Bối cảnh và nhiệm vụ thiết kế công trình
Đồ án tốt nghiệp "Nhà làm việc Công ty Thép Việt Đức" được thực hiện bởi sinh viên Đỗ Văn Sơn (lớp XD1801D, ngành Xây dựng dân dụng và công nghiệp, Trường Đại học Dân lập Hải Phòng) dưới sự hướng dẫn của PGS.TS. Đoàn Văn Duẩn và ThS. Nguyễn Tiến Thành vào năm 2019.
Công trình được thiết kế nhằm phục vụ nhu cầu làm việc và giao dịch của Công ty Thép Việt Đức tại địa bàn tỉnh Bắc Giang. Về quy mô xây dựng, công trình gồm 7 tầng với tổng chiều cao dưới 40 m:
- Tầng trệt: chiều cao 3,2 m, bố trí sảnh dẫn, lối vào và khu vực để xe.
- Tầng 1: chiều cao 4,3 m, phục vụ mục đích cho thuê mặt bằng thương mại.
- Tầng 2 đến tầng 6: chiều cao tầng điển hình là 3,6 m, bố trí các văn phòng làm việc và phòng giao dịch của cơ quan.
- Tầng mái: bố trí hệ thống chống nóng, chống thấm, téc nước inox và các thiết bị kỹ thuật.
Nhiệm vụ thiết kế của đồ án được phân chia theo ba hợp phần khối lượng chính:
- Phần Kiến trúc (chiếm 10% khối lượng): Thuyết minh giải pháp kiến trúc tổng thể, mặt bằng, mặt đứng, mặt cắt và hoàn thiện 04 bản vẽ khổ A1 (KT-01 đến KT-04).
- Phần Kết cấu (chiếm 45% khối lượng): Thiết kế sàn tầng 5, thiết kế khung ngang trục 7 và thiết kế móng cọc trục 7.
- Phần Thi công (chiếm 45% khối lượng): Lập biện pháp kỹ thuật thi công phần ngầm, thi công phần thân và thiết kế tổ chức tổng mặt bằng thi công công trường.
Đối tượng và phạm vi nghiên cứu tập trung vào giải pháp kiến trúc công trình công cộng kết hợp văn phòng, tính toán hệ kết cấu bê tông cốt thép toàn khối chịu lực và lập đồ án tổ chức thi công chi tiết trong điều kiện địa chất cụ thể tại Bắc Giang không xuất hiện mực nước ngầm trong hố đào thăm dò.
Cơ sở quy chuẩn, tiêu chuẩn và phương pháp tính toán
Hệ thống cơ sở lý thuyết, quy chuẩn kỹ thuật và tiêu chuẩn xây dựng được tác giả áp dụng trực tiếp trong đồ án bao gồm:
- TCXDVN 5574:2012: Tiêu chuẩn thiết kế kết cấu bê tông cốt thép.
- TCVN 2737:1995: Tiêu chuẩn thiết kế tải trọng và tác động.
- TCVN 5575:1991: Tiêu chuẩn thiết kế kết cấu thép và quy cách cốt thép sợi thông thường.
Thông số vật liệu sử dụng trong mô hình tính toán:
- Bê tông: Sử dụng bê tông cấp độ bền B30, khối lượng riêng tiêu chuẩn đạt 2500 kg/m³, cường độ chịu nén tính toán $R_b = 17 \text{ MPa}$ ($170 \text{ kg/cm}^2$), cường độ chịu kéo tính toán $R_{bt} = 1,2 \text{ MPa}$ ($12 \text{ kg/cm}^2$), mô đun đàn hồi $E_b = 2,7 \times 10^4 \text{ MPa}$.
- Cốt thép: Nhóm AI ($R_s = R_{sc} = 225 \text{ MPa}$, $R_{sw} = 175 \text{ MPa}$) áp dụng cho cốt đai, cốt giá và cốt thép bản sàn; Nhóm AII ($R_s = R_{sc} = 280 \text{ MPa}$, $R_{sw} = 225 \text{ MPa}$) và Nhóm AIII ($R_s = R_{sc} = 355 \text{ MPa}$, $R_{sw} = 285 \text{ MPa}$) dùng cho cấu kiện chịu lực chính của dầm, cột; mô đun đàn hồi cốt thép $E_s = 2,1 \times 10^5 \text{ MPa}$.
Phương pháp phân tích và mô hình hóa kỹ thuật:
- Phương pháp tính toán nội lực bản sàn: Áp dụng lý thuyết sơ đồ khớp dẻo cho các ô sàn làm việc 1 phương (bản dầm) và bản kê 4 cạnh thông thường (ô sàn phòng làm việc S1, hành lang S2, sàn mái S4); áp dụng lý thuyết đàn hồi (trạng thái giới hạn 1) tính toán bản kê 4 cạnh ngàm cho ô bản sàn vệ sinh S3 nhằm kiểm soát chống nứt và chống thấm đọng nước.
- Phương pháp giải kết cấu khung không gian: Sử dụng phần mềm SAP 2000 để phân tích nội lực hệ khung trục 7 chịu tác động của hệ tổ hợp tải trọng bao gồm tĩnh tải, hai trường hợp hoạt tải lệch tầng lệch nhịp, tải trọng gió trái và gió phải.
Thiết kế kỹ thuật và giải pháp triển khai
Giải pháp kiến trúc:
Mặt bằng công trình được thiết kế với giao thông theo trục hành lang giữa. Cổng chính hướng Nam, hệ thống cửa mở đón hướng gió đông nam tự nhiên kết hợp hệ thống điều hòa trung tâm. Hệ thống giao thông đứng gồm 01 thang máy bố trí tại trục 4-5 và 02 thang bộ thoát hiểm bố trí tại trục 1-2 và trục 7-8. Bao che công trình dùng tường xây gạch trát vữa xi măng hai mặt, lăn sơn ba nước; cửa sổ dùng hệ kính khung nhôm.
Lựa chọn giải pháp kết cấu chịu lực:
Tác giả so sánh 4 phương án kết cấu: hệ tường chịu lực, hệ lõi chịu lực, hệ kết cấu hỗn hợp khung - giằng và hệ khung chịu lực. Công trình có chiều cao dưới 40 m, không chịu ảnh hưởng của thành phần gió động nên phương án khung - giằng và lõi cứng là không cần thiết. Phương án sàn sườn toàn khối kết hợp hệ khung bê tông cốt thép toàn khối được chọn vì tính kinh tế và tối ưu chiều cao tầng (3,6 m).
Biện pháp thi công và triển khai công trường:
- Thi công phần ngầm: Áp dụng phương pháp ép cọc bê tông cốt thép, sử dụng giá ép và hệ thống đối trọng; thi công đào đất bằng máy kết hợp sửa thủ công; công tác đập đầu cọc, đổ bê tông lót mác thấp, gia công lắp dựng cốt thép và đổ bê tông đài giằng móng.
- Thi công phần thân: Thiết kế hệ thống ván khuôn gỗ, xà gồ, giáo chống liên hợp cho dầm, sàn, cột tầng 3 và tầng 4; sử dụng máy bơm bê tông và vận thăng lồng để vận chuyển vật liệu lên cao.
- Mặt bằng công trường: Bố trí mạng lưới kho kín (chứa xi măng), kho hở (chứa cốp pha, ván khuôn), bãi cát lộ thiên, bãi gạch; tính toán công suất trạm biến áp, máy phát điện dự phòng, hệ thống cấp nước sinh hoạt và cứu hỏa.
Nội dung chi tiết theo từng chương của đồ án
Phần I: Kiến trúc và Kết cấu
Chương 1: Giới thiệu kiến trúc
Chương này mô tả đặc điểm địa lý khu đất tại Bắc Giang, phương án tổ chức không gian theo phương đứng và phương ngang. Giải pháp giao thông bố trí 1 thang máy chính tại trục 4-5 và 2 cụm thang bộ tại trục 1-2 và 7-8. Hệ thống cấp nước dùng mạng lưới thành phố kết hợp máy bơm đẩy lên téc inox trên mái, sau đó phân phối qua ống thép tráng kẽm. Nước thải thoát qua đường ống PVC dẫn về bể tự hoại trước khi xả vào hệ thống chung.
Chương 2: Tính toán kết cấu
Nội dung chương tập trung tính toán sàn sườn tầng 5, khung trục 7 và chi tiết dầm, cột:
- Chiều dày sàn được chọn thống nhất $h_b = 12 \text{ cm}$ cho toàn bộ các tầng và mái.
- Tải trọng sàn: Tĩnh tải sàn phòng $g = 434 \text{ kg/m}^2$, hoạt tải $p = 240 \text{ kg/m}^2$; sàn hành lang $g = 434 \text{ kg/m}^2$, hoạt tải $p = 360 \text{ kg/m}^2$; sàn vệ sinh $g = 543,9 \text{ kg/m}^2$, hoạt tải $p = 260 \text{ kg/m}^2$; sàn mái $g = 566,6 \text{ kg/m}^2$, hoạt tải $p = 97,5 \text{ kg/m}^2$.
- Tiết diện dầm: Dầm chính nhịp 7 m có tiết diện 400x700 mm; dầm chính hành lang nhịp 2,4 m có tiết diện 250x400 mm; dầm dọc nhịp 7 m có tiết diện 250x500 mm; dầm phụ có tiết diện 250x400 mm.
- Tiết diện cột khung trục 7: Tầng 1 đến tầng 3 chọn tiết diện 350x600 mm; tầng 4 đến tầng 7 chọn tiết diện 350x500 mm đối với cột biên và 350x550 mm đối với cột giữa. Chiều cao tính toán cột tầng trệt là 4,45 m (kể cả đoạn chôn sâu trong đất 1,0 m).
- Tải trọng gió: Áp lực gió tiêu chuẩn khu vực Bắc Giang $W_0 = 95 \text{ kg/m}^2$, hệ số độ tin cậy $n = 1,2$, hệ số khí động đón gió $c = +0,8$, hút gió $c = -0,6$. Hệ số gia tăng theo chiều cao $k$ từ 0,808 (tầng 1) đến 1,179 (tầng 7).
- Tính toán thép dầm nhịp C-D (tiết diện 400x700 mm):
- Tầng 1: Tiết diện gối chịu mômen âm $M^- = -84,3 \text{ Tm}$, bố trí $3\Phi 36 + 2\Phi 36$ ($A_s = 50,9 \text{ cm}^2$); tiết diện nhịp chịu mômen dương $M^+ = 46,7 \text{ Tm}$, tính theo tiết diện chữ T với bề rộng cánh $b_f = 240 \text{ cm}$, bố trí $4\Phi 36$ ($A_s = 40,72 \text{ cm}^2$). Cốt đai $\Phi 8$ bố trí hai nhánh, khoảng cách 150 mm ở đoạn $L/4$ đầu dầm và 200 mm ở giữa dầm.
- Tầng mái: Tiết diện gối chịu mômen âm $M^- = -65 \text{ Tm}$, bố trí $3\Phi 32 + 2\Phi 32$ ($A_s = 40,21 \text{ cm}^2$); nhịp chịu mômen dương $M^+ = 47,8 \text{ Tm}$, bố trí $4\Phi 32$ ($A_s = 32,17 \text{ cm}^2$). Cốt đai dùng $\Phi 8a150$ tại đầu dầm và $\Phi 8a200$ tại giữa dầm.
Chương 3: Tính toán kết cấu móng
Trình bày đánh giá điều kiện địa chất công trình, thiết kế móng cọc bê tông cốt thép cho cột trục C và F (móng M1). Xác định chiều sâu chôn đài, tính toán sức chịu tải của cọc đơn theo vật liệu và theo đất nền, xác định số lượng cọc, bố trí mặt bằng cọc, tính thép đài và kiểm tra điều kiện đâm thủng đài cọc theo tiết diện nghiêng.
Phần II: Thi công
Chương 1: Thi công phần ngầm
Đánh giá điều kiện địa chất thủy văn (không thấy xuất hiện mực nước ngầm trong phạm vi hố móng). Lập biện pháp ép cọc bê tông cốt thép: tính khối lượng cọc, chọn phương pháp ép ôm/ép đỉnh, lựa chọn kích ép, giá ép và tính toán tải trọng đối trọng. Thiết kế biện pháp đào đất hố móng kết hợp cơ giới và thủ công, tính toán khối lượng đào, đắp, vận chuyển đất thừa; lập quy trình đập đầu cọc, đổ bê tông lót, lắp dựng ván khuôn, cốt thép và đổ bê tông đài, giằng móng.
Chương 2: Thi công phần thân
Thiết kế và kiểm tra khả năng chịu lực của ván khuôn gỗ, xà gồ, hệ cột chống cho cột tầng 3, dầm 250x600 mm trục C-D tầng 4 và ô sàn 6-7-C-D. Lập bảng thống kê khối lượng bê tông, cốt thép, diện tích ván khuôn phần thân. Tính toán lựa chọn máy móc chính gồm máy bơm bê tông tĩnh/động và vận thăng chở vật liệu. Trình bày các quy định an toàn lao động trong lắp dựng giàn giáo, đổ đầm bê tông và hoàn thiện xây tô.
Chương 3: Tổ chức thi công
Lập tiến độ thi công toàn công trình, biểu đồ nhân lực tổng thể. Thiết kế tổng mặt bằng xây dựng: định vị tuyến máy móc, thiết kế diện tích kho kín chứa xi măng, kho hở chứa cốt pha, diện tích bãi chứa cát và bãi gạch lộ thiên, bố trí nhà tạm chỉ huy và lán trại công nhân. Tính toán phụ tải điện thi công (điện sản xuất, chiếu sáng trong nhà tạm, chiếu sáng bảo vệ kho bãi) và tính toán lưu lượng cấp nước công trường phục vụ sinh hoạt và chữa cháy.
Chương 4: Kết luận và kiến nghị
Tổng kết toàn bộ các kết quả tính toán thiết kế của đồ án; kiến nghị về mặt tuân thủ quy trình kỹ thuật, giám sát chất lượng thi công cọc ép và công tác an toàn lao động ngoài công trường.
Kết quả tính toán và thông số kỹ thuật cốt lõi
Các số liệu tính toán kết cấu chính trong đồ án được tổng hợp cụ thể qua các bảng sau:
| Cấu kiện |
Vị trí / Tầng |
Tiết diện ($b \times h$) |
Nội lực tính toán |
Cốt thép dọc lựa chọn |
Cốt đai lựa chọn |
| Sàn S1 |
Tầng 5 (7,0 x 3,5 m) |
$h_b = 12 \text{ cm}$ |
$M = 516 \text{ kGm}$ |
$\Phi 8a200$ ($A_s = 2,513 \text{ cm}^2$) |
- |
| Sàn S2 |
Hành lang (7,0 x 2,4 m) |
$h_b = 12 \text{ cm}$ |
$M = 225 \text{ kGm}$ |
$\Phi 8a200$ ($A_s = 2,513 \text{ cm}^2$) |
- |
| Sàn S3 (WC) |
Khu vệ sinh (nhịp 3,25 m) |
$h_b = 12 \text{ cm}$ |
$M_1 = 182,5 \text{ kGm}$; $M_I = 402,4 \text{ kGm}$ |
Nhịp: $\Phi 8a200$; Gối: $\Phi 8a150$ |
Cốt mũ vươn $0,9 \text{ m}$ |
| Dầm chính C-D |
Tầng 1 (nhịp 6,87 m) |
400 x 700 mm |
$M^- = -84,3 \text{ Tm}$; $M^+ = 46,7 \text{ Tm}$; $Q = -68,9 \text{ T}$ |
Gối: $3\Phi 36 + 2\Phi 36$; Nhịp: $4\Phi 36$ |
$\Phi 8a150$ (đầu dầm), $\Phi 8a200$ (giữa dầm) |
| Dầm chính C-D |
Tầng mái (nhịp 6,87 m) |
400 x 700 mm |
$M^- = -65,0 \text{ Tm}$; $M^+ = 47,8 \text{ Tm}$; $Q = 58,0 \text{ T}$ |
Gối: $3\Phi 32 + 2\Phi 32$; Nhịp: $4\Phi 32$ |
$\Phi 8a150$ (đầu dầm), $\Phi 8a200$ (giữa dầm) |
| Cột biên trục 7 |
Tầng 1, 2, 3 |
350 x 600 mm |
$F_c = 999 \text{ cm}^2$ |
Bố trí đối xứng |
Cốt đai theo cấu tạo |
| Cột biên trục 7 |
Tầng 4, 5, 6, 7 |
350 x 500 mm |
$F_c = 570 \text{ cm}^2$ |
Bố trí đối xứng |
Cốt đai theo cấu tạo |
| Cột giữa trục 7 |
Tầng 4, 5, 6, 7 |
350 x 550 mm |
$F_c = 968,5 \text{ cm}^2$ |
Bố trí đối xứng |
Cốt đai theo cấu tạo |
Phân bố tải trọng gió tĩnh quy đổi dồn về khung trục 7 theo chiều cao công trình:
| Tầng |
Cao trình (m) |
Hệ số độ cao ($k$) |
Áp lực đón gió $W_đ$ (kg/m²) |
Áp lực hút gió $W_h$ (kg/m²) |
Tải phân bố đón gió $q_đ$ (kg/m) |
Tải phân bố hút gió $q_h$ (kg/m) |
| Tầng 1 |
+3,2 |
0,808 |
73,69 |
55,27 |
515,83 |
386,90 |
| Tầng 2 |
+7,5 |
0,940 |
85,73 |
64,30 |
600,11 |
450,10 |
| Tầng 3 |
+11,1 |
1,017 |
92,75 |
69,56 |
649,25 |
486,92 |
| Tầng 4 |
+14,7 |
1,075 |
98,04 |
73,53 |
686,28 |
514,71 |
| Tầng 5 |
+18,3 |
1,097 |
100,05 |
75,03 |
700,35 |
525,21 |
| Tầng 6 |
+21,9 |
1,147 |
104,61 |
78,45 |
732,27 |
549,15 |
| Tầng 7 |
+25,5 |
1,179 |
107,52 |
80,64 |
752,64 |
564,48 |
Hạn chế kỹ thuật và phạm vi áp dụng
Về phạm vi tính toán và các giả thiết kỹ thuật trong đồ án:
- Phạm vi kết cấu: Đồ án chỉ tập trung tính toán điển hình cho hệ dầm sàn tầng 5, hệ khung ngang trục 7 và móng cọc trục 7. Việc bố trí thép cho các nhịp dầm đối xứng (nhịp E-F) được lấy tương đương nhịp C-D dựa trên tính chất đối xứng hình học của mặt bằng.
- Giả thiết tải trọng: Do công trình có chiều cao dưới 40 m nên theo tiêu chuẩn TCVN 2737:1995, tác giả chỉ tính toán thành phần áp lực gió tĩnh, bỏ qua tính toán dao động và thành phần gió động. Lực tập trung do gió tác dụng tại mép biên khung cũng được bỏ qua để đơn giản hóa quá trình gán tải.
- Điều kiện thủy văn: Khảo sát địa chất thực tế không phát hiện mực nước ngầm, do đó biện pháp thi công phần ngầm không cần tính toán hệ thống hạ mực nước ngầm chuyên sâu (như kim thu nước tầng nông hay giếng khoan giảm áp).
Giá trị tham khảo chuyên ngành
Tài liệu đồ án là nguồn tư liệu thực tế đối với sinh viên ngành Xây dựng Dân dụng và Công nghiệp thực hiện đồ án tốt nghiệp hoặc đồ án môn học Bê tông cốt thép, Thi công xây dựng:
- Phần dồn tải trọng: Minh họa chi tiết quy trình truyền tải hình tam giác, hình thang từ bản sàn về hệ dầm chính và dầm phụ; phương pháp tính hệ số truyền tải $k$ và lập sơ đồ chất tải lệch tầng, lệch nhịp.
- Phần tính toán cấu kiện: Trình bày tuần tự các bước tính toán cốt thép dầm tiết diện chữ nhật và chữ T, kiểm tra điều kiện ứng suất nén chính của bê tông và tính toán cốt đai chịu cắt theo TCXDVN 5574:2012.
- Phần biện pháp kỹ thuật: Cung cấp đầy đủ các bước tính toán ván khuôn dầm sàn cột, chọn máy bơm bê tông, máy vận thăng và thiết kế mạng lưới kỹ thuật phụ trợ (điện, nước, kho bãi) trên tổng mặt bằng công trường.
Câu hỏi thường gặp
-
Tại sao ô bản sàn vệ sinh S3 được tính theo sơ đồ đàn hồi thay vì sơ đồ khớp dẻo như sàn phòng làm việc S1?
Bản sàn vệ sinh S3 phải chịu môi trường ẩm ướt liên tục. Để tránh hiện tượng nứt bê tông gây thấm dột và hạn chế độ võng đọng nước trong quá trình sử dụng, tác giả tính toán ô bản này theo trạng thái giới hạn 1 (sơ đồ đàn hồi) với liên kết 4 cạnh ngàm thay vì sơ đồ khớp dẻo nhằm tăng hệ số an toàn.
-
Tiết diện cột khung trục 7 được thay đổi như thế nào theo chiều cao nhà?
Để tối ưu hóa vật liệu và phù hợp với biểu đồ giảm dần của lực dọc, cột khung trục 7 thay đổi tiết diện một lần: từ tầng 1 đến tầng 3 dùng chung tiết diện 350x600 mm; từ tầng 4 đến tầng 7 giảm xuống 350x500 mm đối với cột biên và 350x550 mm đối với cột giữa.
-
Áp lực gió tính toán tác dụng lên công trình được xác định dựa trên các thông số nào?
Áp lực gió được tính cho địa bàn tỉnh Bắc Giang với áp lực tiêu chuẩn $W_0 = 95 \text{ kg/m}^2$, hệ số độ tin cậy $n = 1,2$, hệ số khí động $c = +0,8$ (đón gió) và $c = -0,6$ (hút gió). Do công trình cao dưới 40 m nên chỉ tính toán áp lực gió tĩnh theo độ cao $k$ (từ 0,808 đến 1,179) mà không xét thành phần gió động.
-
Cốt thép dọc chịu mômen âm và dương của dầm nhịp C-D tầng 1 được lựa chọn với quy cách nào?
Tại gối dầm, với mômen âm tính toán $M^- = -84,3 \text{ Tm}$, tác giả bố trí $3\Phi 36 + 2\Phi 36$ ($A_s = 50,9 \text{ cm}^2$). Tại giữa nhịp, với mômen dương $M^+ = 46,7 \text{ Tm}$ tính theo tiết diện chữ T ($b_f = 240 \text{ cm}$), tác giả bố trí $4\Phi 36$ ($A_s = 40,72 \text{ cm}^2$).
-
Vì sao đồ án không lựa chọn giải pháp kết cấu sàn nấm hoặc kết cấu khung - giằng?
Phương án sàn nấm bị loại trừ do không đảm bảo tính kinh tế đối với bước cột của công trình. Phương án khung - giằng (kết hợp lõi hoặc vách cứng) không cần thiết vì công trình có chiều cao dưới 40 m, tải trọng ngang do gió không quá lớn, do đó giải pháp khung bê tông cốt thép kết hợp sàn sườn toàn khối đáp ứng đầy đủ yêu cầu chịu lực và kiến trúc.
Kết luận
Đồ án tốt nghiệp "Nhà làm việc Công ty Thép Việt Đức" của sinh viên Đỗ Văn Sơn đã hoàn thành toàn diện các nhiệm vụ thiết kế kiến trúc, tính toán kết cấu bê tông cốt thép và lập biện pháp tổ chức thi công công trình 7 tầng tại Bắc Giang. Nội dung tính toán bám sát hệ thống tiêu chuẩn kỹ thuật xây dựng hiện hành tại thời điểm thực hiện (TCXDVN 5574:2012, TCVN 2737:1995) với mô hình phân tích SAP 2000 rõ ràng. Các giải pháp thi công từ ép cọc phần ngầm, ván khuôn giáo chống phần thân đến tổng mặt bằng phụ trợ được lập chi tiết, cung cấp dữ liệu kỹ thuật thực tế cho công tác thiết kế và thi công nhà dân dụng nhiều tầng.
