Sự tiến hoá của kiến trúc và ứng dụng trí tuệ nhân tạo dựa trên thuyết tiến hoá trong thiết kế kiến trúc nhằm tối ưu hiệu năng công trình

1. Khi tiến hoá kiến trúc là một xu thế tự nhiên

Thế giới đang trải qua một thời đại mà công nghệ phát triển vượt bậc làm thay đổi mọi mặt xã hội, đời sống cũng như xây dựng và nền kiến trúc thế giới. Sự phát triển của kiến trúc gắn liền với sự phát triển của công nghệ, kiến trúc cũng có nhiều xu hướng, nhiều phong cách và sử dụng nhiều công nghệ khác nhau. Sự kết thúc của một phong trào, xu hướng này có thể là sự bắt đầu của một phong trào, xu hướng khác. Những gì còn có thể tồn tại bắt buộc phải thỏa mãn nhu cầu thực tiễn và có giá trị trong đời sống cộng đồng. Thuyết tiến hóa nổi tiếng của Darwin (1859) đã giới thiệu chọn lọc tự nhiên như một cơ chế quan trọng nhất của quá trình tiến hóa ở mọi cấp độ từ hệ thống sinh học [1]. Trong kiến ​​trúc, chúng ta quan sát thấy các quá trình tiến hóa tương tự dẫn đến sự phát triển của các phong trào và khái niệm kiến ​​trúc khác nhau từ các cấu trúc sinh sống nguyên thủy.

Ngày nay các tòa nhà phải đối mặt với nhiều thách thức hơn các công trình tiền thân của nó, ví dụ: sử dụng năng lượng hiệu quả, đáp ứng thích ứng biến đổi khí hậu, thân thiện với môi trường… Công trình được thiết kế ngày một phức tạp hơn về hình thức lẫn cách thức thi công và có thể đạt được phương án thiết kế thụ động tốt nhất tại vị trí xây dựng được hỗ trợ bởi các giải pháp tối ưu hóa và nguồn dữ liệu thông tin toàn cầu. Lợi ích từ công nghệ cao, tối ưu hóa mang lại cho nhà đầu tư một chi phí ban đầu thấp hơn, công trình có sức chống chịu tốt hơn với môi trường, sử dụng nguồn năng lượng ít hơn và tận dụng tối đa được các nguồn năng lượng từ tự nhiên như nắng, gió, địa nhiệt… nhằm đảm bảo mức độ tiện nghi cho người sử dụng công trình. Vì thế công nghệ cao áp dụng trong thiết kế và xây dựng ngày càng được phát triển và tiến hóa, có độ phức tạp và chính xác đáng kinh ngạc mà sức người khó có thể làm được (xem Hình 1, 2).

Hình 1. Ngôi nhà được in 3D bởi máy in 3D COBOD, tại Bỉ năm 2020 (nguồn: [2])	Hình 2. Kiến trúc công nghệ cao được thể hiện tại tòa nhà Changi, Singapore (nguồn: [3])

Cuộc cách mạng công nghệ 4.0 vào đầu cuối thế kỷ XX mang lại cho kiến trúc sư (KTS) nhiều phương tiện, cách thức mới cao cấp hơn để thiết kế kiến trúc. Trong đó có lớp vỏ bao che thông minh hơn nhằm thích ứng điều kiện khí hậu địa phương, biến đổi khí hậu hay công nghệ thực tế ảo (VR), thực tế tăng cường (AR), tăng cường ảo (AV), thực tế hòa trộn (MR) mang lại cho con người trải niệm một cảm giác “giống như thật” trong quá trình sử dụng công nghệ. Trí tuệ nhân tạo (AI), ví dụ: hệ thống cảnh báo sớm, thiết kế lặp tìm kiếm tối ưu, sử dụng trong quy hoạch, thiết kế thông minh và công nghệ in, sử dụng robot trong kiến trúc và xây dựng đã chứng minh sự vượt trội của nó trong việc giải quyết các vấn đề của con người, đã đến lúc các KTS phải quan tâm khai thác nó để có thể vượt qua các giới hạn thiết kế hiện tại [4].

Trong bài viết này, chúng tôi điểm qua về sự tiến hóa của kiến trúc và một phần ứng dụng của trí tuệ nhân tạo là các thuật toán tiến hóa trong thiết kế kiến trúc nhằm tìm kiếm giải pháp tối ưu hóa hiệu năng công trình.

2. Kiến trúc dưới góc nhìn của thuyết tiến hoá

Thuyết tiến hóa nổi tiếng của Darwin (1859) đã giới thiệu chọn lọc tự nhiên như là cơ chế quan trọng nhất của các quá trình tiến hóa, nhấn mạnh tầm quan trọng của sự đa dạng ở mọi cấp độ-từ các hệ thống sinh học, bao gồm các loài, cá thể sinh vật… đến các phân tử như như DNA hoặc protein (Hình 3).

Hình 3. Minh hoạ lịch sử tiến hoá sự sống trên Trái đất dưới dạng xoắn ốc [5]

Chúng tôi phát hiện ra rằng kiến ​​trúc đã trải qua một quá trình tiến hóa tương tự dẫn đến sự phát triển của các phong trào và khái niệm kiến ​​trúc khác nhau từ một cấu trúc sống nguyên thủy phổ biến. Nguồn gốc tiến hóa trong kiến ​​trúc có thể bắt nguồn từ các nguyên tắc thiết kế được áp dụng trong hầu hết các tòa nhà dân gian bản địa trên toàn thế giới. Kiến trúc bản địa/dân gian phát triển theo thời gian, phản ánh bối cảnh môi trường, văn hóa, công nghệ và lịch sử của một địa điểm cụ thể mà nó được xây dựng [6]. Do đó, kiến ​​thức đã được tích lũy từ kiến ​​trúc bản địa trong một quá trình “tiến hóa”. Bảng 1 mô tả những tương đồng của tiến hoá kiến trúc so với tiến hoá tự nhiên. Nó chỉ ra rằng các xu hướng kiến ​​trúc gắn liền với chủ nghĩa hình thức thường nhanh chóng bị phai nhạt; trong khi đó những công trình gắn với chức năng, khí hậu, điều kiện tự nhiên và xã hội thường thể hiện sức sống mạnh mẽ hơn và tồn tại lâu hơn.

Bảng 1: Sự tương đồng giữa quá trình tiến hóa tự nhiên và tiến hóa kiến trúc

	Tiến hóa tự nhiên (tổng hợp tiến hóa hiện đại)	Tiến hóa kiến trúc	Ví dụ về các bằng chứng
Tổ tiên đầu tiên	Một sinh vật đơn bào, sống khoảng 3,8 tỷ năm trước đây	Cấu trúc nhân tạo nguyên thủy	Hang động hoặc những túp lều như nhà cho con người
Động cơ	Nguồn thực phẩm hạn chế;   Sự thay đổi của khí hậu và môi trường; Cạnh tranh để tồn tại và để tăng cường sinh sản;	Tài nguyên thiên nhiên cạn kiệt; biến đổi khí hậu, ô nhiễm môi trường, mất cân bằng sinh thái; Các lực lượng xã hội bao gồm các khía cạnh kỹ thuật, xã hội và kinh tế, phong cách và hệ tư tưởng mới [7]	Khủng hoảng năng lượng, sự nóng lên toàn cầu và các yêu cầu cao hơn đối với môi trường sống chất lượng thúc đẩy xu hướng ngày càng tăng đối với kiến ​​trúc thân thiện với môi trường.
Cơ chế	Chọn lọc tự nhiên dựa trên đột biến gen: là quá trình mà các đột biến gen giúp tăng cường sinh sản trở nên phổ biến hơn ở các thế hệ liên tiếp của quần thể.	“Lựa chọn khôn ngoan” của các nhà xây dựng là giai đoạn đầu tiên của quá trình tiến hóa (tương tự như đột biến gen) dẫn đến các ví dụ thực tiễn tốt nhất và hiệu suất xây dựng được mong đợi cao hơn.  Các khái niệm và phương pháp thiết kế mới và đặc biệt là các tiêu chuẩn và quy tắc mới là động lực chính của “sự chọn lọc” trong kiến ​​trúc.	Các tòa nhà thụ động và tòa nhà không sử dụng năng lượng đã tạo ra những ví dụ cụ thể về các tòa nhà tiết kiệm năng lượng ở Châu Âu. Hơn nữa, chỉ thị về hiệu suất năng lượng của các tòa nhà, EPB (Chỉ thị 2002/91/EC) gần đây đã đưa ra ở EU, giảm đáng kể mức tiêu thụ năng lượng trong tất cả các tòa nhà mới [8].
	Đột biến lệch bội (Biased mutation): là hiện tượng hai kiểu gen ở cùng vị trí nhưng xác suất đột biến khác nhau thì cơ hội tiến hoá khác nhau.	Chi phí xây dựng tạo ra sự thiên lệch đáng kể trong việc lựa chọn các giải pháp kỹ thuật khác nhau cho các tòa nhà cùng đáp ứng với các tiêu chuẩn [9].	Sự phát triển cực kỳ nhanh chóng của hệ thống thông gió hai dòng kết hợp với bộ trao đổi nhiệt trên không khí chiết xuất cho các tòa nhà rất tiết kiệm năng lượng ở vùng khí hậu ôn đới xuất phát từ lợi nhuận kinh tế cao của nó.
	Sự trôi dạt di truyền (Genetic drift): sự thay đổi tần số alen từ thế hệ này sang thế hệ khác do lỗi lấy mẫu alen.	Những khám phá trong khoa học xây dựng tạo ra những tiến bộ đột phá trong các phương pháp thiết kế xây dựng hoặc công nghệ xây dựng.	Việc phát minh ra các công nghệ mới (bê tông cốt thép, thang máy…) hoặc các phương pháp mới (thiết kế dựa trên mô phỏng của các tòa nhà [10], các mô hình tiện nghi thích ứng [11], CFD áp dụng cho các tòa nhà [12; 13] và các thành phố [14]) đang thay đổi kiến trúc.
	Quá giang di truyền (Genetic hitchhiking): nếu một alen trong một kiểu haplotype cụ thể có lợi mạnh, thì các alen khác trong kiểu haplotype này trở nên phổ biến hơn trong quần thể.	Một phong trào kiến ​​trúc có ảnh hưởng làm cho các phong trào bổ sung khác trở nên phổ biến hơn.	Các giá trị quan trọng của kiến ​​trúc xanh làm cho kiến ​​trúc sinh thái, kiến ​​trúc tiết kiệm năng lượng, kiến ​​trúc thụ động… trở nên phổ biến hơn.
	Dòng gen: sự trao đổi gen giữa các quần thể và giữa các loài.	Trao đổi kiến ​​thức tạo ra cơ hội cho những thay đổi kiến ​​trúc.	Sự cộng sinh của một số phong cách kiến ​​trúc hiện có đôi khi tạo ra những phong cách mới hoặc hình thức kiến ​​trúc mới.
Kết quả	Thích nghi: quá trình làm cho các sinh vật phù hợp hơn với môi trường sống của chúng.	Thích ứng trong kiến ​​trúc là quá trình làm cho các tòa nhà phù hợp hơn với khí hậu và môi trường tự nhiên và văn hóa của chúng.	Kiến trúc thuộc địa ở Đông Nam Á là một bằng chứng của sự thích nghi trong kiến ​​trúc: Kiến trúc phương Tây đã thay đổi để thích nghi với khí hậu nóng ẩm của các nước thuộc địa này.
	Đồng tiến hóa: sự tiến hóa của một loài gây ra sự thích nghi ở loài thứ hai, chẳng hạn như động vật ăn thịt và con mồi của nó.	Sự đồng tiến hóa giữa kiến ​​trúc và thiên nhiên, quy hoạch đô thị hoặc công nghệ xây dựng	Các quy tắc quy hoạch thị trấn khác nhau được áp đặt về việc sử dụng đất của các khu vực đô thị đã tạo ra các hình thức đô thị hóa khác nhau ở châu Âu [15].
	Cộng sinh: tương tác cùng tiến hóa giữa các loài liên quan đến lợi ích chung, ví dụ như thực vật và nấm rễ phát triển trên rễ của chúng, hỗ trợ chúng hấp thụ chất dinh dưỡng trong đất.	Sự cộng sinh của kiến ​​trúc với thiên nhiên, quy hoạch đô thị hoặc công nghệ.	Những mái nhà và mặt tiền xanh giúp cải thiện hiệu suất của tòa nhà đồng thời thúc đẩy đa dạng sinh học. Thiết kế của một khu sinh thái tạo điều kiện thuận lợi cho việc thiết kế các tòa nhà có hiệu suất môi trường cao cũng như nâng cao hiệu suất môi trường của khu vực lân cận [16].
	Sự phân chia: quá trình một loài phân hóa thành hai hoặc nhiều loài con cháu	Các trào lưu kiến ​​trúc khác nhau cùng được bắt nguồn từ một trào lưu ban đầu.	Các tòa nhà thụ động, các tòa nhà gần như không sử dụng năng lượng và các tòa nhà xanh đều là kết quả của cách tiếp cận sinh khí hậu.
	Sự tuyệt chủng: sự biến mất của cả một loài. Các loài nguy cấp cho thấy khả năng nó sẽ bị tuyệt chủng.	Sự biến mất của một phong trào kiến ​​trúc, kiểu xây dựng hoặc phương pháp thiết kế do những thay đổi tự nhiên hoặc văn hóa.	Di sản kiến ​​trúc của các công trình kiến ​​trúc hàng ngày (nhà ở bản địa, công trình công nghiệp, v.v.) thường bị phá bỏ ở quy mô lớn trừ khi được bảo vệ bởi các quy định về bảo vệ di sản.

 

Bảng 2 giới thiệu một góc nhìn kiến trúc dưới con mắt của tiến hoá tự nhiên. Có thể nhận thấy, đặc điểm tích nghi tốt hơn chính là cơ chế chọn lọc “tự nhiên” trong kiến trúc, giúp hình thành và xoá đi các xu hướng hay thời kỳ kiến trúc khác nhau. Tiến hoá dựa trên “đặc điểm tích nghi” là một đặc trưng quan trọng nhất của tiến hoá tự nhiên, do đó tiến hoá kiến trúc cũng có thể coi là một quá trình tiến hoá bắt chước tự nhiên.

Bảng 2. Kiến ​​trúc dưới góc nhìn tiến hoá tự nhiên

Xu hướng hoặc thời kỳ	Đặc điểm thích nghi của kiến ​​trúc Kiến trúc	Thời gian
Tiền sử	Hình thức thích nghi khí hậu đơn giản nhất trong kiến ​​trúc, ví dụ như sử dụng vật liệu sẵn có tại địa phương để xây dựng nơi trú ẩn hoặc sống trong hang động để tránh động vật ăn thịt/thời tiết xấu.	Thời tiền sử
Kiến trúc bản địa	Kiến trúc có một số thích nghi với điều kiện tự nhiên và xã hội địa phương [17]	Phát triển theo lịch sử
Kiến trúc và công nghệ lấy cảm hứng từ sinh học	Tạo nên phong cách hữu cơ lấy cảm hứng từ thiên nhiên, thích ứng với môi trường và điều kiện địa phương	Từ cuối thế kỷ 19 và đầu thế kỷ 20 đến thời điểm hiện tại, bắt đầu từ những công trình của Antoni Gaudí
Kiến trúc hữu cơ	Một triết lý kiến ​​trúc đề cao sự hài hòa giữa môi trường sống của con người và thế giới tự nhiên, giảm nhu cầu sử dụng năng lượng và tài nguyên.	Kiến trúc hữu hạn được đặt ra bởi Frank Lloyd Wright (1867-1959)-một trong bốn KTS có ảnh hưởng nhất  trong số thế kỷ 20 [7]
Kiến trúc sinh khí hậu	Giải pháp thiết kế thụ động thích ứng với điều kiện khí hậu để tạo sự thoải mái trong nhà, đáp ứng nhu cầu tốt hơn về xây dựng cho những người cư ngụ.	Kể từ giữa thế kỷ 20
Kiến trúc thụ động và kiến trúc năng lượng thấp	Sử dụng kỹ thuật thiết kế tiên tiến để xây dựng nhiều tòa nhà tiết kiệm năng lượng và thoải mái hơn. Xu hướng này đã phần nào phát triển theo hướng tạo ra các tòa nhà không sử dụng năng lượng.	Từ những năm 1980
Tòa nhà xanh	Các tòa nhà tôn trọng môi trường tự nhiên và kiểm soát chặt chẽ các tác động đến môi trường trong suốt vòng đời của tòa nhà, đồng thời duy trì sự thoải mái trong nhà cho người ở.	Kể từ cuối năm thế kỷ 20
Kiến trúc bền vững	Đáp ứng nhu cầu của các thế hệ hiện tại mà không ảnh hưởng đến khả năng của các thế hệ tương lai để đáp ứng nhu cầu của họ trong khi cân bằng vấn đề môi trường, xã hội và kinh tế trong việc thiết kế xây dựng	Tương lai

 Trong kỷ nguyên của thiết kế với sự hỗ trợ của máy tính, các kỹ thuật thiết kế tiên tiến và khả năng kiểm soát chính xác các hiệu suất của tòa nhà thông qua thiết kế dựa trên mô phỏng của các tòa nhà và các công nghệ thông minh là những động lực thúc đẩy quá trình tiến hoá kiến trúc diễn ra mạnh mẽ hơn. Các bước chính của các giai đoạn tiến hóa phương pháp thiết kế từ phương pháp thực nghiệm đến phương pháp phân tích và phương pháp mô hình tính toán được giới thiệu trong Bảng 3.

     Bảng 3: Ba phương pháp thiết kế chính theo thứ tự tiến hóa

	Phương pháp thực nghiệm	Phương pháp   phân tích	Phương pháp mô hình tính toán
			Mô phỏng	Tối ưu hóa
Thời gian hiệu quả ước tính	Cho đến khi năm 1950	1930 – đến nay	1990 – đến nay	2000 – đến nay
Mục tiêu thiết kế	Sự thoải mái và sức khoẻ của người sử dụng	Sự thoải mái và sức khoẻ của người sử dụng	Sự thoải mái và sức khoẻ của con người; năng lượng; tác động đến môi trường	Tiện nghi và sức khỏe con người, tiết kiệm năng lượng, tác động môi trường
Phương pháp đánh giá tiện nghi	Dựa trên kinh nghiệm chung chung	Xây dựng biểu đồ sinh học [18-21].	Tiêu chuẩn và quy định (mô hình tiện nghi nhiệt, quy định chiếu sáng tự nhiên, quy định IAQ, công cụ đánh giá công trình xanh)	Tiêu chuẩn và quy định (mô hình tiện nghi nhiệt, quy định chiếu sáng tự nhiên, quy định IAQ, công cụ đánh giá công trình xanh)
Phương pháp phân tích khí hậu	Quan sát	Dữ liệu thời tiết thống kê rời rạc	TMY, TRY, DRY… tệp thời tiết	TMY, TRY, DRY… tệp thời tiết
Phương pháp xác minh hiệu suất	Quá trình “Thử, sai và điều chỉnh”	Theo dõi và so sánh	Mô phỏng	Mô phỏng số + tối ưu hóa [22], phân tích rủi ro và độ nhạy [23]
Phương pháp chẩn đoán	“Thử, sai và điều chỉnh”	“Thử, sai và điều chỉnh”+ giám sát và phân tích	Mô phỏng	Tối ưu hóa số [22], phân tích độ không chắc chắn và độ nhạy [23]
Ứng dụng và kết quả	Nhà ở người bản ngữ, tòa nhà truyền thống	Tiện nghi tòa nhà	Tòa nhà tiết kiệm năng lượng; tiện nghi tòa nhà; hệ thống thông gió	Tòa nhà không sử dụng năng lượng, Tòa nhà xanh, tòa nhà bền vững

Từ kiến ​​trúc bản ngữ và kiến ​​trúc truyền thống, nhờ sự phát triển nhảy vọt của phương pháp thiết kế, các nhà thiết kế giờ đây có thể tạo ra các tòa nhà hiệu suất cao, tòa nhà không sử dụng năng lượng hoặc tòa nhà xanh theo các tiêu chí môi trường khác nhau. Đặc biệt, với sự hỗ trợ của các phương pháp tối ưu hóa trong mô phỏng hiệu suất tòa nhà, nhiều mục tiêu thiết kế khắt khe trở nên dễ dàng hiện thực hóa hơn bao giờ hết. Các phương pháp tối ưu hóa dựa trên mô phỏng cho phép các nhà thiết kế tiết kiệm từ 10% đến 30% năng lượng tiêu thụ của tòa nhà thông qua các giải pháp thiết kế thụ động [22].

3. Thuyết tiến hóa đến giải thuật tiến hóa – một phương pháp trong thiết kế xây dựng

Trong sinh học, tiến hóa là sự thay đổi đặc tính di truyền của một quần thể sinh học qua những thế hệ nối tiếp nhau. Các quá trình tiến hóa làm nảy sinh sự đa dạng ở mọi mức độ tổ chức sinh học bao gồm loài, các cá thể sinh vật và cả các phân tử như ADN và protein. Cho đến nay, sự chọn lọc tự nhiên là nguyên nhân duy nhất cho sự thích nghi, tuy nhiên không phải là nguyên nhân duy nhất cho sự tiến hóa. Những nguyên nhân khác của tiến hóa bao gồm sự đột biến và dịch chuyển di truyền. Vào đầu thế kỷ 20, di truyền học kết hợp với lý thuyết tiến hóa nhờ chọn lọc tự nhiên của Darwin thông qua di truyền học quần thể. Tầm quan trọng của chọn lọc tự nhiên như một nguyên nhân tiến hóa đã được chấp nhận trong những nhánh khác của sinh học.

Ngày nay, con người áp dụng các nguyên tắc tiến hóa tự nhiên vào việc phát triển các công cụ khoa học để cải thiện hiệu suất của sản phẩm, bao gồm cả thiết kế và xây dựng tòa nhà. Giải thuật di truyền (genetic algorithm) nằm trong nhóm giải thuật tiến hóa, được truyền cảm ứng từ tiến hóa sinh học. Giải thuật di truyền kết hợp với công nghệ máy tính đã tạo ra một thứ trí tuệ nhân tạo tuyệt vời có thể vận dụng trong kiến trúc, giúp nâng “đặc điểm tích nghi” của kiến trúc lên một tầm cao mới. Giải thuật di truyền là kỹ thuật phỏng theo quá trình thích nghi tiến hóa của các quần thể sinh học dựa trên học thuyết Darwin. Giải thuật di truyền là phương pháp tìm kiếm tối ưu ngẫu nhiên bằng cách mô phỏng theo sự tiến hóa của con người hay của sinh vật. Tư tưởng của thuật toán di truyền là mô phỏng các hiện tượng tự nhiên là kế thừa và đấu tranh sinh tồn.

Trong những năm 1960, các mô hình tối ưu hóa di truyền đã trở thành một phương pháp tối ưu hóa đã được thừa nhận rộng rãi sau này [24]. Các thuật toán di truyền trở nên đặc biệt phổ biến sau nghiên cứu của John Henry Holland vào năm 1975 [25]. Các thuật toán tiến hóa hiện được sử dụng để giải các bài toán đa chiều cũng như tối ưu hóa các hoạt động của hệ thống [26, 27] và chúng được chứng minh là hiệu quả hơn các thuật toán tối ưu hóa khác (xem ví dụ ở Hình 4).

Ngoài ra còn có một số kỹ thuật liên quan khác như: lập trình di truyền, lập trình tiến hóa, chiến lược tiến hóa, tiến hóa khác biệt, tiến hóa thần kinh, tiến hóa phân loại học. Thuật toán tìm kiếm bầy đàn được dựa trên ý tưởng hành vi kiếm mồi giao tiếp của các loài để hình thành con đường, định tuyến và lập trình. Ví dụ: thuật toán tối ưu hóa đàn kiến, thuật toán đàn ong nhân tạo, thuật toán đàn ong và thuật toán chim cúc cu, thuật toán tối ưu hóa bầy đàn, thuật toán săn mồi bầy đàn, thuật toán dò phương thích ứng, thuật toán đom đóm, thuật toán hài hòa… [28]. Dưới đây là các bước thiết lập chung để thực hiện quá trình tối ưu hóa dựa trên giải thuật di truyền đơn mục tiêu.

– Bước đầu: Tạo ra số lượng cá thể ban đầu của quần thể một cách ngẫu nhiên (còn được gọi là thế hệ đầu tiên).

– Bước hai: lặp lại bước nói trên cho đến khi đạt mức độ thích nghi mong muốn bằng cách:

1. Đánh giá “mức độ thích nghi” của mỗi cá thể trong quần thể (giới hạn thời gian, tư cách cá thể đủ đạt được, …)
2. Chọn lọc cá thể có “mức độ thích nghi” cao nhất dành cho việc nhân giống (cha mẹ)
3. Lai tạo cá thể mới qua lai chéo và thực hiện đột biến để tạo ra các cá thể mới (con)
4. Thay thế cá thể kém phù hợp nhất của quần thể bằng cá thể mới.

 

Hình 5, 6 cho thấy một ví dụ của chúng tôi, thể hiện quá trình thực hiện tìm kiếm giá trị tối ưu hay là cực trị tối thiểu cho “mức độ thích nghi” là mức phát thải carbon tương đương của công trình. Phương pháp tối ưu hóa sử dụng thuật toán di truyền đang được nghiên cứu và áp dụng vào thiết kế các công trình xanh hoặc công trình tiết kiệm năng lượng, giúp cải thiện đáng kể hiệu suất của chúng [30, 31, 32]. Các thuật toán di truyền có một số ưu điểm, bao gồm lập trình dễ dàng, khả năng tìm kiếm mạnh mẽ so với các thuật toán khác.

Khả năng tìm kiếm của các thuật toán di truyền có khả năng giải quyết các vấn đề với các hàm mục tiêu không liên tục và/hoặc các vấn đề với nhiều cực tiểu; do đó chúng được sử dụng phổ biến hơn các kỹ thuật tối ưu hóa khác [33]. Trở ngại duy nhất của việc sử dụng các thuật toán tiến hóa là tích hợp chúng vào các chương trình thiết kế hoặc phần mềm để sử dụng chuyên nghiệp và đơn giản hóa việc sử dụng chúng đến mức có thể chấp nhận được. Cho đến lúc đó, chúng tôi tin rằng thiết kế kiến ​​trúc dựa trên sự tối ưu hóa sẽ tạo ra một cuộc cách mạng lớn trong kiến ​​trúc.

Hình 4: Tối ưu hóa công trình bằng thuật toán di truyền và so sánh với sự tiến hóa của các loài [29]

Hình 5. Phần mềm Tối ưu hóa thực hiện Thuật toán di truyền với kích thước quần thể là 60, số thế hệ là 150, xác suất đột biến 2% và xác suất lai chéo là 20%	Hình 6. Quá trình thuật toán di truyền tìm kiếm giá trị tối ưu sau 9000 lần mô phỏng

4. Sử dụng trí tuệ nhân tạo vào thực tiễn thiết kế

AI đã hiện diện và được sử dụng rất thường xuyên bởi các KTS cho các dự án của họ, có thể là một cái gì đó quá quen như một PC hay thú vị hơn như phần mềm BIM. Một ví dụ hoàn hảo của việc sử dụng AI để giải quyết các vấn đề sẽ mất nhiều ngày cho một KTS, là phần mềm cú pháp không gian “DepthmapX” của trường Kiến trúc Bartlett Luân Đôn. Nó sử dụng AI để phân tích mạng không gian ở nhiều cấp độ mà không cần phải thực hiện trên hiện trường, giúp đỡ các KTS có thể phân tích trực quan, tối ưu hóa yêu cầu quy hoạch không gian (xem Hình 7) [4].

Nhà thiết kế Stanislas Chaillou và đồng nghiệp đã tạo ra một dự án tại đại học Harvard bằng cách sử dụng học máy (machine learning) để khám phá tương lai của thiết kế tạo lặp, thiên hướng và phong cách thiết kế. Thông qua việc sử dụng học tập sâu và cụ thể hơn, GAN (Mạng lưới thần kinh đối đầu), Chaillou đã phát triển một hệ thống tạo và cung cấp sơ đồ tầng, tính đến chức năng và kiểu dáng. Nghiên cứu của anh ấy là một ví dụ về công cụ khả thi mà các KTS có thể sớm được hưởng lợi, vì nó sẽ cho phép nhiều lần lặp lại các dự án và tạo ra các mặt bằng công năng hợp lý, do đó, sẽ làm cơ sở để nhà thiết kế phân tích và lên ý tưởng thêm. Việc tăng cường như vậy sẽ cho phép đưa ra các quyết định sáng suốt hơn trong một khung thời gian giảm đáng kể (xem Hình 8).

Hình 7. Phân tích địa điểm bằng phần mềm “DepthmapX” sử dụng công nghệ AI (nguồn: [4])

Hình 8. Quá trình tối ưu hóa mặt bằng cho tòa nhà của Chaillou (nguồn: [34])

Có thể nói rằng các thuật toán tối ưu cho phép các KTS tham chiếu các phương án gần như phù hợp nhất với điều kiện địa phương, vị trí, chiếu sáng mặt trời, gió, vật cản… từ đó mà đưa ra phương án thiết kế của mình.

5. Nhận định chung

Kiến trúc cũng trải qua quá trình tiến hóa và chọn lọc giống như quá trình tiến hoá tự nhiên theo lý thuyết tiến hóa của C. Darwin. Thuyết tiến hóa đã được chúng tôi vận dụng để giải thích sự hình thành và thoái trào của các phong trào kiến trúc. Các đặc tính thích ứng với khí hậu địa phương, truyền thống văn hóa tồn tại trong các kiến trúc mẫu mực được lựa chọn và tồn lại, sau đó được nhắc đi nhắc lại qua nhiều thế hệ cho đến ngày hôm nay. Nó có tác động to lớn đến đời sống tinh thần và nguồn cội của mỗi một dân tộc vì thế cần được quan tâm bảo tồn và phát huy.

Trong những năm gần đây biến đổi khí hậu trở thành động lực cho sự phát triển kiến trúc, nhằm để cho các công trình trong tương lai có thể chống chiu tốt hơn đối với biến đổi khí hậu, giảm thiểu các chi phí đầu tư, tận dụng thiết kế thụ động để đạt được môi trường bên trong tòa nhà tiện nghi nhất đối với người sử dụng, các thuật toán tối ưu (hay thuật toán tiến hóa thuộc trí tuệ nhân tạo) được sử dụng trong quá trình thiết kế. Các thuật toán tối ưu này là một công cụ hữu hiệu mà các KTS sẽ sử dụng và ứng dụng vào công trình trong tương lai.

Là KTS, chúng ta tin rằng kiến ​​trúc ảnh hưởng đến chất lượng cuộc sống trong cộng đồng thông qua chính sản phẩm của mình và qua sự tham gia phục vụ xã hội, những hoạt động vượt ra khỏi ranh giới của hành nghề. Trong thời đại công nghiệp 4.0, tôi cho rằng KTS có cơ hội mở rộng tầm ảnh hưởng và sức sáng tạo của mình thông qua sự phát triển vượt bậc của công nghệ. Mặc dù vậy phải cần chú trọng quan tâm đến mối quan hệ hữu cơ giữa mỗi công trình kiến trúc được thiết kế với bản sắc truyền thống văn hóa của khu vực đó để có thể có được một công trình đáp ứng được nhu cầu cao trong sử dụng hiệu quả năng lượng và vẫn đảm bảo sự ràng buộc không tách rời của nó đối với cộng đồng. Điều này sẽ giúp cho tòa nhà sống động hơn, hòa nhập hơn, cũng như được đón nhận và yêu thích.

PGS. TS. Nguyễn Anh Tuấn

Khoa Kiến trúc, Đại học Bách khoa – Đại học Đà Nẵng

ThS. Trần Anh Tuấn

Công ty TNHH Tư vấn Thiết kế và Xây dựng Harmony

(Bài đăng trong kỷ yếu Gặp gỡ mùa thu 2021)

Tài liệu tham khảo

[1] Darwin, C. The Origin of Species by Means of Natural Selection.
John Murray: London, 1859.

[2]   https://www.businessinsider.com/kamp-c-3d-printed-two-story-house-in-belgium-2020-8 [Truy cập ngày 15/11/2021]

[3] https://www.airport-technology.com/features/worlds-best-airports-according-to-travel-leisure/ [Truy cập ngày 15/11/2021]

[4]   Nguyễn Anh Tuấn, Trần Anh Tuấn. Cuộc cách mạng công nghiệp 4.0 – Động lực mới cho ngành Kiến trúc. Tạp chí Xây dựng. Số: 633, trang: 68-75, năm 2021.

[5] Graham, J., Newman, W. & Stacy, J., The geologic time spiral – A
path to the past (ver. 1.1). U.S. Geological Survey General Information
Product 58, poster, 1 sheet, 2008, http://pubs.usgs.gov/gip/2008/58/

[6] Nguyen, A. T., Tran, Q. B., Tran, D. Q., & Reiter, S. An investigation on
climate responsive design strategies of vernacular housing in Vietnam.
Building & Environment, 46, pp. 2088-2106, 2011.

[7] Jencks, C. Jencks’s theory of evolution -an overview of twentieth-century
architecture. The architecture review. Vol. July, pp. 76- 79, 2000.

[8] Reiter, S. & Marique, A.-F. Toward low energy cities: A case study of the
urban area of Liège. Journal of Industrial Ecology, 16(6), pp. 829-838, 2012.

[9] Nguyen, A. T. & Reiter, S. An investigation on thermal performance of a
low cost apartment in hot humid climate of Danang. Energy and Buildings,
47, pp. 237-246, 2012.

[10] Nguyen, A. T. & Reiter, S. Passive designs and strategies for low-cost
housing using simulation-based optimization and different thermal comfort
criteria. Journal of Building Performance Simulation. 7(1),
pp. 68-81, 2014.

[11] Nguyen, A. T., Singh, M. K. & Reiter, S. An adaptive thermal comfort
model for hot humid South-East Asia. Building & Environment, 56,
pp. 291-300, 2012.

[12] Nguyen, A. T. & Reiter, S. The effect of ceiling configurations on indoor air
motion and ventilation flow rates. Building & Environment, 46, pp. 1211-
1222, 2011.

[13] Barbason, M. & Reiter, S. Coupling building energy simulation and
computational fluid dynamics: Application to a two-storey house in a
temperate climate. Building & Environment, 75, pp. 30-39, 2014.

[14] Reiter, S. Assessing wind comfort in urban planning. Environment &
Planning B : Planning & Design, 37(5), pp. 857-873, 2010.

[15] Marique, A.-F. & Reiter, S. A Method to Evaluate the Energy Consumption
of Suburban Neighbourhoods. HVAC&R Research, 18(1-2), pp. 88-99,
2012.

[16] Marique, A.-F. & Reiter, S. A simplified framework to assess the feasibility
of zero-energy at the neighbourhood /community scale. Energy and
Buildings, 82, pp. 114-122, 2014.

[17] Sarah, E. Vernacular Architecture and the 21st Century. ArchDaily, 2011.
http://www.archdaily.com/?p=155224

[18] Olgyay, V. Design with climate – Sinh khí hậu approach to architectural
regionalism. Princeton University Press: New Jersey, 1963.

[19] Givoni, B. Man, climate and architecture. Elsevier: Oxford, 1969.

[20] Watson, D. & Labs, K. Climatic design: energy-efficient building
principles and practices. McGraw-Hill: London, 1983.

[21] Nguyen, A. T. & Reiter, S. A climate analysis tool for passive heating and
cooling strategies in hot humid climate based on Typical Meteorological
Year data sets. Energy & Buildings, 68 (Part C), pp.756-763, 2014.

[22] Nguyen, A. T. & Reiter, S., The efficiency of different simulation-based
design methods in improving building performance. In 5th International
Conference on Harmonisation between Architecture and nature. WIT Press:
Siena, 2014. pp. 139-149, 2014.

[23] Nguyen, A. T. & Reiter, S. A performance comparison of sensitivity
analysis methods for building energy models. Building Simulation: An
International Journal, 8(6), pp. 651-664, 2015.

[24] Fraser, A.S. Monte Carlo analyses of genetic models. Nature, 181
(4603), pp. 208-209, 1958.

[25] Holland, J. H. Adaptation in Natural and Artificial Systems. University of
Michigan Press: Michigan, 1975.

[26] Jamshidi, M. Tools for intelligent control: fuzzy controllers, neural
networks and genetic algorithms. Philosophical Transactions of the Royal
Society A, 361 (1809), pp. 1781–808, 2003.

 [27] Kim, J., Yi, Y. K. & Malkawi, A. M. Building form optimization in early
design stage to reduce adverse wind condition – using computational fluid
dynamics. Proceedings of Building Simulation 2011. IBPSA: Sydney, pp.
785-791, 2011.

[28] https://en.wikipedia.org/wiki/Evolutionary_algorithm [Truy cập ngày 15/11/2021]

[29] Dieterle, F. Integration of artificial neural networks, genetic algorithms and         chemometrics for the data analysis of sensors. PhD thesis, Universitât Tübingen, 2003.

[30] Wang, W., Zmeureanu, R. and Rivard, H. Applying multi-objective genetic
algorithms in green building design optimization. Building and
Environment, 40 (11), pp. 1512-1525, 2005.

[31] Wetter, M. and Wright, J. A. A comparison of deterministic and
probabilistic optimization algorithms for nonsmooth simulation-based
optimization. Building and Environment. 39, pp. 989 – 999, 2004.

[32] Magnier, L. and Haghighat, F. Multiobjective optimization of building
design using TRNSYS simulations, genetic algorithm, and Artificial Neural
Network. Building and Environment. 45 (3), pp. 739-746, 2010.

[33] Nguyen, A. T., Reiter, S. and Rigo, P. A review on simulation-based
optimization methods applied to building performance analysis. Applied
Energy, 113, pp.1043-1058, 2014.

[34] https://www.archdaily.com/918471/ai-creates-generative-floor-plans-and-styles-with-machine-learning-at-harvard [Truy cập ngày 22/11/2021].