Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Trong tiến trình công nghiệp hóa và hiện đại hóa, ngành xây dựng đóng vai trò thiết yếu trong việc phát triển cơ sở hạ tầng phục vụ giáo dục và làm việc. Đề tài đồ án tốt nghiệp "Trụ sở làm việc trường Đại học Công đoàn Hà Nội" được thực hiện nhằm giải quyết bài toán thiết kế toàn diện một công trình công cộng nhiều tầng, đáp ứng nhu cầu mở rộng không gian làm việc cho cán bộ, giảng viên và phục vụ học tập cho sinh viên.

Nhiệm vụ nghiên cứu và thiết kế của đồ án được phân định cụ thể theo ba mảng công việc chính:

  1. Nhiệm vụ thiết kế kiến trúc (Phần A): Tìm hiểu công năng, đề xuất giải pháp bố trí mặt bằng, mặt đứng, mặt cắt; tổ chức không gian giao thông, thoát hiểm, chiếu sáng, thông gió và hệ thống kỹ thuật công trình.
  2. Nhiệm vụ thiết kế kết cấu (Phần B): Lựa chọn hệ kết cấu chịu lực; tính toán cốt thép sàn tầng điển hình; tính toán nội lực và bố trí cốt thép khung trục 3; tính toán móng khung trục 3 (móng cọc ép).
  3. Nhiệm vụ tổ chức thi công (Phần C): Lập biện pháp kỹ thuật thi công phần ngầm, thi công phần thân và hoàn thiện; bóc tách khối lượng, lập tiến độ thi công và thiết kế tổng mặt bằng thi công công trình.

Đối tượng nghiên cứu là khối nhà làm việc kết hợp phòng học cao 9 tầng (bao gồm cả tầng mái), có tổng chiều cao 32,3 m, diện tích xây dựng khoảng 911 $\text{m}^2$. Phạm vi không gian của công trình đặt tại quận Đống Đa, thành phố Hà Nội trên khu đất đã được san gạt bằng phẳng. Phạm vi thời gian thực hiện đồ án diễn ra trong thời gian 15 tuần theo chương trình đào tạo kỹ sư ngành Xây dựng Dân dụng và Công nghiệp.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp

Đồ án vận dụng hệ thống tiêu chuẩn xây dựng hiện hành của Việt Nam, kết hợp các phương pháp cơ học kết cấu và kỹ thuật thi công xây dựng:

  • Hệ thống quy chuẩn, tiêu chuẩn áp dụng:
    • Tiêu chuẩn thiết kế kiến trúc công trình công cộng: TCVN 4601-1998.
    • Tiêu chuẩn tải trọng và tác động: TCVN 2737-1995 dùng để xác định tĩnh tải và các trường hợp hoạt tải sàn, tải trọng tường, dầm.
    • Quy chuẩn tính toán cấu kiện bê tông cốt thép theo trạng thái giới hạn.
  • Phương pháp tính toán kết cấu:
    • Phương pháp tính toán bản sàn: Phân loại ô sàn dựa trên tỷ số cạnh ($l_2/l_1$). Với các ô sàn làm việc 2 phương ($l_2/l_1 < 2$), tác giả áp dụng phương pháp khớp dẻo cho các ô sàn phòng làm việc, phòng học và hành lang để tối ưu hóa cốt thép; áp dụng phương pháp đàn hồi (bản kê 4 cạnh ngàm) cho khu vệ sinh và sàn mái nhằm hạn chế vết nứt, đảm bảo yêu cầu chống thấm và độ võng.
    • Phương pháp tính toán khung phẳng: Mô hình hóa kết cấu khung trục 3 thành hệ thanh phẳng gồm cột và dầm liên kết cứng tại các nút; truyền tải trọng phân bố tam giác, hình thang từ bản sàn vào dầm và tải trọng tập trung từ dầm phụ, tường ngăn.
    • Phương pháp thiết kế nền móng: Tính toán sức chịu tải của cọc đơn, kiểm tra khả năng chịu lực của nhóm cọc, kiểm tra ứng suất cọc trong giai đoạn cẩu lắp, vận chuyển và ép cọc vào đất.
  • Vật liệu và chỉ số cơ lý sử dụng:
    • Bê tông cấp độ bền B20: Cường độ chịu nén tính toán $R_b = 115\text{ kG/cm}^2$ (11,5 MPa), cường độ chịu kéo tính toán $R_{bt} = 0,9\text{ kG/cm}^2$.
    • Cốt thép đường kính $d < 10\text{ mm}$ (nhóm CI): Cường độ chịu kéo tính toán $R_s = 2250\text{ kG/cm}^2$, cường độ chịu cắt $R_{sw} = 1750\text{ kG/cm}^2$.
  • Nguồn dữ liệu: Tài liệu khảo sát địa chất công trình tại khu vực Đống Đa - Hà Nội, các bảng tra hệ số nội lực bản sàn và bảng tra tải trọng vật liệu tiêu chuẩn.

Nội dung chính theo từng chương

Phần A: Thiết kế kiến trúc (Chương 1)

Chương này tập trung trình bày các giải pháp quy hoạch tổng mặt bằng, tổ chức không gian chức năng và thiết kế kỹ thuật công trình:

  • Quy mô và công năng: Tòa nhà 9 tầng có diện tích xây dựng 911 $\text{m}^2$, chiều cao 32,3 m. Tầng 1 gồm sảnh chính, các phòng làm việc và khu vệ sinh; tầng 2 gồm phòng làm việc, thư viện và kho sách; từ tầng 3 đến tầng 9 là các phòng làm việc chuyên môn.
  • Hình khối và giao thông: Công trình mang phong cách hiện đại với các mảng kính lớn kết hợp đường nét thẳng. Giao thông trục đứng gồm 2 thang máy và 2 thang bộ bố trí đối xứng; giao thông trục ngang là hệ hành lang giữa rộng 2,7 m, cửa các phòng mở ra ngoài đảm bảo thoát nạn theo TCVN 4601-1998.
  • Giải pháp hạ tầng kỹ thuật: Cấp điện từ lưới điện thành phố qua trạm biến áp, dây dẫn đi chìm trong tường; cấp nước thành phố kết hợp bể ngầm và trạm bơm; thoát nước mưa qua hệ thống sê-nô gom vào ống nhựa đi ngầm; thoát nước thải qua hệ thống bể tự hoại trước khi xả vào cống chung.

Phần B: Thiết kế kết cấu (Chương 2, Chương 3, Chương 4, Chương 5)

Chương 2: Lựa chọn giải pháp kết cấu tính toán nội lực

Tác giả tiến hành phân tích, so sánh các giải pháp chịu lực: hệ tường chịu lực, hệ khung chịu lực, hệ lõi chịu lực và hệ khung - giằng. Do công trình cao dưới 40 m không chịu ảnh hưởng lớn bởi thành phần gió động, tác giả chọn hệ khung bê tông cốt thép toàn khối. Đối với kết cấu sàn, phương án sàn sườn toàn khối (dầm - bản) được lựa chọn thay thế cho sàn nấm vì tính kinh tế và phù hợp với chiều cao tầng kiến trúc là 3,7 m.

Cấu kiện / Hạng mục Giải pháp lựa chọn Căn cứ kỹ thuật
Hệ chịu lực chính Khung bê tông cốt thép toàn khối Chiều cao dưới 40 m, linh hoạt không gian
Hệ kết cấu sàn Sàn sườn bê tông cốt thép đổ toàn khối Chiều cao tầng 3,7 m, tăng độ cứng ngang
Chiều dày bản sàn $h_s = 12\text{ cm}$ Đảm bảo độ võng, cách âm và chịu lực

Chương 3: Tính thép sàn khung trục 3

Tác giả phân loại và tính toán chi tiết các loại ô bản sàn tầng điển hình:

  • Tải trọng sàn: Xác định chi tiết tĩnh tải và hoạt tải cho từng loại sàn (xem chi tiết tại phần kết quả).
  • Ô bản điển hình kích thước $4,3 \times 6,8\text{ m}$ ($l_{t1} = 4,05\text{ m}$; $l_{t2} = 6,55\text{ m}$; tỷ số $r = 1,6$): Tính theo sơ đồ khớp dẻo, mômen dương nhịp $M_1 = 402\text{ kGm}$, diện tích thép yêu cầu $A_{s,yc} = 1,72\text{ cm}^2$, chọn thép $\phi 8\text{a}200$ ($A_s = 2,513\text{ cm}^2$); mômen âm gối $M_{A1} = 603,3\text{ kGm}$, $A_{s,yc} = 2,48\text{ cm}^2$, chọn thép mũ $\phi 8\text{a}200$ ($A_s = 2,513\text{ cm}^2$) với đoạn vươn cốt mũ $S_1 = 1,0\text{ m}$, $S_2 = 1,65\text{ m}$.
  • Ô sàn vệ sinh kích thước $4,3 \times 6,8\text{ m}$: Tính theo sơ đồ đàn hồi ngàm 4 cạnh, tổng tải trọng $q = 842,9\text{ kG/m}^2$. Mômen dương tính toán đạt $M_1 = 458,4\text{ kGm}$, bố trí cốt thép $\phi 8\text{a}200$; mômen âm gối $M_I = 1010,8\text{ kGm}$, diện tích thép yêu cầu $A_{s,yc} = 4,3\text{ cm}^2$, bố trí cốt thép $\phi 8\text{a}150$ ($A_s = 3,251\text{ cm}^2$).
  • Ô sàn hành lang kích thước $4,3 \times 2,7\text{ m}$ ($l_{t1} = 2,45\text{ m}$; $l_{t2} = 4,05\text{ m}$; tỷ số $r = 1,65$): Tổng tải trọng $q = 794\text{ kG/m}^2$, tính theo sơ đồ khớp dẻo; mômen dương $M_1 = 112\text{ kGm}$ bố trí $\phi 8\text{a}200$; mômen âm $M_{A1} = 168\text{ kGm}$ bố trí $\phi 8\text{a}200$.

Chương 4: Tính toán thép khung trục 3

  • Chọn sơ bộ tiết diện cột: Phân chia theo chiều cao nhằm tối ưu hóa vật liệu:
    • Cột biên: Tầng 1-3 chọn $30 \times 60\text{ cm}$; tầng 4-6 chọn $30 \times 50\text{ cm}$; tầng 7-8 chọn $30 \times 40\text{ cm}$.
    • Cột giữa: Tầng 1-3 chọn $30 \times 80\text{ cm}$; tầng 4-6 chọn $30 \times 70\text{ cm}$; tầng 7-8 chọn $30 \times 60\text{ cm}$.
    • Kiểm tra ổn định cột: Chiều dài tính toán $l_0 = 0,7H = 0,7 \times 370 = 259\text{ cm}$, độ mảnh $\lambda = l_0/b = 259/30 = 8,63 < 31$ (thỏa mãn điều kiện ổn định).
  • Chọn tiết diện dầm: Dầm khung chính $d_1$ ($250 \times 600\text{ mm}$), $d_2$ ($250 \times 400\text{ mm}$); dầm phụ và dầm môi $d_3, d_4, d_5, d_6, d_7$ kích thước $220 \times 350\text{ mm}$ và $250 \times 350\text{ mm}$.
  • Xác định tải trọng tác dụng lên khung: Tĩnh tải dầm gồm trọng lượng dầm $25 \times 60$ ($412,5\text{ kG/m}$), dầm $25 \times 40$ ($275\text{ kG/m}$), dầm $25 \times 35$ ($240,625\text{ kG/m}$); trọng lượng tường 220 xây gạch ($471\text{ kG/m}^2$), tường 110 ($253\text{ kG/m}^2$). Xác định các trường hợp hoạt tải tác dụng lên các tầng 2, 4, 6, 8 phục vụ tổ hợp nội lực và tính cốt thép dầm, cột.

Chương 5: Tính móng khung trục 3

Đánh giá điều kiện địa chất công trình và tải trọng chân cột khung trục 3 để lựa chọn giải pháp móng cọc bê tông cốt thép. Tiến hành tính toán chi tiết móng cột trục D (ký hiệu M1), móng cột trục C (ký hiệu M2), kiểm tra sức chịu tải của cọc theo cường độ đất nền và vật liệu, đồng thời kiểm tra cường độ cọc trong các giai đoạn vận chuyển, cẩu lắp và lực ép cọc.

Phần C: Thi công công trình (Chương 6, Chương 7, Chương 8)

  • Chương 6: Thi công phần ngầm: Đề xuất điều kiện và biện pháp thi công hạ cọc ép, đào đất hố móng, cắt đầu cọc, đổ bê tông lót, lắp dựng ván khuôn, cốt thép và đổ bê tông đài móng, giằng móng.
  • Chương 7: Thi công phần thân và hoàn thiện: Tính toán lựa chọn cần trục tháp và vận thăng phục vụ vận chuyển vật liệu lên cao; lập quy trình lắp dựng coppha định hình, gia công cốt thép, đổ và đầm bê tông cột, dầm, sàn từ tầng 1 đến tầng mái; thuyết minh kỹ thuật xây tường bao, trát, ốp lát granite, sơn bả và lắp kính.
  • Chương 8: Tổ chức thi công: Bóc tách tiên lượng hình học các cấu kiện; lập bảng dự toán chi phí một phần công trình; thiết lập tiến độ thi công theo phương pháp dây chuyền; bố trí tổng mặt bằng thi công gồm đường tạm, bãi tập kết vật liệu, vị trí máy nâng, trạm cấp điện nước tạm thời.

Kết quả và đóng góp

Đồ án đã hoàn thành hệ thống hồ sơ thiết kế kỹ thuật xây dựng hoàn chỉnh với các số liệu cụ thể:

  • Tổng hợp thông số tải trọng tính toán:
Vị trí / Cấu kiện Tĩnh tải tính toán ($g$) Hoạt tải tính toán ($p$ hoặc $q_{tt}$) Tổng tải trọng tính toán ($q$)
Sàn tầng làm việc, phòng học $434,0\text{ kG/m}^2$ $240,0\text{ kG/m}^2$ $674,0\text{ kG/m}^2$ ($0,674\text{ T/m}^2$)
Sàn hành lang $434,0\text{ kG/m}^2$ $360,0\text{ kG/m}^2$ $794,0\text{ kG/m}^2$ ($0,794\text{ T/m}^2$)
Sàn khu vệ sinh (WC) $582,9\text{ kG/m}^2$ $260,0\text{ kG/m}^2$ $842,9\text{ kG/m}^2$ ($0,843\text{ T/m}^2$)
Sàn mái bê tông cốt thép $566,6\text{ kG/m}^2$ $97,5\text{ kG/m}^2$ $664,1\text{ kG/m}^2$
Tường xây gạch dày 220 mm $471,0\text{ kG/m}^2$ - $471,0\text{ kG/m}^2$
Tường xây gạch dày 110 mm $253,0\text{ kG/m}^2$ - $253,0\text{ kG/m}^2$
  • Quy cách bố trí cốt thép cấu kiện sàn điển hình:
    • Sàn phòng làm việc ($4,3 \times 6,8\text{ m}$): Thép nhịp $\phi 8\text{a}200$, thép gối $\phi 8\text{a}200$.
    • Sàn hành lang ($4,3 \times 2,7\text{ m}$): Thép nhịp $\phi 8\text{a}200$, thép gối $\phi 8\text{a}200$.
    • Sàn khu vệ sinh ($4,3 \times 6,8\text{ m}$): Thép nhịp $\phi 8\text{a}200$, thép gối chịu mômen âm lớn $\phi 8\text{a}150$.
  • Hệ thống bản vẽ kỹ thuật đi kèm:
    • Phần Kiến trúc: 04 bản vẽ gồm mặt bằng các tầng (KT-01, KT-02), mặt đứng, mặt bằng mái (KT-03) và mặt cắt (KT-04).
    • Phần Kết cấu: 03 bản vẽ gồm kết cấu sàn (KC-01), kết cấu khung trục 3 (KC-02), kết cấu móng (KC-03).
    • Phần Thi công: Hệ thống bản vẽ biện pháp thi công móng, thân và tổng mặt bằng tổ chức thi công.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

  • Hạn chế được nêu trong văn bản:
    • Do giới hạn thời gian thực hiện trong 15 tuần và nguồn tài liệu tham khảo, đồ án chưa đi sâu phân tích và so sánh đa dạng các phương án sàn tiên tiến khác (như sàn ứng lực trước hoặc sàn rỗng).
    • Mô hình tính toán kết cấu khung chịu lực được thực hiện dưới dạng sơ đồ khung phẳng cho một trục điển hình (khung trục 3), chưa phản ánh toàn diện sự làm việc không gian tổng thể ba chiều của toàn khối công trình dưới tác dụng phức hợp của tải trọng ngang.
  • Hướng mở rộng: Mở rộng nghiên cứu áp dụng các phần mềm phân tích kết cấu không gian tổng thể 3D, bổ sung kiểm toán tải trọng động đất theo các tiêu chuẩn cập nhật và tối ưu hóa chi phí dự toán toàn diện cho toàn bộ các hạng mục công trình.

Giá trị tham khảo

Đồ án là tài liệu tham khảo thực tế và mang tính hệ thống cao cho sinh viên ngành Xây dựng Dân dụng và Công nghiệp thực hiện đồ án tốt nghiệp hoặc các học phần đồ án môn học như Kiến trúc công trình, Bê tông cốt thép, Nền móng và Tổ chức thi công.

Nội dung đặc biệt hữu ích trong các mảng:

  • Quy trình phân loại và tính toán ô bản sàn theo hai sơ đồ cơ học khác nhau (sơ đồ khớp dẻo cho khu vực khô ráo, sơ đồ đàn hồi cho khu vực ẩm ướt cần chống thấm).
  • Quy trình truyền tải trọng chi tiết từ diện tích sàn dạng tam giác, hình thang và tải tập trung từ dầm phụ vào sơ đồ khung trục.
  • Trình tự xác định kích thước sơ bộ cấu kiện cột thay đổi theo chiều cao tầng kết hợp kiểm tra ổn định độ mảnh.

Câu hỏi thường gặp

1. Quy mô diện tích và chiều cao công trình được thiết kế như thế nào?
Công trình gồm 9 tầng (tính cả mái), có tổng chiều cao $32,3\text{ m}$, diện tích xây dựng khoảng $911\text{ m}^2$, tọa lạc trên khu đất đã được san gạt bằng phẳng tại quận Đống Đa, Hà Nội.

2. Tiết diện cột khung trục 3 thay đổi như thế nào theo từng tầng?
Tiết diện cột được giảm dần theo chiều cao nhà để tối ưu hóa vật liệu:

  • Cột biên: Tầng 1 đến tầng 3 có kích thước $30 \times 60\text{ cm}$; tầng 4 đến tầng 6 là $30 \times 50\text{ cm}$; tầng 7 đến tầng 8 là $30 \times 40\text{ cm}$.
  • Cột giữa: Tầng 1 đến tầng 3 có kích thước $30 \times 80\text{ cm}$; tầng 4 đến tầng 6 là $30 \times 70\text{ cm}$; tầng 7 đến tầng 8 là $30 \times 60\text{ cm}$.

3. Tại sao tác giả sử dụng hai sơ đồ tính toán khác nhau cho bản sàn?
Tác giả áp dụng sơ đồ khớp dẻo cho các ô sàn phòng học, phòng làm việc và hành lang nhằm phân phối lại mômen, tối ưu hóa lượng cốt thép để đạt hiệu quả kinh tế. Ngược lại, sàn khu vệ sinh và sàn mái bắt buộc tính theo sơ đồ đàn hồi ngàm 4 cạnh để kiểm soát biến dạng, không cho phép xuất hiện vết nứt, đảm bảo khả năng chống thấm tuyệt đối.

4. Kích thước và thông số cốt thép tính toán cho ô sàn phòng học điển hình ($4,3 \times 6,8\text{ m}$) là bao nhiêu?
Ô sàn có chiều dày $h_s = 12\text{ cm}$, nhịp tính toán $l_{t1} = 4,05\text{ m}$ và $l_{t2} = 6,55\text{ m}$. Cốt thép chịu mômen dương ở nhịp được bố trí $\phi 8\text{a}200$ ($A_s = 2,513\text{ cm}^2 > A_{s,yc} = 1,72\text{ cm}^2$), cốt thép chịu mômen âm ở gối bố trí thép mũ $\phi 8\text{a}200$ ($A_s = 2,513\text{ cm}^2 > A_{s,yc} = 2,48\text{ cm}^2$).

5. Vật liệu bê tông và cốt thép được quy định sử dụng trong đồ án gồm những loại nào?
Công trình sử dụng bê tông cấp độ bền B20 với cường độ chịu nén tính toán $R_b = 115\text{ kG/cm}^2$ (11,5 MPa), cường độ chịu kéo $R_{bt} = 0,9\text{ kG/cm}^2$; cốt thép đường kính dưới 10 mm thuộc nhóm CI có cường độ tính toán chịu kéo $R_s = 2250\text{ kG/cm}^2$ và chịu cắt $R_{sw} = 1750\text{ kG/cm}^2$.

Kết luận

Đồ án tốt nghiệp "Trụ sở làm việc trường Đại học Công đoàn Hà Nội" của sinh viên Phạm Văn Hà đã giải quyết hoàn chỉnh ba khối lượng công việc chính gồm thiết kế kiến trúc, tính toán kết cấu bê tông cốt thép và lập biện pháp tổ chức thi công cho công trình 9 tầng. Toàn bộ quá trình tính toán nội lực sàn, khung phẳng trục 3 và móng cọc ép đều tuân thủ chặt chẽ các tiêu chuẩn TCVN hiện hành kết hợp số liệu tải trọng chi tiết. Hồ sơ đồ án là tài liệu tham khảo học thuật đầy đủ, cung cấp phương pháp luận và số liệu thực tế cho sinh viên và kỹ sư chuyên ngành kỹ thuật xây dựng công trình dân dụng.