Tạo dựng kiến trúc đô thị thích ứng với BĐKH

Thiết kế kiến trúc cần thích ứng với các tác động BĐKH nào?

Biến đổi khí hậu toàn cầu đang diễn ra ngày càng nghiêm trọng. Theo kịch bản phát thải cao (RCP8.5), nhiệt độ dự kiến sẽ đạt 4^oC tăng thêm vào cuối thế kỷ XXI (mức của năm 2012 chỉ là 3,7^oC). Cùng với nhiệt độ gia tăng, BĐKH phá vỡ quy luật tự nhiên của các mùa, gia tăng tần suất và cường độ của các hiện tượng thời tiết, khí hậu cực đoan như nắng nóng, hạn hán và lũ lụt.

Các đô thị Việt Nam nói chung đang có những ảnh hưởng tác động rất lớn cùng với diễn biến thất thường từ BĐKH. Tác động chính của BĐKH đối với khu vực đô thị bao gồm 04 hiện tượng chính: Ngập úng, hiệu ứng đảo nhiệt đô thị, gió – bão trong đô thị và bức xạ nhiệt.

Ngập úng:

Đối với các đô thị thông thường, hiện tượng ngập úng chủ yếu xảy ra do cường độ mưa nhiều, vượt quá khả năng tiêu thoát của các hệ thống hạ tầng thoát nước đô thị. Một số đô thị ven biển, vùng ĐBSCL, ngập úng còn do triều cường – nước biển dâng và lũ thượng nguồn. Gần đây, ngập úng tại các đô thị diễn biến thất thường và ảnh hưởng rất lớn đến chất lượng sống của các đô thị Hà Nội, TPHCM, Huế, Đà Nang, Hội An… Đối với các công trình kiến trúc, hiện tượng ngập lụt tại các đô thị gây ảnh hưởng trực tiếp đến chất lượng công trình như làm hỏng hệ thống thiết bị kỹ thuật do chập cháy, làm bong tróc kết cấu bao che, giảm một phần độ bền của kết cấu chịu lực.

Hiệu ứng đảo nhiệt đô thị (Urban heat island):

Hiệu ứng đảo nhiệt đô thị là hiện tượng một khu vực đô thị nóng hơn đáng kể so với các khu vực ngoại ô xung quanh. Vào những năm 1810, Luke Howard là người đầu tiên nghiên cứu và mô tả hiện tượng này, trong đó thể hiện sự chênh lệch nhiệt độ vào ban đêm thường lớn hơn thời gian ban ngày và dễ cảm nhận được khi gió yếu. Vào ban ngày, hiệu ứng đảo nhiệt thành phố có thể làm cho nhiệt độ trong khu vực này cao hơn các vùng chung quanh từ 1^oC – 3^oC đối với những đô thị chỉ khoảng 1 triệu dân. Một đô thị đông dân với dân số từ 5 – 8 triệu người trở lên, quá trình tiêu thụ năng lượng càng cao dẫn đến nhiệt độ trung bình cao hơn so với vùng nông thôn ngoại vi từ 7^oC – 8^oC. Với những khu vực đông dân, nhiều nhà cao tầng, mật độ cây xanh và diện tích ao hồ ngày càng giảm, lưu lượng giao thông lớn, luôn xảy ra ùn tắc như Hà Nội và TPHCM thì mức chênh lệch này còn lớn hơn nhiều.

Nguyên nhân chính của đảo nhiệt đô thị là sự thay đổi bề mặt sử dụng đất trong quá trình phát triển đô thị. Quá trình này sử dụng nhiều loại vật liệu xây dựng mới như bê tông, thép, kính… có tác dụng giữ nhiệt và phản xạ nhiệt mạnh. Các bề mặt của nhà cửa, đặc biệt mặt đường có khả năng hấp thụ bức xạ mặt trời (BXMT) rất lớn. Mặt tường gạch trát vữa, mặt bê tông nhan có thể hấp thụ 50% – 70% BXMT, mặt đường (bê tông, asphan…) hấp thụ tới 80% – 90% BXMT. Đồng thời, nếu như các mặt tường đứng chỉ nhận BXMT một số giờ trong ngày, thì những bề mặt nằm ngang, như mặt mái, mặt đường nhận BXMT suốt cả ngày. Các bề mặt bị BXMT (đặc biệt trực xạ) chiếu tới sẽ nóng dần lên.

Trong một ngày, thời điểm 15h chiều là thời điểm các bề mặt sẽ hấp thụ nhiệt độ cao nhất. Không khí tiếp giáp với bề mặt nóng sẽ nóng lên theo (do trao đổi nhiệt đối lưu), đồng thời còn bị đốt nóng bởi các nguồn nhiệt thải ra từ xe cộ, từ các máy điều hòa không khí (ĐHKK) của công trình kiến trúc xung quanh, dẫn đến tỷ trọng không khí đô thị giảm dần và bay lên cao, nhường chỗ cho không khí mát hơn thay vào. Cứ như vậy không khí trong khu vực sẽ nóng dần lên, lan dần ra cả đô thị và nóng hơn cả không khí nóng của khối không khí của hiệu ứng Phơn từ phía Tây thổi sang. Gió sẽ đưa không khí nóng này tới các khu vực khác trong đô thị làm cho cả đô thị nóng lên, sinh ra hiện tượng đảo nhiệt đô thị và nóng bức rất khó chịu. Vì vậy nhiệt độ không khí đô thị thường cao hơn các vùng nông thôn lân cận từ 3^oC – 5^oC.

Nhân tố thứ hai góp phần tạo ra đảo nhiệt đô thị là lượng nhiệt thải ra do quá trình sử dụng năng lượng. Khi các trung tâm đông dân cư phát triển, người dân có xu hướng thay đổi diện tích đất đai nhiều và ngày càng nhiều hơn nữa, gây ra sự gia tăng nhiệt độ trung bình tương ứng. Cụm từ “đảo nhiệt” sẽ nói về một khu vực bất kì, không liên quan đến dân số, chỉ cần khu vực đó nóng hơn các khu vực xung quanh. Dưới tác động của BĐKH, các đô thị Việt Nam có xu hướng ngày càng nóng lên dẫn đến các tác động ảnh hưởng đến chất lượng, tiện nghi sống cũng như gia tăng các chi phí sử dụng nhiên liệu cho việc làm mát. Đảo nhiệt đô thị cũng làm gia tăng các hiện tượng thời tiết cực đoan như mưa nhiều, sương mù đô thị gây ngập lụt và mất an toàn về giao thông.

Gió bão:

Hiện tượng gió – bão đô thị, tiêu biểu là hiệu ứng gió nhà cao tầng (SWE) là việc bố trí các công trình kiến trúc đô thị đặc biệt là các công trình cao tầng có chiều cao và khối tích lớn tạo nên các luồng gió xoáy, gió quẩn ở phía sau dưới áp lực của áp suất âm giữa mặt trước và mặt sau công trình. Đây là các luồng gió xoáy, gió quẩn có cường độ lớn được tạo ra từ dòng không khí chuyển động mạnh phía sau công trình. Dưới tác động của BĐKH với sự gia tăng về gió bão, hiệu ứng gió nhà cao tầng có thể diễn ra với tốc độ lên đến 20 – 30m/s (So với tốc độ gió mà một người lớn khỏe mạnh có thể chịu được là 24m/s). Ở mức 10,8-13,8m/s: Khó cầm ô dù khi đi ngược hướng gió; Ở mức 13,9-17,1m/s: Khó đi bộ và các tòa nhà
có dấu hiệu bắt đầu bị phá hủy; 0 mức 17,2-20,7m/s: Cành cây nhỏ bị bẻ gãy; 0 mức 20,8-24,4m/s: Con người không di chuyển được và cây bị bật gốc.

Nhiều quốc gia tiến hành kiểm tra SWE với các tiêu chuẩn nghiêm ngặt trong khi đưa ra các biện pháp phòng ngừa, vì hiệu ứng gió nhà cao tầng có thể tạo ra các cơn gió đột ngột, đủ mạnh để phá hủy các gian hàng bên đường và thậm chí làm lật xe. Đối với công trình kiến trúc, hiện tượng này tuy không có những tác động trực tiếp lên công trình nhưng hiện tượng gió đô thị gây cản trở và mất an toàn về giao thông và tiện nghi sống trong đô thị.

Bức xạ nhiệt:

Đây là hiện tượng các mảng kính hoặc bê tông kích thước lớn trên mặt tiền các ngôi nhà cao tầng phản xạ ánh sáng và nhiệt năng ra khu vực dân cư xung quanh gây nên các tác động như nhiệt độ tăng cao, ô nhiễm ánh sáng và thậm chí gây chói mắt cho người tham gia giao thông.

Đánh giá tổng thể, cùng với quy hoạch, kiến trúc công trình là một phần quan trọng gây nên tình trạng BĐKH cũng như “truyền tải”các ảnh hưởng của BĐKH tới chất lượng sống của đô thị. Thống kê cho thấy, hoạt động xây dựng tiêu thụ nhiều hơn 2/3 tổng lượng điện tiêu thụ, các tòa nhà đang chiếm tới 40% việc sử dụng năng lượng trên toàn thế giới. Năng lượng sử dụng trong suốt vòng đời gây đến 90% tác động môi trường của các tòa nhà, và ảnh hưởng trở lại môi trường, gây trầm trọng thêm các hiệu ứng tiêu cực của BĐKH. Vì vậy, cần có một số hướng thiết kế công trình trong đô thị thích ứng với môi trường đang biến đổi dưới tác động của BĐKH cũng như giảm thiểu các nguy cơ và thiệt hại.

Để có thiết kế kiến trúc thích ứng với BĐKH?

Công ước khung của Liên Hợp Quốc về BĐKH (UNFCCC) đã đề cập đến 02 thuật ngữ là “Thích ứng và giảm thiểu” để nói về biện pháp ứng phó với BĐKH. Hai biện pháp trên không thể tách rời mà hỗ trợ cho nhau để có thể ngăn chặn những tác động xấu của BĐKH, phối hợp với nhau để có thể làm giảm những rủi ro đáng tiếc. Trong đó, biện pháp giảm thiểu hướng tới làm chậm tốc độ thay đổi của khí hậu trong ngắn hạn và trung hạn bao gồm một loạt các chương trình hành động, kế hoạch cụ thể nhằm đối phó. Biện pháp thích ứng nhằm điều chỉnh cho phù hợp với sự thay đổi khí hậu để hạn chế tối đa các rủi ro trong bảo trì cơ sở hạ tầng, duy trì môi trường sống lành mạnh và các khu vực đô thị. Điều quan trọng là các biện pháp thích ứng không đối nghịch với biện pháp giảm thiểu và ngược lại. Định hướng trên cũng có thể xem là kim chỉ nam cho thiết kế kiến trúc công trình ứng phó với BĐKH trong thời gian tới. Tuy nhiên, cần xem đây là một công tác đồng bộ – thống nhất từ khâu quản lý đến thực thi.

Về cơ sỏ pháp lý

Cần thực hiện hoàn chỉnh và bổ sung đồng bộ các hệ thống tiêu chuẩn – quy chuẩn thiết kế trong đó có đề cập đến các vấn đề ứng phó với BĐKH trong thiết kế công trình đặc biệt đối với các hiện tượng chính là ngập úng, đảo nhiệt đô thị, gió – bão trong đô thị và bức xạ nhiệt. Cần sửa đổi trong quy định, quy chuẩn nhằm hướng dẫn những nhà quản lý, kiến trúc sư, kỹ sư thay đổi trong thực tế. Bên cạnh đó cũng hướng tới yêu cầu thiết kế phù hợp hơn để xây dựng lại những công trình đã bị tàn phá bởi sự cố sau thiên tai. Xây dựng quy chế kiểm soát việc thực thi quy hoạch và điều chỉnh, cải thiện các công trình xây dựng nhằm mục đích quản lý rủi ro cục bộ BĐKH.

Về góc độ quy hoạch

Xây dựng các chính sách quy hoạch tổ chức các khối công trình có tính tới yếu tố thích ứng BĐKH có thể tách biệt các rủi ro một cách có hiệu quả. Kinh nghiệm tại Hoa Kỳ, trận động đất năm 1906 ở thành phố San Francisco gây ra vụ hỏa hoạn lớn kéo dài 3 ngày đã hủy hoại cả thành phố, phá hủy 28 nghìn ngôi nhà. Mức độ hủy hoại do thiên tai gia tăng là do tổ chức quy hoạch công trình với các block công trình lớn nằm gần sát nhau, cùng với hệ thống kỹ thuật hạ tầng là gas và cấp nước vốn không chịu được động đất ở cấp độ lớn đã bị vỡ, nguy cơ hỏa hoạn cao hơn. Bên cạnh đó, mật độ thiết kế xây dựng cao có thể làm tăng nguy cơ đảo nhiệt đô thị và gia tăng ngập lụt đô thị.

Để hạn chế bức xạ nhiệt, bên cạnh các giải pháp kiến trúc, giải pháp quy hoạch cần đảm bảo khoảng cách hợp lý giữa các công trình. Thiết kế quy hoạch và xây dựng giao thông nội đô tạo hành lang và chiều cao xây dựng, các loại vật liệu xây dựng kết hợp với hướng gió chính trong năm Đông Bắc và Tây Nam, tạo quá trình dịch chuyển gió tự nhiên trong khu vực nội đô. Quy hoạch các khoảng hở giữa công trình thành không gian công cộng, không gian xanh, bảo vệ hệ thống diện tích mặt nước trong đô thị để giảm thiểu hiệu ứng đảo nhiệt đô thị. Các yếu tố địa hình và khoảng cách giữa các tòa nhà cũng có tác động đến hiện tượng đảo nhiệt đô thị vì chúng ảnh hưởng đến khả năng lưu thông của gió, khả năng hấp thụ nhiệt cũng như khả năng phát xạ các tia có bước sóng dài vào không gian. Do đó, khi quy hoạch không gian đô thị phải lưu ý đến việc đảm bảo lưu thông của gió và khả năng phát xạ để giảm nhiệt lượng tại các khu vực đô thị. Đặc biệt phải lưu ý đến việc đảm bảo giải nhiệt nhân tạo từ hệ thống ĐHKK. Lượng nhiệt này khi tỏa ra nếu bị giữ lại do khoảng cách hẹp giữa các tòa nhà cản trở lưu thông nên khó thoát ra bầu khí quyển sẽ làm cho vùng không khí xung quanh các tòa nhà càng nóng hơn.

Cùng với quy hoạch hoàn thiện đồng bộ hệ thống hạ tầng kỹ thuật, thực hiện quy hoạch cải tạo các dòng kênh, hồ nước trong thành phố và hình thành vành đai xanh của thành phố từ nội đô ra tới ngoại vi nông thôn để hạn chế ngập lụt trong đô thị. Quy hoạch chống ngập lụt cho đô thị cần đạt được các vấn đề chính như: Bảo vệ khu vực đất liền và các tòa nhà khi có bão biển và mực nước biển dâng bằng cách xây dựng vững chắc các cấu trúc kè bờ; Sử dụng các biện pháp hỗ trợ như bồi bãi để duy trì, bảo vệ quỹ đất hiện tại; Giải pháp khác là rút khỏi các khu vực ven biển để di dời sang vị trí mới…

Về góc độ thiết kế công trình

Với hiện tượng ngập lụt đô thị, đặc biệt tại các đô thị ven biển và ĐBSCL, cần vạch ra các chiến lược về thiết kế công trình để giảm tác động ảnh hưởng của các cơn bão ở vùng biển và ven biển. Thích ứng với mực nước biển dâng và ngập lụt bằng cách xây dựng cấu trúc cọc để nâng các tòa nhà và thiết kế vững chắc nền móng có thể chịu được bất cứ sự cố lũ lụt nào.

Việc thiết kế công trình cũng có tác động không nhỏ đến vấn đề thích ứng và giảm thiểu ảnh hưởng của BĐKH. Trước hết, ứng dụng các giải pháp kiến trúc xanh có thể giúp cải thiện các vấn đề này một cách đáng kể, ví dụ như việc thu gom và lọc nước trên các tòa nhà cũng sẽ làm giảm dòng chảy khi có mưa lũ lớn trong đô thị.

Thiết kế công trình theo hướng linh hoạt để cho phép thay đổi có thể trong điều kiện BĐKH (ví dụ: tăng cường sự an toàn cho ngôi nhà bằng vật liệu lợp mái chống nóng, chống cháy, lắp pin năng lượng mặt trời để tiết kiệm năng lượng và vừa tránh được rủi ro hỏa hoạn…). Ngoài ra, các nhà thiết kế cũng cần phải nghiên cứu về rủi ro tại khu vực mà mình thiết kế và vạch ra các phương án dự tính cho những mối nguy hiểm bao gồm: Nhiệt độ gia tăng, bão lụt, lốc xoáy, mưa lớn, mưa đá.

Bên cạnh đó, ứng dụng thiết kế thụ động có lợi ích kép cho việc chống lại nhiệt độ gia tăng mà không cản trở nỗ lực giảm nhẹ. Các nguyên tắc cơ bản của thiết kế thụ động là: Giảm sự biến đổi nhiệt độ bên trong công trình; Cách nhiệt; Sử dụng các loại sơn phát xạ thấp và lợp kính hiệu suất cao để giảm tỷ lệ truyền nhiệt qua kết cấu xây dựng; Tấm che bề mặt công trình; Chọn địa điểm chuẩn để trồng thảm thực vật trong công trình; Hệ thống thông gió phù hợp.

Đối với các hiệu ứng đảo nhiệt đô thị, trên thế giới đã có nhiều ý tưởng kinh nghiệm được đề xuất để thiết kế công trình đô thị (đặc biệt là các công trình cao tầng) có thể ngăn ngừa những thiệt hại có thể xảy ra do SWE. Các giải pháp trên bao gồm thiết kế làm tròn các góc của tòa nhà, tạo ra các đường hầm gió ở giữa tòa nhà, và cài đặt hàng rào hoặc lưới chắn gió. Các phương pháp thân thiện với môi trường như lắp máy phát điện trên cùng hoặc giữa các tòa nhà để tận dụng những cơn gió tiềm ẩn sự nguy hiểm thành nguồn năng lượng đang trở nên phổ biến gần đây. Trung tâm Thương mại Thế giới ở Bahrain đã lắp đặt tuabin gió giữa hai tòa nhà để tạo ra năng lượng từ gió mạnh thổi ở độ cao 240m. Các tuabin này có thể tạo ra khoảng 1.300 MWh mỗi năm, chiếm khoảng 15% tổng năng lượng điện của tòa nhà.

Gió nhà cao tầng cũng ảnh hưởng đến cấu trúc mái công trình. Cần nghiên cứu thiết kế cấu trúc mái công trình phù hợp, hạn chế hiện tượng bốc mái do chênh lệch áp suất giữa mặt trên và mặt dưới mái, đồng thời hạn chế các hiệu ứng phụ như thoát nhiệt chậm của hệ thống dàn mát điều hòa trên mái khi có gió mạnh bằng cách sử dụng các giải pháp thiết kế hệ kết cấu bao che tán xạ ảnh hưởng áp lực của gió. Trong thực tế, kết cấu lam chắn nắng rất phong phú. Kiến trúc hiện đại hay sử dụng kết cấu che nắng ngoài là hệ thanh hợp kim nhôm nhẹ và bền với thời tiết, theo chiều ngang hoặc theo chiều dọc theo từng hướng, gắn trên hệ khung có khả năng dễ dàng điều chỉnh góc nghiêng theo vị trí mặt trời trong ngày, còn bên trong phòng dùng mành/rèm kéo để đóng/mở linh hoạt hỗ trợ thêm cho lam chắn nắng ngoài. Trong một số trường hợp, kết cấu chắn nắng có gắn thêm các tấm pin năng lượng mặt trời, cung cấp thêm điện năng cho công trình. Nghiên cứu các giải pháp thiết kế mặt dựng công trình giúp không tạo ra tiếng ồn do tác động của hiện tượng gió đô thị lên công trình.

Giải pháp về bề mặt hình khối sử dụng các bề mặt vát nghiêng từ trên xuống dưới, hoặc tầng giật cấp thu nhỏ dần về bên dưới theo hình kim tự tháp ngược, hoặc tạo khoảng lồi lõm (khối đua ra bên cạnh khối lùi sâu vào so với bề mặt thẳng đứng lấy làm chuẩn ban đầu) để tạo bóng đổ trên mặt đứng, có tác dụng tương đương với những kết cấu chắn nắng, giảm thiểu các hiệu ứng hấp thụ nhiệt. Ví dụ điển hình thành công tại tháp cao tầng Taipei 101 (Đài Loan) có thể là kinh nghiệm tốt trong thiết kế các bề mặt vạch kính nghiêng cũng cho phép điều chỉnh góc bức xạ nhiệt và phản xạ ánh sáng trực tiếp ra các công trình xung quanh.

Tại các thành phố trên thế giới, việc xây dựng các công trình đô thị theo hướng mật độ ngày càng dày đặc dẫn đến việc hiện tượng đảo nhiệt đô thị xảy ra với cường độ ngày càng tăng. Thích ứng và giảm thiểu hiệu ứng đảo nhiệt đô thị, các thiết kế công trình cần hướng đến thiết kế các loại công trình có bề mặt tán xạ nhiệt. Cụ thể, tránh tổ chức các tòa nhà công trình ở trung tâm đô thị có bề mặt kính quá lớn. Trường hợp sử dụng kính cho vỏ bao che bên ngoài nên kết hợp cùng hệ thông lam chắn nắng cho công trình để giảm thiểu bức xạ nhiệt ra khu vực xung quanh.

Về góc độ công nghệ vật liệu

Nghiên cứu sử dụng thay thế các chủng loại vật liệu phản xạ tôt và hấp thụ nhiệt thấp, các loại vật liệu có màu sắc càng sáng thì lượng năng lượng phản xạ càng cao, giảm hấp thu nhiệt, từ đó, giảm nhiệt độ bề mặt cũng như vùng không khí xung quanh như hiện nay. Hai trong số những ví dụ điển hình nhất về chọn màu sắc là Nhà thờ Sacré Coeur Paris (Pháp) và Nhà hát Opera Sydney (Australia).

Sử dụng giải pháp thiết kế mặt đứng “xanh” hay sử dụng các vật liệu cách nhiệt tốt. Các thí nghiệm cho thấy nhiệt độ tường có trồng cây xanh thấp hơn 2^oC so với bức tường không có thực vật che phủ. Thiết kế tổ chức vi khí hậu cho công trình theo hướng tận dụng tôi đa thông gió và chiếu sáng tự nhiên, sử dụng các kết cấu và vật liệu cách nhiệt để giảm thiểu việc tiêu tôn năng lượng nhân tạo cho chiếu sáng và làm mát công trình. Việc trồng cây trên mái và các tầng nhà, sử dụng vườn “treo” trên mặt tiền công trình, cây xanh nội thất… cũng là giải pháp hữu hiệu, vừa tăng cường cách nhiệt, chông tác động bức xạ nhiệt đến công trình, vừa tạo không gian xanh. Giảm thiểu chất thải, ô nhiễm và những nguyên nhân làm suy thoái môi trường. Tăng cường thông gió và chiếu sáng tự nhiên, tiện nghi vi khí hậu trong công trình, tiếng ồn./.