Kiến trúc mái vòm: từ đền Pantheon đến nhà hát Opera Hà Nội

2.000 năm lịch sử “hồi sinh”

Năm 128 sau Công nguyên, người La Mã cổ đại đã tạo nên một kỳ quan kiến trúc để trở thành di sản của nhân loại -  đền Pantheon. Dấu ấn kiến trúc lừng danh của ngôi đền này là mái vòm bê tông không cốt thép lớn nhất và duy nhất trên thế giới, với bán kính 43,3m. Đây là mái vòm đầu tiên trên thế giới sử dụng kết cấu bê tông như một phương pháp hiệu quả để che phủ không gian lớn mà giảm khối lượng vật liệu tối đa. Sau 2.000 năm, mái vòm khổng lồ này vẫn còn nguyên vẹn.

Mái vòm bê tông không cốt thép kinh điển tại đền Pantheon.

Sau công trình vĩ đại đó, đến giữa thế kỷ 20, phương pháp thi công mái vòm bê tông này mới được hồi sinh bởi những người tiên phong như Felix Candela và Pier Luigi Nervi, với các công trình tiêu biểu như Nhà nguyện Palmira ở Mexico hay Nhà thi đấu Palazzetto dello Sport ở Ý.

Mái vòm bê tông đặc trưng của nhà thi đấu Palazzetto dello Sport ở Ý

Thế kỷ 21, ngay tại Hà Nội, mái vòm bê tông có cấu trúc vô cùng phức tạp sẽ một lần nữa được “hồi sinh”, với nhà hát Opera Hà Nội. Được tạo hình sóng nước Hồ Tây với lớp vỏ ceramic phản chiếu ánh sáng ngọc trai, mái vòm không chỉ là dấu ấn mỹ học mang tính nhận diện của nhà hát, mà chất liệu bê tông còn đưa công trình hướng đến tính bền vững và giảm lượng carbon ẩn trong kết cấu, so với các dạng kết cấu truyền thống, góp phần vào mục tiêu thân thiện với môi trường. Hình thức kết cấu này cũng giúp giảm thiểu số lượng cột bên trong, làm cho không gian của nhà hát trở nên rộng rãi hơn rất nhiều.

Mái vòm hình sóng nước Hồ Tây của nhà hát Opera Hà Nội.

Ông Mark Easton – kỹ sư kết cấu của Arup – đơn vị thiết kế kết cấu cho Nhà hát Opera Hà Nội cho biết: “Chúng tôi đã tham khảo nhiều dự án đi trước trong thập niên 1960. Tuy nhiên, kiểu kết cấu này hiện nay không còn phổ biến, vì thế việc đưa nó trở lại trung tâm của thế giới kiến trúc là một điều rất đáng trân trọng”.

Bê tông mỏng hơn …vỏ trứng

Bạn không nghe nhầm. Nếu thu nhỏ nhà hát Opera Hà Nội bằng một quả trứng, thì mái vòm này còn mỏng hơn cả vỏ trứng. Toàn bộ cấu trúc mái vòm dài và rộng hơn 130m, nhưng chiều dày tại chỗ mỏng nhất chỉ 250mm. Dẫu siêu mỏng, mái vòm lại được thiết kế để chịu được những cơn gió bão lớn. Hình học của mái đã được thử nghiệm trong hầm gió và được tinh chỉnh để khéo léo điều hướng gió, giảm thiểu sự chênh lệch áp lực lớn giữa hai bên mái. Và kể cả Hà Nội nằm trong vùng động đất trung bình, thì mái vòm vẫn được thiết kế để phòng trường hợp động đất xảy ra.

Nếu thu nhỏ nhà hát Opera Hà Nội bằng một quả trứng, thì mái vòm này còn mỏng hơn cả vỏ trứng

“Khi có bão hay động đất, vỏ mái sẽ có xu hướng dịch chuyển ngang. Chúng tôi đã sử dụng các phương pháp phân tích tiên tiến để kiểm tra từng phần nhỏ nhất của vỏ, nhằm đảm bảo không có hư hỏng xảy ra. Chúng tôi gọi đó là phân tích phi tuyến – một dạng phân tích rất phức tạp – để hiểu rõ hành vi kết cấu của mái khi chịu động đất hoặc gió lớn” – chuyên gia kết cấu đến từ Arup cho hay.

Khi có bão hay động đất, vỏ mái nhà hát sẽ có xu hướng dịch chuyển ngang

Một trong những yếu tố cũng ảnh hưởng lớn đến mái vòm là sự biến đổi nhiệt độ lớn theo mùa ở Hà Nội. Vào mùa hè, nhiệt độ bề mặt mái có thể lên tới 65°C, trong khi những đêm đông lạnh có thể gần mức đóng băng. Mái vòm được thiết kế để có thể uốn cong và thích ứng với những biến đổi khắc nghiệt theo mùa và kể cả là sự biến đổi nhiệt độ trong ngày.

Công nghệ tối tân

Cực mỏng, siêu chịu lực, và quan trọng hơn, mái vòm nhà hát Opera Hà Nội là một tác phẩm nghệ thuật đỉnh cao. Để tạo nên mái vòm này, các kiến trúc sư phải áp dụng công nghệ số với những phần mềm tiên tiến nhất trong các lĩnh vực như xử lý hình học, phân tích phần tử hữu hạn, và cả phân tích phi tuyến tính theo lịch sử thời gian. Khi hoàn thành, mái vòm của nhà hát Opera Hà Nội dự kiến sẽ là mái vòm bê tông mỏng không khung xương lớn nhất thế giới.

Kết cấu vỏ mái sử dụng các công nghệ số tiên tiến nhất

Quá trình thiết kế mái vòm là một chuỗi lặp liên tục của sự hợp tác, không chỉ giữa kỹ sư và kiến trúc sư, mà còn với đội âm học và thoát nước. Hơn 50 phương án khác nhau đã được thử nghiệm. Đến nay, 3 mô hình thử nghiệm đã được tiến hành để đánh giá chất lượng bê tông, cường độ cốt thép, lớp hoàn thiện bên ngoài, gạch ốp trên mái, và lớp trát ở mặt dưới. Và sẽ còn nhiều mẫu thử nghiệm nữa tiếp tục được triển khai, cho đến khi mái vòm hình sóng nước Hồ Tây hình thành.

Mái vòm nhà hát Opera Hà Nội trên mặt nước Hồ Tây

Theo Mark Easton, nhà hát Opera Sydney - một dự án của Arup từ những năm 1970, luôn là công trình mang tính biểu tượng. Hình học mái là điểm nhấn vô cùng quan trọng đối với Sydney, và đó cũng là một trong những công trình đầu tiên được thiết kế bằng máy tính. “Và nhà hát Opera Hà Nội chính là bước tiếp theo – sử dụng công nghệ hiện đại nhất để thiết kế một công trình với hình khối phức tạp tương tự, nhưng bằng công cụ tối tân hơn rất nhiều”- ông Mark Easton khẳng định.