Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Trong tiến trình công nghiệp hóa và hiện đại hóa, sự gia tăng nhanh chóng về mật độ dân cư đô thị tại các trung tâm kinh tế trọng điểm đã tạo ra áp lực lớn đối với hạ tầng nhà ở và dịch vụ thương mại. Tại thành phố Hải Phòng, sự phát triển kinh tế kéo theo nhu cầu bức thiết về không gian lưu trú chất lượng cao, đồng bộ về hạ tầng kỹ thuật và nâng cao hiệu quả quản lý đô thị. Việc đầu tư xây dựng các khu chung cư cao tầng không chỉ giải quyết bài toán quỹ đất hạn hẹp mà còn góp phần định hình diện mạo kiến trúc hiện đại cho khu vực. Xuất phát từ bối cảnh thực tiễn đó, đồ án tốt nghiệp kỹ sư xây dựng tập trung giải quyết bài toán thiết kế kỹ thuật toàn diện cho công trình "Chung cư Hưng Thịnh 11 tầng" tại thành phố Hải Phòng.

Nhiệm vụ nghiên cứu và thiết kế của đồ án được xác định rõ ràng qua 3 nội dung trọng tâm:

  1. Thiết kế giải pháp kiến trúc công trình: Tổ chức không gian mặt bằng, phân chia công năng các tầng ở và dịch vụ, thiết kế hình khối mặt đứng, giải quyết các hệ thống kỹ thuật phụ trợ (giao thông đứng, giao thông ngang, chiếu sáng, thông gió, cấp thoát nước, chống nóng và phòng cháy chữa cháy).
  2. Thiết kế giải pháp kết cấu công trình: Đánh giá điều kiện địa chất - khí hậu, xác định giải pháp nền móng cọc, sơ bộ kích thước các cấu kiện chịu lực chính (vách cứng, cột, dầm, sàn), phân tích và so sánh lựa chọn phương án kết cấu sàn tối ưu.
  3. Lập biện pháp công nghệ và tổ chức thi công xây dựng: Định hướng phương pháp và quy trình kỹ thuật nhằm hiện thực hóa phương án thiết kế kiến trúc và kết cấu trên thực tế công trường.

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu của đề tài bao gồm:

  • Đối tượng nghiên cứu: Toàn bộ các giải pháp kiến trúc, kết cấu chịu lực và quy trình tổ chức thi công cho tòa nhà chung cư cao tầng.
  • Phạm vi không gian: Công trình được quy hoạch xây dựng tại vị trí số 215 đường Lạch Tray, phường Đằng Giang, quận Ngô Quyền, thành phố Hải Phòng.
  • Phạm vi thời gian và học thuật: Đồ án tốt nghiệp được hoàn thành vào tháng 11 năm 2015, tổng hợp toàn bộ chương trình đào tạo kỹ sư 4,5 năm thuộc Khoa Công trình, Trường Đại học Hàng hải Việt Nam.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp

Đồ án vận dụng hệ thống lý thuyết chuyên ngành kỹ thuật công trình xây dựng dân dụng kết hợp các phương pháp tính toán thực hành:

  1. Cơ sở lý thuyết và tiêu chuẩn thiết kế:
  • Lý thuyết tính toán kết cấu bê tông cốt thép toàn khối: Áp dụng nguyên lý làm việc của hệ kết cấu khung không gian nút cứng chịu lực thẳng đứng (tải trọng bản thân, hoạt tải sử dụng) và hệ vách cứng bê tông cốt thép chịu tải trọng ngang (gió bão).
  • Lý thuyết bản sàn: Vận dụng mô hình tính toán bản kê bốn cạnh đối với các ô sàn có kích thước nhịp cạnh ngắn $L_1$ và cạnh dài $L_2$ lớn hơn 6 m; lý thuyết dầm trực giao và nguyên lý kết cấu bê tông cốt thép ứng lực trước (sử dụng cáp dự ứng lực căng sau).
  • Lý thuyết cơ học đất và nền móng: Đánh giá sức chịu tải của đất nền qua trụ địa chất khoan sâu 15 m; nguyên lý truyền tải trọng từ kết cấu bên trên xuống các lớp đất tốt thông qua giải pháp móng cọc.
  • Quy chuẩn thiết kế kỹ thuật: Áp dụng các công thức kinh nghiệm chuyên ngành để sơ bộ tiết diện vách cứng thang máy theo chiều cao tầng ($h/20$) và các tiêu chuẩn tính toán nhà cao tầng hiện hành tại Việt Nam cũng như tiêu chuẩn nước ngoài cho kết cấu ứng lực trước.
  1. Phương pháp nghiên cứu và giải quyết vấn đề:
  • Phương pháp phân tích - tổng hợp: Thu thập, xử lý các tài liệu khí tượng thủy văn và báo cáo khảo sát địa chất công trình tại số 215 Lạch Tray, Hải Phòng.
  • Phương pháp so sánh - đánh giá đa tiêu chí: Phân tích ưu điểm, nhược điểm về mặt kinh tế - kỹ thuật của các phương án sàn (sàn sườn toàn khối, sàn dầm trực giao, sàn phẳng bê tông cốt thép ứng lực trước không dầm) để đưa ra quyết định thiết kế tối ưu.
  • Phương pháp tính toán cơ học kết cấu: Sơ bộ kích thước tiết diện chịu lực của khung bê tông cốt thép, vách lõi cứng và cấu tạo vách tầng hầm.
  1. Nguồn dữ liệu sử dụng:
  • Báo cáo kết quả khoan khảo sát địa chất công trình tại vị trí móng chung cư với chiều sâu hố khoan 15 m.
  • Dữ liệu khí tượng khí hậu trạm Hải Phòng: Nhiệt độ trung bình năm, lượng mưa, độ ẩm và bức xạ mặt trời.
  • Bản vẽ mặt bằng khu đất, quy hoạch chỉ giới đường đỏ và yêu cầu công năng sử dụng từ chủ đầu tư.

Thiết kế và triển khai giải pháp kỹ thuật

Giải pháp kiến trúc và công năng mặt bằng

Công trình Chung cư Hưng Thịnh được thiết kế với hình khối thống nhất, mang phong cách kiến trúc hiện đại. Mặt bằng tổng thể công trình có kích thước hình học $61,2 \times 17,7\text{ m}$. Quy mô tòa nhà bao gồm 10 tầng chính và 1 tầng kỹ thuật mái, tổng chiều cao tính từ mốc $\pm 0,00$ đến đỉnh mái đạt 35,6 m. Không gian các tầng được bố trí công năng chuyên biệt:

  • Tầng 1: Chiều cao tầng 3,6 m; công năng bao gồm sảnh chính, phòng dịch vụ thương mại, phòng quản trị hành chính và các phòng vận hành kỹ thuật của tòa nhà.
  • Tầng 2 đến tầng 11: Chiều cao mỗi tầng 2,9 m; không gian bố trí các căn hộ ở độc lập, phục vụ nhu cầu sinh hoạt của cư dân.
  • Tầng mái: Chiều cao 2,0 m; bố trí phòng kỹ thuật thang máy, gian máy biến áp, bồn nước mái và hệ thống điều khiển kỹ thuật.

Mặt đứng công trình được tổ chức đơn giản, phát triển liên tục theo chiều cao nhằm hạn chế tối đa các điểm thay đổi độ cứng đột ngột, triệt tiêu nguy cơ dao động cục bộ khi chịu tải trọng ngang. Mặt đứng tạo nhịp điệu kiến trúc thông qua sự lặp lại của hệ thống cửa sổ kính khung lớn có rèm che bên trong kết hợp ban công tại các tầng căn hộ, tối ưu hóa việc thông gió và chiếu sáng tự nhiên cho toàn bộ không gian phòng ở.

Hạng mục thiết kế Thông số / Giải pháp kỹ thuật
Kích thước mặt bằng $61,2\text{ m} \times 17,7\text{ m}$
Số tầng công trình 10 tầng ở/dịch vụ + 1 tầng kỹ thuật mái (có tầng hầm)
Chiều cao tầng 1 3,6 m
Chiều cao tầng 2 đến 11 2,9 m/tầng
Chiều cao tầng mái kỹ thuật 2,0 m
Tổng chiều cao công trình 35,6 m (tính từ cos 0,00)
Giải pháp kết cấu thân Khung bê tông cốt thép liên kết nút cứng kết hợp vách cứng
Kích thước vách thang máy $b \times h = 30\text{ cm} \times 30\text{ cm}$ (chiều dày chọn $b = 30\text{ cm} \ge 180\text{ mm}$)
Kích thước vách tầng hầm $b \times h = 40\text{ cm} \times 40\text{ cm}$
Giải pháp nền móng Móng cọc xuyên qua các lớp bùn sét yếu đến tầng chịu lực

Giải pháp kỹ thuật hạ tầng và hệ thống MEP

  • Hệ thống giao thông: Bố trí 3 thang máy tập trung tại khu vực lõi giữa khối nhà để đảm nhận giao thông đứng chính; 2 cầu thang bộ thoát hiểm được bố trí đối xứng đảm bảo khoảng cách thoát nạn khi có sự cố, đồng thời đóng vai trò giếng thông gió tự nhiên. Hệ thống giao thông ngang là các hành lang thẳng có ô thông tầng lấy ánh sáng tự nhiên.
  • Hệ thống cấp - thoát nước và chống nóng mái: Nước sinh hoạt từ mạng lưới cấp nước đô thị được dẫn vào bể ngầm tại tầng hầm, sau đó dùng trạm bơm đẩy trực tiếp lên bể nước mái để điều hòa nhiệt và phân phối xuống các tầng. Thoát nước mưa mái thực hiện qua sê nô đưa về hệ thống cống thành phố; nước thải sinh hoạt được dẫn qua mạng lưới thoát nước tiểu khu để xử lý. Mái công trình được xử lý chống nóng chuyên sâu bằng kết cấu đa tầng gồm: Lớp bê tông xỉ tạo độ dốc thoát nước kiêm cách âm, cách nhiệt; lớp màng chống thấm chuyên dụng; phía trên lát 2 lớp gạch lá nem và tận dụng tải trọng làm mát của bể nước trên mái.
  • Hệ thống điện và thông gió: Mạng lưới điện hạ thế đi ngầm trong tường, chia pha an toàn, nguồn chính lấy từ lưới điện thành phố kết hợp máy phát điện dự phòng khi mất điện lưới. Thông gió cơ bản ưu tiên đối lưu không khí tự nhiên qua cửa sổ và giếng thang, kết hợp hệ thống quạt hút và điều hòa không khí nhân tạo.
  • Hệ thống phòng cháy chữa cháy (PCCC): Bố trí mạng lưới cảm biến báo khói, báo cháy tại tất cả các căn hộ, khu công cộng từng tầng; trung tâm điều khiển có đèn và chuông cảnh báo. Nguồn nước chữa cháy được cấp trực tiếp từ bể ngầm và bể nước dự phòng sự cố; bổ sung bình bọt/khí chữa cháy xách tay tại sảnh hành lang từng tầng.

Nội dung chính theo từng chương

Lời mở đầu: Tổng quan công trình và nhiệm vụ đồ án

Tác giả trình bày tính cấp thiết của đề tài trong giai đoạn công nghiệp hóa, hiện đại hóa ngành xây dựng. Nêu bật tầm quan trọng của nguồn nhân lực kỹ sư xây dựng tốt nghiệp Đại học Hàng hải Việt Nam, xác định kết cấu đồ án tốt nghiệp gồm 3 hợp phần kỹ thuật: Thiết kế kiến trúc, Thiết kế kết cấu và Tổ chức thi công công trình Chung cư Hưng Thịnh 11 tầng tại Hải Phòng.

Chương 1: Kiến trúc công trình và điều kiện tự nhiên khu vực

Chương này mô tả chi tiết toàn bộ các giải pháp quy hoạch không gian, bố trí mặt bằng, hình khối mặt đứng, hệ thống kỹ thuật công trình cùng các số liệu khảo sát hiện trường tại 215 Lạch Tray.

  • Điều kiện khí hậu: Khu vực xây dựng chịu ảnh hưởng đặc trưng của khí hậu nhiệt đới gió mùa ven biển Hải Phòng, độ ẩm cao, trung bình có 114 ngày mưa/năm. Chế độ nhiệt phân hóa rõ rệt thành hai mùa: Mùa nóng từ tháng 5 đến tháng 9 có nhiệt độ trung bình $28,1^\circ\text{C}$, mưa nhiều; mùa lạnh từ tháng 11 đến tháng 3 năm sau có nhiệt độ trung bình $18,6^\circ\text{C}$.
  • Điều kiện địa chất công trình: Khảo sát địa chất qua hố khoan thăm dò sâu 15 m ghi nhận 7 lớp đất nền có đặc tính cơ lý khác nhau, cho thấy nền đất mặt và tầng nông có khả năng chịu lực rất yếu, đòi hỏi giải pháp kết cấu móng sâu chuyên dụng.
Lớp đất Tên đất và mô tả trạng thái cơ lý Bề dày lớp (m)
1 Đất lấp cát hạt mịn đến nhỏ 1,0
2 Đất sét dẻo mềm 3,0
3 Bùn sét chảy 6,0
4 Đất sét dẻo mềm 3,5
5 Á cát 3,0
6 Cát hạt trung 4,8
7 Cát hạt mịn (chưa gặp đáy lớp trong phạm vi khoan 15 m) > 15 m

Sơ bộ kích thước vách cứng và phân tích chọn lựa phương án kết cấu sàn

Tác giả tính toán sơ bộ kích thước tiết diện vách cứng thang máy theo điều kiện hình học: Bề dày vách $b$ không được nhỏ hơn giá trị $h/20 = 3600 / 20 = 180\text{ mm}$ (với $h = 3,6\text{ m}$ là chiều cao tầng 1) và không nhỏ hơn 150 mm. Tác giả lựa chọn kích thước bề dày vách thang máy $b = 30\text{ cm}$, vách tầng hầm $b \times h = 40\text{ cm} \times 40\text{ cm}$.

Về kết cấu mặt sàn, tác giả lập luận phân tích chi tiết ưu điểm và nhược điểm của 3 phương án kỹ thuật trọng tâm:

Tiêu chí so sánh Phương án 1: Sàn sườn toàn khối BTCT Phương án 2: Sàn có hệ dầm trực giao Phương án 3: Sàn phẳng BTCT ứng lực trước không dầm
Cấu tạo kết cấu Hệ dầm chính, dầm phụ và bản sàn liên kết toàn khối. Hệ dầm trực giao chia sàn thành các ô vuông góc $\le 6\text{ m}$, dầm chính dạng bẹt. Bản sàn kê trực tiếp lên cột, không sử dụng dầm giữa nhịp.
Ưu điểm kỹ thuật Lý thuyết và kinh nghiệm tính toán đầy đủ; công nghệ thi công quen thuộc, phổ biến tại Việt Nam; chất lượng dễ kiểm soát. Giảm số lượng cột bên trong; tăng khẩu độ không gian; chịu lực tốt; tính thẩm mỹ cao cho sảnh lớn, hội trường. Giảm chiều cao tầng; tối ưu diện tích sử dụng; thi công ván khuôn mảng lớn nhanh gọn; dễ bố trí đường ống kỹ thuật MEP.
Tốc độ thi công Chậm; tiêu hao nhiều vật tư ván khuôn do bị chia cắt bởi hệ dầm phụ; cần thời gian bảo dưỡng bê tông đạt chuẩn. Phức tạp; việc gia công cốp pha và lắp đặt cốt thép dầm bẹt tốn nhiều công lao động. Rất nhanh: 6 - 7 ngày/tầng/$1000\text{ m}^2$; kéo cáp chịu lực sớm giúp rút ngắn thời gian tháo ván khuôn, không chờ đủ 28 ngày.
Nhược điểm Chiều cao dầm lớn làm giảm chiều cao thông thủy; tốn vật liệu ván khuôn; hạn chế khi nhịp sàn lớn. Chi phí vật liệu cao; tiết diện dầm bẹt rất lớn để hạn chế độ võng; thi công phức tạp. Tính toán quy ước phức tạp theo tiêu chuẩn nước ngoài; yêu cầu kiểm soát chất lượng và công nghệ thi công nghiêm ngặt.

Kết quả và đóng góp

  1. Kết quả kỹ thuật cụ thể:
  • Xác lập giải pháp mặt bằng và kiến trúc hoàn chỉnh cho công trình 11 tầng với diện tích xây dựng $61,2 \times 17,7\text{ m}$, giải quyết phân luồng giao thông đứng (3 thang máy, 2 thang bộ) và phân khu chức năng rõ ràng giữa tầng dịch vụ (3,6 m) và các tầng ở (2,9 m).
  • Đánh giá định lượng điều kiện nền đất yếu (bùn sét chảy dày 6 m, sét dẻo mềm 3,5 m) và đề xuất sử dụng móng cọc hạ vào tầng đất tốt để đảm bảo khả năng chịu lực cho toàn bộ 11 tầng nhà.
  • Hoàn thiện tính toán kích thước vách cứng thang máy dày 30 cm (thỏa mãn điều kiện $h/20 = 180\text{ mm}$), vách tầng hầm $40 \times 40\text{ cm}$.
  • Hoàn thành so sánh kinh tế - kỹ thuật 3 phương án kết cấu sàn, chỉ rõ các thông số định lượng của phương án sàn ứng lực trước (chu kỳ thi công 6 - 7 ngày/tầng/$1000\text{ m}^2$ sàn).
  1. Kiến nghị và giải pháp của tác giả:
  • Kiến nghị ưu tiên giải pháp móng cọc để vượt qua tầng đất bùn sét chảy có chiều dày lớn (6 m) nhằm đảm bảo ổn định lún lâu dài cho công trình.
  • Đề xuất phương án chống nóng mái tổng hợp sử dụng bê tông xỉ kết hợp 2 lớp gạch lá nem và bể nước mái điều hòa để thích ứng với khí hậu nắng nóng, mưa nhiều tại Hải Phòng.
  • Về công nghệ kết cấu sàn, tác giả kiến nghị áp dụng các giải pháp thi công sàn phẳng ứng lực trước để nâng cao hiệu quả kinh tế và rút ngắn tiến độ thi công đối với các dự án chung cư cao tầng.
  1. Đóng góp về mặt học thuật và thực tiễn:
  • Đồ án đã hệ thống hóa toàn diện các kiến thức kỹ thuật xây dựng dân dụng được đào tạo trong 4,5 năm tại Trường Đại học Hàng hải Việt Nam vào một công trình thực tế.
  • Tự cập nhật và đưa các lý thuyết tính toán kết cấu hiện đại cùng công nghệ thi công mới (sàn bê tông ứng lực trước không dầm, ván khuôn trượt mảng lớn) vào nội dung thiết kế tốt nghiệp.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

  • Giới hạn độ sâu khảo sát địa chất: Báo cáo khoan địa chất của đồ án mới dừng lại ở phạm vi độ sâu 15 m (chưa khoan xuyên qua hết lớp số 7 - cát hạt mịn), do đó khi triển khai thiết kế chi tiết chiều dài cọc đại trà cần có số liệu hố khoan sâu hơn để xác định chính xác tầng cắm mũi cọc.
  • Phạm vi nội dung văn bản: Bản thuyết minh đồ án trích xuất tập trung sâu vào phần giải pháp kiến trúc, điều kiện địa chất và so sánh phương án sàn; các bảng tính chi tiết nội lực khung không gian, tính toán cốt thép dầm cột và bản vẽ tổ chức mặt bằng thi công chưa được trình bày đầy đủ trong phần văn bản này.
  • Hướng mở rộng: Nghiên cứu chi tiết quy trình tính toán sàn phẳng ứng lực trước theo tiêu chuẩn nước ngoài kết hợp ứng dụng phần mềm chuyên dụng để kiểm tra độ võng và vết nứt trong giai đoạn kéo căng cáp.

Giá trị tham khảo

Đồ án là tài liệu tham khảo kỹ thuật hữu ích đối với:

  • Sinh viên chuyên ngành Xây dựng Dân dụng và Công nghiệp (XDD), Kỹ thuật Công trình xây dựng đang chuẩn bị thực hiện đồ án tốt nghiệp nhà cao tầng khung - vách bê tông cốt thép.
  • Các kỹ sư thiết kế kết cấu giai đoạn đầu: Cung cấp phương pháp so sánh định tính và định lượng giữa các phương án kết cấu sàn (sàn sườn, sàn dầm trực giao, sàn ứng lực trước).
  • Các phần có giá trị tham khảo cao: Phương pháp sơ bộ kích thước tiết diện vách cứng theo chiều cao tầng ($h/20$), giải pháp tổ chức hệ thống MEP phụ trợ (chống nóng mái bằng gạch lá nem và bê tông xỉ) và tổng hợp số liệu địa chất thực tế khu vực Lạch Tray, Hải Phòng.

Câu hỏi thường gặp

  1. Kích thước tổng thể và thông số chiều cao các tầng của công trình được thiết kế như thế nào?
    Mặt bằng công trình có kích thước $61,2 \times 17,7\text{ m}$. Tòa nhà gồm 10 tầng chính và 1 tầng kỹ thuật mái. Chiều cao tầng 1 là 3,6 m; chiều cao tầng 2 đến tầng 11 là 2,9 m/tầng; tầng mái kỹ thuật cao 2,0 m; tổng chiều cao công trình tính từ mốc $\pm 0,00$ là 35,6 m.

  2. Cấu tạo địa chất tại vị trí 215 Lạch Tray gồm những lớp nào và giải pháp móng được chọn là gì?
    Địa chất hố khoan 15 m gồm 7 lớp: Lớp 1 cát lấp hạt mịn đến nhỏ (1,0 m); Lớp 2 sét dẻo mềm (3,0 m); Lớp 3 bùn sét chảy (6,0 m); Lớp 4 sét dẻo mềm (3,5 m); Lớp 5 á cát (3,0 m); Lớp 6 cát hạt trung (4,8 m); Lớp 7 cát hạt mịn (chưa gặp đáy lớp). Do tầng bùn sét chảy và sét mềm dày, tác giả đề xuất giải pháp móng cọc để truyền tải xuống tầng đất chịu lực tốt.

  3. Tiêu chí tính toán sơ bộ chiều dày vách thang máy được tác giả xác định ra sao?
    Bề dày vách thang máy được xác định theo công thức kiểm tra hình học: Không được bé hơn $h/20$ và không nhỏ hơn 150 mm (với $h = 3600\text{ mm}$ là chiều cao tầng, suy ra $h/20 = 180\text{ mm}$). Trên cơ sở đó, tác giả đã chọn chiều dày vách thang máy là 30 cm ($300\text{ mm}$) và vách tầng hầm là $40 \times 40\text{ cm}$.

  4. Ưu điểm nổi bật về tiến độ thi công của phương án sàn bê tông cốt thép ứng lực trước được nêu trong đồ án là gì?
    Phương án sàn ứng lực trước có chu kỳ thi công đạt từ 6 đến 7 ngày cho 1 tầng diện tích $1000\text{ m}^2$ sàn. Cốp pha được lắp dựng mảng lớn, cáp kéo căng chịu toàn bộ tải trọng bản thân mà không cần chờ bê tông đủ 28 ngày, giúp tháo dỡ ván khuôn sớm và luân chuyển vật tư nhanh chóng.

  5. Cấu tạo mái công trình giải quyết vấn đề chống nóng và thoát nước mưa bằng những lớp vật liệu nào?
    Hệ thống mái bao gồm: Bể nước mái kết hợp điều hòa nhiệt; lớp bê tông xỉ tạo độ dốc thoát nước kiêm cách âm, cách nhiệt; lớp chống thấm; trên cùng lát 2 lớp gạch lá nem. Nước mưa sau đó thu gom qua hệ thống sê nô thoát về mạng lưới thành phố.

Kết luận

Đồ án tốt nghiệp "Chung cư Hưng Thịnh 11 tầng - Hải Phòng" của sinh viên Nguyễn Thị Dung thuộc Khoa Công trình, Trường Đại học Hàng hải Việt Nam đã giải quyết bài bản các yêu cầu thiết kế kỹ thuật từ quy hoạch kiến trúc, sơ bộ kết cấu đến lựa chọn phương án thi công. Dựa trên số liệu khảo sát thực địa tại 215 Lạch Tray, tác giả đã đưa ra các giải pháp nền móng cọc và vách cứng hợp lý nhằm khắc phục điều kiện nền đất yếu và điều kiện khí hậu ven biển. Bản thuyết minh là tài liệu tổng hợp có giá trị tham khảo chuyên ngành cao cho sinh viên ngành Xây dựng Dân dụng trong việc triển khai thiết kế các công trình nhà ở cao tầng tương tự.