớn ở phía nam tòa nhà cũng giúp tiết kiệm điện. Để tạo ra điện dùng trong tòa nhà, các panel quang điện của BP Solarex đã được sử dụng.

Một đặc điểm của các trường đại học tự chủ năng lượng là kết cấu bao che có hiệu quả năng lượng cao.

Để giảm sự thất thoát nhiệt hoặc tăng nhiệt thông qua diện tích kính lớn được lắp cho sảnh cao hai tầng của tòa nhà Trung tâm Oberlin, các nhà thiết kế đã áp dụng cửa sổ với các đặc tính giữ nhiệt và chống nắng. Các cửa sổ đều được lắp khối kính ba lớp. Trong cấu trúc mỗi khối kính có đồng thời 3 loại kính được sử dụng, với các tính chất cho phép cửa sổ để ánh sáng xuyên qua đủ đáp ứng yêu cầu của thị giác, đồng thời duy trì bức xạ mặt trời. Các khoảng trống giữa các lớp kính được lấp đầy bằng argon.

Các tổ hợp giáo dục - đào tạo bậc đại học hiện đại cũng tích cực áp dụng hệ thống quản lý và giám sát tự động việc tiêu thụ năng lượng, nhằm theo dõi mức tiêu thụ năng lượng của các tòa nhà, cũng như các thông số vi khí hậu trong các căn phòng và các thông số của khí hậu bên ngoài. Tại Trung tâm nghiên cứu và bảo tàng thuộc Viện hàn lâm Khoa học San Francisco, các cảm ứng quang đặc biệt trong hệ thống chiếu sáng sẽ tự động giảm hoặc tắt hoàn toàn ánh sáng nhân tạo nếu đủ lượng ánh sáng ban ngày rọi vào phòng, qua đó giảm lượng điện cần thiết để chiếu sáng không gian bên trong.

 Các vật liệu xây dựng có tính công nghệ cao

Các trường đại học kỹ thuật đang nghiên cứu những công nghệ mới và vật liệu mới có thể thay đổi hoàn toàn thế giới hiện nay. Những sinh viên đã quyết định cống hiến cho khoa học, và các giảng viên, các giáo sư, cộng đồng khoa học nói chung đều xứng đáng được làm việc trong các tòa nhà tối tân, trong đó ứng dụng các vật liệu xây dựng mới, và các vật liệu mà khoa đào tạo hoặc phòng thí nghiệm nơi họ học tập, làm việc đang nghiên cứu. Các vật liệu như gỗ được thấm nano; bê tông trong suốt từ sợi quang; các cột chịu lực bằng kính; vật liệu có khả năng điều chỉnh nhiệt thay đổi pha (micronal); silicon aerogel cường độ cao; sợi carbon; bê tông sinh học; các panel tường với tảo thảo dược…đều xứng đáng với sự chú ý của các kiến trúc sư, các nhà thiết kế.

Tòa nhà mới Viện Hàn lâm khoa học California thuộc top 10 tòa nhà xanh nhất của Mỹ, đạt các tiêu chuẩn LEED cao nhất

Giải pháp táo bạo đã được kiến trúc sư người Anh Dave Edwards đưa ra cho dự án xây dựng một trường đại học tại London - tòa nhà cao tầng sinh thái được phủ toàn bộ bằng một tường tảo xanh, có thể lọc sạch không khí và nước đáp ứng nhu cầu tiêu thụ của mình, thu khí metan sinh học để sản xuất nhiệt và năng lượng. Vào mùa đông, máy bơm địa nhiệt sẽ bơm khí nóng từ các đường hầm của tuyến metro London, và sau khi đi  qua bức tường tảo này, khí sẽ được chuyển đến hệ thống sưởi ấm của tòa nhà.

Khi thấm nano, gỗ linh sam được sấy khô bằng vi sóng hoặc chân không, sau đó ngâm trong dung dịch keo với muối silica hoặc canxi cacbonat. Biện pháp này cho phép gỗ có được các tính chất tuyệt vời, có thể sử dụng làm vật liệu kết cấu cũng như vật liệu gia công trang trí thậm chí trong xây dựng cao tầng (tới 30 tầng). Sự thoải mái về tâm lý và cảm xúc của con người khi sinh hoạt trong những ngôi nhà bằng gỗ từ lâu đã được các nhà khoa học chứng minh, đặc biệt ở các quốc gia phương bắc, nơi gỗ là vật liệu xây dựng truyền thống. Hơn nữa, đây là vật liệu tự nhiên hoàn toàn thân thiện với môi trường, thuộc loại tài nguyên thiên nhiên có thể tái tạo.

Năm 2012, các nhà khoa học thuộc Đại học Bách khoa Catalonia (Barcelona) đã được cấp bằng sáng chế cho một loại vật liệu xây dựng hoàn toàn mới - bê tông hữu cơ, hay còn gọi là “bê tông sinh học”, có thể thúc đẩy sự phát triển của rêu và địa y. Vật liệu thích hợp để ốp các mặt tiền công trình trong điều kiện khí hậu ấm và ẩm, nơi các tế bào đa sắc như rêu và địa y có thể phát triển mạnh. Chất liệu cơ bản để chế tạo bê tông sinh học là xi măng – phốt phát magiê. Cho tới nay, vật liệu vẫn được ứng dụng rộng rãi trong nha khoa, và điều này đã chứng minh sự an toàn sinh học tuyệt đối của vật liệu. Bê tông sinh học là bê tông trong đó phần lõi ở dạng xi măng portland được thay thế bằng phốt phát magiê. Kết quả trong bê tông hình thành môi trường axit chứ không phải môi trường kiềm, rất thuận lợi cho sự phát triển của các vi sinh.

Để tạo ra vật liệu ốp các mặt dựng, các nhà khoa học đã nghiên cứu cấu trúc ba lớp. Lớp đầu tiên, bên trong cùng, rất chắc chắn và không thấm nước, có vai trò nền tảng, tạo hình  và duy trì độ cứng cần thiết cho các tấm bê tông sinh học. Lớp thứ hai không chỉ hấp thụ tích cực mà còn duy trì độ ẩm rất tốt (nhất là nước mưa). Trong lớp này diễn ra sự tăng trưởng và sinh sôi của các tế bào. Lớp thứ ba, bên ngoài cùng, xốp và thô, đẩy nhanh quá trình thấm nước vào lớp trong cùng và ngăn chặn nước bay hơi. Ngoài ra, trên bề mặt thô ráp của lớp ngoài cùng này, các loài thực vật được giữ tốt hơn. Các tấm bê tông sinh học được lắp ghép trên mặt dựng các tòa nhà và thực hiện các chức năng bao che, trang trí và sinh thái. Một tòa nhà được trang trí bằng những tấm bê tông như vậy dường như đã được sơn bằng màu sắc tự nhiên. Lớp thực vật trên các tấm là một lớp cách nhiệt, cách âm rất tốt. Thực vật với diện tích đủ lớn sẽ hấp thụ mạnh carbon dioxide và tạo ra oxy. Bằng cách này, tòa nhà hài hòa với hệ sinh thái địa phương, và trở thành một phần của hệ sinh thái.

Như vậy, ứng dụng các vật liệu sạch thân thiện môi trường và các vật liệu có thể tái sử dụng hoặc tái chế mà đảm bảo an toàn sinh thái đã trở thành tiêu chí trong xây dựng các công trình hiện đại, trong đó có các trường đại học. Một trong những đặc điểm của kiến ​​trúc hiện đại là an toàn sinh thái. Ứng dụng vật liệu nano cũng là một tiêu chí nữa trong xây dựng các tổ hợp giáo dục đại học hiện đại.

Nhân loại cho tới nay vẫn đang sống kỷ nguyên sắt. Kỷ nguyên sắt đã tồn tại khoảng 3500 năm qua, và trong suốt thời gian này, khối lượng các công nghệ chế biến kim loại không tăng lên. Có thể nói sản xuất công nghiệp hiện nay được hình thành chủ yếu dựa trên công nghệ đúc và cắt. Trước hết, một cái gì đó được đúc, sau đó được cắt, được biến hình. Đó gọi là các “phép trừ” hay công nghệ đẽo dần. Tuy nhiên, trong vòng 10-15 năm qua, một tổ hợp công nghệ mới đã được phát triển, không phải là “phép trừ”,đẽo dần,  mà là công nghệ bổ sung, đắp dần. Không giống như công nghệ đúc và cắt, công nghệ mới dựa trên việc bổ sung vật liệu. Giờ đây, công nghệ bổ sung cơ bản được con người sử dụng là công nghệ đắp lớp (aditive manufacturing)

Các công nghệ mới đòi hỏi vật liệu mới. Như vậy, không chỉ một ngành công nghiệp mới đang được định hình mà thực tế một lĩnh vực hoạt động mới của con người đang được hình thành và phát triển - tạo ra vật liệu nano sử dụng các đặc tính của các vi phân tử. Chẳng hạn trong xây dựng, kính tự làm sạch đã được sử dụng phổ biến cho các công trình công cộng có diện tích lắp kính lớn. Đó là loại kính được bổ sung titan dioxide nano. Một số trường đại học mới của Mỹ và khu vực Mỹ Latin đã sử dụng kính tự làm sạch để lắp kính toàn bộ các mặt dựng.

Trong kiến trúc hiện đại, các khu vườn trên nền nhân tạo được coi là một thành phần của hệ sinh thái. Có thể xác định một số xu hướng phủ xanh các tòa nhà thuộc các trường đại học: phủ xanh mái (các bề mặt theo phương ngang); phủ xanh các mặt dựng (các bề mặt theo phương thẳng đứng); phủ xanh nhờ các vật liệu sinh học mới.

Đại học Nữ sinh Ewha tại Seoul (Hàn Quốc) được xây mới năm 2012 với mái phủ xanh là một thiết kế rất độc đáo của Domenic Perrot. Việc tạo hình lượn sóng cho mái xanh khiến cả tổ hợp trở nên hài hòa với cảnh quan đồi núi xung quanh. Dự án Trung tâm Đào tạo và nghiên cứu công nghệ Đại học FPT tại Việt Nam của KTS. Võ Trọng Nghĩa là những tầng sân thượng phủ kín thảm thực vật nhiệt đới. Viện hàn lâm Khoa học California tại San Francisco đã có thêm một tòa nhà mới do KTS. Renzo Piano thiết kế. Tòa nhà nhanh chóng được công nhận thuộc top mười tòa nhà xanh nhất của Mỹ, đáp ứng các tiêu chuẩn LEED cao nhất. Mái lượn sóng được phủ xanh có diện tích hơn 10 nghìn m2 nên các phòng bên trong không cần điều hòa không khí, hơn nữa làm cho cả tòa nhà có đặc tính cách nhiệt rất tốt. Mức tiêu thụ năng lượng ở đây ít hơn khoảng 30 - 35% so với các công trình tương tự nhưng không sử dụng các công nghệ xây dựng xanh hiện đại. Các cửa sổ gác mái tự động mở để khí nóng thoát ra. Mái xanh chứa khoảng 62 nghìn tế bào quang điện, có thể sản xuất gần 213 nghìn kWh điện sạch/ năm.

Đối với các tổ hợp giáo dục hiện đại, các khu vườn không chỉ có chức năng thẩm mỹ mà còn là một yếu tố của hệ thống kỹ thuật: là yếu tố cách nhiệt, tham gia vào quá trình xử lý nước thải, được tích hợp vào hệ thống thông gió của công trình. Sử dụng kỹ thuật các khu vườn là sự kết hợp tự nhiên với khoa học công nghệ.

Sử dụng nước mưa và chu trình xử lý nước thải khép kín: các thiết bị xử lý nước thải của Living Machine do kỹ sư John Todd phát minh năm 1992 đã được ứng dụng tại Trung tâm Nghiên cứu Oberlin, trong đó kết hợp các công nghệ xử lý nước thải thông thường và quy trình lọc của hệ sinh thái tự nhiên (loại bỏ các chất bẩn hữu cơ, khử trùng và loại bỏ hoặc giảm nồng độ các chất như nitơ và phốt pho trong nước). Các chất bẩn hữu cơ bị phân hủy nhờ ánh sáng mặt trời và các quy trình hữu cơ được kiểm soát trong đó sử dụng các vi sinh sống - vi khuẩn, thực vật, động vật phù du và động vật không xương sống (ốc sên).

Tùy vào điều kiện khí hậu, thiết bị của Living Machine có thể được lắp đặt trong nhà kính, dưới mái nhẹ hoặc tại các khu vực ngoài trời. Khác với các hệ thống lọc truyền thống, thiết bị không phát ra bất kỳ mùi khó chịu nào, do đó có thể bố trí gần các căn phòng. Sau hố thu, nước chảy vào một bể chứa nhân tạo, với đáy rải một lớp đệm bằng sỏi dày 90cm. Đá và rễ của các loại thực vật như cói, sậy sẽ bảo đảm môi trường sống cho vi khuẩn khử nitơ. Nước đã được lọc sạch từ bể chảy vào thiết bị khử trùng bằng tia cực tím. Công suất của thiết bị này có thể xử lý 10 nghìn lít nước thải hàng ngày. Nước thải sau khi được xử lý được đưa trở lại tòa nhà, được tái sử dụng dưới dạng nước không uống được (nước “xám”).

Việc cấp nước cho tòa nhà Viện Hàn lâm Khoa học tại San Francisco được đảm bảo nhờ các hệ thống thu gom và tiếp tục sử dụng nước mưa, giúp giảm thiểu mức tiêu thụ nước sinh hoạt. Tòa nhà có hai hệ thống nước thải riêng biệt - một dành cho các nhà vệ sinh (nước thải “đen”), và một dành cho bồn rửa và vòi hoa sen (nước thải “xám”). Nước thải “xám” chịu sự thanh lọc nhiều lần, đã qua lọc sinh học để loại bỏ các liên kết hữu cơ. Sau đó, nước được làm sạch bằng cách sử dụng tia cực tím của đèn thạch anh và được bơm qua một hệ thống đường ống riêng để cấp nước xả bồn cầu dùng trong nhà vệ sinh.

Đại học Khoa học & Công nghệ Pohang (POSTECH), Hàn Quốc có một hồ trữ nước lớn trong khuôn viên trường, để nhận nước mưa từ các triền đồi xung quanh và nước thải đã qua xử lý của trường. Nước đó sẽ được thanh lọc qua nhiều công đoạn và được tái sử dụng.

Tạp chí Architecture & Modern Information Technologies tháng 11/2022

ND: Lệ Minh