Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu
Trong lĩnh vực xây dựng dân dụng và công nghiệp, phương pháp thi công lắp ghép các cấu kiện bê tông cốt thép (BTCT) đúc sẵn đóng vai trò chủ đạo đối với các công trình nhà xưởng khẩu độ lớn. Việc cơ giới hóa công tác nâng chuyển và lắp đặt giúp rút ngắn thời gian thi công, kiểm soát chất lượng cấu kiện tại nhà máy và giảm thiểu chi phí giàn giáo tại hiện trường. Đồ án "Kỹ thuật thi công 2: Thi công lắp ghép nhà công nghiệp" giải quyết bài toán thiết kế biện pháp kỹ thuật và tổ chức thi công cho một công trình công nghiệp quy mô lớn.
Mục tiêu cốt lõi của đồ án là xác lập giải pháp công nghệ và phương án sử dụng máy trục hợp lý để lắp dựng toàn bộ hệ thống kết cấu chịu lực của công trình, bảo đảm an toàn kỹ thuật và hiệu quả sử dụng thiết bị. Các nhiệm vụ nghiên cứu cụ thể bao gồm:
- Phân tích đặc điểm kiến trúc, kết cấu và lập bảng thống kê khối lượng cấu kiện lắp ghép.
- Tính toán, thiết kế và lựa chọn hệ thống thiết bị treo buộc chuyên dụng cho từng loại cấu kiện.
- Xác định các thông số cẩu lắp yêu cầu ($H_{\text{yc}}, L_{\text{yc}}, R_{\text{yc}}, Q_{\text{yc}}$) và lựa chọn chủng loại cần trục tự hành phù hợp.
- Lập biện pháp kỹ thuật thi công chi tiết, vạch sơ đồ di chuyển của cần trục và mặt bằng tập kết cấu kiện.
- Đề xuất quy trình bảo đảm an toàn lao động trên cao và lập tiến độ sử dụng ca máy.
Đối tượng nghiên cứu là quy trình công nghệ lắp ghép nhà công nghiệp một tầng 3 nhịp gồm 2 nhịp biên $L_1 = 18\text{ m}$ và 1 nhịp giữa $L_2 = 24\text{ m}$, chiều dài 20 bước cột ($20 \times 6\text{ m} = 120\text{ m}$). Phạm vi không gian được xác định trên khu đất xây dựng bằng phẳng, không bị giới hạn mặt bằng thi công, có điều kiện cung ứng vật tư, thiết bị cơ giới và nhân lực đầy đủ.
Cơ sở lý thuyết và phương pháp
Đồ án vận dụng hệ thống lý thuyết về tính toán cơ học thiết bị nâng, phương pháp giải tích hình học trong không gian thi công lắp ghép và các tiêu chuẩn định mức kỹ thuật xây dựng công nghiệp.
Về mặt tính toán thiết bị treo buộc, đồ án áp dụng công thức xác định lực căng cáp tính toán:
$$S = \frac{k \cdot P_{\text{tt}}}{m \cdot n \cdot \cos\alpha}$$
Trong đó:
- $k$: Hệ số an toàn ($k = 6$).
- $P_{\text{tt}}$: Tải trọng tính toán của vật cẩu ($P_{\text{tt}} = 1,1 \times p_k$).
- $m$: Hệ số phân bố không đều lực căng ($m = 1$).
- $n$: Số nhánh dây cáp chịu lực.
- $\alpha$: Góc nghiêng của nhánh cáp so với phương thẳng đứng (hoặc phương ngang $\beta$).
Về mặt tính toán thông số máy trục, đồ án xác định 4 thông số kỹ thuật tối thiểu đối với từng vị trí lắp đặt:
- Chiều cao nâng móc cẩu yêu cầu: $H_{\text{yc}} = H_L + a + h_{\text{ck}} + h_{\text{tb}} + h_{\text{cáp}}$.
- Chiều dài tay cần yêu cầu: $L_{\text{yc}} = \frac{H_{\text{yc}} - h_c}{\sin\alpha_{\text{max}}}$ (đối với trường hợp không có vật cản) hoặc áp dụng phương pháp giải tích hình học khi có vật cản và sử dụng cần cẩu gắn mỏ phụ ($l$).
- Bán kính cẩu lắp yêu cầu: $R_{\text{yc}} = S + r$.
- Sức nâng yêu cầu: $Q_{\text{yc}} = P_{\text{ck}} + q_{\text{tb}}$.
Phương pháp nghiên cứu chủ đạo là phương pháp tính toán giải tích kỹ thuật kết hợp tra cứu bảng tính năng cơ lý của cáp thép tiêu chuẩn ($6\times19\times1$) và biểu đồ tính năng làm việc của các dòng cần trục tự hành bánh xích/bánh lốp chuyên dụng (MKG-10, MKG-25BR, XKG-50). Nguồn dữ liệu đầu vào được trích xuất trực tiếp từ các thông số hình học, cao độ lắp đặt và tải trọng của cấu kiện đúc sẵn trong đề tài.
Nội dung chính theo từng chương
Phần I: Phân tích đặc điểm công trình và thống kê khối lượng
Công trình có kết cấu khung bê tông cốt thép lắp ghép toàn khối hóa, chiều sâu cột chôn ngàm vào móng là $c = 0,9\text{ m}$ tính từ cốt $\pm 0.00$. Toàn bộ hệ thống kết cấu được đúc sẵn từ nhà máy và vận chuyển tới công trường bằng phương tiện chuyên dụng.
| STT |
Tên cấu kiện |
Kích thước / Tiết diện |
Khối lượng 1 CK ($p$) |
Số lượng (Cái) |
Tổng khối lượng ($\sum Q$) |
| 1 |
Cột biên C1 |
$H = 10,9\text{ m}$; $h = 8,1\text{ m}$ |
3,6 tấn |
44 |
158,4 tấn |
| 2 |
Cột giữa C2 |
$H = 12,7\text{ m}$; $h = 9,5\text{ m}$ |
5,7 tấn |
44 |
250,8 tấn |
| 3 |
Dầm cầu chạy (DCC) |
$B = 6\text{ m}$; $h = 0,8\text{ m}$ |
3,0 tấn |
120 |
360,0 tấn |
| 4 |
Vì kèo biên |
$L_1 = 18\text{ m}$; $a = 2,75\text{ m}$ |
6,8 tấn |
44 |
299,2 tấn |
| 5 |
Vì kèo giữa |
$L_2 = 24\text{ m}$; $d = 3,3\text{ m}$ |
12,2 tấn |
22 |
268,4 tấn |
| 6 |
Cửa trời |
$l = 6\text{ m}$; $h = 2,2\text{ m}$ |
1,2 tấn |
66 |
79,2 tấn |
| 7 |
Panel mái |
$1,5\text{ m} \times 6\text{ m}$; độ dốc $i = 4%$ |
1,4 tấn |
800 |
1120,0 tấn |
| 8 |
Panel tường |
$0,6\text{ m} \times 6\text{ m}$ |
0,7 tấn |
867 |
606,9 tấn |
Phần II: Tính toán thiết bị treo buộc và lựa chọn máy trục
Tác giả đã tính toán hệ số an toàn và chọn quy cách cáp treo buộc mềm cấu trúc $6\times19\times1$ cho từng nhóm cấu kiện:
- Cột C1 và C2: Sử dụng đai ma sát. Cột C1 dùng cáp $D = 17\text{ mm}$ (lực đứt $14,7\text{ T}$, $q_{\text{tb}} = 0,0373\text{ T}$); Cột C2 dùng cáp $D = 25\text{ mm}$ (lực đứt $29,15\text{ T}$, $q_{\text{tb}} = 0,05\text{ T}$).
- Dầm cầu chạy: Treo bằng 2 dây cẩu kép kết hợp khóa bán tự động và đòn treo, cáp $D = 17\text{ mm}$ ($q_{\text{tb}} = 0,0782\text{ T}$).
- Vì kèo và cửa trời: Thực hiện tổ hợp trước vì kèo và cửa trời dưới mặt đất, sử dụng đòn treo tự cân bằng 4 điểm mắt dàn cánh thượng. Nhịp biên dùng cáp $D = 20\text{ mm}$ ($q_{\text{tb}} = 0,8\text{ T}$); Nhịp giữa dùng cáp $D = 25\text{ mm}$ ($q_{\text{tb}} = 1,09\text{ T}$).
- Panel mái và Panel tường: Sử dụng chùm dây móc cẩu có vòng treo tự cân bằng, cáp $D = 11\text{ mm}$ ($q_{\text{tb}} = 0,01\text{ T}$).
Dựa trên kết quả tính toán thông số cẩu lắp yêu cầu ($H_{\text{yc}}, L_{\text{yc}}, R_{\text{yc}}, Q_{\text{yc}}$), tác giả lựa chọn 3 loại cần trục đáp ứng đầy đủ tính năng kỹ thuật:
| Cấu kiện lắp ghép |
$Q_{\text{yc}}$ (Tấn) |
$R_{\text{yc}}$ (m) |
$H_{\text{yc}}$ (m) |
$L_{\text{yc}}$ (m) |
Loại cần trục được chọn |
Thông số cần trục ($Q_{\text{ct}} - R_{\text{max}} - H_{\text{ct}} - L_{\text{ct}}$) |
| Cột biên C1 |
4,00 |
4,65 |
14,00 |
12,94 |
MKG 25BR |
$7\text{ T} - 9\text{ m} - 21\text{ m} - 23,5\text{ m}$ |
| Cột giữa C2 |
6,32 |
5,33 |
15,80 |
14,80 |
MKG 25BR |
$7\text{ T} - 9\text{ m} - 21\text{ m} - 23,5\text{ m}$ |
| DCC nhịp biên |
3,38 |
4,42 |
12,40 |
11,28 |
MKG 10 |
$4\text{ T} - 6\text{ m} - 18\text{ m} - 18,0\text{ m}$ |
| DCC nhịp giữa |
3,38 |
4,80 |
13,80 |
12,73 |
MKG 10 |
$4\text{ T} - 6\text{ m} - 18\text{ m} - 18,0\text{ m}$ |
| Dàn + Cửa trời biên |
9,60 |
6,50 |
20,15 |
19,31 |
XKG 50 |
$16\text{ T} - 13\text{ m} - 27\text{ m} - 30,0\text{ m}$ |
| Dàn + Cửa trời giữa |
15,83 |
7,20 |
22,70 |
21,95 |
XKG 50 |
$16\text{ T} - 13\text{ m} - 27\text{ m} - 30,0\text{ m}$ |
| Panel mái biên |
1,55 |
9,60 |
18,55 |
16,84 |
XKG 50 (mỏ phụ) |
$4\text{ T} - 29\text{ m} - 28,3\text{ m} - 30\text{ m} (l=10\text{ m})$ |
| Panel mái giữa |
1,55 |
10,10 |
21,30 |
17,66 |
XKG 50 (mỏ phụ) |
$4\text{ T} - 29\text{ m} - 28,3\text{ m} - 30\text{ m} (l=10\text{ m})$ |
| Panel tường |
0,78 |
5,60 |
16,80 |
15,84 |
MKG 10 |
$3\text{ T} - 6,5\text{ m} - 17,5\text{ m} - 18,0\text{ m}$ |
Phần III: Biện pháp kỹ thuật thi công lắp ghép
- Lắp ghép cột: Sử dụng phương pháp kéo lê. Cần trục MKG 25BR chạy dọc theo trục biên và trục giữa. Tại mỗi vị trí dừng, cần trục lắp đặt được 3 cột. Tổng số vị trí đứng là $16 \times 2 = 32$ vị trí. Cột được căn chỉnh tim cốt bằng máy kinh vĩ và máy ni vô, cố định tạm bằng nêm gỗ và dây tăng đơ. Quá trình chèn bê tông chân cột chia làm 2 giai đoạn (giai đoạn 1 đổ tới đáy nêm; đạt 50% cường độ tiến hành rút nêm và đổ hoàn thiện lên miệng móng bằng bê tông có mác cao hơn 20% mác cột).
- Lắp ghép dầm cầu chạy: Thi công bằng cần trục MKG-10 sau khi bê tông chân cột đạt yêu cầu. Cần trục chạy biên lắp 2 dầm/vị trí; chạy giữa nhịp BC lắp 4 dầm/vị trí. Độ sai lệch tim cốt cho phép không vượt quá $5\text{ mm}$. Cố định tạm bằng bu lông hoặc hàn đính, sau đó hàn bản mã và chèn vữa không co ngót.
- Lắp ghép dàn mái và cửa trời: Tiến hành khi bê tông mối nối dầm cầu chạy đạt tối thiểu 70% cường độ thiết kế. Cần trục XKG 50 ($L = 30\text{ m}$) di chuyển giữa nhịp. Dàn được treo buộc tại 4 điểm cánh thượng gia cố chống cắt vỡ cục bộ. Hai dàn đầu tiên được giằng neo 3 điểm bằng cáp tăng đơ; các dàn tiếp theo giằng cố định tạm vào dàn trước bằng thanh giằng cánh thượng. Cố định vĩnh viễn bằng hệ giằng thép không gian.
- Lắp ghép panel mái: Sử dụng cần trục XKG 50 gắn mỏ phụ dài $l = 10\text{ m}$ để vượt qua chướng ngại vật dàn mái. Hướng lắp từ mép biên tiến dần về phía cửa trời nhằm tránh hiện tượng dồn kích thước tại tấm cuối cùng. Panel được hàn đính 3 điểm trước khi hàn hoàn thiện.
- Lắp ghép panel tường: Cần trục MKG-10 di chuyển phía ngoài công trình, lắp đặt từ dưới lên trên. Tại mỗi vị trí đứng cẩu lắp được 2 bước cột.
Phần IV: An toàn lao động trong thi công lắp ghép
Đồ án quy định các chỉ dẫn an toàn nghiêm ngặt:
- Đình chỉ thi công trên cao khi gặp gió từ cấp 6 trở lên, mưa rét buốt hoặc sương mù dày đặc.
- Trang bị bắt buộc dây đai an toàn có khả năng chịu lực tĩnh tối thiểu $300\text{ kG}$.
- Cấm công nhân di chuyển trên thanh cánh thượng của vì kèo; chỉ cho phép đi lại trên thanh cánh hạ khi đã lắp đặt dây vịn an toàn cao $1\text{ m}$ làm lan can bảo hộ.
- Cấm đứng trên cấu kiện đang nâng hoặc đứng dưới vùng bán kính quay của cần trục; móc cẩu bắt buộc phải có lẫy an toàn chống trượt cáp.
- Thiết lập hệ thống chống sét cho cần trục có chiều cao lớn và rào chắn an toàn quanh các lỗ hổng kỹ thuật trên sàn.
Phần V: Lập tiến độ thi công và sử dụng máy trục
Tiến độ được tổ chức làm việc theo chế độ 2 ca/ngày với cơ cấu sử dụng thiết bị cơ giới độc lập:
- Cần trục MKG 25BR ($L = 23,5\text{ m}$): 1 chiếc, thi công trong 10 ca, huy động và giải tỏa 2 ca, không có thời gian chờ.
- Cần trục XKG 50 ($L = 30\text{ m}$; $l = 10\text{ m}$): 1 chiếc, thi công trong 38 ca, huy động và giải tỏa 2 ca, có thời gian chờ công nghệ.
- Cần trục MKG 10 ($L = 18\text{ m}$): 1 chiếc, thi công trong 48 ca, huy động và giải tỏa 2 ca, không có thời gian chờ.
Kết quả và đóng góp
Đồ án đã thiết lập một hệ thống giải pháp kỹ thuật thi công lắp ghép đồng bộ với các kết quả cụ thể:
- Xác định chính xác thông số tải trọng và hình học cho 8 nhóm cấu kiện với tổng khối lượng lắp ghép lớn (360 tấn dầm cầu chạy, 1120 tấn panel mái, 606,9 tấn panel tường, 567,6 tấn vì kèo).
- Tối ưu hóa sơ đồ cẩu lắp thông qua giải pháp tổ hợp trước vì kèo và cửa trời dưới mặt đất, giúp giảm 50% số lượt nâng cẩu trên cao đối với hệ kết cấu mái.
- Ứng dụng thành công giải pháp cần trục có mỏ phụ $l = 10\text{ m}$ (XKG 50), giải quyết triệt để xung đột không gian giữa tay cần cần trục và hệ dàn vì kèo khẩu độ $24\text{ m}$ khi cẩu lắp panel mái.
- Phân bổ hợp lý sơ đồ di chuyển của thiết bị (mỗi vị trí lắp 3 cột hoặc 4 dầm cầu chạy), qua đó tối đa hóa hệ số sử dụng sức trục ($K_{\text{sd}}$) và giảm thời gian chết của cần trục.
Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp
- Hạn chế: Đồ án giả định mặt bằng thi công hoàn toàn bằng phẳng, khả năng cung ứng vật tư và máy trục không bị gián đoạn; chưa tính toán chi tiết tác động của tải trọng động lực học do gió tác động lên cấu kiện dàn mái khẩu độ lớn ($24\text{ m}$) trong quá trình nâng bổng.
- Hướng nghiên cứu tiếp: Bổ sung phân tích hiệu quả kinh tế ca máy chi tiết giữa phương án thuê trọn gói và phương án luân chuyển nhiều loại cẩu; ứng dụng mô hình thông tin công trình (BIM 4D) để mô phỏng không gian chuyển động và cảnh báo va chạm giữa các cần trục trên mặt bằng thi công thực tế.
Giá trị tham khảo
Đồ án là tài liệu tham khảo thiết thực cho sinh viên các ngành Kỹ thuật Xây dựng Dân dụng và Công nghiệp, Kỹ thuật Công trình Xây dựng và Quản lý Xây dựng khi thực hiện đồ án môn học Kỹ thuật thi công 2 hoặc đồ án tốt nghiệp chuyên ngành tổ chức thi công. Phần tính toán giải tích mỏ phụ cần cẩu khi lắp panel mái và quy trình tổ hợp kết cấu dàn vì kèo dưới mặt bằng là những nội dung có giá trị ứng dụng trực tiếp cho kỹ sư thi công tại hiện trường.
Câu hỏi thường gặp
1. Vì sao dầm vì kèo và cửa trời được tổ hợp trước dưới mặt đất trước khi cẩu lắp?
Dàn vì kèo và cửa trời là các cấu kiện siêu trường, cồng kềnh. Việc tổ hợp sẵn trên mặt đất giúp nâng cao độ chính xác khi liên kết mắt dàn, rút ngắn thời gian làm việc nguy hiểm của thợ trên cao và cho phép cẩu lắp đồng thời một lần bằng đòn treo 4 điểm tự cân bằng.
2. Điều kiện kỹ thuật bắt buộc trước khi tiến hành lắp ghép dàn mái là gì?
Toàn bộ hệ thống dầm cầu chạy phải được lắp dựng hoàn chỉnh và lớp bê tông/vữa chèn tại các mối nối liên kết của dầm cầu chạy và cột phải đạt tối thiểu 70% cường độ thiết kế mới được phép cẩu lắp dàn mái.
3. Tại sao cần trục XKG 50 phải lắp thêm mỏ phụ $l = 10\text{ m}$ khi thi công panel mái?
Khi lắp panel mái vào giữa nhịp, tay cần cẩu chính rất dễ va chạm vào hệ dàn vì kèo đã dựng sẵn phía dưới. Việc gắn thêm mỏ phụ $l = 10\text{ m}$ giúp mở rộng tầm với ($R_{\text{max}} = 29\text{ m}$), tăng chiều cao nâng và đưa móc cẩu vượt qua chướng ngại vật kết cấu mái một cách an toàn.
4. Quy trình chèn bê tông chân cột trong cốc móng được tiến hành như thế nào?
Công tác chèn bê tông chia làm 2 giai đoạn: Đợt 1 đổ bê tông mác cao hơn 20% mác cột tới vị trí chấm đầu dưới nêm gỗ. Khi bê tông đạt 50% cường độ thiết kế, tiến hành rút nêm gỗ và tiếp tục đổ đợt 2 chèn kín lên tới miệng móng rồi bảo dưỡng.
5. Trong điều kiện thời tiết nào công tác lắp ghép trên cao phải đình chỉ tuyệt đối?
Theo quy định an toàn lao động trong đồ án, mọi công tác lắp ghép trên cao phải lập tức đình chỉ khi xuất hiện gió từ cấp 6 trở lên, hoặc khi thời tiết rét buốt, mưa lớn và sương mù dày đặc gây hạn chế tầm nhìn.
Kết luận
Đồ án Kỹ thuật thi công 2 của tác giả Đoàn Minh Tiến (Trường Đại học Xây dựng Hà Nội) đã giải quyết trọn vẹn và chi tiết bài toán thiết kế biện pháp thi công lắp ghép nhà công nghiệp 3 nhịp khẩu độ $18\text{ m} - 24\text{ m}$. Các phương án lựa chọn thiết bị treo buộc, tính toán cần trục chuyên dụng (MKG 25BR, MKG 10, XKG 50) và sơ đồ di chuyển máy được xây dựng logic, khoa học và bám sát thực tiễn công nghệ xây lắp hiện hành. Đây là tài liệu mẫu mực về phương pháp luận và kỹ thuật tính toán phục vụ học tập, nghiên cứu và ứng dụng thi công kết cấu bê tông đúc sẵn.
