Bối cảnh và nhiệm vụ thiết kế công trình

Đồ án tốt nghiệp chuyên ngành Xây dựng Dân dụng và Công nghiệp thực hiện nhiệm vụ thiết kế tòa nhà văn phòng làm việc của Tổng công ty Dệt may Việt Nam. Đồ án được triển khai trong bối cảnh phát triển đô thị tại Hà Nội, nơi nhu cầu xây dựng nhà cao tầng phục vụ không gian làm việc và dịch vụ thương mại ngày càng tăng.

Công trình là một tòa nhà nhiều tầng độc lập, tọa lạc tại phố Bà Triệu, thành phố Hà Nội. Khu đất xây dựng có diện tích $630\text{ m}^2$, mặt bằng tương đối chật hẹp và tiếp giáp trực tiếp với các công trình lân cận hiện hữu. Công trình có quy mô gồm 01 tầng hầm và 12 tầng nổi, tổng chiều cao kiến trúc đạt $44,6\text{ m}$. Đặc điểm mặt bằng thi công hạn chế và nền đất yếu đặt ra yêu cầu phải lựa chọn giải pháp kết cấu và công nghệ thi công phù hợp.

Nhiệm vụ của đồ án bao gồm ba phần chính:

  1. Phần I: Kiến trúc: Nghiên cứu công năng, bố trí mặt bằng các tầng, thiết kế giải pháp mặt đứng, giao thông, thông gió, chiếu sáng, cấp thoát nước và mạng lưới kỹ thuật công trình. Khối lượng thể hiện gồm 02 bản vẽ mặt bằng, 03 bản vẽ mặt đứng và mặt cắt.
  2. Phần II: Kết cấu: Phân tích lựa chọn sơ đồ kết cấu chịu lực chính; xác định tải trọng và tác động; mô hình hóa tính toán và bố trí cốt thép cho hệ sàn nấm tầng điển hình (tầng 4), khung trục D, móng cọc khoan nhồi trục D (móng D-4) và cầu thang bộ trục 1-2. Khối lượng thể hiện gồm 01 bản vẽ khung K-D, 01 bản vẽ sàn tầng 4, 01 bản vẽ móng trục D và 01 bản vẽ cầu thang bộ trục 1-2.
  3. Phần III: Thi công và tổ chức xây dựng: Lập biện pháp kỹ thuật thi công phần ngầm (cọc khoan nhồi, đào đất hố móng, đài giằng móng), thi công phần thân (ván khuôn, cốt thép, bê tông cột - dầm - sàn - thang bộ), công tác hoàn thiện; thiết kế tổng tiến độ thi công, tổng mặt bằng xây dựng và các biện pháp an toàn lao động.

Cơ sở lý thuyết, tiêu chuẩn và phương pháp tính toán

Hệ thống tính toán và thiết kế trong đồ án dựa trên các tiêu chuẩn kỹ thuật xây dựng hiện hành, tài liệu chuyên ngành bê tông cốt thép và các công cụ phần mềm kỹ thuật:

  • Tiêu chuẩn và tài liệu tham khảo:

    • TCVN 2737-1995: Tiêu chuẩn tải trọng và tác động, dùng để xác định tĩnh tải các lớp hoàn thiện, tường ngăn, và hoạt tải sử dụng sàn văn phòng ($p_{tc} = 200\text{ kg/m}^2$, hệ số giảm diện tích chịu tải $A_1$, tĩnh tải tường ngăn phân bố đều $75\text{ kg/m}^2 \times 1,2 = 90\text{ kg/m}^2$), áp lực gió tĩnh và gió động.
    • Giáo trình Kết cấu Bê tông Cốt thép: Sách "Kết cấu Bê tông Cốt thép 1" của GS. Ngô Thế Phong và tài liệu "Kết cấu Bê tông Cốt thép - Phần Cấu kiện cơ bản" của tác giả Phan Quang Minh (Chủ biên).
  • Vật liệu sử dụng:

    • Bê tông cấp độ bền B25: Cường độ chịu nén tính toán $R_b = 14,5\text{ MPa} = 1450\text{ T/m}^2$, cường độ chịu kéo $R_n = 145\text{ kg/cm}^2$.
    • Cốt thép nhóm AII: Cường độ chịu kéo tính toán $R_s = 2800\text{ kg/cm}^2$.
  • Phương pháp tính toán kết cấu:

    • Mô hình hóa kết cấu: Sử dụng sơ đồ tính toán đàn hồi hai chiều (sơ đồ phẳng) dựa trên phương pháp phần tử hữu hạn (FEM).
    • Phương pháp khung tương đương (Equivalent Frame Method): Tính toán hệ sàn không dầm (sàn nấm) bằng cách thay thế sàn thành các dải khung phẳng trực giao theo hai phương (trục ngang A, B, C, D, E và trục dọc 1, 2, 4, 5, 6). Phân chia mômen tính toán theo tỷ lệ: dải trên cột nhận 55% mômen dương và 75% mômen âm; dải giữa nhịp nhận 45% mômen dương và 25% mômen âm.
    • Kiểm tra đâm thủng: Kiểm tra khả năng chống đâm thủng của bản sàn tại vị trí cột chịu tải lớn nhất (nút giao trục E và trục 4).
    • Tính toán móng cọc khoan nhồi: Tính toán sức chịu tải theo đất nền và theo vật liệu cọc; kiểm tra lún nền móng theo điều kiện biến dạng quy ước đối với móng cọc ma sát.
  • Ứng dụng phần mềm:

    • SAP2000: Phân tích dao động riêng, xác định tải trọng gió động, tính toán nội lực và chuyển vị của khung phẳng chịu tải trọng đứng và ngang.
    • Microsoft Excel: Lập bảng tính tự động hóa tổ hợp nội lực và tính toán diện tích cốt thép.
    • Microsoft Project 98: Lập và điều chỉnh tiến độ thi công toàn bộ công trình.
    • AutoCAD: Thể hiện toàn bộ hệ thống bản vẽ kiến trúc, kết cấu và thi công.

Nội dung chi tiết theo từng phần và chương đồ án

Phần I: Kiến trúc

Chương 1: Giới thiệu sơ lược công trình

Tác giả trình bày tổng thể các giải pháp thiết kế kiến trúc của tòa nhà:

  • Giải pháp mặt bằng:
    • Tầng hầm ($h = 2,7\text{ m}$): Bố trí gara để xe ô tô, khu điều hòa trung tâm, trạm bơm cứu hỏa, máy phát điện dự phòng, bể nước ngầm dự trữ và hệ thống giao thông đứng.
    • Tầng 1 ($h = 4,1\text{ m}$): Sảnh chính, khu thương mại dịch vụ siêu thị, khu vệ sinh và lõi thang.
    • Tầng 2 ($h = 4,8\text{ m}$): Khu vực hội trường đa năng có sân khấu, phòng hóa trang, phòng kỹ thuật, kho và khu vệ sinh.
    • Tầng 3 đến 11 ($h = 3,3\text{ m}$ mỗi tầng): Không gian làm việc văn phòng dạng mở sử dụng vách ngăn nhẹ, phòng phục vụ, phòng kỹ thuật và khu vệ sinh.
    • Tầng 12 ($h = 3,3\text{ m}$): Bố trí căng tin, bếp ăn, khu giải khát phục vụ cán bộ nhân viên và khu vệ sinh.
  • Giải pháp mặt đứng và giao thông: Mặt đứng sử dụng các tuyến hình học thẳng kết hợp mảng kính tấm lớn hiện đại. Hệ thống giao thông trục đứng gồm 02 thang máy và 02 thang bộ thoát hiểm; giao thông ngang là hành lang liên kết các khu chức năng.
  • Hệ thống kỹ thuật công trình: Cung cấp giải pháp điều hòa không khí trung tâm đặt từ tầng hầm; hệ thống cấp nước từ mạng lưới đô thị bơm lên bể mái; hệ thống thoát nước phân tách nước mưa và nước thải (qua trạm xử lý trước khi xả); hệ thống phòng cháy chữa cháy độc lập có bơm áp lực; hệ thống điện cấp theo sơ đồ hình cây kèm máy phát điện dự phòng 24/24h.

Phần II: Kết cấu

Chương I: Phân tích lựa chọn giải pháp kết cấu

Tác giả so sánh ưu nhược điểm của các phương án sàn và hệ chịu lực:

  • Phương án sàn: So sánh giữa sàn sườn toàn khối (dầm cao gây hạn chế khẩu độ và chiều cao tầng), sàn ô cờ (thi công phức tạp, tốn kém) và sàn không dầm/sàn nấm (chiều cao kết cấu nhỏ, tiết kiệm chiều cao tầng, dễ phân chia không gian, phù hợp khẩu độ $6 - 8\text{ m}$). Tác giả quyết định chọn phương án sàn nấm bê tông cốt thép toàn khối.
  • Hệ kết cấu chịu lực: So sánh giữa hệ vách - lõi cứng và hệ khung - giằng (khung kết hợp vách/lõi cứng). Tác giả lựa chọn hệ kết cấu khung - giằng với lõi thang máy bằng bê tông cốt thép. Trong hệ này, vách lõi chịu tải trọng ngang chủ yếu (gió, động đất), còn hệ khung chịu tải trọng thẳng đứng.

Chương II: Phương pháp tính toán hệ kết cấu

Chương này tập trung toàn bộ quy trình tính toán số liệu cụ thể:

  • Sơ bộ kích thước cấu kiện:
    • Bản sàn: Chiều dày chọn $h_s = 20\text{ cm}$ (kiểm tra theo nhịp $l_1 = 5,9\text{ m}, l_2 = 8,1\text{ m}$).
    • Dầm biên chống xoắn: Tiết độ $b \times h = 22 \times 50\text{ cm}$.
    • Cột tầng hầm đến tầng 2: Cột giữa tròn $d = 80\text{ cm}$ hoặc vuông $70 \times 70\text{ cm}$; cột biên $40 \times 80\text{ cm}$ hoặc $60 \times 60\text{ cm}$.
    • Cột tầng 3 đến 12: Cột giữa tròn $d = 70\text{ cm}$ hoặc vuông $60 \times 60\text{ cm}$; cột biên $40 \times 60\text{ cm}$. Kiểm tra điều kiện ổn định của cột biên trục A ($H = 11,6\text{ m}$) cho thấy độ mảnh $\lambda = 9,67 < [\lambda] = 31$.
  • Tính toán sàn nấm tầng 4:
    • Xác định tĩnh tải các lớp hoàn thiện, tải trọng tường gạch xây trên sàn và hoạt tải văn phòng theo TCVN 2737-1995.
    • Kiểm tra điều kiện đâm thủng tại cột giao trục E và trục 4: Khả năng chống đâm thủng của bê tông đạt $42.450\text{ kg} > Q_{\text{đâm thủng}}$, kết luận chiều dày sàn $20\text{ cm}$ đảm bảo khả năng chịu lực.
    • Tính cốt thép dải bản trên trục ngang (E, D, C, B, A) và trục dọc (2, 4, 5, 6) bằng phương pháp khung tương đương; phân phối mômen âm/dương cho từng dải trên cột và dải giữa nhịp để xác định diện tích cốt thép $A_s$.
  • Tính toán khung trục D:
    • Tính toán tải trọng thẳng đứng dồn về khung, tính toán đặc trưng hình học, độ cứng tương đương và mômen quán tính của lõi thang máy.
    • Xác định tải trọng gió (thành phần tĩnh và động) theo tiêu chuẩn, phân phối tải trọng ngang cho khung và lõi cứng.
    • Nhập mô hình vào SAP2000, tổ hợp nội lực và tính cốt thép cho cột tròn giữa và cột biên.
  • Tính toán móng trục D (Móng D-4):
    • Đánh giá địa chất: Lớp trên có thấu kính sét pha màu nâu gụ/nâu hồng; lớp dưới là bùn sét pha màu xám đen lẫn hữu cơ, vỏ sò ốc.
    • Giải pháp móng: Chọn móng cọc khoan nhồi và móng băng trên cọc.
    • Thiết kế cọc khoan nhồi cho móng D-4: Chọn đường kính cọc, tính sức chịu tải của cọc đơn theo vật liệu và theo đất nền, kiểm tra biến dạng lún của móng cọc ma sát, tính toán cốt thép đài cọc và thân cọc, kiểm tra áp lực đất tác dụng lên tường tầng hầm.
  • Tính toán cầu thang bộ trục 1-2:
    • Tính toán nội lực và bố trí cốt thép cho bản thang, cốn thang, bản sàn chiếu nghỉ và dầm chiếu nghỉ.

Phần III: Thi công và tổ chức xây dựng

Chương I: Giới thiệu công trình

Tóm tắt các đặc điểm mặt bằng, vị trí địa lý, điều kiện địa chất thủy văn ảnh hưởng trực tiếp đến biện pháp tổ chức thi công công trình tại phố Bà Triệu.

Chương II: Kỹ thuật thi công

Trình bày chi tiết công nghệ xây dựng cho từng giai đoạn:

  • Thi công phần ngầm:
    • Phân tích các phương pháp thi công cọc nhồi (ống chống, guồng xoắn, phản tuần hoàn, gầu xoay kết hợp dung dịch bentonite). Lựa chọn phương pháp gầu xoay và bentonite giữ vách.
    • Quy trình thi công cọc: Định vị giác đài móng, khoan tạo lỗ, thổi rửa và làm sạch đáy lỗ khoan, gia công và hạ lồng cốt thép, đổ bê tông bằng ống treamie, kiểm tra chất lượng cọc (siêu âm, nén tĩnh).
    • Thi công đất hố móng: Đào đất kết hợp máy đào gầu nghịch và thủ công, xử lý các sự cố sạt lở hố đào.
    • Thi công đài và giằng móng: Giác móng, đục phá đầu cọc ngập bê tông chất lượng kém, lắp dựng ván khuôn, cốt thép, đổ bê tông đài giằng và lấp đất đầm chặt.
  • Thi công phần thân:
    • Công nghệ ván khuôn: Lựa chọn ván khuôn định hình, đà giáo, cây chống; tính toán độ bền và độ võng của ván khuôn cột, ván khuôn đáy/thành dầm, xà gồ đỡ sàn nấm và ván khuôn cầu thang bộ.
    • Thiết bị phục vụ: Chọn cần trục vận chuyển lên cao, máy bơm bê tông và đầm dùi.
    • Quy trình đổ bê tông cột, dầm, sàn, thang bộ và xử lý các khuyết tật bê tông toàn khối sau khi tháo dỡ ván khuôn.
  • Thi công phần hoàn thiện: Quy trình chuẩn bị mặt trát, kỹ thuật trát tường, công tác ốp lát gạch, kiểm tra độ phẳng và nghiệm thu chất lượng hoàn thiện.

Chương III: Tổ chức thi công

  • Xác định vai trò, nguyên tắc lập kế hoạch tiến độ trong xây dựng.
  • Tính toán khối lượng chi tiết từng phân đoạn công việc.
  • Lập tổng tiến độ thi công bằng phần mềm Microsoft Project 98, điều chỉnh biểu đồ nhân lực nhằm cân bằng tài nguyên và đảm bảo thời hạn hoàn thành.
  • Tính toán nhu cầu kho bãi, điện nước tạm và lập bản vẽ tổng mặt bằng thi công.

Chương IV: An toàn lao động

Quy định các biện pháp đảm bảo an toàn lao động trong thi công cọc khoan nhồi, đào đất cơ giới và thủ công, lắp dựng tháo dỡ cốp pha - đà giáo, gia công lắp đặt cốt thép, đổ bê tông và thi công hoàn thiện trên cao.


Kết quả thiết kế và giải pháp kỹ thuật

Đồ án hoàn thành trọn vẹn việc thiết kế kiến trúc, kết cấu và biện pháp thi công cho tòa nhà 12 tầng nổi và 1 tầng hầm với các thông số kỹ thuật cốt lõi:

Hạng mục / Cấu kiện Giải pháp thiết kế Thông số kỹ thuật / Kích thước
Quy mô công trình Nhà cao tầng kết cấu BTCT 12 tầng nổi + 1 tầng hầm, chiều cao 44,6m, diện tích 630 m²
Hệ kết cấu chịu lực Khung - giằng kết hợp vách lõi Lõi thang máy chịu tải ngang; khung chịu tải đứng
Bản sàn điển hình Sàn nấm (sàn không dầm) BTCT Dày $h_s = 20\text{ cm}$, Bê tông B25, Thép AII
Dầm biên Dầm bo chống xoắn Tiết diện $b \times h = 22 \times 50\text{ cm}$
Cột chịu lực Cột tròn và cột chữ nhật Tầng hầm-2: $d=80\text{ cm}, 70\times 70\text{ cm}$; Tầng 3-12: $d=70\text{ cm}, 60\times 60\text{ cm}$
Nền móng Móng cọc khoan nhồi và móng băng Cọc khoan nhồi tựa vào tầng địa chất tốt, xuyên qua lớp bùn sét
Công nghệ cọc nhồi Gầu xoay + dung dịch Bentonite Giữ thành vách hố khoan, thổi rửa đáy và đổ bê tông rút ống
Công nghệ thi công thân Ván khuôn định hình + bơm bê tông Kiểm tra biến dạng/độ võng ván khuôn dầm, sàn, cầu thang

Các kết quả tính toán chính đạt được:

  • Chiều dày sàn nấm $20\text{ cm}$ đáp ứng đầy đủ điều kiện chống đâm thủng ($Q_{\text{chống đâm}} = 42.450\text{ kg} > Q_{\text{tính toán}}$) và độ võng cho phép dưới tác dụng của tải trọng sử dụng.
  • Phân tích và phân phối nội lực cho các dải bản sàn theo phương pháp khung tương đương, tối ưu lượng cốt thép dọc đặt tại gối và nhịp.
  • Giải pháp móng cọc khoan nhồi giải quyết triệt để bài toán nền đất yếu có thấu kính sét pha và bùn sét hữu cơ trong điều kiện thi công chật hẹp, tránh ảnh hưởng đến các công trình xung quanh tại phố Bà Triệu.
  • Kế hoạch tiến độ thi công và mặt bằng xây dựng được tối ưu hóa bằng Microsoft Project 98, phân định rõ ràng các dây chuyền công nghệ thi công phần ngầm, phần thân và hoàn thiện.

Hạn chế và phạm vi nghiên cứu

  • Mô hình hóa kết cấu: Đồ án áp dụng sơ đồ đàn hồi phẳng 2 chiều trong SAP2000 để tính toán khung trục D và phương pháp khung tương đương cho hệ sàn nấm, chưa thực hiện mô hình hóa không gian 3D toàn diện cho toàn bộ khối nhà kết hợp tương tác phi tuyến với nền đất.
  • Phạm vi tính toán chi tiết: Do giới hạn thời gian thực hiện của đồ án tốt nghiệp, tác giả tập trung tính toán sâu cho các cấu kiện điển hình (sàn tầng 4, khung trục D, móng D-4, cầu thang bộ trục 1-2) chứ không triển khai chi tiết cho toàn bộ các trục khung và móng còn lại của tòa nhà.

Giá trị tham khảo

Đồ án là tài liệu tham khảo cho sinh viên ngành Kỹ thuật Xây dựng, Xây dựng Dân dụng và Công nghiệp, cũng như các kỹ sư thiết kế công trình nhiều tầng:

  • Tham khảo phương pháp sàn nấm: Hướng dẫn chi tiết cách áp dụng phương pháp khung tương đương để chia dải và tính toán cốt thép sàn không dầm theo giáo trình chuyên ngành.
  • Quy trình thiết kế móng cọc khoan nhồi: Cung cấp tài liệu mẫu về tính toán sức chịu tải, kiểm tra độ lún và biện pháp thi công cọc khoan nhồi bằng dung dịch bentonite tại các khu đất hẹp đô thị.
  • Biện pháp thi công và tổ chức xây dựng: Cung cấp các bảng tính kiểm tra độ bền, độ võng của cốp pha đà giáo và sơ đồ tổ chức tiến độ dự án bằng phần mềm chuyên dụng.

Câu hỏi thường gặp

1. Công trình có quy mô, kích thước và công năng chính như thế nào?

Công trình gồm 12 tầng nổi và 01 tầng hầm, tổng chiều cao $44,6\text{ m}$, diện tích xây dựng $630\text{ m}^2$, xây dựng tại phố Bà Triệu, Hà Nội. Tầng hầm làm gara và phòng kỹ thuật; tầng 1 làm siêu thị; tầng 2 làm sân khấu, hội trường; tầng 3 đến 11 làm văn phòng cho thuê; tầng 12 làm bếp ăn và căng tin giải khát.

2. Vì sao tác giả lựa chọn giải pháp kết cấu sàn nấm không dầm và hệ chịu lực khung - giằng?

Sàn nấm được chọn vì giảm chiều cao kết cấu sàn, tiết kiệm chiều cao tầng, dễ phân chia không gian linh hoạt cho văn phòng và phù hợp với khẩu độ nhịp $6 - 8\text{ m}$. Hệ kết cấu khung - giằng kết hợp vách lõi thang máy được chọn để phân định công năng chịu lực: lõi cứng chịu tải trọng ngang (gió, động đất), còn hệ khung chịu tải trọng thẳng đứng.

3. Phương pháp khung tương đương được áp dụng để tính toán cốt thép sàn nấm tầng 4 như thế nào?

Bản sàn nấm được quy đổi thành hai hệ khung phẳng trực giao theo phương ngang và phương dọc. Bản sàn chia thành dải trên cột và dải giữa nhịp. Nội lực mômen phân phối theo tỷ lệ quy định: dải trên cột chịu 55% mômen dương và 75% mômen âm; dải giữa nhịp chịu 45% mômen dương và 25% mômen âm. Sau đó tính diện tích cốt thép $A_s$ theo cấp độ bền bê tông B25 và thép AII.

4. Giải pháp nền móng được thiết kế dựa trên điều kiện địa chất nào?

Khảo sát địa chất cho thấy tầng đất trên chứa thấu kính sét pha màu nâu gụ/hồng, bên dưới là lớp bùn sét pha màu xám đen lẫn hữu cơ và vỏ sò ốc. Do tải trọng công trình 13 tầng lớn và địa chất yếu, tác giả lựa chọn giải pháp móng cọc khoan nhồi xuyên qua lớp bùn yếu đến tầng đất tốt, kết hợp móng băng trên cọc.

5. Những công cụ phần mềm kỹ thuật nào được sử dụng trong đồ án?

Tác giả ứng dụng bốn công cụ: SAP2000 để phân tích nội lực khung phẳng và dao động gió động; Microsoft Excel để tự động hóa tổ hợp nội lực và tính diện tích cốt thép; Microsoft Project 98 để lập tiến độ thi công; AutoCAD để triển khai các bản vẽ kỹ thuật kiến trúc, kết cấu và biện pháp thi công.


Kết luận

Đồ án tốt nghiệp của sinh viên Lâm Quang Điệp đã hoàn thành nhiệm vụ thiết kế kỹ thuật công trình tòa nhà Tổng công ty Dệt may Việt Nam quy mô 12 tầng nổi và 1 tầng hầm tại phố Bà Triệu, Hà Nội. Công trình áp dụng giải pháp kết cấu chịu lực hệ khung - giằng vách lõi kết hợp sàn nấm bê tông cốt thép toàn khối dày $20\text{ cm}$ và móng cọc khoan nhồi trên nền đất yếu. Các giải pháp kỹ thuật thi công cọc nhồi giữ vách bằng bentonite, kiểm tra ván khuôn và tổ chức tiến độ thi công được tính toán bám sát quy chuẩn xây dựng hiện hành.