Cụm từ “các tham số tưởng tượng hay cảm nhận” nghe hơi mơ hồ, nhưng thực ra, các thuật toán trong thiết kế tham số có thể dễ dàng thay đổi và tạo ra nhiều kiểu dáng khác nhau chỉ trong thời gian ngắn, giúp các kiến trúc sư có nhiều lựa chọn hơn. Có lẽ chính vì vậy mà phương pháp thiết kế tham số rất được sinh viên kiến trúc yêu thích.

Kiến trúc sư Renzo Piano (thành viên danh dự của AIA) từng nói trên tạp chí Architectural Record: “Bạn biết đấy, máy tính giờ thông minh đến mức giống như mấy cây đàn piano tự động, chỉ cần bấm nút là nó sẽ chơi cha-cha hay rumba. Dù mình chơi dở tệ, vẫn có cảm giác như một nghệ sĩ piano thực thụ”.

Tuy nhiên, ngay cả những kiến trúc sư có kinh nghiệm khi dùng phần mềm thiết kế tham số cũng có thể tạo ra những kết quả sai lầm. Ví dụ điển hình là Nhà hát Opera Quảng Châu (2010) do Zaha Hadid thiết kế, từng gặp nhiều vấn đề với vật liệu trám khe hở.

Nhà sử học kiến trúc Antoine Picon của Đại học Harvard, tác giả cuốn Digital Culture in Architecture, từng nhận xét: máy tính có thể biến hầu hết các ý tưởng thiết kế thành những cấu trúc có thể thi công, nên kiến trúc sư thường thoải mái sáng tạo hình khối mà ít phải lo về khả năng chịu lực. Tuy nhiên, nó sẽ để lại nhược điểm: ngoài việc làm tăng chi phí xây dựng và phát sinh các vấn đề kỹ thuật như xử lý trám khe hở, các công trình được tạo ra thường xa rời lịch sử và truyền thống. Vì vậy, dù các công trình thiết kế theo tham số trông khá hiện đại, bắt mắt và hợp thời, nhưng lại dễ trở nên đơn điệu và nhanh chóng lỗi thời, bởi không có gì “lỗi thời” nhanh bằng những hình dung về tương lai của ngày hôm qua. 

Không phải tất cả công trình thiết kế tham số đều là “kiến trúc được tư duy lại”. Trong tay các kiến trúc sư như Nicholas Grimshaw (thành viên AIA) và Norman Foster (thành viên danh dự FAIA), các công cụ tính toán được dùng để hỗ trợ cho phong cách Kiến trúc Hiện đại chủ đạo. Ví dụ, nhà ga quốc tế Waterloo ở London do Grimshaw thiết kế có cấu trúc mái cong ấn tượng, hay mái sân trong uốn lượn rất đẹp mắt của Bảo tàng Mỹ thuật và Phòng tranh Chân dung Quốc gia ở Washington, D.C. do Foster thực hiện. Bảo tàng ArtScience tại Marina Bay Sands, Singapore do kiến trúc sư Moshe Safdie thiết kế, có hình dáng dựa trên các đường cong xoắn ốc và hội tụ lại với nhau. Theo Jaron Lubin, cộng sự của Safdie, nhóm thiết kế ban đầu sử dụng phần mềm Maya để tạo mô hình tham số. Mô hình này cho phép họ dễ dàng điều chỉnh từng yếu tố hình học, giúp thử nghiệm nhanh nhiều phương án thiết kế khác nhau. Sau đó, họ chuyển sang phần mềm Rhino để thuận tiện chia sẻ dữ liệu 3D với các kỹ sư kết cấu của công ty thiết kế toàn cầu Arup. Tại đây, dữ liệu tiếp tục được xử lý bằng phần mềm Generative Components - một công cụ thiết kế tham số có thể tích hợp với hệ thống BIM (Mô hình Thông tin Công trình), giúp kết nối chặt chẽ giữa thiết kế kiến trúc và kỹ thuật thi công.

Kiến trúc sư Patrik Schumacher là người đề xuất khái niệm “parametricism”, ông không chỉ xem đây là một công cụ hỗ trợ thiết kế mà còn coi đó là một phong cách kiến trúc hoàn toàn mới với ngôn ngữ thẩm mỹ riêng biệt. Theo Schumacher, “parametricism” có nghĩa là từ bỏ những nguyên tắc quen thuộc trong kiến trúc truyền thống như trục đối xứng, sự đều đặn hay cân đối. Trong bài luận viết cho Triển lãm Kiến trúc Venice năm 2008, ông khuyên các kiến trúc sư: “Hãy tránh lặp lại, tránh dùng đường thẳng, góc vuông hay các hình dạng đơn giản”. Thay vào đó, ông kêu gọi: “Hãy kết hợp nhiều yếu tố, biến đổi, làm biến dạng, phá vỡ ranh giới... và coi mọi hình khối đều có thể thay đổi linh hoạt theo các tham số”. Theo cách nói này, parametricism có vẻ giống như một phong cách thiết kế dựa nhiều vào sở thích cá nhân hơn là giải pháp kỹ thuật hay vấn đề thực tiễn.

Schumacher cho rằng parametricism là một cách phản ứng có chủ ý trước một xã hội ngày càng đa dạng và phức tạp. Ông viết: “Nhiệm vụ của kiến trúc là tạo ra những không gian đô thị phức tạp, nhiều trung tâm, với các lớp thiết kế đan xen và khác biệt liên tục”.

Đặc điểm nổi bật của xã hội hiện đại là đang có quá nhiều lựa chọn từ phim ảnh, âm nhạc, giải trí, thông tin cho đến đồ ăn, quần áo. Vì vậy, cũng dễ hiểu khi kiến trúc ngày nay có rất nhiều phong cách khác nhau: từ những thiết kế truyền thống đến những thiết kế mang tính tiên phong, từ các hình thức quen thuộc đến các ý tưởng mới lạ, từ kiến trúc dựa trên lý thuyết rõ ràng đến những công trình thiên về hình thức và cảm xúc. Kiến trúc tham số có thể là một trong những câu trả lời cho xu hướng này nhưng chắc chắn không phải là câu trả lời duy nhất. 

Phần mềm thiết kế tham số có phải chỉ đơn giản là công cụ để tạo ra những hình dạng lạ mắt? Thực ra, các kiến trúc sư đã suy nghĩ về cách ứng dụng máy tính trong thiết kế từ rất lâu. Năm 1963, Ivan Sutherland phát minh ra Sketchpad - phần mềm đầu tiên đặt nền móng cho các phần mềm vẽ kỹ thuật (CAD) sau này. Chỉ hai năm sau, một cuộc họp quan trọng có tên “Kiến trúc và Máy tính” đã được tổ chức tại Trung tâm Kiến trúc Boston. Tham dự sự kiện này có nhiều nhân vật nổi tiếng như Walter Gropius, Serge Chermayeff, kỹ sư kết cấu William LeMessurier và Marvin Minsky - người đồng sáng lập phòng thí nghiệm AI của MIT. Lúc đó, các kiến trúc sư kỳ vọng máy tính sẽ thay họ làm những công việc lặp lại trong thiết kế. Nhưng Minsky đã nhìn xa hơn: ông cho rằng máy tính không chỉ giúp làm những việc nhàm chán, mà còn có thể xử lý những tác vụ phức tạp đến mức ngay cả các kiến trúc sư cũng không thể tự làm được.

Sự phức tạp trong thiết kế chính là điều khiến kiến trúc sư Christopher Alexander quan tâm, và đó cũng là lý do ông viết cuốn sách Notes on the Synthesis of Form. Dù nhỏ gọn, cuốn sách lại chứa đựng một thông điệp quan trọng. Alexander viết: “Điều tôi muốn làm rõ là mối liên hệ chặt chẽ giữa cách chúng ta hiểu và phân tích một vấn đề với cách chúng ta thiết kế ra một hình dạng cụ thể”. Ông cho rằng, bất kỳ bài toán thiết kế nào cũng có thể được phân tách thành nhiều phần nhỏ, chồng chéo nhau, mỗi phần tương ứng với một nhóm yêu cầu chức năng riêng biệt. Các phần này còn có mối quan hệ ưu tiên, cái nào quan trọng hơn thì cần giải quyết trước.

Alexander lấy ví dụ về chiếc ấm nước và liệt kê ra 21 yêu cầu thiết kế cụ thể, chẳng hạn như: “Phải dễ cầm khi còn nóng”, “Không được rỉ sét trong môi trường nhà bếp nhiều hơi nước” hay “Phải dễ đổ nước vào”... Những yêu cầu này thể hiện cách ông tiếp cận thiết kế một cách logic và có hệ thống, thay vì chỉ dựa vào cảm tính hay hình thức.

Những yêu cầu của Alexander giống với định nghĩa của tham số trong từ điển, tức là những yếu tố có thể đo lường được, nằm trong một nhóm giúp xác định hệ thống hoặc đặt ra điều kiện hoạt động cho nó. Tuy nhiên, cách tiếp cận thiết kế tham số của Alexander khác với của Schumacher. Alexander không chỉ muốn tạo ra các hình dạng phức tạp mà quan trọng hơn, ông muốn hiểu rõ và giải quyết tận gốc sự phức tạp của các vấn đề thiết kế.Trong phần phụ lục của cuốn sách, Alexander giới thiệu một mô hình toán học để mô tả các yêu cầu trong thiết kế. Vì ông học cả toán và kiến trúc nên việc dùng máy tính với ông là điều rất tự nhiên. Cùng với kỹ sư công nghệ thông tin Marvin Manheim, ông đã viết một chương trình chạy trên máy tính IBM 7090, và chương trình này đã được MIT công bố với tên gọi “HIDECS 2: chương trình phân rã phân cấp một tập hợp có đồ thị tuyến tính”.

Nhiều sinh viên thích cuốn Notes on the Synthesis of Form và từng sử dụng chương trình HIDECS 2 cho luận văn của mình. Chương trình này được viết bằng ngôn ngữ Fortran, việc nhập dữ liệu đòi hỏi phải tỉ mỉ và mất nhiều thời gian. Tuy nhiên, nhiều người gặp khó khăn khi chạy chương trình và không thành công, nên họ đành quay lại phương pháp làm việc truyền thống với bút chì và giấy vẽ màu vàng. Có thông tin cho rằng chương trình HIDECS 2 còn khá nhiều lỗi kỹ thuật, dù điều này chưa được xác nhận chính thức.

Chính Alexander cũng nghi ngờ việc dùng máy tính trong kiến trúc. Ông không tham dự được cuộc họp ở Boston, nhưng đã gửi một bài viết vào tài liệu hội nghị. Ông nói: “Hiện tại, hầu như chưa có vấn đề thiết kế kiến trúc hay môi trường nào phức tạp đến mức phải dùng máy tính”. Alexander thấy rằng việc các kiến trúc sư quá mê mẩn máy tính là một điều nguy hiểm. Ông cảnh báo: “Khi bạn cố gắng mô tả một vấn đề sao cho máy tính có thể giải quyết được, bạn sẽ bị hạn chế chỉ nhìn vào những phần có thể mã hóa được, mà thường đó lại là những phần đơn giản và không quan trọng lắm”. Lời cảnh báo này vẫn rất đáng lưu ý với những người đang hăng say theo đuổi thiết kế tham số ngày nay.

Kể từ khi Alexander viết những điều đó, một cách sử dụng máy tính khác trong kiến trúc đã xuất hiện: mô phỏng công trình. Công cụ này giúp mô hình hóa và đánh giá hiệu quả của tòa nhà về kết cấu, năng lượng, ánh sáng tự nhiên, ánh sáng nhân tạo và âm thanh.

Ali Malkawi, giám đốc Trung tâm Mô phỏng Công trình và Năng lượng T.C. Chan ở Đại học Pennsylvania từng chia sẻ về vai trò của thiết kế tham số. Ông cho biết: “Trong lĩnh vực liên quan đến năng lượng tòa nhà, thiết kế tham số đang được dùng để tìm ra các giải pháp tiết kiệm năng lượng cho thiết kế mặt tiền, chọn kích thước cửa sổ phù hợp với ánh sáng, và những công việc tương tự. Hiện tại, nó vẫn còn rất cơ bản và chưa phổ biến rộng rãi, chủ yếu được các nhà nghiên cứu dùng trong các lớp học thử nghiệm và một số chuyên gia tư vấn sử dụng”.

Trong bài nghiên cứu năm 2004, Malkawi giải thích rằng thuật toán gọi là thuật toán di truyền (mô phỏng quá trình tiến hóa tự nhiên) có thể kết hợp với mô phỏng dòng khí (CFD) để đánh giá và tối ưu các phương án thiết kế dựa trên hiệu quả về nhiệt độ và thông gió. Tuy nhiên, ông cũng cảnh báo rằng việc sử dụng máy tính để tạo ra các thiết kế dựa trên những mục tiêu này vẫn còn là điều ở tương lai xa. Ông cho biết: “Thiết kế tham số chưa thể cung cấp giải pháp toàn diện vì vẫn chưa giải quyết được việc kết hợp các thuật toán vật lý cơ bản”.

Malkawi muốn nói rằng hiện nay các phần mềm mô phỏng công trình thường chỉ xử lý riêng biệt từng vấn đề như sưởi ấm, điều hòa, thông gió hay ánh sáng tự nhiên, chứ chưa xem chúng như một hệ thống tổng thể. Hơn nữa, trong khi nhiệt độ và ánh sáng tương đối dễ mô phỏng, thì những hiện tượng phức tạp như thông gió tự nhiên (rất quan trọng với các tòa nhà “xanh”) lại vẫn chưa thể mô phỏng chính xác được vì bị ảnh hưởng bởi nhiều yếu tố bên ngoài.

Các mô phỏng hiện nay thiếu dữ liệu rõ ràng và nhất quán. Ví dụ, việc tính khả năng cách nhiệt của tường hay độ phản xạ của bề mặt thì dễ dàng, nhưng hiệu quả năng lượng thực tế của cả tòa nhà còn phụ thuộc vào cách người dùng sử dụng như mở cửa sổ, bật tắt đèn, kéo rèm hay chỉnh nhiệt độ. Hiện nay, nghiên cứu về việc mô phỏng hành vi con người vẫn còn rất mới và chưa hoàn thiện.

Giữa sự khó đoán của phong cách thiết kế tham số và độ chính xác của mô phỏng công trình, có một mục tiêu lớn: tạo ra thiết kế dựa trên dữ liệu thật về cách tòa nhà vận hành và cách con người thực sự sử dụng chúng. Để làm được điều này, cần kết hợp các mô phỏng khác nhau, khiến các hệ thống liên kết và tương tác với nhau, đưa vào rất nhiều yếu tố đa dạng, và quan trọng nhất là phát triển một phương pháp linh hoạt để xử lý những thay đổi khó lường trong hành vi con người theo thời gian và giữa các cá nhân.

Dù có đủ dữ liệu đi chăng nữa thì vẫn còn câu hỏi liệu có khó để tìm ra lời giải không, và liệu máy tính có thể xử lý được mức độ phức tạp đó hay không, chưa kể chi phí rất cao có thể phát sinh. Vì thế, đừng vội bỏ bút chì mềm và giấy vẽ màu vàng nhé!