Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Trong tiến trình công nghiệp hóa và hiện đại hóa, ngành kỹ thuật xây dựng đóng vai trò chiến lược đối với sự phát triển cơ sở hạ tầng tại Việt Nam. Nhu cầu xây dựng mới các khối nhà cao tầng, xưởng chế tạo, công trình cảng biển và các trung tâm thương mại đặt ra đòi hỏi cấp thiết về việc nâng cao chất lượng đào tạo đội ngũ kỹ sư xây dựng công trình dân dụng. Song song với đó, sự phát triển của lĩnh vực bưu chính viễn thông và công nghệ thông tin tại Việt Nam nói chung và thành phố Hải Phòng nói riêng tạo ra nhu cầu mở rộng quy mô làm việc, đổi mới trang thiết bị kỹ thuật và hiện đại hóa công tác quản trị. Dự án tòa nhà Viễn thông Hải An do Tập đoàn Viễn thông đầu tư xây dựng nhằm đáp ứng yêu cầu vận hành kỹ thuật tập trung, tạo dựng không gian giao dịch và làm việc hiện đại, đồng thời đóng góp vào cảnh quan đô thị tại khu vực trung tâm phát triển của thành phố.

Đề tài đồ án tốt nghiệp của tác giả Lê Hoàng Phú (sinh viên lớp XDD52-DH1, Khoa Công trình, Trường Đại học Hàng hải Việt Nam) được thực hiện nhằm tổng kết toàn bộ chương trình đào tạo kỹ sư kéo dài 4,5 năm. Đồ án do ThS. KTS. Lê Văn Cường hướng dẫn phần kiến trúc và ThS. Phạm Ngọc Vương hướng dẫn phần kết cấu.

Nhiệm vụ thiết kế của đồ án được phân chia thành 3 phần chính theo đề cương thực hiện:

  1. Phần 1: Thiết kế kiến trúc công trình.
  2. Phần 2: Thiết kế kết cấu công trình.
  3. Phần 3: Công nghệ và tổ chức xây dựng.

Đối tượng nghiên cứu và thiết kế là công trình nhà cao tầng "Viễn thông Hải An – 15T" với quy mô 15 tầng nổi và 1 tầng hầm. Về phạm vi không gian, công trình được đặt tại khu vực Hải An – Ngô Quyền, nằm trên trục đường Lê Hồng Phong, thành phố Hải Phòng. Về phạm vi kỹ thuật, đồ án tập trung vào việc giải quyết công năng kiến trúc văn phòng kỹ thuật viễn thông kết hợp cho thuê, lựa chọn sơ bộ giải pháp kết cấu chịu lực chính (khung - vách bê tông cốt thép, phương án dầm, sàn), khảo sát điều kiện khí hậu và địa chất thủy văn tại địa điểm xây dựng.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp

Đồ án vận dụng các nguyên lý thiết kế công trình dân dụng nhiều tầng, lý thuyết tính toán kết cấu bê tông cốt thép toàn khối và quy chuẩn tải trọng tác động lên nhà cao tầng:

  • Khung lý thuyết tính toán kết cấu chịu lực: Công trình áp dụng mô hình kết cấu hỗn hợp khung - vách bê tông cốt thép (BTCT). Đối với công trình có chiều cao trên 40m (chiều cao thiết kế của tòa nhà là 54,9m), lý thuyết tính toán tải trọng ngang quy định tải trọng gió phải xét thêm thành phần động, đòi hỏi hệ kết cấu chịu lực phải có độ cứng không gian lớn thông qua hệ thống vách cứng và lõi thang máy.
  • Mô hình hóa và tính toán tải trọng: Tác giả sử dụng phần mềm ETABS để mô hình hóa kết cấu 3D. Tĩnh tải trọng lượng bản thân của bản sàn bê tông cốt thép và sàn mái do phần mềm tự động xác định từ thông số hình học và vật liệu khai báo; người thiết kế tính toán và gán bổ sung tĩnh tải của các lớp cấu tạo hoàn thiện còn lại cùng các giá trị hoạt tải sử dụng theo từng chức năng sàn.
  • Cơ sở xác định kích thước bản sàn: Chiều dày bản sàn sườn được xác định theo công thức kinh nghiệm:

$$h_s = \left(\frac{1}{40} \div \frac{1}{45}\right) L$$

Áp dụng cho các ô bản sàn làm việc một phương và hai phương, với nhịp tính toán lớn nhất để chọn chiều dày sàn điển hình.

Phương pháp nghiên cứu và thiết kế được tác giả triển khai bao gồm:

  • Phương pháp phân tích và so sánh phương án: Đánh giá định tính và định lượng ưu - nhược điểm của 4 giải pháp kết cấu sàn (sàn sườn toàn khối, sàn dầm trực giao, sàn phẳng BTCT ứng lực trước không dầm, sàn ứng lực trước hai phương trên dầm) dựa trên các tiêu chí: năng lực chịu uốn và độ võng, chiều cao thông thủy, chi phí vật liệu ván khuôn, tính khả thi công nghệ thi công tại Việt Nam và tiến độ thực hiện.
  • Phương pháp xử lý số liệu địa chất và khí tượng: Trích xuất và phân tích số liệu từ báo cáo khảo sát địa chất công trình tại khu đất xây dựng (phân tầng 8 lớp đất nền) và chuỗi số liệu quan trắc khí hậu khu vực Hải Phòng để phục vụ lựa chọn giải pháp bao che, thoát nước và thiết kế kết cấu.

Thiết kế và triển khai giải pháp kỹ thuật

Giải pháp kiến trúc và phân bố mặt bằng chức năng

Công trình có kích thước mặt bằng theo hai phương là 36,0 m × 27,3 m, tổng chiều cao tính từ cốt ±0,00 đến đỉnh mái là 54,9 m. Bố cục mặt bằng công năng được phân chia cụ thể theo từng cao độ tầng như sau:

Tầng công trình Cao độ / Chiều cao tầng Chức năng bố trí
Tầng hầm Cao -3,3 m (so với mặt đất) Bãi đỗ xe và bố trí hệ thống kỹ thuật phụ trợ
Tầng 1 Chiều cao 4,5 m Phòng giao dịch khách hàng, không gian làm việc tiếp dân, sảnh đón và quầy lễ tân
Tầng 2 và Tầng 3 Chiều cao 3,3 m / tầng Trung tâm kỹ thuật viễn thông, phòng lưu trữ và lắp đặt thiết bị
Tầng 4 Chiều cao 4,5 m Hội trường lớn, các phòng họp phục vụ hội nghị và đào tạo
Tầng 5, 6, 7 Không gian làm việc lãnh đạo Phòng làm việc Giám đốc, các Phó Giám đốc và lãnh đạo các phòng ban chức năng
Tầng 8 đến Tầng 15 Chiều cao 3,3 m / tầng Khối văn phòng cho thuê và dịch vụ thương mại của tòa nhà

Về hình khối và kiến trúc mặt đứng: Mặt ngoài công trình được định hình theo phong cách hiện đại với gam màu trắng chủ đạo kết hợp hệ vách kính cường lực khẩu độ lớn nhằm tối đa hóa khả năng chiếu sáng tự nhiên. Mặt trước tòa nhà gắn biểu tượng nhận diện của Tập đoàn Viễn thông. Sự thay đổi cốt chiều cao tầng giữa khối đế (tầng 1 và tầng 4 cao 4,5 m) và khối thân (cao 3,3 m) tạo điểm nhấn kiến trúc cho khối tích công trình trên trục đường Lê Hồng Phong.

Các hệ thống kỹ thuật công trình (MEP)

  1. Hệ thống giao thông đứng: Bố trí 2 thang máy tại vị trí trung tâm khối nhà đảm bảo năng lực vận chuyển hành khách thường xuyên; kết hợp 2 thang bộ thoát hiểm bố trí tại 2 góc đối xứng của tòa nhà nhằm giải tỏa lưu lượng giao thông trong các khung giờ cao điểm và phục vụ sơ tán khi xảy ra sự cố.
  2. Hệ thống cấp điện và chiếu sáng: Tận dụng ánh sáng tự nhiên qua hệ vách kính bao che kết hợp hệ thống đèn chiếu sáng nhân tạo. Nguồn điện cấp chính lấy từ lưới điện thành phố Hải Phòng, đồng thời lắp đặt 1 tổ máy phát điện dự phòng nhằm duy trì liên tục cho các phụ tải ưu tiên và trung tâm thiết bị viễn thông khi xảy ra mất điện lưới.
  3. Hệ thống thông gió và điều hòa không khí: Áp dụng phương thức thông gió tự nhiên kết hợp hệ thống cơ khí nhân tạo sử dụng quạt hút và thiết bị điều hòa nhiệt độ cục bộ tại các khu vực làm việc, lưu trữ thiết bị.
  4. Hệ thống cấp - thoát nước: Nước sạch tiếp nhận từ mạng lưới cấp nước đô thị được dẫn vào bể chứa ngầm đặt tại chân công trình, sau đó bơm cấp lên tầng mái nhằm phân phối ổn định tới các tầng cao. Thoát nước mưa sử dụng hệ thống sê-nô và mạng lưới ống đứng gom từ mái dẫn về hệ thống thoát nước bên ngoài. Toàn bộ nước thải sinh hoạt từ các khu vệ sinh được gom qua mạng đường ống kín dẫn về trạm xử lý nước thải cục bộ của công trình trước khi xả vào hệ thống thoát nước thành phố.
  5. Hệ thống phòng cháy và chữa cháy (PCCC): Bố trí đầu báo cháy cảm biến nhiệt tự động cùng nút ấn báo cháy khẩn cấp tại các phòng chức năng và sảnh hành lang chung. Hệ thống đường ống cấp nước chữa cháy đặt tại chân công trình duy trì nguồn nước áp lực, liên kết với hệ thống vòi cứu hỏa tự động kích hoạt khi có tín hiệu cảm biến cháy, đi kèm hệ thống bình chữa cháy cầm tay tại mỗi tầng.

Phân tích và lựa chọn phương án kết cấu chịu lực

Kết cấu công trình sử dụng hệ khung bê tông cốt thép toàn khối kết hợp hệ thống vách cứng bố trí bao bọc khu vực lõi thang máy và tường bao tầng hầm, tạo thành lõi cứng trung tâm chịu tải trọng ngang.

Kích thước tiết diện các cấu kiện dầm được xác định sơ bộ như sau:

Loại cấu kiện dầm Vị trí bố trí Kích thước tiết diện ($b \times h$) (mm)
Dầm chính phương X Khung trục chịu lực chính phương X $600 \times 600$
Dầm phụ phương X Chia nhỏ các ô bản sàn phương X $600 \times 300$
Dầm chính phương Y Khung trục chịu lực chính phương Y $800 \times 600$
Dầm phụ phương Y Chia nhỏ các ô bản sàn phương Y $600 \times 300$
Dầm phụ chuyên biệt Khu vực chiếu nghỉ cầu thang, sàn WC $200 \times 400$

Tác giả đã lập bảng phân tích so sánh 4 giải pháp kết cấu sàn:

Phương án sàn Ưu điểm Nhược điểm
1. Sàn sườn toàn khối bê tông cốt thép (dầm chính - dầm phụ) Lý thuyết và kinh nghiệm tính toán hoàn thiện; thi công đơn giản; công nghệ và thiết bị thi công phổ biến trong nước; chất lượng kiểm soát tốt. Chiều cao dầm và độ võng bản lớn khi vượt nhịp; hệ dầm phụ làm giảm chiều cao thông thủy hoặc buộc phải nâng cao tầng; tốn ván khuôn và nhân công.
2. Sàn có hệ dầm trực giao Chia nhỏ bản sàn thành các ô vuông góc nhịp bé (khoảng cách dầm $\approx 3$ m); dầm chính có thể làm dầm bẹt tiết kiệm chiều cao phòng. Khối lượng thi công cốt pha phức tạp; mật độ dầm dày đặc làm tăng tải trọng và khó bố trí đường ống kỹ thuật.
3. Sàn phẳng BTCT ứng lực trước không dầm Chiều cao kết cấu nhỏ giúp giảm chiều cao tổng thể công trình; không gian thoáng, dễ phân chia kiến trúc; tiến độ thi công nhanh (6 - 7 ngày/1 tầng/1000 $\text{m}^2$). Yêu cầu công nghệ thi công cáp ứng lực chuyên dụng, kiểm soát ứng suất nghiêm ngặt và chi phí vật tư đặc chủng cao.
4. Sàn BTCT ứng lực trước hai phương trên dầm Tăng độ ổn định cho bản sàn; mô hình tính toán quen thuộc, tin cậy hơn so với sàn phẳng trên cột. Chi phí vật liệu thi công hệ dầm đổ toàn khối với sàn lớn; vẫn chịu các nhược điểm công nghệ của bê tông ứng lực trước.

Căn cứ vào điều kiện mặt bằng và năng lực thi công, tác giả chọn phương án sàn sườn toàn khối bê tông cốt thép đổ tại chỗ với chiều dày bản sàn $h_s = 15\text{ cm}$, đáp ứng công thức kiểm tra độ võng $(1/40 \div 1/45)L$.

Nội dung chính theo từng chương

Phần 1: Kiến trúc công trình

Phần này trình bày sự cần thiết đầu tư xây dựng trụ sở Viễn thông Hải An tại đường Lê Hồng Phong; xác định quy mô mặt bằng 36,0 m × 27,3 m và tổng chiều cao 54,9 m gồm 15 tầng nổi, 1 tầng hầm. Tác giả thiết lập dây chuyền công năng theo chiều đứng, bố trí các hệ thống kỹ thuật MEP (thang máy, thang bộ, điện, máy phát dự phòng, cấp thoát nước và trạm xử lý nước thải, mạng lưới cảm biến báo cháy và chữa cháy).

Đồng thời, chương này tổng hợp điều kiện tự nhiên tại Hải Phòng:

  • Khí hậu: Thuộc vùng nhiệt đới gió mùa, trung bình có 114 ngày mưa/năm. Phân hóa rõ rệt thành hai mùa: mùa nóng kéo dài từ tháng 5 đến tháng 9 (mưa nhiều, nhiệt độ trung bình 29°C); mùa đông từ tháng 11 đến tháng 3 năm sau (nhiệt độ trung bình 18,6°C); hai tháng chuyển mùa là tháng 4 và tháng 10.
  • Địa chất công trình: Kết quả khảo sát địa chất cung cấp mặt cắt nền gồm 8 lớp đất đá:
    • Lớp 1: Đất lấp gồm sét, cát, gạch đá vụn.
    • Lớp 2: Sét pha xám màu đen, trạng thái dẻo chảy, bề dày 3,8 m.
    • Lớp 3: Sét màu xám đen, trạng thái dẻo chảy, bề dày 13,0 m.
    • Lớp 4: Sét màu xám đen, trạng thái dẻo mềm.
    • Lớp 5: Sét màu xám xanh, bề dày 2,7 m.
    • Lớp 6: Sét màu xám đen, trạng thái dẻo cứng, bề dày 3,0 m.
    • Lớp 7: Cát hạt vừa, màu xám vàng, bề dày 2,0 m.
    • Lớp 8: Cát pha màu xám, trạng thái cứng, bề dày 8,0 m.

Phần 2: Kết cấu công trình

Phần này tập trung phân tích và lựa chọn giải pháp kết cấu chịu lực cho công trình cao 54,9 m. Tác giả đề xuất hệ thống khung - vách BTCT toàn khối, xác lập kích thước sơ bộ dầm chính phương X ($600 \times 600\text{ mm}$), dầm chính phương Y ($800 \times 600\text{ mm}$), dầm phụ ($600 \times 300\text{ mm}$), dầm chiếu nghỉ và WC ($200 \times 400\text{ mm}$).

Chương đi sâu so sánh 4 giải pháp kết cấu sàn, lựa chọn sàn sườn BTCT đổ tại chỗ dày $h_s = 15\text{ cm}$. Trong quy trình tính toán tải trọng, tác giả sử dụng phần mềm ETABS để mô hình hóa kết cấu chịu lực, tận dụng tính năng tự động tính toán trọng lượng bản thân cấu kiện BTCT sàn mái và thiết lập phương pháp gán tĩnh tải hoàn thiện cùng các tổ hợp tải trọng tác động.

Phần 3: Công nghệ và tổ chức xây dựng

Nội dung phần này được tác giả định danh trong đề cương nhiệm vụ của đồ án tốt nghiệp, hướng tới việc lập kế hoạch công nghệ thi công và tổ chức mặt bằng xây lắp cho khối công trình 15 tầng nổi và 1 tầng hầm trên nền đất yếu tại đô thị Hải Phòng.

Kết quả và đóng góp

Đồ án hoàn thành các nội dung kỹ thuật chính sau:

  • Xác lập bản vẽ thiết kế kiến trúc hoàn chỉnh cho công trình Viễn thông Hải An với diện tích xây dựng trên mặt bằng $36\text{ m} \times 27,3\text{ m}$, quy mô 1 tầng hầm (-3,3 m) và 15 tầng nổi, đạt tổng chiều cao 54,9 m. Phân chia khoa học các khu vực chức năng gồm sảnh giao dịch, hội trường, phòng máy thiết bị viễn thông và văn phòng cho thuê.
  • Đề xuất giải pháp kết cấu kháng chấn và chịu gió động phù hợp cho công trình vượt ngưỡng 40 m bằng hệ khung bê tông cốt thép liên kết vách cứng lõi thang máy.
  • Đưa ra bảng quy cách tiết diện dầm khung trực giao: dầm chính X ($600 \times 600\text{ mm}$), dầm chính Y ($800 \times 600\text{ mm}$), dầm phụ ($600 \times 300\text{ mm}$) và dầm WC ($200 \times 400\text{ mm}$).
  • Chứng minh và lựa chọn bản sàn sườn toàn khối dày 15 cm thay thế cho phương án sàn không dầm ứng lực trước dựa trên điều kiện kinh tế, khả năng làm chủ kỹ thuật và mức độ tin cậy của phương pháp tính toán.
  • Khai thác công cụ tính toán ETABS trong thiết kế kết cấu nhà nhiều tầng, tối ưu hóa công tác xác định tĩnh tải sàn và lập mô hình khung không gian.
  • Về mặt đóng góp: Đồ án là công trình thiết kế tốt nghiệp tổng hợp, hệ thống hóa toàn diện khối kiến thức chuyên ngành Xây dựng Dân dụng sau 4,5 năm đào tạo tại Đại học Hàng hải, đồng thời cung cấp hồ sơ tham chiếu thiết kế thực tế gắn liền với điều kiện địa chất trầm tích ven biển (có lớp sét dẻo chảy dày tới 13 m) và khí hậu nhiệt đới gió mùa tại thành phố Hải Phòng.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

  • Hạn chế: Theo tự nhận định của tác giả Lê Hoàng Phú, do năng lực kiến thức còn hữu hạn và chưa có trải nghiệm thực tế công trường nên hồ sơ tính toán khó tránh khỏi những thiếu sót nhất định. Về phạm vi trình bày trong phần văn bản, đồ án tập trung chủ yếu vào phần kiến trúc và xác định sơ bộ cấu kiện dầm - sàn, chưa thể hiện chi tiết kết quả tính cốt thép cho từng cấu kiện cột, dầm, vách cũng như phương án tính toán móng cọc sâu qua các lớp địa chất yếu (Lớp 2 và Lớp 3 dày 16,8 m dẻo chảy).
  • Hướng phát triển tiếp:
    • Triển khai tính toán chi tiết cốt thép dầm, cột, vách lõi chịu tác động của tải trọng gió động và động đất từ mô hình ETABS.
    • Thiết kế phương án móng sâu (móng cọc khoan nhồi hoặc cọc ép BTCT) đặt vào tầng địa chất tốt (Lớp 7 cát hạt vừa hoặc Lớp 8 cát pha trạng thái cứng) để xử lý triệt để bài toán lún cho tòa nhà 15 tầng.
    • Hoàn thiện biện pháp kỹ thuật thi công hố đào sâu cho tầng hầm (-3,3 m) trong điều kiện đất dẻo chảy bão hòa nước và mật độ xây dựng đô thị cao.

Giá trị tham khảo

Đồ án tốt nghiệp "Viễn thông Hải An – 15T" là tài liệu học thuật hữu ích cho:

  • Sinh viên ngành Kỹ thuật Xây dựng, Xây dựng Dân dụng và Công nghiệp, Kiến trúc công trình tại các trường đại học kỹ thuật tham khảo làm mẫu đồ án tốt nghiệp kỹ sư.
  • Người làm đồ án tham khảo quy trình phân tích lựa chọn phương án kết cấu sàn, cách thiết lập kích thước sơ bộ dầm chính, dầm phụ và công thức chọn chiều dày sàn sườn ($h_s = 15\text{ cm}$).
  • Tham khảo số liệu khảo sát địa chất thực tế 8 lớp tại khu vực quận Ngô Quyền - Hải An và các thông số khí tượng Hải Phòng phục vụ bài toán thiết kế nền móng và tải trọng gió cho công trình cao tầng ven biển.

Câu hỏi thường gặp

1. Công trình Viễn thông Hải An có quy mô hình học và diện tích chiếm đất như thế nào?
Công trình có kích thước mặt bằng hai phương là 36,0 m × 27,3 m. Tòa nhà gồm 15 tầng nổi và 1 tầng hầm (cao độ -3,3 m), tổng chiều cao tính từ cốt ±0,00 đến đỉnh mái là 54,9 m.

2. Địa chất dưới móng công trình có những đặc tính kỹ thuật gì đáng lưu ý?
Theo kết quả báo cáo địa chất, địa tầng dưới móng gồm 8 lớp đất đá, trong đó có hai lớp đất rất yếu nằm ở phía trên: Lớp 2 là sét pha xám màu đen dẻo chảy dày 3,8 m và Lớp 3 là sét màu xám đen dẻo chảy dày tới 13,0 m. Các lớp chịu lực tốt hơn nằm sâu phía dưới như Lớp 6 (sét dẻo cứng dày 3 m), Lớp 7 (cát hạt vừa dày 2 m) và Lớp 8 (cát pha trạng thái cứng dày 8 m).

3. Tác giả đã xem xét những phương án sàn nào và vì sao lại chọn sàn sườn toàn khối?
Tác giả đã lập so sánh giữa 4 phương án: sàn sườn BTCT toàn khối, sàn dầm trực giao, sàn phẳng BTCT ứng lực trước không dầm và sàn ứng lực trước hai phương trên dầm. Phương án sàn sườn toàn khối được chọn vì lý thuyết tính toán hoàn thiện, công nghệ thi công phổ biến, sẵn có thiết bị và nhân lực thi công trong nước, đảm bảo chất lượng và độ an toàn kỹ thuật cao cho công trình.

4. Kích thước tiết diện các cấu kiện dầm khung được chỉ định sơ bộ là bao nhiêu?
Tiết diện dầm chính phương X là $600 \times 600\text{ mm}$; dầm chính phương Y là $800 \times 600\text{ mm}$; dầm phụ theo cả hai phương X và Y là $600 \times 300\text{ mm}$; dầm đỡ chiếu nghỉ cầu thang và khu vực vệ sinh (WC) là $200 \times 400\text{ mm}$.

5. Tại sao hệ vách cứng đóng vai trò xung yếu trong giải pháp kết cấu của tòa nhà này?
Vì công trình có chiều cao 54,9 m (lớn hơn ngưỡng 40 m), theo nguyên lý tính toán khí động lực học thì tải trọng gió bắt buộc phải xét thêm thành phần động. Do đó, hệ vách cứng bố trí bao quanh tầng hầm và thang máy tạo thành lõi cứng trung tâm giúp tăng cường khả năng chịu tải trọng ngang và ổn định không gian cho tòa nhà.

Kết luận

Đồ án tốt nghiệp "Viễn thông Hải An – 15T" của sinh viên Lê Hoàng Phú đã giải quyết đồng bộ nhiệm vụ thiết kế một công trình nhà làm việc cao 54,9 m phục vụ ngành viễn thông tại thành phố Hải Phòng. Đề tài tích hợp chặt chẽ giữa tổ chức không gian kiến trúc hỗn hợp, phân tích điều kiện tự nhiên - địa chất đặc trưng và đề xuất giải pháp kết cấu khung - vách bê tông cốt thép toàn khối đi kèm sàn sườn dày 15 cm. Đây là sản phẩm học thuật hoàn chỉnh thể hiện năng lực vận dụng kiến thức chuyên môn xây dựng dân dụng vào một dự án công trình cao tầng có quy mô kỹ thuật cụ thể.