Viện Thiết kế Điện toán và Xây dựng (ICD) thuộc Đại học Stuttgart và Viện Xây dựng Kết cấu và Thiết kế Kết cấu  (ITKE) vừa hợp tác thực hiện một công trình cao 14 mét ở miền Nam nước Đức. “Tháp Urbach” là một cấu trúc độc đáo, được dựng từ các bộ phận bằng gỗ cong “tự định hình”. Thay vì tạo tác các bộ phận gỗ bằng các quy trình cơ khí tỉ mỉ và tiêu tốn năng lượng thông thường, nhóm thực hiện đồ án của ICD và ITKE tận dụng các thanh gỗ đã co uốn sẵn vì thiếu độ ẩm.

Ảnh © ICD/ITKE Đại học Stuttgart

“Ở các công trình bằng gỗ, độ ẩm thường gây ra sự nứt rạn và biến dạng; vì thế, ta phải kiểm soát sự thay đổi độ ẩm và áp lực một cách cẩn thận,” ICD và ITKE giải thích. “Trái lại, trong công trình này, kết cấu gỗ đã được lập trình và bố trí theo một cách thức để tận dụng sự biến dạng tự nhiên đầy uy lực này, từ đó tạo ra một kiểu thiết kế tự-định-hình. Nếu máy móc có thể được lập trình để thực hiện những chuyển động khác nhau, thì các bộ phận gỗ cũng có thể được lập trình để biến hoá thành các hình thù định sẵn khi chúng đã khô.”

Ảnh © ICD/ITKE Đại học Stuttgart

Các bộ phận bằng gỗ tráng nhựa uốn cong (cross laminated timber – CLT) dùng để dựng thành ngọn tháp được thiết kế và chế tác dưới dạng các thanh gỗ mỏng. Các thanh gỗ này khi khô dần sẽ tự động biến dạng thành các hình uốn cong như đã định trước. Trong khi đó, các bộ phận dày hai lớp làm bằng gỗ vân sam 5m x 1.2m được chế tác với độ ẩm cao và các quy trình ép ráp đặc trưng, và được làm khô qua một quy trình sấy khô kỹ thuật đúng chuẩn công nghiệp. Khi được dỡ ra từ buồng sấy khô, các bộ phận này có độ cong chuẩn xác. Chúng được xếp chồng lên nhau và được tráng phủ nhựa để cố định kiểu dáng hình học, và tạo thành các bộ phận CLT cong lớn với kiểu dáng hình học vững chắc.

Ảnh © ICD/ITKE Đại học Stuttgart

“Các mô hình cơ khí điện toán đặc biệt dành cho chất liệu này đã được xây dựng để thiết kế, dự đoán và tối ưu hoá lối bài trí chất liệu cần thiết, nhằm tạo ra nhiều kiểu dáng và bán kính cong khác nhau,” nhóm thiết kế nói tiếp. “Công nghệ chế tác tự-định-hình dành cho ván gỗ đặc và khả năng tương thích nhanh chóng của quy trình này đối với các dạng đường cong khác nhau sẽ mở ra những tiềm năng kiến trúc mới mẻ, bất ngờ, qua việc sử dụng vật liệu xây dựng bền vững, tái sinh được, có nguồn gốc địa phương. Tháp Urbach là công trình đầu tiên được thi công bằng công nghệ này với các bộ phận bằng gỗ, chịu tải nặng, đạt quy mô xây dựng.”

Ảnh © ICD/ITKE Đại học Stuttgart

Toà tháp là một trong 16 cấu trúc cố định được hoàn thành cho công viên Remstal Gartenschau 2019. Toạ lạc trên một sườn đồi nổi bật ở giữa lòng thung lũng, “Tháp Urbach” kết nối nhiều cấu trúc trong số nói trên về mặt hình ảnh, đồng thời là nơi trú ngụ, ngắm cảnh, và chiêm nghiệm. Bề ngoài cấu trúc trông mềm mại như vải, với một lỗ hổng trên lớp vỏ gỗ mỏng, như bức màn hé mở cho ta thấy cảnh thung lũng bát ngát.

Ảnh © ICD/ITKE Đại học Stuttgart

Vì công trình được thiết kế để có được độ lâu bền cao nhất, người ta sẽ ép thêm một lớp tráng phủ bảo vệ riêng cho nó, gồm gỗ thông tráng phủ keo, trên mặt ngoài của từng bộ phận. Họ còn tráng thêm một lớp phủ phi hữu cơ trong suốt, bền chắc, nhằm bảo vệ gỗ khỏi bức xạ UV và nấm mốc. Thay vì bị nứt nẻ và ngả sang màu xám bạc vì tác động của thời tiết, gỗ thông sẽ dần dần chuyển qua tông màu trắng. Bạn có thể đọc thêm về đồ án ở đây

Ảnh © ICD/ITKE Đại học Stuttgart

Ảnh © ICD/ITKE Đại học Stuttgart

Ảnh © ICD/ITKE Đại học Stuttgart

Ảnh © ICD/ITKE Đại học Stuttgart

Ảnh © ICD/ITKE Đại học Stuttgart

Chế tác gỗ tự định hình bằng phương pháp sấy khô

Ảnh © ICD/ITKE Đại học Stuttgart

Mô hình cấu trúc tháp FEA, có bao gồm các chỗ biến dạng và tận dụng bề mặt cũng như mối nối

Ảnh © ICD/ITKE Đại học Stuttgart

Các súc gỗ vân sam tại Lehamman Holzwerk AG
Ảnh © ICD/ITKE Đại học Stuttgart

Phân loại ván gỗ vân sam dựa trên độ ẩm và hướng vân gỗ tại Lehamman Holzwerk AG

Ảnh © ICD/ITKE Đại học Stuttgart

Các bộ phận gỗ kép tự định hình sau khi sấy khô tại Lehamman Holzwerk AG

Ảnh © ICD/ITKE Đại học Stuttgart

Chi tiết gỗ CLT cong được chuẩn bị đưa vào cưa CNC 5 trục tại Blumer Lehmann AG

Ảnh © ICD/ITKE Đại học Stuttgart

Các cụm lắp ráp với bề mặt bằng gỗ thông tại Blumer Lehmann AG

Ảnh © ICD/ITKE Đại học Stuttgart

Các cụm lắp ráp với bề mặt bằng gỗ thông tại Blumer Lehmann AG

Ảnh © ICD/ITKE Đại học Stuttgart

Các cụm lắp ráp trên đường vận chuyển tới Urbach

Ảnh © ICD/ITKE Đại học Stuttgart

Tiến trình lắp ráp cấu trúc CLT cong tại công trường

Ảnh © ICD/ITKE Đại học Stuttgart

Tiến trình lắp ráp cấu trúc CLT cong tại công trường

Ảnh © ICD/ITKE Đại học Stuttgart

Tiến trình lắp ráp cấu trúc CLT cong tại công trường

Ảnh © ICD/ITKE Đại học Stuttgart

Thông tin đồ án:

Nhóm thực hiện đồ án:

ICD – Viện Thiết kế và Thi công Điện toán, Đại học Stuttgart


Giáo sư Achim Menges, Dylan Wood
Thiết kế kết cấu
Nghiên cứu và phát triển các thành phần gỗ cong tự định hình

ITKE – Viện Thiết kế và Xây dựng Kết cấu, Đại học Stuttgart

Giáo sư Jan Knippers, Simon Bechert, Lotte Aldinger
Thiết kế và Chế tác Kỹ thuật Kết cấu

Cộng tác khoa học:

Phòng thí nghiệm vật liệu cellulose và gỗ, Empa (Các phòng thí nghiệm khoa học và công nghệ vật liệu liên bang Thuỵ Sĩ), Khoa học Vật liệu Gỗ & Thuỵ Sĩ, Eth Zurich (Viện Công nghệ Liên bang Thuỵ Sĩ, Zurich)
Tiến sĩ Markus Rüggeberg, Philippe Grönquist, Giáo sư Ingo Burgert
Nghiên cứu và phát triển các thành phần gỗ cong tự định hình

Cộng tác công nghiệp:

Blumer-Lehmann Ag, Gossau, Thuỵ Sĩ

Katharina Lehmann, David Riggenbach
Nghiên cứu và phát triển các thành phần gỗ cong tự định hình, chế tác và thi công gỗ 

Hỗ trợ đồ án:

Gemeinde Urbach

Remstal Gartenschau 2019 Gmbh

Quỹ Môi trường Liên bang Đức

Các phương pháp thiết kế, chế tác và thao tác kỹ thuật nhằm ứng dụng các chi tiết gỗ cong để thực hiện việc thi công gỗ hiệu suất cao, hiệu quả về tài nguyên: Tháp Urbach, Remstal Gartenschau 2019

Innosuisse – Công ty Cải tiến Thuỵ Sĩ
Chế tác các thành phần gỗ kiến trúc cong bằng phương thức thông minh, cách tân, và hình học phức tạp

Vật liệu xây dựng Carlisle Gmbh
Scanntronik Mugrauer Gmbh

Các kích cỡ:

Cấu trúc gỗ cao 14.20 m

Bán kính đáy 4.0 m, bán kính nóc 3.0m, bán kính giữa 1.6m
Gỗ vân sam CLT với kết cấu 10-30-10-30-10
Bề mặt bằng gỗ thông rụng lá, có lớp phủ bề mặt bằng titanium oxit
Các bộ phận cắt bằng kỹ thuật CNC 5 trục

12 chi tiết tiền chế riêng lẻ, được lắp ráp sẵn theo nhóm 3

Chi tiết mối nối bằng ốc vít bắt chéo, với các khối gỗ xếp thẳng hàng
8 bộ cảm ứng giúp theo dõi  số đo WMC  bên trong cấu trúc

Hệ thống kết cấu: Cấu trúc tháp bề mặt cong, gỗ vân sam tráng nhựa tự định hình (CLT) và ép ráp 10 -30-10-30-10, bề mặt bằng gỗ thông tráng phủ keo có xử lý một lớp bảo vệ UV Titan Oxit, nóc nhà bằng polycarbonate cong có giàn đỡ bằng thép

Xem bài viết gốc trên DESIGNBOOM tại đây

Biên dịch: HC