Tổng quan luận án

Luận án tiến sĩ kỹ thuật với đề tài "Nghiên cứu giải pháp kỹ thuật nâng cao hiệu quả công tác trắc địa trong thi công công trình nhà siêu cao tầng ở Việt Nam" do nghiên cứu sinh Diêm Công Trang thực hiện tại Trường Đại học Mỏ - Địa chất, dưới sự hướng dẫn khoa học của PGS.TS Trần Viết Tuấn và PGS.TS Nguyễn Quang Thắng. Luận án thuộc ngành Kỹ thuật Trắc địa - Bản đồ, mã số 9520503, bảo vệ năm 2021.

Trong bối cảnh đô thị hóa tại Việt Nam, sự gia tăng của các công trình nhà cao tầng và nhà siêu cao tầng (được phân loại theo Ủy ban Nhà cao tầng Quốc tế là các công trình từ 40 tầng trở lên, chiều cao H > 100 m) đặt ra yêu cầu kỹ thuật nghiêm ngặt về việc bảo đảm độ thẳng đứng của kết cấu. Các công trình tiêu biểu như The Landmark 81 (81 tầng, 461,2 m), Keangnam Hanoi Landmark Tower (72 tầng, 336 m), Lotte Center Hà Nội (65 tầng, 267 m) đòi hỏi hệ thống trục công trình phải được chuyền liên tục từ mặt đất và mặt bằng móng lên các sàn thi công mới (n ≥ 40 tầng). Tuy nhiên, các sàn thi công ở độ cao lớn không cố định mà chịu dao động phức tạp do áp lực gió, bức xạ nhiệt mặt trời, tải trọng cẩu tháp, rung chấn thi công và biến dạng nền móng. Biên độ dao động của khối xây ở các tầng cao có thể đạt tới đơn vị mét và không có quy luật chung, khiến việc sử dụng các phương pháp chuyền trục truyền thống (dây dọi ngược, máy kinh vĩ, máy toàn đạc điện tử, máy chiếu đứng quang học hay laze) hoặc phương pháp đo tĩnh GNSS bộc lộ nhiều hạn chế về thời gian thao tác (thời gian dành cho trắc địa sau khi đổ bê tông sàn chỉ khoảng 2–3 giờ), góc ngắm nghiêng và sự tích lũy sai số.

Khoảng trống nghiên cứu mà luận án xác định là sự thiếu hụt một giải pháp kỹ thuật trắc địa đồng bộ, kết hợp giữa công nghệ định vị vệ tinh động thời gian thực (GNSS - RTK) và máy toàn đạc điện tử (TĐĐT), cùng quy trình tính toán tự động hóa tại hiện trường có khả năng khử ảnh hưởng dao động của sàn để xác định vị trí tức thời các điểm trục chính trong điều kiện thi công ở Việt Nam.

Mục tiêu nghiên cứu của luận án là: Xác lập cơ sở khoa học và phương pháp luận xây dựng giải pháp kỹ thuật trắc địa nhằm nâng cao hiệu quả và độ chính xác thi công nhà siêu cao tầng ở Việt Nam.

Nội dung nghiên cứu của luận án được xác định gồm 3 nhiệm vụ:

  1. Khảo sát ảnh hưởng của các yếu tố tác động của môi trường bên ngoài (nhiệt độ, gió...), và tải trọng của các vật liệu xây dựng, gây ra hiện tượng dao động của công trình nhà siêu cao tầng trong không gian và theo thời gian trong quá trình thi công.
  2. Nghiên cứu sử dụng công nghệ GNSS - RTK kết hợp với máy TĐĐT để xác định toạ độ tức thời của các điểm trục chính trên các sàn thi công dùng để bố trí khi thi công nhà siêu cao tầng.
  3. Nghiên cứu các giải pháp kỹ thuật trắc địa nhằm xác định và bố trí hệ trục công trình trên các sàn thi công nhà siêu cao tầng đảm bảo yêu cầu thiết kế.

Đối tượng nghiên cứu là công tác trắc địa trong thi công nhà siêu cao tầng ở Việt Nam. Phạm vi nghiên cứu tập trung vào các giải pháp kỹ thuật bảo đảm độ chính xác thi công phần thân công trình nhà siêu cao tầng chịu ảnh hưởng dao động; ứng dụng các trang thiết bị đo đạc hiện có tại Việt Nam; kiểm nghiệm thực tế tại dự án tháp V3 (50 tầng) chung cư The Terra - An Hưng (Hà Đông, Hà Nội) và dự án Golden Park Tower.

Tổng quan tài liệu và vị trí của luận án

Luận án đã tổng hợp các hướng nghiên cứu liên quan đến dao động kết cấu công trình và công tác trắc địa phục vụ xây dựng nhà cao tầng, siêu cao tầng:

Về nghiên cứu dao động công trình do yếu tố môi trường, văn bản trích dẫn công trình nghiên cứu của PGS.TS Nguyễn Quang Tác (năm 2004) tại tháp Ostankino (Moskva, Nga). Kết quả nghiên cứu lý thuyết và thực nghiệm cho thấy quỹ đạo chuyển động ngày đêm của tháp dưới tác động của nhiệt độ không khí, bức xạ mặt trời và tốc độ gió có dạng đường cong elip kéo dài theo hướng Đông - Tây, với các thông số elip phụ thuộc vào chiều cao tháp và chuyển động của mặt trời. Từ đó, tác giả Nguyễn Quang Tác đã đề xuất phương pháp tính số hiệu chỉnh hoàn nguyên về góc và khoảng cách để xác định vị trí thực của trục tháp hình tròn. Luận án cũng viện dẫn tài liệu quốc tế (nguồn trích dẫn số [54]) về phân loại chuyển động nhà siêu cao tầng thành ba nhóm: chuyển động dài hạn (lún không đều, biến dạng móng, trình tự xây dựng 5–7 ngày/tầng, co ngót và từ biến của bê tông); chuyển động hàng ngày (hiệu ứng mặt trời làm chênh lệch 10°C có thể gây chuyển vị đỉnh sàn bê tông tới 150 mm trong 6 giờ, tương đương 25 mm/h); chuyển động động chu kỳ ngắn từ 10 giây đến 15 phút (chu kỳ dao động tự nhiên 10–11 giây tạo quỹ đạo elip không đều, dao động do gió và tải trọng cẩu nâng thả vật liệu từ 5–15 phút).

Về hệ thống tiêu chuẩn kỹ thuật, luận án căn cứ vào TCVN 2737-1995 (Tải trọng và tác động) để xác định thành phần tĩnh và thành phần động của tải trọng gió tác dụng lên công trình có chiều cao trên 40 m; TCVN 9360:2012 quy định quy trình quan trắc biến dạng công trình (quan trắc lún theo các giai đoạn 25%, 50%, 75%, 100% tải trọng và tối thiểu 12 tháng khai thác đầu tiên); các tiêu chuẩn hạn sai thi công trắc địa theo quy định xây dựng hiện hành.

Về phương pháp chuyền trục lên cao, các công trình trước đây tập trung vào: phương pháp dây dọi ngược (dùng dây invar và phao nâng); phương pháp dùng mặt phẳng ngắm của máy kinh vĩ; phương pháp dùng máy toàn đạc điện tử đặt ngoài công trình; phương pháp chiếu đứng quang học hoặc laze (máy PZL, DZJ2); và phương pháp đo GNSS tĩnh. Điểm hạn chế chung của các giải pháp này là không đáp ứng được tính tức thời khi sàn thi công bị rung lắc, hoặc đòi hỏi thời gian đo kéo dài, không phù hợp tiến độ thi công ván khuôn trượt. Luận án định vị hướng tiếp cận mới: kết hợp máy thu GNSS - RTK xác định tọa độ động tức thời của các điểm trên sàn, sử dụng thuật toán lọc Kalman để khử dao động ngẫu nhiên, phối hợp với máy toàn đạc điện tử thực hiện giao hội nghịch tự do, xử lý tự động hóa bằng phần mềm chuyên dụng.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Luận án dựa trên các cơ sở lý thuyết chuyên ngành:

  • Lý thuyết tải trọng và tác động môi trường theo TCVN 2737-1995: Thành phần tĩnh của tải trọng gió được tính theo công thức $W = W_0 \cdot k \cdot c$ (với $W_0$ là áp lực gió theo phân vùng, $k$ là hệ số thay đổi theo độ cao và dạng địa hình, $c$ là hệ số khí động). Khi công trình có chiều cao $H > 40\text{ m}$, thành phần động của gió phụ thuộc vào chu kỳ dao động riêng tính gần đúng theo $T = 0{,}021H$. Tác động nhiệt gây giãn nở bê tông cục bộ theo hướng chiếu xạ của mặt trời.
  • Lý thuyết phân loại công trình nhà cao tầng của Ủy ban Nhà cao tầng Quốc tế: Nhóm 1 (9–16 tầng, $H < 50\text{ m}$); Nhóm 2 (17–25 tầng, $H < 75\text{ m}$); Nhóm 3 (26–40 tầng, $H < 100\text{ m}$); Nhóm 4 (từ 40 tầng trở lên, $H > 100\text{ m}$, gọi là nhà siêu cao tầng).
  • Cơ sở lý thuyết định vị vệ tinh và trắc địa công trình: Định vị động thời gian thực GNSS - RTK; lý thuyết phép lọc Kalman (Kalman filter) trong việc lọc nhiễu tọa độ thời gian thực để tách chuyển dịch dao động và xác định tọa độ tĩnh trung bình; giải thuật tính chuyển tọa độ giữa hệ tọa độ không gian WGS-84 và hệ tọa độ trắc địa thi công công trình; khảo sát ảnh hưởng độ nghiêng của sàn thi công $\gamma$ tại thời điểm đo $t_i$; phương pháp giao hội nghịch góc - cạnh tự do bằng máy toàn đạc điện tử.

Phương pháp nghiên cứu thực tế bao gồm:

  • Phương pháp thống kê: Thu thập, tổng hợp quy chuẩn kỹ thuật, tiêu chuẩn xây dựng và tài liệu công trình nhà siêu cao tầng trong và ngoài nước.
  • Phương pháp phân tích và toán học: Thiết lập công thức toán học tính chuyển tọa độ, sơ đồ khối lọc Kalman, giải bài toán giao hội nghịch và tính các yếu tố bố trí (góc cực $\beta$, khoảng cách $S$).
  • Phương pháp so sánh: Đánh giá sai số trung phương và ưu nhược điểm giữa các phương pháp chuyền trục cổ điển với công nghệ GNSS - RTK.
  • Phương pháp thực nghiệm: Tổ chức đo đạc thực tế theo 4 bước thực nghiệm (đo kiểm tra thời gian thu tín hiệu RTK 1 phút và 5 phút; đo kiểm tra chuyển dịch dao động; đo thử nghiệm mô hình kết hợp máy TĐĐT và phần mềm Super HBDV 1.0; đo thực tế tại công trình 50 tầng The Terra - An Hưng và Golden Park Tower).
  • Phương pháp ứng dụng tin học: Lập trình phát triển chương trình máy tính chuyên dụng Super HBDV 1.0.
  • Phương pháp chuyên gia: Tham vấn ý kiến các nhà khoa học của Trường Đại học Mỏ - Địa chất và các kỹ sư thực tế tại Viện Khoa học Công nghệ Xây dựng (Bộ Xây dựng).

Nguồn tư liệu và dữ liệu gồm: máy thu GNSS Trimble R8S tích hợp gương phản xạ 360°, hệ thống truyền dẫn 3G, máy toàn đạc điện tử độ chính xác cao, số liệu thiết kế và hệ thống mốc khống chế cơ sở tại các dự án The Terra - An Hưng và Golden Park Tower.

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1: Tổng quan về công tác trắc địa trong thi công nhà cao tầng và siêu cao tầng

Chương 1 hệ thống hóa lịch sử phát triển nhà siêu cao tầng trên thế giới từ các công trình ban đầu như Woolworth Building (241 m), Chrysler (319 m), Empire State (448 m), Sears Tower (442 m), Petronas (450 m), Taipei 101 (508 m) đến Burj Khalifa (828 m). Tại Việt Nam, các công trình quy mô lớn được tác giả thống kê như sau:

Tên công trình Số tầng Chiều cao (m)
The Landmark 81 81 461,2
Keangnam Hanoi Landmark Tower 72 336,0
Lotte Center Hà Nội 65 267,0
Bitexco Financial Tower (TP.HCM) 68 262,5
Vietcombank Tower (TP.HCM) 40 206,0
Saigon One Tower (TP.HCM) 42 195,3
Diamond Flower Tower (Hà Nội) 40 177,0

Về quy trình trắc địa, công tác định vị gồm: thành lập lưới khống chế ngoài nối với lưới Nhà nước; chuyển trục chính phục vụ thi công móng; bố trí chi tiết phần ngầm (cọc, đài móng); thành lập lưới khống chế chuyên dụng trên mặt bằng móng; chuyền tọa độ và độ cao lên các mặt bằng xây dựng; bố trí chi tiết kết cấu trên các tầng; đo hoàn công; quan trắc lún và nghiêng theo TCVN 9360:2012.

Về công nghệ thi công, các công trình siêu cao tầng sử dụng bê tông toàn khối cường độ cao kết hợp hệ ván khuôn trượt (cốp pha trượt) dẫn động thủy lực để đẩy nhanh tiến độ lên mức 5–7 ngày/tầng. Khi độ cao vượt 100 m, gió và sương mù hạn chế năng suất cần trục tháp (thường chỉ hoạt động 4–5 ngày/tuần), đòi hỏi công tác trắc địa phải được hoàn thành khẩn trương sau khi đổ sàn.

Chương này phân tích các hạn sai trắc địa theo tiêu chuẩn xây dựng quy định đối với chuyển trục và sai lệch kết cấu:

Độ chính xác yêu cầu chuyển trục công trình lên cao:

  • Chiều cao mặt bằng xây dựng $H < 15\text{ m}$: sai số trung phương chuyển trục theo phương thẳng đứng là $2\text{ mm}$.
  • Chiều cao $15\text{ m} \le H \le 60\text{ m}$: sai số $2{,}5\text{ mm}$.
  • Chiều cao $60\text{ m} < H \le 100\text{ m}$: sai số $3\text{ mm}$.
  • Chiều cao $100\text{ m} < H \le 120\text{ m}$: sai số $4\text{ mm}$.

Sai lệch cho phép về chuyền tọa độ lên các tầng thi công:

  • Mỗi tầng: $3\text{ mm}$.
  • Tổng chiều cao $H \le 30\text{ m}$: $5\text{ mm}$.
  • $30\text{ m} < H \le 60\text{ m}$: $10\text{ mm}$.
  • $60\text{ m} < H \le 90\text{ m}$: $15\text{ mm}$.
  • $90\text{ m} < H \le 120\text{ m}$: $20\text{ mm}$.
  • $120\text{ m} < H \le 150\text{ m}$: $25\text{ mm}$.
  • $H > 150\text{ m}$: $30\text{ mm}$.

Sai số cho phép theo chiều đứng trong thi công kết cấu bê tông cốt thép:

  • Trong một tầng ($< 5\text{ m}$): thân tường đổ tại chỗ là $8\text{ mm}$; khung vách lắp ghép, cốp pha trượt, cốp pha tấm lớn là $5\text{ mm}$. Tầng $> 5\text{ m}$: thân tường đổ tại chỗ và khung vách lắp ghép là $10\text{ mm}$.
  • Toàn bộ chiều cao công trình ($H$): không vượt quá $H/1000$ (giới hạn tối đa không quá $30\text{ mm}$ đối với thân tường đổ tại chỗ và cốp pha trượt; không quá $20\text{ mm}$ đối với khung vách lắp ghép; không quá $50\text{ mm}$ đối với cốp pha tấm lớn).

Tác giả phân tích hạn chế của các phương pháp chuyền trục cổ điển: phương pháp dọi ngược phức tạp trong việc chế tạo và duy trì lỗ thông sàn; phương pháp ngắm bằng máy kinh vĩ bị giới hạn bởi góc nghiêng tia ngắm (không quá 45°); phương pháp máy toàn đạc điện tử đặt ngoài bị suy giảm độ chính xác khi tia ngắm quá dốc; phương pháp chiếu đứng quang học/laze (PZL, DZJ2) suy giảm độ chính xác theo độ cao theo công thức $m = \pm(1 + 0{,}1H)\text{ mm}$, đồng thời khi sàn thi công dao động, điểm chiếu bị rung lắc liên tục khiến thao tác đọc số trên paletka không thể thực hiện chính xác; phương pháp đo tĩnh GNSS mất nhiều giờ đo và xử lý nội nghiệp, không đáp ứng được yêu cầu thời gian 2–3 giờ tại công trường.

Chương 2: Nghiên cứu giải pháp kỹ thuật công tác trắc địa trong thi công nhà siêu cao tầng ở Việt Nam

Chương 2 trình bày giải pháp kỹ thuật kết hợp công nghệ GNSS - RTK và máy toàn đạc điện tử.

Nguyên lý của giải pháp: Đặt một trạm máy thu tĩnh (trạm Base - BS) tại điểm gốc ổn định ở mặt đất hoặc công trình lân cận ngoài vùng ảnh hưởng dao động. Trên sàn thi công đang dịch chuyển (hoặc trên sàn cốp pha trượt), lắp đặt ít nhất hai trạm máy thu di động (Rover) có gắn kèm gương phản xạ 360°. Tín hiệu hiệu chỉnh vi phân được truyền từ trạm Base đến các Rover qua sóng 3G. Các trạm Rover xác định tọa độ không gian tức thời tại thời điểm đo $t_i$. Máy toàn đạc điện tử (đặt tại trạm máy $M$ bất kỳ trên sàn thi công) tiến hành ngắm chuẩn đồng thời tới các gương 360° tại các Rover để đo góc và khoảng cách, giải bài toán giao hội nghịch tự do nhằm xác định tọa độ tức thời của trạm máy $M$. Từ trạm $M$, máy toàn đạc bố trí các điểm trục chính và trục chi tiết của công trình lên mặt sàn.

Để giải quyết vấn đề dao động sàn làm sai lệch vị trí mốc, luận án đề xuất các giải pháp nâng cao độ chính xác:

  1. Ứng dụng phép lọc Kalman (Kalman filter): Số liệu tọa độ thu nhận liên tục từ máy thu GNSS - RTK được đưa vào thuật toán lọc Kalman nhiều bước nhằm lọc bỏ các thành phần tần số dao động ngẫu nhiên do gió và cẩu tháp gây ra, trích xuất tọa độ cân bằng của điểm trục.
  2. Khảo sát ảnh hưởng độ nghiêng của sàn thi công ($\gamma$): Tính toán số hiệu chỉnh chuyển đổi vị trí điểm do sàn bị nghiêng cục bộ tại thời điểm đo $t_i$.
  3. Thuật toán tính chuyển tọa độ: Thiết lập công thức biến đổi affine hoặc Helmert để chuyển đổi trực tiếp tọa độ không gian WGS-84 đo được từ vệ tinh sang hệ tọa độ phẳng phục vụ thi công công trình.
  4. Kiểm tra tính ổn định của trạm Base: Thiết lập quy trình quan trắc kiểm tra mốc trạm Base trước và sau mỗi ca đo để bảo đảm không bị ảnh hưởng bởi tải trọng công trường.

Luận án chuẩn hóa quy trình sử dụng giải pháp qua các bước: thành lập lưới khống chế ngoài; kiểm tra móng; kiểm tra hệ thống trục trên mặt móng; chuyển các trục lên cao trong các chu kỳ thi công; bố trí chi tiết; đo vẽ hoàn công và quan trắc chuyển dịch biến dạng. Luận án cũng mở rộng ứng dụng giải pháp cho công tác kiểm tra, giám sát nghiệm thu hình học nhà cao tầng.

Chương 3: Nghiên cứu xây dựng thuật toán và chương trình máy tính phục vụ công tác trắc địa trong thi công nhà siêu cao tầng ở Việt Nam

Chương 3 trình bày cấu trúc thuật toán và quá trình xây dựng phần mềm máy tính chuyên dụng mang tên Super HBDV 1.0.

Sơ đồ khối của chương trình bao gồm:

  • Modul cài đặt hệ tọa độ: Nhập các tham số ellipsoid, kinh tuyến trục, độ cao mặt chiếu và các tham số tính chuyển hệ tọa độ công trình.
  • Modul cài đặt tham số đo GNSS - RTK: Thiết lập cổng giao tiếp (COM/IP), tần số thu nhận dữ liệu, cấu hình trạm Base và trạm Rover.
  • Modul nhận dữ liệu trực tuyến: Thu nhận chuỗi số liệu NMEA-0183 và chuỗi tọa độ RTK thời gian thực từ các trạm Rover gắn gương 360°.
  • Modul xử lý lọc Kalman: Tự động chạy thuật toán lọc Kalman để khử nhiễu dao động cho chuỗi tọa độ thu được từ các Rover.
  • Modul trạm máy toàn đạc điện tử và số liệu đo góc cạnh: Nhập dữ liệu đo góc ngang, góc đứng, khoảng cách nghiêng từ máy toàn đạc điện tử tại trạm $M$ tới các gương 360°.
  • Modul giải bài toán giao hội nghịch: Tự động tính toán bình sai tọa độ trạm máy $M$ trong hệ tọa độ thi công.
  • Modul tính toán yếu tố bố trí công trình: So sánh tọa độ trạm máy $M$ với danh sách tọa độ các điểm trục thiết kế, tự động xuất ra các góc cực $\beta$ và khoảng cách ngang $S$ cần quay máy và đo đặt ngoài thực địa.

Giao diện chương trình được thiết kế trực quan, cho phép hiển thị tức thời kết quả tính toán trên màn hình máy tính hiện trường, giúp kỹ sư trắc địa xuất trực tiếp yếu tố bố trí cho máy toàn đạc điện tử mà không cần xử lý thủ công qua bảng tính.

Chương 4: Một số kết quả đo đạc và tính toán thực nghiệm

Chương 4 kiểm chứng giải pháp qua các thực nghiệm cụ thể:

Thực nghiệm 1: Khảo sát độ chính xác định vị điểm bằng GNSS - RTK với thời gian thu tín hiệu 1 phút và 5 phút. Kết quả khẳng định việc tăng thời gian đo tích lũy từ 1 phút lên 5 phút giúp cải thiện độ ổn định của tọa độ điểm mốc và giảm sai số trung phương trong điều kiện không gian mở trên đỉnh công trình.

Thực nghiệm 2: Khảo sát độ chính xác phát hiện chuyển dịch do dao động của nhà siêu cao tầng bằng GNSS - RTK. Mạng lưới đo thực nghiệm mô phỏng các biên độ dao động khác nhau cho thấy thiết bị GNSS - RTK thu nhận được các chuyển dịch ngang tức thời, làm cơ sở đầu vào cho thuật toán lọc Kalman.

Thực nghiệm 3: Đánh giá độ tin cậy và độ chính xác của hệ thống tích hợp GNSS - RTK kết hợp máy TĐĐT và phần mềm Super HBDV 1.0 trên mô hình thực nghiệm. Tác giả tiến hành đo theo 2 phương án giao hội nghịch trạm máy $M$. Kết quả so sánh giữa tọa độ thiết kế và tọa độ đo kiểm tra, cũng như so sánh giữa góc $\beta$ và cự ly $S$ đo thực tế với tính toán lý thuyết cho thấy sai lệch nằm trong giới hạn sai số cho phép của tiêu chuẩn thi công.

Thực nghiệm 4: Ứng dụng giải pháp tại công trình thực tế tháp V3 (50 tầng) thuộc dự án chung cư The Terra - An Hưng (Hà Đông, TP. Hà Nội). Tác giả thiết lập hệ thống lưới khống chế cơ sở mặt bằng, đặt trạm Base ở mặt đất, bố trí 2 trạm Rover dùng máy thu Trimble R8S gắn gương 360° kết nối 3G trên sàn thi công tầng cao, đặt máy toàn đạc điện tử tại trạm $M$ trên sàn. Dữ liệu từ GNSS - RTK và số liệu ngắm máy toàn đạc được truyền trực tiếp vào phần mềm Super HBDV 1.0. Các điểm trục công trình sau khi bố trí ra mặt sàn được đo kiểm tra độc lập; sai lệch vị trí điểm trục đều đạt hạn sai theo quy định (nhỏ hơn hạn sai $\pm 5\text{ mm}$ của tầng thi công).

Thực nghiệm bổ sung: Ứng dụng thử nghiệm phần mềm Super HBDV 1.0 tại dự án Golden Park Tower. Kết quả tính chuyển hệ tọa độ, tính số liệu giao hội trạm máy TĐĐT và bố trí các trục chi tiết tại công trình này tiếp tục xác nhận tính ổn định và mức độ tin cậy của thuật toán và phần mềm.

Kết quả và những đóng góp mới

Luận án đã chứng minh ba luận điểm bảo vệ:

  • Luận điểm 1: Do ảnh hưởng của các yếu tố ngoại cảnh và trọng tải công trình, toàn bộ hay từng phần của công trình nhà siêu cao tầng bị dao động tương đối lớn và không có quy luật chung, đòi hỏi phải có giải pháp kỹ thuật phù hợp để nâng cao hiệu quả và độ chính xác trắc địa.
  • Luận điểm 2: Giải pháp kỹ thuật sử dụng công nghệ GNSS - RTK kết hợp với máy toàn đạc điện tử đề xuất trong luận án cho phép xác định vị trí tức thời các điểm trên sàn xây dựng với độ chính xác đáp ứng tiêu chuẩn thi công nhà siêu cao tầng.
  • Luận điểm 3: Chương trình máy tính Super HBDV 1.0 sử dụng cho hệ thống GNSS - RTK và máy toàn đạc điện tử cho phép tự động hóa quá trình xử lý số liệu trắc địa nhằm nâng cao hiệu quả phục vụ thi công nhà siêu cao tầng.

Những điểm mới của luận án:

  • Đề xuất giải pháp kỹ thuật sử dụng công nghệ GNSS - RTK kết hợp máy toàn đạc điện tử và gương phản xạ 360° để bố trí công trình đáp ứng yêu cầu kỹ thuật trong thi công nhà siêu cao tầng ở Việt Nam.
  • Nghiên cứu các giải pháp nâng cao độ chính xác định vị bằng việc ứng dụng thuật toán lọc Kalman xử lý chuỗi số liệu động GNSS - RTK, khảo sát số hiệu chỉnh độ nghiêng sàn và thuật toán tính chuyển tọa độ về hệ tọa độ thi công công trình.
  • Xây dựng thuật toán và phát triển thành công phần mềm máy tính chuyên dụng Super HBDV 1.0 phục vụ ghép nối tín hiệu, tự động hóa tính toán bình sai và xuất các yếu tố bố trí trục ngay trên sàn thi công.

Về mặt thực tiễn, giải pháp rút ngắn thời gian đo đạc định vị trục sàn xuống dưới 2 giờ, đáp ứng tiến độ đổ bê tông và chu kỳ ván khuôn trượt của nhà thầu, đồng thời cung cấp phương pháp luận phục vụ công tác tư vấn giám sát và nghiệm thu chất lượng hình học nhà cao tầng.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Hạn chế của nghiên cứu:

  • Điều kiện quan trắc vệ tinh GNSS trên đỉnh các sàn thi công nhà siêu cao tầng chịu ảnh hưởng cục bộ bởi góc che khuất từ hệ ván khuôn trượt, kết cấu lõi vách đang dựng dở và cần trục tháp.
  • Quy mô công trình thực nghiệm cao nhất trong luận án là tháp V3 chung cư The Terra - An Hưng với chiều cao 50 tầng; các công trình có độ cao trên 70 tầng (như quy mô The Landmark 81 cao 81 tầng) chưa được trực tiếp đo đạc kiểm chứng trong giai đoạn nghiên cứu này.

Hướng nghiên cứu tiếp theo:

  • Hoàn thiện phần mềm Super HBDV 1.0 với các giao thức kết nối mở rộng, tương thích với nhiều dòng máy thu GNSS và máy toàn đạc điện tử của các hãng sản xuất khác nhau.
  • Tích hợp thêm các loại cảm biến độ nghiêng (tilt sensor) và cảm biến gia tốc để tự động hóa hoàn toàn việc bù góc nghiêng sàn và quan trắc dao động kết cấu liên tục theo thời gian thực.

Giá trị tham khảo

Luận án có giá trị tham khảo chuyên môn cho các nhóm đối tượng:

  • Nghiên cứu sinh, học viên cao học, sinh viên ngành Kỹ thuật Trắc địa - Bản đồ, Trắc địa công trình: Tham khảo cơ sở lý thuyết lọc Kalman trong xử lý số liệu trắc địa động, phương pháp định vị GNSS - RTK kết hợp toàn đạc điện tử và thuật toán giao hội tự do.
  • Giảng viên đại học: Sử dụng làm tài liệu giảng dạy chuyên đề Trắc địa công trình nhà cao tầng và siêu cao tầng, đo đạc thi công các kết cấu đặc biệt.
  • Kỹ sư trắc địa, chỉ huy trưởng công trường, nhà thầu thi công xây dựng: Tham khảo trực tiếp quy trình bố trí trục bằng trạm Rover gắn gương 360°, cách giải bài toán định vị trên sàn thi công ván khuôn trượt và ứng dụng phần mềm tự động hóa tính toán.
  • Kỹ sư tư vấn giám sát, cơ quan quản lý chất lượng công trình: Tham khảo phương pháp kiểm tra độ thẳng đứng, kiểm tra sai lệch trục cột, vách và kiểm định nghiệm thu hình học công trình nhiều tầng theo tiêu chuẩn hiện hành.

Các phần có giá trị tham khảo kỹ thuật cao gồm: Quy trình phối hợp thiết bị ở Chương 2, sơ đồ khối thuật toán ở Chương 3 và số liệu đo đạc thực nghiệm tại tháp V3 Terra - An Hưng ở Chương 4.

Câu hỏi thường gặp

1. Vì sao phương pháp dùng máy chiếu đứng quang học hoặc laze không còn hiệu quả khi thi công công trình từ 40 tầng trở lên? Khi chiều cao công trình vượt quá 100 m (từ 40 tầng trở lên), sai số tích lũy của máy chiếu đứng tăng dần theo công thức $m = \pm(1 + 0{,}1H)\text{ mm}$. Đồng thời, sàn thi công ở độ cao lớn luôn bị dao động với biên độ hàng centimet do gió và hoạt động cẩu tháp, khiến hình ảnh điểm chiếu trên paletka bị dịch chuyển liên tục không có quy luật, làm người đo không thể đọc số chính xác hoặc phải chờ đợi kéo dài, gây chậm tiến độ.

2. Nguyên lý kết hợp giữa máy thu GNSS - RTK và máy toàn đạc điện tử trong giải pháp của luận án là gì? Các trạm Rover GNSS - RTK được gắn kèm gương phản xạ 360° đặt tại các vị trí trên sàn thi công để xác định tọa độ không gian tức thời tại thời điểm đo thông qua tín hiệu cải chính từ trạm Base. Máy toàn đạc điện tử đặt tại một điểm tự do $M$ trên cùng mặt sàn sẽ đo góc và khoảng cách đồng thời tới các gương 360° này để giải bài toán giao hội nghịch tự do xác định tọa độ tức thời của trạm máy $M$, sau đó tiến hành bố trí các trục thiết kế lên mặt sàn.

3. Phép lọc Kalman được luận án ứng dụng nhằm mục đích gì? Phép lọc Kalman được tích hợp vào thuật toán xử lý dữ liệu động nhằm lọc bỏ các thành phần dao động ngẫu nhiên có tần số ngắn do tải trọng gió và hoạt động cơ giới gây ra cho sàn thi công, qua đó xác định được tọa độ vị trí cân bằng thực tế của các điểm mốc trên sàn.

4. Chương trình máy tính Super HBDV 1.0 có những chức năng chính nào? Super HBDV 1.0 có các phân hệ chính: kết nối trực tiếp cổng dữ liệu nhận chuỗi NMEA và tọa độ RTK từ các trạm Rover; tự động thực hiện phép lọc Kalman; giải bài toán tính chuyển hệ tọa độ từ WGS-84 sang hệ tọa độ thi công; tiếp nhận số liệu đo góc - cạnh từ máy toàn đạc để giải bài toán giao hội nghịch trạm máy; và tự động tính toán xuất các yếu tố bố trí (góc cực $\beta$, khoảng cách $S$) cho các điểm trục thiết kế.

5. Kết quả thực nghiệm tại tháp V3 dự án The Terra - An Hưng đạt độ chính xác như thế nào? Tại tháp V3 cao 50 tầng của dự án The Terra - An Hưng, giải pháp kỹ thuật tích hợp GNSS - RTK, máy toàn đạc điện tử và phần mềm Super HBDV 1.0 đã xác định tọa độ trạm máy và bố trí hệ trục thi công với sai lệch vị trí điểm trục nhỏ hơn hạn sai $\pm 5\text{ mm}$ theo quy định của tiêu chuẩn thi công kết cấu bê tông cốt thép, đồng thời hoàn thành công tác đo đạc trong khung thời gian quy định sau khi đổ bê tông sàn.

Kết luận

Luận án tiến sĩ của tác giả Diêm Công Trang đã giải quyết vấn đề kỹ thuật trắc địa trong thi công nhà siêu cao tầng tại Việt Nam trong điều kiện sàn công trình bị dao động do tải trọng gió và tác động nhiệt. Thông qua việc tích hợp công nghệ định vị GNSS - RTK với máy toàn đạc điện tử, ứng dụng phép lọc Kalman khử nhiễu dao động và phát triển chương trình máy tính chuyên dụng Super HBDV 1.0, nghiên cứu đã tự động hóa quy trình xác định tọa độ tức thời và bố trí hệ trục công trình tại hiện trường. Kết quả thực nghiệm trên mô hình và tại các công trình thực tế như dự án 50 tầng The Terra - An Hưng đã xác nhận tính đúng đắn, độ tin cậy và khả năng đáp ứng các tiêu chuẩn kỹ thuật xây dựng hiện hành.