Trước đây, thiết kế kiến trúc chủ yếu tập trung vào chức năng, bối cảnh và vị trí, ít chú ý đến yếu tố khí động học. Tuy nhiên, với sự gia tăng của các cơn bão mạnh, các nghiên cứu gần đây nhấn mạnh vai trò của hình dạng công trình trong việc giảm thiểu tải trọng gió, đảm bảo an toàn, duy trì hiệu suất và tối ưu hóa năng lượng. Bài viết này sẽ giới thiệu các kỹ thuật giảm thiểu khí động học cho cả nhà thấp tầng và cao tầng, với các ví dụ thực tế từ các công trình nổi tiếng, đồng thời rút kinh nghiệm từ những cơn bão để đề xuất hướng thiết kế bền vững cho Việt Nam.
Khi gió mạnh tác động lên công trình kiến trúc, nó tạo ra áp lực phân bố trên bề mặt công trình. Dòng khí khi đi qua các góc cạnh sắc nét có thể hình thành xoáy gió, đặc biệt ở phía sau công trình. Những xoáy khí này gây ra áp lực thay đổi liên tục theo thời gian, làm công trình dao động và rung lắc. Nếu hiện tượng rung động kéo dài mà không được kiểm soát, vật liệu sẽ dần bị mỏi, dẫn đến hư hỏng kết cấu và trong những trường hợp nghiêm trọng có thể gây sụp đổ.
Do đó, thiết kế kiến trúc chống chịu gió bão không chỉ dừng lại ở việc tăng cường độ bền kết cấu, mà còn đòi hỏi tối ưu hình khối công trình nhằm giảm thiểu tác động của gió, từ áp lực trực tiếp đến các hiện tượng xoáy khí xung quanh công trình.
Hình 1. Các yếu tố hình dạng toà nhà có thể làm tăng hoặc giảm ảnh hưởng gió
Hình 2. Biểu đồ tốc độ gió trung bình trên các địa hình khác nhau theo hồ sơ luật lũy thừa của Davenport
Những biến đổi này nhìn chung không làm thay đổi đáng kể thiết kế kiến trúc và kết cấu tổng thể của công trình. Tuy nhiên, các dạng hình khối phổ biến như hình vuông hoặc hình chữ nhật lại khiến tòa nhà chịu tác động mạnh của lực xoáy gió. Các lực kích thích này có thể được giảm thiểu thông qua những điều chỉnh nhỏ về hình dạng khí động học của công trình.
Cụ thể, việc can thiệp vào các góc của mặt cắt ngang tòa nhà — như tạo rãnh, vát góc, thụt góc, bo tròn các cạnh, hoặc xoay hướng công trình so với hướng gió chủ đạo — là những giải pháp thay đổi ở mức tối thiểu nhưng mang lại hiệu quả rõ rệt trong việc cải thiện khả năng đáp ứng gió của nhà cao tầng (Hình 2).
Những biện pháp này giúp giảm cả phản ứng theo phương gió thổi và phương ngang so với các công trình hình chữ nhật truyền thống. Việc điều chỉnh hình dạng các góc đón gió làm thay đổi đặc tính của các lớp dòng chảy bị tách, thu hẹp vùng xoáy phía sau công trình, từ đó góp phần đáng kể vào việc giảm lực cản cũng như lực nâng dao động tác động lên tòa nhà.
Hình 3. Điều chỉnh nhỏ khí động học với mặt bằng hình khối công trình.
Một trong những yếu tố then chốt để tạo nên các công trình có khả năng chống chịu tải trọng gió là thiết kế hình khối kiến trúc với hiệu quả khí động học cao. Về cơ bản, hiện nay có hai nhóm phương pháp chính được áp dụng nhằm giảm tác động của gió lên các tòa nhà.
Thứ nhất là nhóm giải pháp giảm thiểu khí động học, trong đó các đặc điểm kiến trúc tương đối đơn giản được sử dụng để điều chỉnh hình dạng công trình. Mục tiêu của nhóm giải pháp này là làm suy yếu hoặc phá vỡ sự hình thành của các xoáy gió mạnh tại góc công trình, ngăn chặn hiện tượng xoáy liên kết, hoặc định hướng lại dòng gió đi qua mép mái và tránh tác động trực tiếp lên các bộ phận nhạy cảm của tòa nhà.
Chiến lược thứ hai là tối ưu hóa hình dạng khí động học, cho phép người thiết kế khảo sát và phát triển nhiều phương án hình khối đa dạng hơn. Không giống các phương pháp truyền thống vốn bị giới hạn trong một số dạng hình học đã được xác định trước, cách tiếp cận này mở rộng khả năng sáng tạo và tìm kiếm những hình dạng khí động học mới có hiệu quả cao hơn.
Để nâng cao mức độ an toàn và khả năng khai thác sử dụng của nhà cao tầng trong điều kiện gió mạnh, tối ưu hóa khí động học hình dạng được xem là giải pháp hiệu quả nhất. Phương pháp này xử lý vấn đề ngay từ nguồn gốc – tức là điều chỉnh tương tác giữa gió và hình khối công trình – thay vì chỉ tăng cường khả năng chống chịu của kết cấu như trong tối ưu hóa kết cấu truyền thống [3]. Về bản chất, khí động học nghiên cứu chuyển động của không khí và cách dòng khí này tương tác với các vật thể rắn.
Thông qua việc thay đổi hình dạng công trình, mô hình dòng chảy xung quanh tòa nhà cũng được điều chỉnh, từ đó làm thay đổi phản ứng của công trình dưới tác động của gió so với hình dạng ban đầu. Đối với các tòa nhà cao và mảnh, hình khối đóng vai trò quyết định và trở thành yếu tố chi phối trong thiết kế kiến trúc nhằm kiểm soát tải trọng gió và chuyển vị phát sinh. Trong thực tiễn, thử nghiệm đường hầm gió là phương pháp phổ biến nhất để đánh giá đặc tính khí động học của nhà cao tầng.
Mặc dù các hình dạng phức tạp và bất quy tắc có thể đặt ra nhiều thách thức cho kỹ sư kết cấu trong việc phát triển hệ khung chịu lực, chúng lại mang lại lợi thế đáng kể trong việc giảm tải trọng gió và phản ứng động của công trình [6]. Những giải pháp thường thấy trong các công trình cao tầng hiện đại bao gồm góc vát hoặc bo tròn, hình khối khí động học hợp lý, dạng thuôn nhọn, xoắn, giật cấp, hay tạo các khoảng rỗng xuyên suốt thân công trình (Hình 4).
Hình 4. Các hình dạng công trình để tối ưu khí động học
Một trong những nguyên tắc cốt lõi của thiết kế khí động học là ứng dụng bề mặt cong hoặc bo tròn nhằm hạn chế lực cản của gió. Khi gió tác động lên các công trình có cạnh sắc và góc nhọn, dòng khí bị gián đoạn đột ngột tại các vị trí này, tạo ra chênh lệch áp suất lớn và hình thành các xoáy gió mạnh. Những xoáy khí này không chỉ làm gia tăng lực cản mà còn gây ra rung động, tiềm ẩn nguy cơ mất an toàn cho công trình.
Ngược lại, với các bề mặt bo tròn hoặc cong, dòng gió có thể lướt qua công trình một cách liên tục và ổn định hơn, từ đó giảm áp lực và lực cản tác động. Tòa nhà The Gherkin tại London là một ví dụ tiêu biểu: hình khối trơn tru và khí động học giúp hạn chế sự hình thành xoáy khí phía sau công trình, qua đó giảm đáng kể áp lực gió tác động lên kết cấu (Hình 5).
Tác động của bề mặt cong bao gồm:
• Giảm lực cản gió tác động lên công trình.
• Hạn chế sự hình thành các vùng xoáy khí phía sau tòa nhà.
• Nâng cao độ ổn định, đặc biệt trong môi trường đô thị có chế độ gió phức tạp và biến động mạnh.
Bên cạnh lợi thế về khí động học, The Gherkin còn được thiết kế nhằm tối ưu thông gió và chiếu sáng tự nhiên, giúp tiết kiệm năng lượng đáng kể. Công trình được xem là một dấu mốc quan trọng trong đổi mới kiến trúc bền vững của London.
Hình 5. Tòa nhà The Gherkin – London.
The Gherkin (30 St Mary Axe) cao 180 m với 41 tầng, hoàn thành năm 2003 theo thiết kế của Norman Foster. Công trình nổi bật với hệ thống thông gió tự nhiên giúp giảm đến 50% năng lượng tiêu thụ so với các tòa nhà cùng quy mô. Mặt đứng kính xoắn ốc không chỉ tối ưu ánh sáng tự nhiên mà còn cải thiện khả năng chống chịu gió, trở thành biểu tượng của kiến trúc xanh và hiện đại tại London.
Hình 6. Sơ đồ gió lưu thông qua tòa nhà The Gherkin – London.
Hình khối thon dần từ dưới lên trên là một chiến lược quan trọng khác trong thiết kế khí động học, đặc biệt phổ biến đối với các công trình cao tầng và siêu cao tầng – nơi vận tốc gió gia tăng đáng kể theo độ cao.
Khi diện tích mặt đứng giảm dần theo chiều cao, bề mặt tiếp xúc với gió ở các tầng trên cũng giảm theo, từ đó làm giảm tải trọng gió tác động lên công trình. Cách tiếp cận này không chỉ giúp công trình chống chịu tốt hơn trước gió mạnh mà còn hạn chế hiện tượng xoáy gió nguy hiểm tại khu vực đỉnh. Burj Khalifa tại Dubai – tòa nhà cao nhất thế giới – là minh chứng rõ ràng cho nguyên tắc này, với phần thân trên thu nhỏ dần để giảm ảnh hưởng của gió ở độ cao lớn.
Lợi ích của hình khối thon dần gồm:
• Giảm diện tích tiếp xúc với gió, đặc biệt tại các cao độ lớn.
• Hạn chế dao động và giảm tải trọng gió tổng thể.
• Làm dịu chuyển động của dòng khí xung quanh công trình, qua đó giảm rung động.
Hình 7. Burj Khalifa – Dubai.
Burj Khalifa cao 828 m được thiết kế với hình dạng xoắn kết hợp thu nhỏ dần nhằm giảm lực cản và hiện tượng cộng hưởng gió. Hệ lõi bê tông cốt thép trung tâm cùng các cánh tỏa ra giúp tăng độ ổn định, trong khi móng sâu và nền đá vững chắc cho phép công trình chịu được gió bão với vận tốc lên đến 240 km/h.
Hình 8. Sơ đồ thuỷ động lực học và cấu trúc của Burj Khalifa
Hình thức công trình dạng xoắn đóng vai trò quan trọng trong việc nâng cao khả năng chống chịu gió bão. Trước hết, thiết kế này giúp phân tán áp lực gió đều hơn trên bề mặt công trình, làm giảm nguy cơ tập trung ứng suất cục bộ. Đồng thời, hình dạng xoắn còn góp phần tăng độ ổn định thông qua việc thay đổi trọng tâm và cách phân bố khối lượng, giúp công trình chống lại tác động của gió mạnh.
Ngoài ra, cấu trúc xoắn tạo điều kiện thuận lợi cho việc thoát nước nhờ các khe hở tự nhiên, giảm nguy cơ ngập úng trong điều kiện thời tiết xấu. Khả năng lưu thông không khí cũng được cải thiện, từ đó nâng cao hiệu quả năng lượng và giảm tải cho hệ thống điều hòa. Bên cạnh lợi ích kỹ thuật, hình khối xoắn còn mang lại giá trị thẩm mỹ cao, tạo dấu ấn mạnh mẽ cho cảnh quan đô thị.
Một ví dụ điển hình là Turning Torso tại Malmö, Thụy Điển. Thiết kế xoắn ốc độc đáo không chỉ tạo nên biểu tượng kiến trúc mà còn giúp phân tán lực gió hiệu quả, giảm thiểu nguy cơ hư hại do gió mạnh. Kết cấu cao và mảnh được tối ưu bằng vật liệu bền vững và kỹ thuật xây dựng tiên tiến, cùng hệ khung và các điểm neo vững chắc, đảm bảo an toàn trước các điều kiện thời tiết khắc nghiệt.
Hình 9. Tòa nhà Turning Torso – Malmö, Thụy Điển.
Hình 10. Cấu trúc tòa nhà Turning Torso – Malmö, Thụy Điển
Thiết kế vát góc hoặc giật cấp là một giải pháp thường được áp dụng cho các công trình quy mô lớn nhằm giảm tác động của gió. Bằng cách phá vỡ sự liên tục của dòng khí quanh công trình, các luồng gió mạnh bị phân tán thay vì tập trung vào một mặt đứng hoặc một cao độ cố định, qua đó làm giảm lực gió tổng thể.
Taipei 101 là ví dụ tiêu biểu cho chiến lược này. Công trình cao 509 m tại Đài Loan sử dụng các tầng giật cấp kết hợp hình khối vát để giảm thiểu tác động của gió bão, đồng thời nâng cao khả năng chống chịu trước động đất – một mối đe dọa thường xuyên trong khu vực.
Hình 11. Tòa nhà Taipei 101 – Đài Loan.
Ngoài hình khối khí động học, Taipei 101 còn được trang bị hệ thống con lắc giảm chấn (tuned mass damper) nặng 660 tấn, treo giữa tầng 87 và 92, giúp hấp thụ và giảm dao động do gió mạnh hoặc động đất. Cùng với khung thép cường độ cao và vật liệu tiên tiến, công trình có thể chống chịu vận tốc gió lên đến 216 km/h, trở thành biểu tượng của kỹ thuật xây dựng hiện đại tại khu vực thường xuyên chịu thiên tai.
Hình 12. Cấu trúc tòa nhà Taipei 101 – Đài Loan.
Việc bố trí các mặt thoáng hoặc khe hở có kiểm soát trên bề mặt công trình là một giải pháp hiệu quả nhằm giảm tải trọng gió tác động. Thay vì sử dụng các mặt đứng kín hoàn toàn, việc tạo ra những khoảng mở cho phép dòng gió xuyên qua công trình, nhờ đó hạn chế sự tích tụ áp suất lớn lên bề mặt kiến trúc. Cách tiếp cận này đặc biệt phù hợp với các công trình nằm trong khu vực có chế độ gió mạnh hoặc thường xuyên chịu ảnh hưởng của bão.
Hình 12. Tòa nhà Shanghai World Finance Centre – Trung Quốc
Một ví dụ điển hình là Shanghai World Finance Centre tại Singapore, nơi các khoảng hở giữa ba tòa tháp cho phép gió đi xuyên qua thay vì bị chặn lại. Giải pháp này không chỉ góp phần làm giảm tải trọng gió tác động lên công trình mà còn tạo nên những không gian mở, thoáng đãng, tăng chất lượng trải nghiệm kiến trúc tổng thể.
Lợi ích của việc sử dụng khe hở và mặt thoáng bao gồm:
• Giảm áp lực gió thông qua việc cho phép dòng khí lưu thông qua công trình.
• Hạn chế hiện tượng tập trung áp suất gió tại các khu vực cục bộ.
• Góp phần nâng cao giá trị thẩm mỹ và tạo dựng không gian kiến trúc mở, linh hoạt.
Trong bối cảnh biến đổi khí hậu và các hiện tượng thời tiết cực đoan gia tăng, thiết kế kiến trúc chống chịu gió bão trở thành yêu cầu cấp thiết. Gió mạnh và mưa lớn không chỉ gây hư hại công trình mà còn làm gián đoạn đời sống và tạo ra tổn thất kinh tế đáng kể.
Một yếu tố then chốt của kiến trúc chống bão là tối ưu hình dạng khí động học nhằm giảm lực cản, phân tán áp lực gió và hạn chế hư hỏng. Các nghiên cứu cho thấy những công trình có hình khối tròn, cong hoặc mái dốc thường chống chịu tốt hơn so với hình dạng góc cạnh, do cho phép dòng gió lưu thông mượt mà và giảm áp lực tác động.
Đối với nhà cao tầng, các giải pháp như hình khối thuôn dần, xoắn, vát góc hoặc tạo khe hở giúp phân tán lực gió, giảm xoáy gió và rung động quanh công trình. Việc áp dụng các nguyên lý khí động học không chỉ nâng cao mức độ an toàn trước bão mà còn góp phần cải thiện thẩm mỹ và hiệu quả năng lượng. Những công trình tiêu biểu như Burj Khalifa, Taipei 101 và The Gherkin là minh chứng rõ ràng cho vai trò quyết định của việc tối ưu hóa hình dạng kiến trúc trong môi trường gió mạnh.
