Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Trong tiến trình phát triển kinh tế - xã hội, đô thị hóa và hội nhập quốc tế (đặc biệt trước các yêu cầu gia nhập AFTA và WTO), ngành Xây dựng Việt Nam ghi nhận sự phát triển mạnh mẽ về quy mô và công nghệ. Cùng với chủ trương hiện đại hóa cơ sở vật chất của các cơ quan quản lý nhà nước, việc đầu tư xây dựng các trụ sở làm việc khang trang, đáp ứng yêu cầu kỹ thuật hiện đại và có tính bảo mật cao là nhiệm vụ cấp thiết.

Đồ án tốt nghiệp chuyên ngành Xây dựng Dân dụng và Công nghiệp của sinh viên Nguyễn Duy Hạnh (Lớp XD1001, dưới sự hướng dẫn của GVC-KS. Lương Anh Tuấn về Kiến trúc & Thi công và ThS. Lê Hải Hưng về Kết cấu) thực hiện thiết kế kỹ thuật cho công trình "Trụ sở Kho Bạc Nhà Nước".

Dự án do Bộ Tài chính làm chủ đầu tư, phần kiến trúc gốc do Công ty Liên Doanh TNHH Sacidelta thiết kế, liên danh Vinaconex 2 và Công ty Xây dựng Dân dụng và Công nghiệp Delta đảm nhiệm thi công.

Nhiệm vụ nghiên cứu và thiết kế của đồ án tập trung vào các nội dung chính:

  1. Đề xuất và phân tích giải pháp kiến trúc, mặt bằng công năng, hệ thống kỹ thuật công trình (thông gió, chiếu sáng, cấp thoát nước, cấp điện, thông tin liên lạc và phòng cháy chữa cháy).
  2. Xác lập hệ kết cấu chịu lực tổng thể, lựa chọn vật liệu và tính toán sơ bộ kích thước tiết diện cấu kiện.
  3. Xác định các loại tải trọng tác dụng (tĩnh tải, hoạt tải, tải trọng gió) và tổ hợp nội lực.
  4. Tính toán, bố trí cốt thép cho các cấu kiện chịu lực chính (khung, dầm, cột, sàn tầng 4, cầu thang bộ) và định hướng giải pháp nền móng, biện pháp thi công.

Phạm vi nghiên cứu của đồ án:

  • Không gian: Khu đất xây dựng tại số 32 phố Cát Linh, quận Đống Đa, TP. Hà Nội, tiếp giáp khách sạn Hà Nội Horison và phía sau là khu nhà cũ của Nhà máy in Tiến Bộ, lùi 35 m so với chỉ giới đỏ quy hoạch đường Cát Linh.
  • Quy mô công trình: Gồm 2 tầng hầm, 8 tầng nổi và 1 tầng mái; tổng chiều cao công trình đạt 39,8 m; lưới cột chịu lực điển hình 7x7 m.

Cơ sở thiết kế và phương pháp tính toán

Đồ án áp dụng các khung lý thuyết, tiêu chuẩn xây dựng hiện hành và phương pháp tính toán kết cấu bê tông cốt thép chuyên ngành:

  • Hệ thống tiêu chuẩn quy chuẩn: Áp dụng TCVN 4601-1988 về thiết kế trụ sở cơ quan, văn phòng làm việc (quy định về số lượng thang máy, khoảng cách giữa các dãy thang, kích thước lối thoát nạn tối thiểu 1,1 m, yêu cầu phân tán luồng người); tài liệu phân loại hệ kết cấu nhà cao tầng của Schueller (Sullơ).
  • Thông số vật liệu:
    • Bê tông cấp độ bền B20 (tương đương mác 250) có cường độ chịu nén tính toán $R_b = 11,5\text{ MPa}$, môđun đàn hồi $E_b = 27000\text{ MPa}$; kết cấu cầu thang dùng bê tông mác 200 có $R_n = 115\text{ kG/cm}^2$.
    • Cốt thép: Thép chịu lực chính dùng loại thép gai AII có cường độ tính toán $R_s = R_{sc} = 280\text{ MPa}$ ($R_a = 2800\text{ kG/cm}^2$); cốt thép đai và thép bản sàn dùng loại thép trơn AI có $R_s = R_{sw} = 225\text{ MPa}$ ($R_a = 2100\text{ kG/cm}^2$).
  • Phương pháp tính toán:
    • Phương pháp giải tích xác định sơ bộ kích thước dầm, cột, sàn dựa trên điều kiện độ võng, độ mảnh giới hạn ($\lambda_0 \le \lambda_{0b} = 31$).
    • Phương pháp phân tích tĩnh tải cấu tạo từ các lớp hoàn thiện kiến trúc và hoạt tải sử dụng theo quy chuẩn phân bố đều.
    • Tính toán bản sàn hai phương: Phân tích theo sơ đồ khớp dẻo (bản kê 4 cạnh) đối với sàn phòng làm việc, sảnh; áp dụng sơ đồ đàn hồi đối với sàn khu vệ sinh nhằm hạn chế nứt và đảm bảo chống thấm.
    • Tính toán cấu kiện chịu uốn (dầm chữ T, dầm chữ nhật) và cấu kiện chịu nén lệch tâm phẳng (cột) theo trạng thái giới hạn về cường độ.

Thiết kế kỹ thuật và giải pháp kiến trúc - kết cấu

Hạng mục Giải pháp kỹ thuật được xác lập trong đồ án
Hình khối & phong cách Khối nhà hợp khối phong cách Tân cổ điển, kết hợp tường ốp đá men, kính xanh công nghiệp; hướng nhà trục Bắc - Nam đón gió Đông Nam.
Phân bổ công năng theo tầng • Hầm 2 (cốt -4.15m): Kho tiền, vàng bạc, đá quý, ấn chỉ, phòng làm việc bảo mật.
• Hầm 1: Bể nước ngầm 120 m³, bể cứu hỏa 200 m³, máy phát điện 100 kVA, gara xe.
• Tầng 1 (cốt 0.00m): Sảnh giao dịch tiền tệ, 4 thang máy, 2 thang bộ, 2 thang xoắn T1-T3.
• Tầng 2 - 3 (cao 4.2m): Phòng làm việc chuyên môn, giếng thông tầng từ T1 đến T5.
• Tầng 4 (cốt +12.60m): Hội trường lớn phía sau, văn phòng phía trước và hai bên.
• Tầng 5 - 8: Văn phòng làm việc liên hệ hành lang giữa; 2 giếng trời từ tầng 6.
• Tầng mái: Phòng kỹ thuật thang máy, bồn nước Inox, ăng ten chảo.
Cơ điện & PCCC • Điều hòa không khí trung tâm hệ VRV kết hợp cửa lấy gió tươi từng phòng.
• Hệ thống cấp nước dùng ống thép tráng kẽm D20-D200mm; cấp điện 3 pha 4 dây 380V/220V.
• Thoát nước phân riêng: Ống gang dẫn nước xí vào bể tự hoại ngầm.
• PCCC: 2 máy bơm cứu hỏa nối liên động bơm sinh hoạt, cuộn vòi D50mm dài 30m, lăng D13mm, bình bột CO2, 2 họng chờ ngoài nhà.
Hệ kết cấu chịu lực Khung giằng bê tông cốt thép toàn khối kết hợp lõi cứng thang máy. Lưới cột vuông 7x7 m. Bản sàn BTCT đổ toàn khối dày 10 cm.
Giải pháp nền móng & ngầm • Đài móng cọc khoan nhồi sâu trung bình 43 m so với mặt đất tự nhiên.
• Hệ dầm móng giao thoa tiết diện 60x210 cm.
• Tường vây chắn đất bê tông cốt thép (Diaphragm Wall) dày bao quanh 2 tầng hầm sâu 20 m.
Công nghệ thi công • Thi công phần ngầm: Phương pháp Top-Down (từ trên xuống).
• Thi công phần thân: Phương pháp truyền thống Bottom-Up, dùng giáo PAL và cốp pha định hình.

Nội dung chính theo từng chương

Phần 1: Kiến trúc (Chiếm 10% khối lượng)

Nội dung phần 1 trình bày tổng quan về vị trí khu đất xây dựng, bối cảnh quy hoạch lân cận khu trung tâm chính trị Ba Đình và phân tích các giải pháp kiến trúc tổng thể. Công trình được thiết kế với khối tích hợp nhất, tạo khoảng lùi 35 m so với tim đường Cát Linh nhằm mở rộng không gian quảng trường phía trước, che chắn tầm nhìn bất lợi về phía cụm nhà máy in cũ phía sau.

Về mặt công năng, đồ án giải quyết trọn vẹn yêu cầu bảo mật tài chính bằng cách đưa toàn bộ hệ thống kho tiền, vàng bạc, đá quý xuống tầng hầm 2 dưới cốt -4,15 m. Tầng 1 tập trung sảnh giao dịch lớn với hệ thống giao thông đứng gồm 4 thang máy tải khách và 2 thang bộ thoát hiểm bố trí độc lập ở hai đầu hồi. Giải pháp thông gió - chiếu sáng kết hợp tối đa điều kiện tự nhiên thông qua giếng thông tầng xuyên suốt từ tầng 1 đến tầng 5 và 2 giếng trời từ tầng 6 đến tầng 8, kết hợp với điều hòa VRV. Hệ thống cấp thoát nước, trạm điện hạ thế và máy phát dự phòng 100 kVA, mạng viễn thông ngầm và các giải pháp chống cháy lan (tường ngăn dày 220 mm và 400 mm có rỗng giữa) được tính toán đảm bảo tiêu chuẩn TCVN 4601-1988.

Phần 2: Kết cấu (Chiếm 45% khối lượng)

Chương 1: Vật liệu và kích thước sơ bộ của các cấu kiện

Chương 1 thiết lập các tham số đầu vào và xác định kích thước tiết diện hình học ban đầu cho toàn bộ hệ thống kết cấu công trình:

  • Chiều dày bản sàn: Xác định theo công thức $h_b = \frac{D}{m} \cdot l$. Với nhịp $l = 7\text{ m}$, chọn $m = 45$, $D = 1$, chiều dày sơ bộ được chọn là $h_b = 10\text{ cm}$.
  • Tiết diện dầm: Dầm chính vượt nhịp $L = 7\text{ m}$ có chiều cao $h = \frac{1}{12} \cdot 700 = 60\text{ cm}$, bề rộng $b = 30\text{ cm}$ (tiết diện 30x60 cm); dầm phụ và dầm bo viền chọn tiết diện 22x40 cm.
  • Tiết diện cột: Cột chịu nén được phân bổ giảm dần theo chiều cao nhằm tối ưu hóa vật liệu và đảm bảo độ mảnh cho phép:
    • Cột biên: Tầng 1, 2 chọn 50x50 cm; tầng 3 đến tầng 5 chọn 40x40 cm; tầng 6 đến tầng 8 chọn 30x30 cm.
    • Cột giữa: Tầng 1 chọn 65x65 cm; tầng 3 đến tầng 5 chọn 50x50 cm; tầng 6 đến tầng 8 chọn 40x40 cm.
    • Kiểm tra điều kiện ổn định: Chiều cao tính toán cột tầng hầm $l_0 = 318,5\text{ cm}$, tầng 1 đến mái $l_0 = 298\text{ cm}$, hệ số mảnh $\lambda_0 = l_0/b$ dao động từ 4,97 đến 6,37 đều nhỏ hơn giới hạn $\lambda_{0b} = 31$.

Tải trọng tác dụng lên khung trục được xác định chi tiết:

  • Tĩnh tải sàn phòng điển hình: $g^{tt} = 3,81\text{ kN/m}^2$ (gồm gạch lát 0,242 $\text{kN/m}^2$, vữa lót 0,468 $\text{kN/m}^2$, bản BTCT 2,75 $\text{kN/m}^2$, vữa trát 0,351 $\text{kN/m}^2$).
  • Tĩnh tải sàn mái/vệ sinh: $g_b^{tt} = 4,053\text{ kN/m}^2$ (bổ sung lớp gạch chống nóng 0,484 $\text{kN/m}^2$ và vật liệu chống thấm).
  • Hoạt tải sử dụng: Tầng điển hình lấy $p^{tt} = 2,4\text{ kN/m}^2$, sảnh lấy $3,6\text{ kN/m}^2$.
  • Tải trọng gió tại khu vực Hà Nội: Giá trị áp lực gió tiêu chuẩn $w_0 = 0,788 k_i\text{ kN/m}^2$.

Tính toán cốt thép cho dầm số 8 (tiết diện 30x60 cm, $h_0 = 53\text{ cm}$):

  • Mặt cắt gối I-I ($M = -252,8\text{ kNm}$): Tính theo tiết diện chữ nhật, diện tích yêu cầu $A_s = 17,21\text{ cm}^2$; chọn $2\phi 25 + 2\phi 22$ ($A_{s,\text{chọn}} = 17,42\text{ cm}^2$, hàm lượng $\mu = 1,01%$).
  • Mặt cắt nhịp II-II ($M = 252,8\text{ kNm}$): Tính theo tiết diện chữ T ($b_f' = 1,3\text{ m}, S_f = 0,5\text{ m}, h_0 = 56\text{ cm}$), diện tích yêu cầu $A_s = 12,69\text{ cm}^2$; chọn $2\phi 25 + 1\phi 20$ ($A_{s,\text{chọn}} = 12,96\text{ cm}^2$, hàm lượng $\mu = 0,75%$).
  • Mặt cắt gối III-III ($M = 318,3\text{ kNm}$): Diện tích yêu cầu $A_s = 27,15\text{ cm}^2$; chọn $4\phi 25 + 2\phi 22$ ($A_{s,\text{chọn}} = 27,22\text{ cm}^2$, hàm lượng $\mu = 1,7%$).
  • Khả năng chịu cắt: Lực cắt lớn nhất $Q_{\max} = 169,01\text{ kN} > K_1 R_k b h_0 = 85,86\text{ kN}$; bố trí đai $\phi 8\text{a}150$ 2 nhánh.

Tính toán cốt thép cột số 1 (tiết diện 50x50 cm):

  • Tổ hợp 1 ($|M|{\max} = 123,13\text{ kNm}, N{tu} = 2872,13\text{ kN}$): Tính nén lệch tâm bé, diện tích thép đối xứng yêu cầu $A_s = A_s' = 10,44\text{ cm}^2$.
  • Tổ hợp 2 ($M_{tu} = 120,83\text{ kNm}, |N|_{\max} = 3137,31\text{ kN}$): Diện tích yêu cầu $A_s = A_s' = 14,9\text{ cm}^2$.
  • Chọn cốt thép dọc: $6\phi 22$ ($A_{s,\text{chọn}} = 15,2\text{ cm}^2$, hàm lượng $\mu = 1,9%$). Cốt đai $\phi 8\text{a}300$, tại vị trí nối thép tăng cường $\phi 8\text{a}150$.

Chương 2: Tính toán sàn tầng 4

Mặt bằng kết cấu sàn tầng 4 được phân chia thành lưới các ô bản có kích thước cơ sở $3,5 \times 3,5\text{ m}$ (nhịp tính toán $l_1 = l_2 = 3,28\text{ m}$, tỷ số $l_2/l_1 = 1 \le 2$ - bản kê 4 cạnh làm việc uốn 2 phương):

  • Ô sàn S1 (Khu làm việc): Tổng tải trọng tính toán $q = 3,81 + 2,4 = 6,21\text{ kN/m}^2$. Mômen uốn dẻo ở nhịp $M_1 = M_2 = 1,9\text{ kNm}$, mômen ở gối $M_I = M_{II} = 2,66\text{ kNm}$. Chiều dày sàn 10 cm ($h_0 = 8\text{ cm}$), chọn cốt thép chịu lực cả nhịp và gối là lưới thép $\phi 8\text{a}200$ ($A_s = 1,42\text{ cm}^2$).
  • Ô sàn S2 (Khu sảnh): Tải trọng tính toán $q = 3,81 + 3,6 = 7,41\text{ kN/m}^2$. Mômen uốn dẻo nhịp $M_1 = 2,27\text{ kNm}$, mômen gối $M_I = 3,178\text{ kNm}$; chọn cốt thép $\phi 8\text{a}200$.
  • Ô sàn S3 (Khu vệ sinh): Tính theo sơ đồ đàn hồi để kiểm soát nứt chống thấm. Tĩnh tải $4,053\text{ kN/m}^2$, hoạt tải $2,4\text{ kN/m}^2$, tổng tải $q = 6,453\text{ kN/m}^2$. Mômen dương $M_1 = 1,24\text{ kNm}$, mômen âm $M_I = 2,89\text{ kNm}$; bố trí cốt thép $\phi 8\text{a}200$.

Chương 3: Tính toán cầu thang

Cầu thang bộ trục đứng sử dụng kết cấu bê tông mác 200 ($R_n = 115\text{ kG/cm}^2$), thép AI ($R_a = 2100\text{ kG/cm}^2$) và AII ($R_a = 2800\text{ kG/cm}^2$). Kích thước hình học bậc gạch rộng $b = 30\text{ cm}$, cao $h = 15\text{ cm}$ (góc nghiêng bản thang $\alpha = 26,27^\circ$):

  • Bản thang BT1: Chiều dày $h_b = 100\text{ mm}$, tải trọng phân bố $q = 8,04\text{ kN/m}^2$, tính theo sơ đồ dầm hai đầu ngàm; chọn cốt thép $\phi 6\text{a}200$ bố trí 2 lớp trên và dưới theo cả hai phương.
  • Bản thang BT3 và bản chiếu nghỉ CN1, CN2: Tỷ số cạnh $l_1/l_2 = 4,48/1,48 = 3,02 > 2$ (làm việc 1 phương theo cạnh ngắn), tải trọng $q = 8,97\text{ kN/m}^2$, mômen cực đại $M_{\max} = 2,45\text{ kNm}$; chọn cốt thép chịu lực $\phi 6\text{a}200$, cốt thép phân bố phương dài đặt $\phi 6\text{a}200$.
  • Cốn thang CT1: Tiết diện 80x300 mm, chịu tải trọng phân bố $q^{tt} = 7,14\text{ kN/m}$, chiều dài tính toán $l_x = 3\text{ m}$. Nội lực cực đại $M_{\max} = 8\text{ kNm}$, $Q_{\max} = 10,71\text{ kN}$. Cốt thép dọc chọn $1\phi 14$ ($F_a = 1,539\text{ cm}^2$), cốt đai cấu tạo $\phi 6\text{a}200$.
  • Dầm thang D1: Tiết diện 200x300 mm, chịu tải trọng truyền từ bản thang ($q_{d1} = 17,345\text{ kN/m}$, $q_{d2} = 13,162\text{ kN/m}$) và lực tập trung từ cốn thang $P = 10,746\text{ kN}$. Mômen âm tại gối ngàm $M = 67,8\text{ kNm}$, tính toán cốt thép chịu kéo $A_s = 14,57\text{ cm}^2$.

Kết quả và đóng góp

Đồ án hoàn thành các mục tiêu kỹ thuật đặt ra:

  • Thiết lập đầy đủ bản vẽ và thuyết minh giải pháp kiến trúc công trình công cộng cao 39,8 m, tích hợp công năng hành chính và bảo mật tài chính đặc thù của Kho bạc Nhà nước.
  • Tính toán chi tiết các cấu kiện chịu lực chính bằng phương pháp giải tích chuẩn tắc: Xác lập hàm lượng cốt thép dầm dầm chính (từ 0,75% đến 1,7%), cột biên/cột giữa (1,9%), bản sàn tầng 4 và hệ thống cầu thang 3 vế.
  • Lựa chọn giải pháp kỹ thuật ngầm tiên tiến gồm cọc khoan nhồi sâu 43 m, tường vây Diaphragm Wall sâu 20 m và công nghệ thi công bán ngầm Top-Down, phù hợp với điều kiện xây dựng trong khu vực nội đô đông đúc của Hà Nội.

Phạm vi và giới hạn đề tài

Nội dung đồ án được triển khai trong khuôn khổ đồ án tốt nghiệp đại học ngành Xây dựng Dân dụng và Công nghiệp, tập trung vào 10% khối lượng thiết kế kiến trúc và 45% khối lượng thiết kế kết cấu (tính toán cụ thể cho khung dầm, cột trục đại diện, sàn tầng 4 và cầu thang bộ). Các hạng mục móng sâu, tường vây và công nghệ thi công Top-Down được định hướng giải pháp kỹ thuật tổng thể theo hồ sơ thiết kế công trình mà không trình bày toàn bộ bảng tính chi tiết cho từng cọc và tấm tường chắn.

Giá trị tham khảo

Tài liệu là nguồn tham khảo trực tiếp cho:

  • Sinh viên chuyên ngành Kỹ thuật Xây dựng công trình dân dụng & công nghiệp thực hiện đồ án tốt nghiệp hoặc đồ án môn học Kết cấu Bê tông cốt thép, Kiến trúc công trình công cộng.
  • Kỹ sư thiết kế kết cấu trong việc tham khảo quy trình tính toán cấu kiện dầm chữ T, cột nén lệch tâm bé, tính bản sàn theo sơ đồ khớp dẻo và sơ đồ đàn hồi, tính toán cầu thang 3 vế có cốn thang.
  • Cán bộ kỹ thuật thi công quan tâm đến giải pháp tổ chức mặt bằng công trình có tầng hầm sâu áp dụng tường Diaphragm Wall và biện pháp thi công Top-Down.

Câu hỏi thường gặp

Công trình có chiều cao tổng thể và quy mô số tầng như thế nào?
Công trình có chiều cao 39,8 m, quy mô gồm 2 tầng hầm, 8 tầng nổi và 1 tầng mái, xây dựng trên khu đất lùi 35 m so với chỉ giới đỏ đường Cát Linh.

Cấp độ bền của bê tông và chủng loại cốt thép sử dụng trong đồ án là gì?
Kết cấu khung sàn sử dụng bê tông cấp độ bền B20 ($R_b = 11,5\text{ MPa}$, $E_b = 27000\text{ MPa}$); cốt thép chịu lực chính dùng thép nhóm AII ($R_s = 280\text{ MPa}$), cốt thép đai và thép bản sàn dùng nhóm AI ($R_s = 225\text{ MPa}$). Riêng kết cấu cầu thang dùng bê tông mác 200 ($R_n = 115\text{ kG/cm}^2$).

Phương pháp thi công nào được đề xuất cho phần ngầm và phần thân công trình?
Phần tầng hầm được thi công theo phương pháp Top-Down kết hợp hệ tường vây Diaphragm Wall sâu 20 m. Phần thân công trình thi công theo phương pháp Bottom-Up truyền thống sử dụng hệ giàn giáo PAL kết hợp cốp pha vách định hình.

Bản sàn tầng 4 được tính toán theo các sơ đồ cơ học nào?
Các ô sàn phòng làm việc (S1) và sảnh (S2) dày 10 cm được tính toán theo sơ đồ khớp dẻo của bản kê 4 cạnh ($l_2/l_1 = 1$). Riêng ô sàn khu vệ sinh (S3) được tính theo sơ đồ đàn hồi nhằm hạn chế nứt và đảm bảo chống thấm.

Quy chuẩn bố trí lối thoát nạn và hệ thống PCCC của tòa nhà được áp dụng như thế nào?
Công trình tuân thủ TCVN 4601-1988 với 2 buồng thang bộ thoát hiểm chiều rộng tối thiểu 1,3 m đặt độc lập ở hai đầu nhà. Tầng hầm 1 bố trí bể nước chữa cháy 200 m³ nối liên động với 2 máy bơm cứu hỏa; mỗi sảnh tầng từ 1 đến 8 đều trang bị hộp chữa cháy có cuộn vòi D50mm dài 30m, lăng phun D13mm và 2 bình bột CO2.

Kết luận

Đồ án tốt nghiệp "Trụ sở Kho Bạc Nhà Nước 32 Cát Linh - Hà Nội" của tác giả Nguyễn Duy Hạnh đã hoàn thành đầy đủ nhiệm vụ thiết kế kiến trúc và kết cấu công trình trụ sở công cộng cao tầng. Hệ kết cấu khung giằng bê tông cốt thép toàn khối kết hợp lõi cứng thang máy và lưới cột 7x7 m được tính toán, kiểm tra khả năng chịu lực nghiêm ngặt theo tiêu chuẩn xây dựng hiện hành. Toàn bộ giải pháp nền móng cọc khoan nhồi sâu 43 m, tường vây ngầm 20 m và biện pháp thi công Top-Down mang lại tính khả thi cao cho quá trình xây dựng công trình trong đô thị.