Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu
Đề tài đồ án tốt nghiệp "Nhà làm việc văn phòng cơ quan kiểm toán nhà nước" do sinh viên Nguyễn Viết Mạnh (lớp XD1801D, ngành Xây dựng Dân dụng và Công nghiệp, Trường Đại học Dân lập Hải Phòng) thực hiện năm 2019 dưới sự hướng dẫn của PGS. Đoàn Văn Duẩn và ThS. Nguyễn Quang Tuấn. Nghiên cứu giải quyết bài toán thiết kế kỹ thuật hoàn chỉnh cho một công trình cao tầng bằng bê tông cốt thép trong bối cảnh quá trình đô thị hóa tại các trung tâm lớn như Hà Nội, Hải Phòng, TP. Hồ Chí Minh đòi hỏi mở rộng cơ sở hạ tầng công sở hiện đại, tiết kiệm quỹ đất và cải thiện môi trường làm việc.
Nhiệm vụ đồ án được phân chia theo 3 phần chính với tỷ trọng khối lượng quy định:
- Phần 1: Kiến trúc (chiếm 10% khối lượng) – Thể hiện các giải pháp quy hoạch tổng mặt bằng, công năng kiến trúc và hạ tầng kỹ thuật công trình.
- Phần 2: Kết cấu (chiếm 45% khối lượng) – Tính toán thiết kế bản sàn tầng 5, khung trục 4 và móng dưới khung trục 4.
- Phần 3: Thi công (chiếm 45% khối lượng) – Lập biện pháp kỹ thuật thi công phần ngầm, phần thân, tiến độ thi công, tổng mặt bằng xây dựng và an toàn lao động.
Đối tượng nghiên cứu là công trình Nhà làm việc cơ quan Kiểm toán Nhà nước, tọa lạc tại số 111 đường Trần Duy Hưng, quận Cầu Giấy, thành phố Hà Nội. Phạm vi không gian công trình gồm 10 tầng nổi với tổng chiều cao 40,7 m (tính từ cốt $\pm 0.00$), chiều cao mỗi tầng điển hình là 3,7 m. Ranh giới khu đất tiếp giáp:
- Phía Bắc: Giáp Tổng công ty Máy phụ tùng Việt Nam.
- Phía Tây: Giáp đường Trần Duy Hưng.
- Phía Đông: Giáp Khu dân cư phường Yên Hòa.
- Phía Nam: Giáp đường Hoàng Đạo Thúy.
Phân khu chức năng công trình gồm:
- Tầng 1: Khu vực bếp, phòng ăn và ga-ra để xe.
- Tầng 2: Phòng khách quốc tế và các phòng làm việc.
- Tầng 3 đến tầng 10: Khối văn phòng làm việc cơ quan kiểm toán.
- Tầng mái: Bố trí bể nước và hệ thống kỹ thuật.
Cơ sở lý thuyết, tiêu chuẩn và phương pháp tính toán
Đồ án áp dụng các tiêu chuẩn thiết kế xây dựng hiện hành tại Việt Nam cùng các tài liệu hướng dẫn chuyên ngành:
- Tiêu chuẩn tải trọng và tác động: TCVN 2737-1995.
- Giáo trình và tài liệu tham khảo: "Sàn bê tông cốt thép toàn khối" (Nhà xuất bản Khoa học và Kỹ thuật Hà Nội, 2005).
- Cấp độ bền vật liệu sử dụng: Bê tông cấp độ bền B25 có cường độ chịu nén tính toán $R_b = 14,5\text{ MPa}$ ($145\text{ kG/cm}^2$), cốt thép nhóm CI/AI ($\phi 8$) có cường độ tính toán $R_s = 225\text{ MPa}$.
Phương pháp tính toán kết cấu được triển khai qua các mô hình:
- Mô hình tính toán hệ kết cấu: Sử dụng sơ đồ đàn hồi phẳng hai chiều (2D), chân cột liên kết ngàm vào móng, nút khung liên kết cứng. Phần mềm chuyên dụng SAP2000 được sử dụng để giải nội lực và chuyển vị theo phương pháp phần tử hữu hạn.
- Phương pháp tính bản sàn: Áp dụng sơ đồ khớp dẻo đối với các ô sàn làm việc hai phương (tỷ số cạnh $l_2/l_1 < 2$) và sơ đồ đàn hồi đối với ô bản vệ sinh (kê 4 cạnh).
- Phương pháp dồn tải vào khung: Tĩnh tải và hoạt tải từ sàn truyền vào dầm khung được quy đổi thành tải trọng phân bố đều và tập trung thông qua hệ số dạng truyền tải:
- Tải dạng tam giác: $k = 0,625$.
- Tải dạng hình thang: $k = 1 - 2\beta^2 + \beta^3$ (với $\beta = \frac{l_1}{2l_2}$).
- Phương pháp tính tải trọng gió: Xác định theo TCVN 2737-1995 ứng với địa hình dạng B tại Hà Nội thuộc vùng áp lực gió II-B ($W_0 = 95\text{ kG/m}^2 = 0,095\text{ T/m}^2$), hệ số độ tin cậy tải trọng $n = 1,2$, hệ số khí động phía đón gió $C = 0,8$ và phía hút gió $C' = 0,6$.
Nội dung chính theo từng phần và chương
Phần 1: Kiến trúc (10%)
Tác giả trình bày các giải pháp tổng thể về dây chuyền công năng, mặt bằng, hình khối mặt đứng và các hệ thống kỹ thuật công trình:
- Giải pháp mặt đứng: Sử dụng các đường nét kiến trúc thẳng kết hợp mảng vách kính hiện đại, đảm bảo chiếu sáng tự nhiên và hài hòa với cảnh quan trục đường Trần Duy Hưng - Hoàng Đạo Thúy.
- Giải pháp kỹ thuật công trình:
- Cấp điện: Nguồn điện lấy từ trạm biến thế bên ngoài dẫn bằng cáp ngầm vào buồng phân phối tại tầng kỹ thuật; các tuyến dây nhánh đi ngầm trong sàn/tường, sử dụng tủ điện riêng từng khối và thiết bị bảo vệ Aptomat.
- Cấp - thoát nước: Cấp nước từ mạng lưới thành phố qua bể chứa ngầm và máy bơm lên mái; hệ thống thoát nước mưa dùng sê-nô và ống nhựa ngầm; nước thải sinh hoạt xử lý qua bể tự hoại trước khi đấu nối cống chung.
- Thông gió - điều hòa & PCCC: Kết hợp cây xanh cách âm, chắn bụi với tổ chức thông gió xuyên phòng; hệ thống PCCC gồm máy bơm đặt tại tầng 1, bể chứa chữa cháy, hộp họng nước cứu hỏa từng tầng và hệ thống báo cháy tự động bằng đầu báo khói.
Phần 2: Kết cấu (45%)
Chương 1: Tính sàn tầng 5
- So sánh các phương án kết cấu sàn: Tác giả phân tích ưu - nhược điểm của 3 giải pháp: sàn sườn toàn khối, sàn ô cờ và sàn không dầm (sàn nấm). Phương án sàn sườn bê tông cốt thép toàn khối được lựa chọn do tính toán đơn giản, công nghệ thi công phổ biến, tối ưu chi phí và độ cứng không gian tốt.
- Lựa chọn hệ kết cấu chịu lực: So sánh hệ vách/lõi cứng và hệ khung - giằng (khung kết hợp vách cứng thang máy và buồng thang bộ). Hệ khung - giằng được lựa chọn nhằm tối ưu hóa khả năng chịu lực thẳng đứng cho khung và lực ngang cho vách.
- Kích thước sơ bộ cấu kiện chính:
- Bản sàn: Chiều dày $h_b = 12\text{ cm}$ (xác định từ ô sàn lớn nhất $4,6\text{ m} \times 7,5\text{ m}$ theo công thức $h_b = \frac{D}{m} \cdot l_1$ với $D = 1,2; m = 45$).
- Dầm chính: Tiết diện $b \times h = 25\text{ cm} \times 65\text{ cm}$ ứng với nhịp lớn nhất $7,8\text{ m}$.
- Dầm phụ: Tiết diện $b \times h = 22\text{ cm} \times 35\text{ cm}$.
- Cột khung trục 4: Sơ bộ diện tích theo công thức $F_c \ge \frac{n \cdot k \cdot q \cdot S}{R_b}$, phân bậc theo chiều cao:
- Tầng 1 - 3: Cột biên $40 \times 60\text{ cm}$; Cột giữa $40 \times 70\text{ cm}$.
- Tầng 4 - 7: Cột biên $40 \times 50\text{ cm}$; Cột giữa $40 \times 60\text{ cm}$.
- Tầng 8 - 10: Cột biên $30 \times 40\text{ cm}$; Cột giữa $40 \times 50\text{ cm}$.
- Kiểm tra ổn định cột: Chiều dài tính toán $l_0 = 0,7H = 0,7 \times 370\text{ cm} = 259\text{ cm}$; độ mảnh $\lambda = \frac{259}{30} = 8,6 \le [\lambda_0] = 31$.
- Tải trọng và tính thép bản sàn:
- Tĩnh tải: Sàn phòng làm việc/khách/hành lang đạt $g^{tt} = 4,442\text{ kN/m}^2$; sàn WC đạt $g^{tt} = 4,75\text{ kN/m}^2$.
- Hoạt tải tiêu chuẩn ($P^{tc}$) và tính toán ($P^{tt}$): Văn phòng/khách đạt $2,4\text{ kN/m}^2$; hành lang/cầu thang đạt $3,6\text{ kN/m}^2$; phòng vệ sinh đạt $2,4\text{ kN/m}^2$; mái không sử dụng đạt $0,975\text{ kN/m}^2$.
- Tính toán nội lực các ô sàn (ô 7, ô 5, ô 2, ô 6, 8, 9, 10, 11, ô WC): Kết quả cốt thép nhịp và gối chịu mô-men đều bố trí thép $\phi 8\text{a}200$ ($A_s = 2,5\text{ cm}^2/m$), cốt mũ chịu mô-men âm neo đoạn $0,25l_1 + 20\text{ cm} = 135\text{ cm}$.
| Ký hiệu ô sàn |
Vị trí / Chức năng |
Kích thước cạnh $l_1 \times l_2$ (m) |
Tổng tải trọng $q$ ($\text{kN/m}^2$) |
Thép nhịp bố trí |
Thép gối bố trí |
| S1 |
Khu văn phòng |
$4,6 \times 5,3$ / $4,6 \times 7,5$ |
6,844 |
$\phi 8\text{a}200$ |
$\phi 8\text{a}200$ |
| S2 |
Khu vệ sinh (WC) |
$2,8 \times 4,6$ |
7,150 |
$\phi 8\text{a}200$ |
$\phi 8\text{a}200$ |
| S3 |
Hành lang, cầu thang |
$2,0 \times 4,6$ |
8,044 |
$\phi 8\text{a}200$ |
$\phi 8\text{a}200$ |
| S4 |
Kho |
$4,6 \times 5,3$ |
6,844 |
$\phi 8\text{a}200$ |
$\phi 8\text{a}200$ |
| S5 |
Mái bằng không sử dụng |
$4,6 \times 5,3$ / $4,6 \times 7,5$ |
5,419 |
$\phi 8\text{a}200$ |
$\phi 8\text{a}200$ |
Chương 2: Tính toán khung trục 4
- Xác định tải trọng tác dụng:
- Tĩnh tải: Dồn tĩnh tải từ bản sàn, trọng lượng bản thân dầm, tường xây chèn $220\text{ mm}$ ($0,555\text{ T/m}^2$) và tường $110\text{ mm}$ ($0,31\text{ T/m}^2$) vào dầm khung tại tầng mái, tầng 5-10 và tầng 2-4.
- Hoạt tải: Thiết lập các trường hợp hoạt tải đứng tác dụng lệch tầng, lệch nhịp (sơ đồ 1 và sơ đồ 2) để tìm tổ hợp nội lực bất lợi nhất trong dầm và cột.
- Tải trọng gió: Bề rộng đón gió $B = 4,6\text{ m}$. Áp lực gió đẩy và hút phân bố tăng dần theo chiều cao từ tầng 1 ($+3,3\text{ m}$) đến tầng 10 ($+36,8\text{ m}$).
| Tầng |
Cao trình (m) |
Hệ số độ cao $k$ |
Gió đẩy $q_{\text{đẩy}}$ (T/m) |
Gió hút $q_{\text{hút}}$ (T/m) |
| Tầng 1 |
3,3 |
0,48 |
0,20 |
0,15 |
| Tầng 2 |
7,2 |
0,59 |
0,24 |
0,18 |
| Tầng 3 |
10,9 |
0,67 |
0,28 |
0,21 |
| Tầng 4 |
14,6 |
0,73 |
0,30 |
0,23 |
| Tầng 5 |
18,3 |
0,78 |
0,32 |
0,25 |
| Tầng 6 |
22,0 |
0,82 |
0,34 |
0,26 |
| Tầng 7 |
25,7 |
0,85 |
0,35 |
0,27 |
| Tầng 8 |
29,4 |
0,88 |
0,37 |
0,28 |
| Tầng 9 |
33,1 |
0,91 |
0,38 |
0,29 |
| Tầng 10 |
36,8 |
0,94 |
0,39 |
0,30 |
- Tổ hợp nội lực và tính cốt thép: Xác định các tổ hợp tải trọng cơ bản 1, cơ bản 2 và đặc biệt; tính toán cốt thép dọc chịu uốn cho dầm và cốt thép chịu nén lệch tâm phẳng cho cột khung trục 4.
Chương 3: Tính móng khung trục 4
- Khảo sát điều kiện địa chất và giải pháp móng: Sử dụng móng cọc ép bê tông cốt thép.
- Tính toán sức chịu tải cọc: Đánh giá sức chịu tải của cọc đơn theo điều kiện độ bền vật liệu và theo chỉ tiêu cơ lý của đất nền.
- Thiết kế móng chi tiết:
- Móng M1 (dưới trục B và G): Tính toán số lượng cọc, bố trí cọc trong đài, kiểm tra tải trọng truyền lên từng cọc, kiểm tra lún và tính cốt thép đài móng.
- Móng M2 (dưới trục D và E): Tính toán số lượng cọc, kiểm tra ứng suất dưới đáy móng khối quy ước và bố trí thép đài móng.
Phần 3: Thi công (45%)
Chương 1: Thiết kế biện pháp thi công phần ngầm
- Thi công cọc ép: Lựa chọn phương án ép cọc, xác định lực ép yêu cầu $P_{\text{min}}$ và $P_{\text{max}}$, lựa chọn chủng loại máy ép cọc và đối trọng; tổ chức mặt bằng ép cọc và quy trình kiểm soát an toàn kỹ thuật.
- Công tác đất: Thiết kế độ dốc taluy hố đào móng, tính toán khối lượng đất đào/đắp, lựa chọn máy đào gầu nghịch và lập tuyến di chuyển cơ giới.
- Thi công đài giằng móng: Biện pháp phá đầu cọc đến cao trình thiết kế, ghép ván khuôn, gia công lắp dựng cốt thép đài giằng, đổ bê tông và bảo dưỡng; công tác lấp đất tôn nền theo từng lớp đầm chặt.
Chương 2: Thiết kế biện pháp thi công phần thân
- Giải pháp ván khuôn: Thiết kế chi tiết hệ ván khuôn, sườn dọc, sườn ngang và cột chống chịu lực cho cột, dầm chính, dầm phụ và bản sàn tầng.
- Tổ chức phân đoạn thi công: Phân chia mặt bằng thành các phân đoạn thi công đảm bảo tính liên tục của dây chuyền; thống kê định mức nhân công và khối lượng vật tư cho từng phân đoạn.
- Thiết bị và kỹ thuật thi công: Lựa chọn cần trục tháp và máy bơm bê tông phục vụ vận chuyển vật liệu lên cao; lập quy trình công nghệ ghép cốp pha, đặt thép, đổ và đầm bê tông cột - dầm - sàn.
Chương 3: Lập tiến độ thi công
- Thống kê chi tiết bảng khối lượng các công tác: phần móng, phần kết cấu thân và công tác hoàn thiện (xây tường, trát, ốp lát, sơn bả, lắp đặt cửa, thiết bị vệ sinh).
- Lập biểu đồ tiến độ tổng thể thi công công trình và biểu đồ nhân lực theo thời gian.
Chương 4: Tổng mặt bằng xây dựng và an toàn lao động
- Thiết kế tổng mặt bằng: Bố trí hợp lý vị trí cổng ra vào, tuyến đường tạm công trường, bãi gia công cốt thép, kho ván khuôn, trạm biến áp tạm, mạng lưới cấp - thoát nước phục vụ thi công.
- Quy chuẩn an toàn lao động: Quy định an toàn trong công tác đào đất hố sâu, an toàn lắp dựng giàn giáo và cốp pha trên cao, an toàn điện công trường và bảo hộ thi công bê tông, xây hoàn thiện.
Kết quả và giải pháp kỹ thuật
Đồ án hoàn thành trọn vẹn hồ sơ thiết kế kỹ thuật từ quy hoạch kiến trúc, tính toán kết cấu đến biện pháp tổ chức thi công:
- Thông số hình học và tiết diện công trình: Công trình 10 tầng, chiều cao đỉnh mái $40,7\text{ m}$; chiều dày sàn $12\text{ cm}$; dầm chính $25 \times 65\text{ cm}$; dầm phụ $22 \times 35\text{ cm}$; tiết diện cột giảm dần theo chiều cao từ $40 \times 70\text{ cm}$ (chân công trình) xuống $40 \times 50\text{ cm}$ (đỉnh công trình).
- Bố trí cốt thép kết cấu: Thép bản sàn tầng 5 sử dụng thống nhất $\phi 8\text{a}200$ ($A_s = 2,5\text{ cm}^2/m$), đáp ứng đầy đủ điều kiện chịu lực theo sơ đồ khớp dẻo và hàm lượng cốt thép hợp lý ($\mu \ge \mu_{\text{min}}$).
- Giải pháp nền móng và thi công: Đề xuất giải pháp móng cọc ép BTCT kết hợp đài giằng toàn khối; giải pháp ván khuôn định hình và phân đoạn thi công dây chuyền nhịp nhàng, tối ưu hóa năng suất thiết bị nâng và máy đào.
Hạn chế và phạm vi áp dụng
- Tính chất đề tài: Đồ án là công trình thiết kế tốt nghiệp hệ kỹ sư chính quy dựa trên các thông số kỹ thuật giả định phục vụ mục đích đào tạo và tổng hợp kiến thức chuyên môn.
- Phạm vi mô hình hóa: Quá trình phân tích kết cấu tập trung giải quyết chi tiết cho khung phẳng trục 4 và sàn tầng 5 thông qua sơ đồ phần tử hữu hạn 2D trong SAP2000; chưa thực hiện mô hình hóa không gian 3D toàn diện cho toàn bộ các trục khung và vách cứng đồng thời.
- Phạm vi móng: Dữ liệu tính toán móng tập trung cho các trục B, G, D, E của khung trục 4; việc kiểm tra tương tác đất - cọc dựa trên phương pháp tải trọng phân bố và giới hạn chỉ tiêu cơ lý tiêu chuẩn.
Giá trị tham khảo
Tài liệu là nguồn tham khảo trực tiếp cho:
- Sinh viên chuyên ngành Kỹ thuật Xây dựng Dân dụng và Công nghiệp đang thực hiện đồ án tốt nghiệp công trình bê tông cốt thép cao tầng (quy mô 9 - 15 tầng).
- Kỹ sư thiết kế kết cấu mới ra trường cần tham khảo phương pháp dồn tải sàn vào dầm khung theo diện tích truyền tải (hình thang, tam giác), bảng tra áp lực gió vùng II-B theo TCVN 2737-1995 và quy trình bố trí thép bản sàn theo sơ đồ khớp dẻo.
- Cán bộ kỹ thuật thi công công trình cần tài liệu tham khảo về các bước tính toán ván khuôn dầm sàn cột, lập biểu đồ phân đoạn và thiết kế tổng mặt bằng xây dựng.
Câu hỏi thường gặp
1. Công trình có quy mô số tầng, chiều cao và vị trí xây dựng cụ thể như thế nào?
Công trình là Nhà làm việc cơ quan Kiểm toán Nhà nước, gồm 10 tầng nổi với chiều cao tổng thể $40,7\text{ m}$ (chiều cao mỗi tầng $3,7\text{ m}$), tọa lạc tại số 111 đường Trần Duy Hưng, quận Cầu Giấy, TP. Hà Nội.
2. Phương án kết cấu chịu lực và kết cấu sàn nào được tác giả lựa chọn?
Tác giả lựa chọn hệ kết cấu chịu lực là hệ khung - giằng (kết hợp giữa khung bê tông cốt thép toàn khối và vách cứng lõi thang máy/thang bộ) cùng giải pháp sàn sườn bê tông cốt thép toàn khối đổ tại chỗ dày $12\text{ cm}$.
3. Tiết diện các cấu kiện cơ bản của khung trục 4 được sơ bộ với kích thước bao nhiêu?
Dầm chính khung có kích thước $25 \times 65\text{ cm}$; dầm phụ kích thước $22 \times 35\text{ cm}$. Cột biên có kích thước từ $40 \times 60\text{ cm}$ (tầng 1-3), $40 \times 50\text{ cm}$ (tầng 4-7) đến $30 \times 40\text{ cm}$ (tầng 8-10); cột giữa từ $40 \times 70\text{ cm}$ (tầng 1-3), $40 \times 60\text{ cm}$ (tầng 4-7) đến $40 \times 50\text{ cm}$ (tầng 8-10).
4. Tải trọng gió tác dụng vào khung trục 4 được tính toán dựa trên các thông số nào?
Gió được tính theo TCVN 2737-1995 ứng với vùng gió II-B tại Hà Nội ($W_0 = 95\text{ kG/m}^2$), hệ số tin cậy $n = 1,2$, bề rộng đón gió $B = 4,6\text{ m}$, hệ số khí động đẩy $C = 0,8$ và hút $C' = 0,6$. Giá trị tải gió đẩy phân bố tăng dần từ $0,20\text{ T/m}$ (tại cao trình $+3,3\text{ m}$) lên $0,39\text{ T/m}$ (tại cao trình $+36,8\text{ m}$).
5. Cốt thép bản sàn tầng 5 được tính toán theo phương pháp nào và lựa chọn loại thép gì?
Bản sàn tầng 5 được tính theo sơ đồ khớp dẻo cho các ô bản làm việc 2 phương và sơ đồ đàn hồi cho ô sàn vệ sinh; toàn bộ bản sàn sử dụng bê tông B25 và bố trí cốt thép chịu mô-men nhịp, mô-men gối bằng thép $\phi 8\text{a}200$ ($A_s = 2,5\text{ cm}^2/m$).
Kết luận
Đồ án tốt nghiệp của sinh viên Nguyễn Viết Mạnh đã thực hiện đầy đủ và chi tiết các nội dung thiết kế kỹ thuật cho công trình "Nhà làm việc văn phòng cơ quan kiểm toán nhà nước" 10 tầng tại Hà Nội. Các phần tính toán kiến trúc, kết cấu khung sàn móng bằng phần mềm SAP2000 và lập biện pháp tổ chức thi công đều tuân thủ chặt chẽ các tiêu chuẩn xây dựng hiện hành. Công trình cung cấp hệ thống số liệu, bản vẽ và thuyết minh kỹ thuật hoàn chỉnh, có giá trị học thuật và thực tiễn cao cho việc nghiên cứu, thiết kế nhà cao tầng bê tông cốt thép.
