Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Đồ án tốt nghiệp thực hiện thiết kế công trình "Chung cư Bcons Miền Đông" trong bối cảnh quá trình đô thị hóa và hội nhập kinh tế tại Thành phố Hồ Chí Minh cùng các khu vực phụ cận phát triển nhanh chóng. Sự gia tăng mật độ dân cư và lao động nhập cư dẫn đến nhu cầu lớn về nhà ở kết hợp các tiện ích dịch vụ, thương mại và văn phòng. Dự án do Công ty Cổ phần Đầu tư Xây dựng Bcons làm chủ đầu tư, tiếp nối chuỗi dự án nhà ở cao tầng của đơn vị này.

Địa điểm xây dựng công trình đặt tại đường Tân Tập, phường Đông Hòa, thành phố Dĩ An, tỉnh Bình Dương. Khu vực có địa hình bằng phẳng, khí hậu nhiệt đới gió mùa mang hai mùa mưa nắng rõ rệt, tốc độ gió trung bình 0,7 m/s và độ ẩm không khí dao động 80–90%.

Công trình thuộc loại công trình dân dụng cấp I, có chiều cao tổng thể 76,7 m (chiều cao đến mái là 74,75 m), tổng diện tích sàn xây dựng lớn hơn 30.000 m². Quy mô bao gồm 01 tầng hầm, 20 tầng nổi, 01 tầng tum và 01 tầng kỹ thuật mái. Tầng hầm cao 3,3 m bố trí bãi đỗ xe và gian kỹ thuật; tầng 1 cao 4,0 m dành cho sảnh đón, lễ tân và trung tâm thương mại; các tầng 3 đến 20 cao 3,5 m bố trí căn hộ ở; tầng tum và tầng kỹ thuật cao 3,4 m.

Căn cứ theo nhiệm vụ đồ án tốt nghiệp được giao, nội dung nghiên cứu và thiết kế bao gồm:

  1. Nhiệm vụ kiến trúc: Tìm hiểu tổng quan kiến trúc công trình và thể hiện hệ thống 08 bản vẽ kiến trúc.
  2. Nhiệm vụ kết cấu:
    • Mô hình hóa, phân tích nội lực và tính toán cốt thép cầu thang bộ điển hình;
    • Mô hình hóa, phân tích nội lực và thiết kế sàn tầng điển hình;
    • Kiểm tra các chỉ tiêu ổn định tổng thể của kết cấu công trình;
    • Mô hình hóa không gian, phân tích nội lực và thiết kế hệ khung chịu lực gồm dầm, vách đơn và vách lõi thang máy;
    • Mô hình hóa, phân tích và thiết kế móng cọc khoan nhồi.
  3. Sản phẩm hoàn thiện: 01 tập thuyết minh tính toán và 20 bản vẽ kỹ thuật khổ A1 (08 bản vẽ kiến trúc, 12 bản vẽ kết cấu).

Cơ sở lý thuyết và phương pháp

Nghiên cứu áp dụng các quy chuẩn, tiêu chuẩn thiết kế xây dựng hiện hành của Việt Nam:

  • TCVN 2737:2023: Tải trọng và tác động – Tiêu chuẩn thiết kế.
  • TCXD 229:1999: Chỉ dẫn tính toán thành phần động của tải trọng gió.
  • TCVN 9386:2012: Thiết kế công trình chịu tải trọng động đất.
  • TCVN 5574:2018: Thiết kế kết cấu bê tông và bê tông cốt thép toàn khối.
  • TCVN 9362:2012: Tiêu chuẩn thiết kế nền nhà và công trình.
  • TCVN 10304:2014: Móng cọc – Tiêu chuẩn thiết kế.
  • TCVN 198:1997: Nhà cao tầng – Thiết kế kết cấu bê tông cốt thép toàn khối.
  • QCXDVN 02-2009/BXD và QCVN 06-2010/BXD: Số liệu điều kiện tự nhiên và an toàn cháy cho nhà và công trình.

Phương pháp thiết kế dựa trên nguyên lý tính toán theo hai nhóm trạng thái giới hạn (TTGH): TTGH I (đảm bảo độ bền, khả năng chịu lực, ổn định hình học) và TTGH II (đảm bảo điều kiện làm việc bình thường về độ võng và bề rộng khe nứt). Các giả thiết tính toán chính bao gồm: xem sàn là tấm cứng tuyệt đối trong mặt phẳng nằm ngang; liên kết giữa dầm sàn vào cột và vách là liên kết ngàm cùng cao độ; các cột, vách và lõi được ngàm chặt tại mặt trên đài móng; tải trọng ngang được quy đổi về lực tập trung tại các vị trí tâm cứng hoặc tâm khối lượng của từng tầng.

Hệ thống phần mềm ứng dụng:

  • CSI ETABS (phiên bản 18.1): Xây dựng mô hình không gian 3D, phân tích dao động riêng, xác định lực cắt đáy và trích xuất nội lực các cấu kiện khung, vách, sàn.
  • Autodesk AutoCAD 2024 và Autodesk Revit 2024: Triển khai các bản vẽ kiến trúc và bản vẽ chi tiết kết cấu.
  • Microsoft Office 2019: Lập bảng tính toán kỹ thuật và trình bày thuyết minh.

Vật liệu sử dụng trong đồ án được quy định cụ thể:

Cấu kiện Cấp độ bền bê tông Nhóm cốt thép Chiều dày lớp bảo vệ (mm)
Sàn, cầu thang B30 CB300-V 20
Dầm khung B30 CB400-V 25
Vách đơn, vách lõi thang B30 CB400-V 30
Cọc khoan nhồi, đài móng B30 CB400-V 50
Bê tông lót móng B15 - 35 (tiếp xúc đất)

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1: Tổng quan kiến trúc

Chương này mô tả đặc điểm địa lý, khí hậu tự nhiên tại thành phố Dĩ An, tỉnh Bình Dương và công năng chi tiết của công trình 20 tầng nổi, 01 tầng hầm. Giải pháp giao thông đứng gồm 03 thang máy và 02 buồng thang bộ thoát hiểm; giao thông ngang sử dụng hệ hành lang thông gió tự nhiên với chiều cao thông thủy lớn hơn hoặc bằng 2 m.

Các giải pháp kỹ thuật công trình (MEP) được trình bày tổng quát: hệ thống cấp điện đi ngầm trong tường, sàn và luồn ống gen kỹ thuật; hệ thống cấp nước phân phối từ bể ngầm bơm lên bể nước mái; hệ thống thoát nước mưa và nước thải sinh hoạt tách riêng (nước thải qua bể tự hoại); hệ thống phòng cháy chữa cháy bố trí họng cứu hỏa tại nút giao thông hành lang, kèm 04 bình chữa cháy CO2 MFZ4 (4 kg) chia đều 2 hộp mỗi tầng; hệ thống chống sét và kho tập kết rác thải tầng hầm.

Chương 2: Cơ sở thiết kế công trình

Tác giả thiết lập các tiêu chuẩn xây dựng, giả thiết tính toán, quy định về khoảng cách thông thủy và lớp bê tông bảo vệ cốt thép theo TCVN 5574:2018. Chương này phân tích lựa chọn phương án kết cấu:

Hạng mục Phương án so sánh Phương án lựa chọn Lý do lựa chọn
Chịu tải trọng đứng Sàn rỗng và Sàn dầm Sàn dầm Thi công phổ biến, thuận lợi, khả năng chịu lực cao
Chịu tải trọng ngang Khung và Vách - Lõi Vách - Lõi Khả năng chịu lực ngang và chống xoắn cao cho nhà 20 tầng
Kết cấu phần ngầm Cọc ép và Cọc khoan nhồi Cọc khoan nhồi Chịu tải trọng lớn, cắm sâu vào địa tầng tốt, giảm rung chấn

Kích thước sơ bộ cấu kiện được chọn: dầm chính 300x800 mm, dầm phụ 300x450 mm; sàn tầng điển hình dày 150 mm (ô sàn lớn nhất kích thước 7,6x5,6 m), sàn hầm dày 300 mm; vách và lõi thang chọn chiều dày 400 mm nhằm thỏa mãn điều kiện $h_v \ge 150\text{ mm}$, $h_v \ge H_{\text{tầng}}/20$ và tổng diện tích tiết diện vách lõi đạt tối thiểu 1,5% diện tích sàn theo TCVN 198:1997.

Chương 3: Tải trọng và tổ hợp tải trọng

Chương 3 xác định các loại tải trọng tác dụng:

  • Tĩnh tải: Khối lượng bản thân kết cấu bê tông cốt thép ($\gamma = 25\text{ kN/m}^3$, hệ số tin cậy $n = 1,1$); các lớp hoàn thiện sàn (vữa trát, gạch lát, lớp chống thấm với $n = 1,2 - 1,3$); tĩnh tải tường xây gạch không nung loại dày 100 mm và 200 mm quy đổi thành tải phân bố đều trên dầm và sàn.
  • Hoạt tải: Tra theo TCVN 2737:2023 (phòng ngủ $1,5\text{ kN/m}^2$; phòng khách, bếp $1,5 - 2,0\text{ kN/m}^2$; hành lang, ban công $2,0 - 5,0\text{ kN/m}^2$; phòng kỹ thuật, gara xe $5,0\text{ kN/m}^2$).
  • Tải trọng gió: Công trình cao 74,75 m ($> 40\text{ m}$) nên tính cả thành phần tĩnh và động. Vùng áp lực gió I-A ($W_0 = 55\text{ daN/m}^2$), địa hình A ($z_g = 274,32\text{ m}$, $z_{\min} = 4,57\text{ m}$, $\alpha = 9,5$). Thành phần tĩnh gán vào tâm hình học sàn; thành phần động tính thông qua hệ số hiệu ứng giật $G_f$ (với tần số dao động riêng cơ bản thứ nhất $n_{1-x} = 0,596\text{ Hz}$) và gán vào tâm khối lượng.
  • Tải trọng động đất: Tính theo TCVN 9386:2012 với nền đất loại C, hệ số nguồn khối lượng $\text{Mass source} = 1,0\text{TT} + \Psi_{2,i}\text{HT}$, xét đầy đủ các mode dao động có khối lượng hữu hiệu tham gia đạt trên 90%.
  • Thiết lập các tổ hợp tải trọng cơ bản (ULS) và tổ hợp đặc biệt (động đất) theo chỉ dẫn của TCVN 2737:2023 và TCVN 9386:2012.

Chương 4: Thiết kế cầu thang

Tác giả thiết kế buồng thang bộ điển hình dạng hai vế chịu lực tựa lên dầm chiếu nghỉ và dầm chiếu tới. Tiến hành phân tích tải trọng thường xuyên và tạm thời tác dụng lên bản nghiêng và bản chiếu nghỉ, xác định sơ đồ tính bản dầm một phương. Kết quả nội lực mômen uốn cực đại $M_{\max}$ và lực cắt $Q_{\max}$ làm cơ sở tính toán diện tích cốt thép dọc CB300-V, kiểm tra khả năng chịu cắt của tiết diện bê tông và độ võng bản thang.

Chương 5: Kiểm tra ổn định tổng thể công trình

Nội dung chương kiểm tra 4 chỉ tiêu an toàn tổng thể của mô hình khung không gian ETABS:

  1. Chuyển vị đỉnh công trình: Kiểm tra giá trị chuyển vị ngang lớn nhất tại đỉnh theo phương X và Y dưới tải trọng gió và động đất, đảm bảo nhỏ hơn giới hạn cho phép $[f] = H/500$.
  2. Gia tốc đỉnh: Đánh giá gia tốc cực đại tại tầng đỉnh nhằm bảo đảm tiện nghi sử dụng cho người trong công trình cao tầng.
  3. Chuyển vị lệch tầng (story drift): Đánh giá độ dạt tương đối giữa các tầng kế cận dưới tác dụng của gió và động đất theo TCVN 9386:2012.
  4. Hiệu ứng bậc hai (P-Delta): Xác định hệ số độ nhạy độ lệch tầng $\theta$ theo phương X và phương Y để đánh giá mức độ ảnh hưởng của hiệu ứng P-Delta do tải trọng động đất gây ra.

Chương 6: Thiết kế sàn tầng điển hình

Tác giả sử dụng mô hình 3D trong ETABS, khai báo các dải thiết kế (design strips) theo hai phương X và Y để phân tích mômen uốn sàn tầng điển hình:

  • Trạng thái giới hạn I: Tính toán diện tích cốt thép CB300-V tại các vị trí nhịp và gối tựa tương ứng với tổ hợp nội lực nguy hiểm ULS1; kiểm tra khả năng chịu cắt cục bộ của bản sàn tại ô sàn có nhịp lớn (ô sàn S9).
  • Trạng thái giới hạn II: Kiểm tra độ võng toàn phần của sàn có xét đến hiện tượng nứt bê tông vùng kéo. Xác định độ võng ngắn hạn $f_1$ do toàn bộ tải trọng, độ võng ngắn hạn $f_2$ và độ võng dài hạn $f_3$ do tải trọng thường xuyên và tạm thời dài hạn gây ra, bảo đảm độ võng tổng thể nằm trong giới hạn cho phép $[f] = L/250$.

Chương 7: Thiết kế khung

Chương 7 tập trung tính toán các cấu kiện chịu lực chính của phần thân:

  • Cấu kiện dầm: Thiết kế dầm khung điển hình MBX1-1 (kích thước 300x800 mm). Tính toán cốt thép dọc chịu mômen âm và dương theo bài toán tiết diện chữ nhật và chữ T; tính toán cốt đai chịu lực cắt $Q$; bố trí cốt đai dày trong vùng tới hạn kháng chấn theo TCVN 9386:2012; bố trí cốt treo gia cường tại vị trí dầm phụ liên kết vào dầm chính; xác định chiều dài đoạn neo và đoạn nối cốt thép CB400-V.
  • Cấu kiện vách đơn: Phân tích nội lực vách G9 tại tầng hầm và vách PY01. Áp dụng phương pháp phân chia vùng biên chịu mômen kết hợp dải thân vách chịu cắt và nén đúng tâm/lệch tâm để xác định cốt thép dọc tập trung ở biên và cốt thép cấu tạo phân bố thân vách.
  • Cấu kiện vách lõi thang máy: Tính toán đặc trưng hình học tiết diện hộp hở của lõi thang; trích xuất tổ hợp nội lực nguy hiểm nhất tại tầng hầm; tính toán cốt thép chịu nén - uốn không gian cho các mảng vách thành phần của lõi.

Chương 8: Thiết kế móng công trình

Dựa trên báo cáo khảo sát địa chất khu vực công trình:

  • Sức chịu tải của cọc khoan nhồi đơn: Tính toán sức chịu tải theo 4 phương pháp: theo vật liệu bê tông cốt thép, theo chỉ tiêu cơ lý đất nền, theo chỉ tiêu cường độ đất nền (công thức Meyerhof 1996) và theo kết quả thí nghiệm xuyên tiêu chuẩn (SPT). Từ đó xác định sức chịu tải thiết kế cho phép của cọc $[P]$.
  • Mô hình tính toán: Xác định sơ bộ số lượng cọc trong đài móng dưới chân các vách và lõi thang; bố trí khoảng cách cọc; tính toán độ cứng đàn hồi của cọc đơn ($E_i, G_{li}$) để khai báo mô hình liên kết đàn hồi lò xo.
  • Thiết kế chi tiết các đài móng đại diện:
    • Đài móng M2 (dưới chân vách đôi W-J3 và W-J4): Kiểm tra phản lực đầu cọc lớn nhất và nhỏ nhất; kiểm tra ứng suất và độ lún của nền đất dưới đáy khối móng quy ước; kiểm tra điều kiện chọc thủng đài móng; tính toán cốt thép đài móng M2.
    • Đài móng M4 (dưới chân vách W-G7): Kiểm tra phản lực đầu cọc, kiểm tra khối móng quy ước, kiểm tra tháp đâm thủng và tính toán cốt thép đài móng M4 theo phương cạnh ngắn và cạnh dài.
    • Đài móng M7 (dưới chân lõi thang máy): Phân tích nội lực phức tạp từ lõi truyền xuống; kiểm tra phản lực cọc; tính lún khối móng quy ước; tính toán và bố trí mạng lưới cốt thép đài móng M7.

Kết quả và đóng góp

Đồ án hoàn thành việc thiết lập giải pháp kết cấu hoàn chỉnh cho công trình chung cư cấp I cao 76,7 m, cung cấp đầy đủ bảng tính nội lực và bản vẽ thi công:

  • Thông số kỹ thuật cấu kiện: Hệ thống dầm chính 300x800 mm, dầm phụ 300x450 mm, sàn bê tông dày 150 mm, hệ vách đơn và vách lõi thang dày 400 mm; cọc khoan nhồi chịu lực ngàm vào tầng địa chất tốt.
  • Kiểm định an toàn tổng thể: Kết quả tính toán chu kỳ dao động riêng ($n_{1-x} = 0,596\text{ Hz}$), chuyển vị đỉnh, chuyển vị lệch tầng do tải trọng gió và động đất, cùng hệ số ổn định P-Delta đều nằm trong phạm vi cho phép của TCVN 2737:2023 và TCVN 9386:2012.
  • Kiểm tra cục bộ và biến dạng: Cốt thép sàn dầm, vách, lõi và đài móng đáp ứng khả năng chịu lực TTGH I; độ võng và độ nứt của sàn tầng điển hình thỏa mãn điều kiện sử dụng bình thường TTGH II; đài móng M2, M4, M7 bảo đảm điều kiện chống xuyên thủng và lún giới hạn.
  • Đóng góp kỹ thuật: Đồ án tích hợp quy trình tính toán tải trọng gió mới theo TCVN 2737:2023 (phân tách gió tĩnh và hiệu ứng giật gió động) kết hợp tiêu chuẩn thiết kế kháng chấn TCVN 9386:2012 vào bài toán thiết kế thực tế cho nhà ở cao tầng tại Bình Dương, đồng thời kết nối dữ liệu mô hình ETABS với phần mềm Revit và AutoCAD để lập hồ sơ bản vẽ kỹ thuật.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

  • Hạn chế: Thuyết minh tập trung tính toán chuyên sâu cho các cấu kiện điển hình (sàn tầng điển hình, dầm MBX1-1, vách G9/PY01, đài móng M2, M4, M7) mà chưa tính toán chi tiết toàn bộ các cấu kiện khác trên mặt bằng. Hệ thống cơ điện MEP chỉ dừng ở mức đề xuất nguyên lý sơ bộ, chưa có tính toán dung tích bể chứa hay mạng lưới đường ống. Mô hình nền móng tính toán theo khối móng quy ước và mô hình cọc lò xo đàn hồi tuyến tính, chưa xét tương tác động học phi tuyến đất - kết cấu (SSI).
  • Hướng mở rộng: Ứng dụng mô hình thông tin công trình (BIM) đồng bộ kiến trúc, kết cấu và cơ điện trên Revit; thực hiện phân tích động lực học phi tuyến theo thời gian (Time-history analysis) hoặc phân tích đẩy dần (Pushover analysis) để đánh giá ứng xử của vách và lõi thang khi chịu động đất mạnh.

Giá trị tham khảo

Đồ án là tài liệu tham khảo cho sinh viên ngành Công nghệ Kỹ thuật Công trình Xây dựng, Kỹ thuật Xây dựng Dân dụng và Công nghiệp trong quá trình làm đồ án môn học Bê tông cốt thép, Nền móng và Đồ án tốt nghiệp kỹ sư. Các kỹ sư thiết kế kết cấu có thể tham khảo quy trình thực hành:

  • Cách xác định tải trọng gió tĩnh và thành phần gió động (hệ số hiệu ứng giật $G_f$) theo tiêu chuẩn mới TCVN 2737:2023.
  • Trình tự kiểm tra ổn định tổng thể nhà cao tầng (chuyển vị đỉnh, gia tốc đỉnh, drift, hiệu ứng P-Delta) bằng phần mềm ETABS.
  • Phương pháp tính toán vách phẳng và vách lõi thang máy theo vùng biên chịu mômen.
  • Các bước xác định sức chịu tải cọc khoan nhồi từ 4 nguồn chỉ tiêu địa chất và kiểm tra khối móng quy ước dưới chân vách chịu tải trọng lớn.

Câu hỏi thường gặp

1. Quy mô chiều cao và số tầng của Chung cư Bcons Miền Đông được thiết kế như thế nào?
Công trình là công trình dân dụng cấp I, có tổng chiều cao 76,7 m (chiều cao đến mái là 74,75 m), quy mô gồm 01 tầng hầm (cao 3,3 m), 20 tầng nổi (tầng 1 cao 4,0 m, các tầng 3-20 cao 3,5 m), 01 tầng tum và 01 tầng kỹ thuật mái (cao 3,4 m).

2. Đồ án sử dụng các loại bê tông và cốt thép nào cho các cấu kiện công trình?
Bê tông cấp độ bền B30 được dùng cho dầm, sàn, vách, lõi thang máy, cầu thang, cọc khoan nhồi và đài móng; bê tông lót móng dùng cấp B15. Cốt thép sử dụng nhóm CB300-V cho bản sàn và cầu thang bộ; nhóm cốt thép CB400-V được bố trí cho dầm khung, vách đơn, lõi thang máy, đài móng và cọc khoan nhồi.

3. Tải trọng gió tác dụng lên công trình được tính toán theo tiêu chuẩn nào và gán vào ETABS ra sao?
Tải trọng gió được tính theo TCVN 2737:2023 ứng với vùng áp lực gió I-A ($W_0 = 55\text{ daN/m}^2$), dạng địa hình A. Do chiều cao công trình 74,75 m ($> 40\text{ m}$), đồ án tính cả thành phần tĩnh (gán lực tập trung vào tâm hình học sàn) và thành phần động thông qua hệ số hiệu ứng giật $G_f$ (gán lực tập trung vào tâm khối lượng sàn).

4. Giải pháp kết cấu chịu lực phần thân và phần ngầm được lựa chọn trong đồ án là gì?
Phần thân chọn hệ kết cấu sàn dầm (dầm chính 300x800 mm, dầm phụ 300x450 mm, sàn dày 150 mm) để chịu tải trọng đứng và hệ Vách - Lõi bê tông cốt thép (chiều dày 400 mm) để chịu tải trọng ngang. Phần ngầm sử dụng móng cọc khoan nhồi liên kết qua các khối đài móng cọc chịu lực dưới chân vách và lõi thang máy.

5. Các nội dung kiểm tra ổn định tổng thể công trình trong đồ án bao gồm những bước nào?
Bao gồm kiểm tra chuyển vị ngang lớn nhất tại đỉnh công trình theo phương X và Y, kiểm tra gia tốc đỉnh, kiểm tra chuyển vị lệch tầng (story drift) dưới tác dụng của gió và động đất, và đánh giá hệ số độ nhạy ổn định hiệu ứng bậc hai (P-Delta) do tải trọng động đất gây ra.

Kết luận

Đồ án tốt nghiệp "Chung cư Bcons Miền Đông" của tác giả Bùi Dũng Toán hoàn thành việc thiết kế kiến trúc và kết cấu cho công trình chung cư cao 20 tầng tại tỉnh Bình Dương. Bằng việc ứng dụng các công cụ phần mềm kỹ thuật như ETABS, Revit và AutoCAD, tác giả đã giải quyết các bài toán từ mô hình hóa không gian, phân tích dao động, kiểm tra ổn định tổng thể đến thiết kế chi tiết dầm, sàn, vách, lõi và móng cọc khoan nhồi. Toàn bộ nội dung tính toán tuân thủ nghiêm ngặt hệ thống tiêu chuẩn xây dựng hiện hành (TCVN 2737:2023, TCVN 5574:2018, TCVN 9386:2012, TCVN 10304:2014), tạo nên một tài liệu kỹ thuật có giá trị tham khảo thiết thực cho công tác đào tạo và thực hành thiết kế kết cấu nhà cao tầng.