I. Khám Phá Đồ Án Chung Cư Aces Building Ngành Xây Dựng
Đồ án tốt nghiệp Thiết Kế Chung Cư Aces Building là một công trình nghiên cứu khoa học tiêu biểu của ngành Công nghệ kỹ thuật công trình xây dựng, thực hiện bởi sinh viên trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP.HCM. Dự án này không chỉ đáp ứng nhu cầu nhà ở ngày càng tăng tại các đô thị lớn như Thành phố Hồ Chí Minh mà còn là minh chứng cho việc áp dụng thành công các kiến thức chuyên ngành vào thực tiễn, từ giải pháp kiến trúc đến tính toán kết cấu phức tạp. Công trình được thiết kế nhằm thay thế các khu dân cư cũ, góp phần chỉnh trang bộ mặt đô thị và mang đến một không gian sống tiện nghi, hiện đại. Với quy mô 19 tầng nổi và 3 tầng hầm, Chung cư Aces Building đặt ra nhiều bài toán kỹ thuật đòi hỏi sự tính toán chính xác và lựa chọn giải pháp tối ưu. Đồ án đã trình bày chi tiết toàn bộ quá trình thiết kế, từ việc lên ý tưởng kiến trúc, lựa chọn vật liệu, cho đến việc phân tích và tính toán các cấu kiện chịu lực quan trọng như sàn, cột, vách và móng. Quá trình này tuân thủ chặt chẽ các tiêu chuẩn xây dựng Việt Nam, đặc biệt là TCVN 5574-2018, đảm bảo công trình không chỉ đẹp về mặt thẩm mỹ mà còn vững chắc, an toàn và bền vững theo thời gian. Đây là một tài liệu tham khảo giá trị cho sinh viên và kỹ sư trong lĩnh vực xây dựng, cung cấp cái nhìn tổng quan và chi tiết về quy trình thiết kế một công trình nhà cao tầng hiện đại.
1.1. Tổng quan quy mô và vị trí dự án Aces Building
Công trình Chung cư Aces Building được xây dựng tại Hóc Môn, Thành phố Hồ Chí Minh, một khu vực đang có tốc độ đô thị hóa nhanh chóng. Dự án được phân loại là công trình xây dựng cấp 1, với quy mô ấn tượng bao gồm 19 tầng cao và 3 tầng hầm, chiều cao tổng thể đạt 71.6m. Công năng của tòa nhà được phân chia rõ ràng: Ba tầng hầm được sử dụng làm bãi giữ xe máy và ô tô, đồng thời là nơi đặt các hệ thống kỹ thuật như máy phát điện dự phòng. Tầng trệt và tầng lửng được dành cho các hoạt động thương mại, dịch vụ như trung tâm mua sắm và showroom. Từ tầng 1 đến tầng 18 là khu căn hộ, mỗi tầng được bố trí 8 căn hộ nhằm đáp ứng nhu cầu nhà ở cho cư dân. Tầng thượng là không gian kỹ thuật, nơi đặt hai bể nước lớn phục vụ sinh hoạt và phòng cháy chữa cháy cho toàn bộ tòa nhà. Quy mô lớn và công năng đa dạng đòi hỏi một thiết kế kết cấu phức tạp và tối ưu.
1.2. Phân tích các giải pháp kiến trúc hiện đại được áp dụng
Giải pháp kiến trúc của Chung cư Aces Building hướng đến sự hiện đại, hài hòa với cảnh quan đô thị. Mặt bằng công trình có dạng hình chữ nhật, vuông vức, giúp tối ưu khả năng chống chịu các tải trọng ngang như gió và động đất. Thiết kế mặt đứng sử dụng các đường nét ngang và thẳng, kết hợp vật liệu mới như kính cường lực và sơn ngoại thất cao cấp, tạo nên vẻ ngoài sang trọng và bề thế. Giao thông trong tòa nhà được tổ chức khoa học với hệ thống hành lang giữa kết nối các căn hộ và nút giao thông đứng bao gồm thang máy và thang bộ, đảm bảo sự lưu thông thuận tiện và thoát hiểm an toàn khi có sự cố. Các giải pháp kỹ thuật phụ trợ như thông gió và chiếu sáng được chú trọng, kết hợp giữa tự nhiên và nhân tạo để tạo môi trường sống trong lành, tiết kiệm năng lượng. Hệ thống điện, nước và phòng cháy chữa cháy được thiết kế tuân thủ nghiêm ngặt các tiêu chuẩn Việt Nam, đảm bảo an toàn tuyệt đối cho cư dân.
II. Thách Thức Khi Thiết Kế Kết Cấu Nhà Cao Tầng 19 Tầng
Việc thiết kế kết cấu cho một công trình cao 19 tầng như Chung cư Aces Building đặt ra nhiều thách thức lớn, đòi hỏi kỹ sư phải cân nhắc kỹ lưỡng giữa các yếu tố kỹ thuật, kinh tế và kiến trúc. Thách thức đầu tiên là lựa chọn hệ kết cấu chịu lực chính. Với chiều cao lớn, công trình phải chịu tác động của các tải trọng ngang (gió, động đất) đáng kể. Do đó, một hệ kết cấu đơn thuần như khung bê tông cốt thép có thể không đảm bảo đủ độ cứng, dẫn đến chuyển vị lớn. Một thách thức khác là việc lựa chọn giải pháp sàn. Sàn không chỉ chịu tải trọng sử dụng mà còn tham gia vào việc truyền tải trọng ngang và đảm bảo sự làm việc đồng bộ của toàn bộ kết cấu. Các phương án như sàn sườn, sàn phẳng hay sàn ứng lực trước đều có ưu và nhược điểm riêng, cần được phân tích để tìm ra lựa chọn phù hợp nhất với đặc điểm kiến trúc và yêu cầu về chiều cao thông thủy. Ngoài ra, việc thiết kế phần ngầm và móng cho công trình trên nền đất yếu cũng là một bài toán phức tạp. Tải trọng khổng lồ từ bên trên đòi hỏi một hệ móng đủ khả năng chịu lực và kiểm soát độ lún. Đồ án Công nghệ kỹ thuật công trình xây dựng này đã phân tích và đưa ra các giải pháp hợp lý để giải quyết triệt để những thách thức trên, đảm bảo sự ổn định và an toàn cho công trình.
2.1. Lựa chọn hệ kết cấu chịu lực tối ưu cho công trình
Đối với nhà cao tầng, việc lựa chọn hệ kết cấu chịu lực theo phương đứng là quyết định quan trọng nhất. Đồ án đã phân tích các hệ cơ bản như kết cấu khung, kết cấu tường chịu lực, và các hệ hỗn hợp như kết cấu khung - vách. Hệ kết cấu khung tuy linh hoạt về không gian nhưng độ cứng ngang kém, không hiệu quả cho công trình trên 20 tầng. Trong khi đó, hệ kết cấu khung - vách, với sự kết hợp giữa khung chịu tải trọng đứng và vách cứng (lõi thang máy) chịu tải trọng ngang, đã chứng tỏ ưu thế vượt trội. Hệ này giúp tăng độ cứng tổng thể, giảm chuyển vị đỉnh công trình và tối ưu hóa khả năng chịu lực. Dựa trên quy mô và đặc điểm kiến trúc của Chung cư Aces Building, giải pháp kết cấu khung - vách kết hợp lõi cứng được lựa chọn làm phương án chịu lực chính, đảm bảo an toàn trước tác động của gió bão và động đất.
2.2. Phân tích các phương án kết cấu sàn và phần ngầm
Việc lựa chọn giải pháp sàn ảnh hưởng lớn đến chiều cao tầng và tiến độ thi công. Đồ án đã xem xét các phương án phổ biến như sàn sườn toàn khối và sàn phẳng không dầm. Sàn sườn truyền thống tuy đơn giản trong tính toán nhưng hệ dầm chiếm nhiều không gian, làm giảm chiều cao thông thủy. Ngược lại, sàn phẳng giúp tiết kiệm chiều cao, tạo không gian thoáng đãng và đơn giản hóa việc thi công cốp pha. Do đó, phương án sàn phẳng được lựa chọn. Đối với phần ngầm, do tải trọng công trình rất lớn, phương án móng cọc khoan nhồi được đề xuất. Đây là giải pháp phù hợp cho nhà cao tầng trên nền địa chất phức tạp, giúp truyền tải trọng xuống các lớp đất cứng bên dưới, kết hợp với tường vây để đảm bảo ổn định trong quá trình thi công và khai thác.
III. Giải Pháp Kết Cấu Khung Vách Cho Chung Cư Aces Building
Giải pháp kết cấu khung-vách được lựa chọn cho Chung cư Aces Building là một quyết định chiến lược, kết hợp ưu điểm của cả hai hệ kết cấu để tạo ra một hệ chịu lực toàn diện và hiệu quả. Trong hệ thống này, các cột và dầm tạo thành một bộ khung không gian, chủ yếu chịu trách nhiệm tiếp nhận và truyền tải trọng thẳng đứng xuống móng. Đồng thời, các vách cứng và lõi thang máy, được làm từ bê tông cốt thép, đóng vai trò là các cấu kiện chính chống lại tải trọng ngang do gió và động đất. Sự tương tác giữa khung và vách tạo ra một hệ kết cấu có độ cứng rất cao, giúp kiểm soát hiệu quả chuyển vị ngang và dao động của công trình, đảm bảo sự ổn định và an toàn. Việc thiết kế hệ kết cấu khung-vách đòi hỏi phải mô hình hóa và phân tích chính xác sự làm việc đồng thời của các cấu kiện bằng các phần mềm chuyên dụng. Đồ án đã tiến hành sơ bộ tiết diện cho các cấu kiện cột, vách, dầm và sàn dựa trên các công thức kinh nghiệm và yêu cầu của tiêu chuẩn, tạo cơ sở vững chắc cho các bước tính toán chi tiết sau này. Đây là một bước quan trọng trong quy trình thiết kế chung cư cao tầng, quyết định đến tính an toàn và kinh tế của toàn bộ dự án.
3.1. Quy trình lựa chọn vật liệu bê tông và cốt thép
Vật liệu là yếu tố cốt lõi quyết định đến khả năng chịu lực và độ bền của công trình. Đồ án Thiết Kế Chung Cư Aces Building đã lựa chọn vật liệu dựa trên tiêu chuẩn TCVN 5574-2018. Bê tông sử dụng cho các cấu kiện chính là loại có cấp độ bền B30, với cường độ chịu nén tính toán Rb = 17 MPa và mô đun đàn hồi Eb = 32500 MPa. Loại bê tông này đảm bảo cường độ cao và khả năng làm việc tốt. Đối với cốt thép, hai loại được sử dụng: thép nhóm CB500-V (cho cốt thép có Ø ≥ 10) với cường độ tính toán Rs = 435 MPa, và thép nhóm CB240-V (cho cốt thép có Ø < 10) với Rs = 210 MPa. Việc lựa chọn các loại vật liệu cường độ cao này không chỉ giúp tối ưu hóa tiết diện cấu kiện, giảm trọng lượng bản thân công trình mà còn tăng cường khả năng chịu lực tổng thể.
3.2. Sơ bộ tiết diện các cấu kiện cột vách và dầm biên
Sau khi chọn vật liệu, bước tiếp theo là sơ bộ kích thước tiết diện các cấu kiện. Chiều dày sàn điển hình được chọn là 200 mm và sàn hầm là 250 mm để đảm bảo độ cứng và khả năng chống chọc thủng. Chiều dày vách lõi cứng được chọn sơ bộ là 300 mm, tuân thủ yêu cầu của TCXD 198-1997. Tiết diện cột được tính toán sơ bộ dựa trên công thức kinh nghiệm, xét đến diện tích truyền tải và tổng tải trọng từ các tầng. Ví dụ, cột giữa ở các tầng dưới có thể có tiết diện lớn, sau đó giảm dần ở các tầng trên để tiết kiệm vật liệu. Tương tự, dầm biên cũng được sơ bộ kích thước dựa trên nhịp dầm, đảm bảo đủ khả năng chịu uốn và cắt. Quá trình sơ bộ này là cơ sở để xây dựng mô hình tính toán kết cấu trên các phần mềm như ETABS và SAFE.
IV. Hướng Dẫn Tính Toán Sàn Phẳng Bằng Phần Mềm SAFE
Sàn phẳng là một giải pháp kết cấu hiện đại trong thiết kế chung cư, và việc tính toán nó đòi hỏi công cụ phân tích mạnh mẽ như phần mềm SAFE. Đồ án Thiết Kế Chung Cư Aces Building đã trình bày một quy trình chi tiết để phân tích và thiết kế sàn tầng điển hình. Quá trình này bắt đầu bằng việc xây dựng mô hình sàn trong SAFE, bao gồm việc định nghĩa vật liệu (Bê tông B30, cốt thép), khai báo tiết diện sàn, cột và mũ cột. Mũ cột được thêm vào để tăng cường khả năng chống cắt và chịu mô men âm tại vị trí đầu cột, một yếu tố quan trọng trong thiết kế sàn phẳng. Tiếp theo, tải trọng tác dụng lên sàn, bao gồm tĩnh tải (trọng lượng bản thân, lớp hoàn thiện) và hoạt tải, được gán vào mô hình. Sau khi mô hình hoàn chỉnh, phần mềm sẽ tiến hành phân tích phần tử hữu hạn để xác định nội lực (mô men, lực cắt) trong sàn. Kết quả nội lực này là cơ sở quan trọng để tiến hành bước tiếp theo: tính toán và bố trí cốt thép, đảm bảo sàn đủ khả năng chịu lực theo yêu cầu của TCVN 5574-2018. Quy trình này cho thấy sự kết hợp hiệu quả giữa lý thuyết cơ bản và công nghệ phần mềm hiện đại trong ngành Công nghệ kỹ thuật công trình xây dựng.
4.1. Mô hình hóa và phân tích nội lực sàn tầng điển hình
Mô hình sàn tầng điển hình của Chung cư Aces Building được xây dựng trong phần mềm SAFE với đầy đủ các yếu tố hình học và đặc trưng vật liệu. Do mặt bằng công trình có tính đối xứng, việc phân tích được thực hiện trên 1/4 hoặc 1/2 mô hình để tiết kiệm thời gian tính toán. Để xuất nội lực và tính toán cốt thép, các dải phân tích (Design Strips) được định nghĩa theo hai phương X và Y. Các dải này có bề rộng L/4 ở khu vực gối (cột) và L/2 ở khu vực nhịp. Sau khi chạy phân tích, phần mềm SAFE xuất ra biểu đồ mô men uốn dọc theo các dải. Các giá trị mô men lớn nhất tại nhịp và gối được xác định để sử dụng cho việc tính toán cốt thép sàn, đảm bảo an toàn cho các vị trí chịu lực nguy hiểm nhất.
4.2. Quy trình tính toán và bố trí cốt thép cho sàn
Dựa trên kết quả nội lực từ phần mềm SAFE, quá trình tính toán cốt thép được thực hiện theo tiêu chuẩn TCVN 5574-2018. Từ giá trị mô men uốn trên một mét dài của dải, diện tích cốt thép yêu cầu (As) được tính toán theo công thức của cấu kiện chịu uốn. Sau đó, tiến hành lựa chọn đường kính và khoảng cách cốt thép thực tế (ví dụ: Ø12a150) sao cho diện tích thép bố trí lớn hơn hoặc bằng diện tích thép tính toán. Đồ án cũng kiểm tra hàm lượng cốt thép tối thiểu để hạn chế nứt và đảm bảo sự làm việc dẻo của kết cấu. Kết quả tính toán được trình bày chi tiết trong các bảng, thể hiện rõ ràng lượng thép cần thiết cho từng vị trí nhịp và gối theo cả hai phương. Quy trình này đảm bảo việc bố trí cốt thép vừa an toàn, vừa kinh tế.
V. Cách Kiểm Tra Độ Bền Sàn Bê Tông Cốt Thép Theo TCVN
Sau khi hoàn thành việc tính toán cốt thép, bước tiếp theo trong quy trình thiết kế kết cấu là kiểm tra các điều kiện về trạng thái giới hạn sử dụng và độ bền cục bộ, nhằm đảm bảo sàn làm việc ổn định và an toàn trong suốt vòng đời công trình. Đồ án Thiết Kế Chung Cư Aces Building đã thực hiện hai kiểm tra quan trọng cho kết cấu sàn phẳng theo tiêu chuẩn TCVN 5574-2018: kiểm tra chọc thủng và kiểm tra biến dạng (độ võng và vết nứt). Kiểm tra chọc thủng là một yêu cầu bắt buộc đối với sàn không dầm, nhằm đảm bảo sàn không bị phá hoại cục bộ tại vị trí liên kết với cột do lực tập trung lớn. Phân tích này xem xét khả năng chịu cắt của bê tông trên một chu vi tới hạn quanh cột. Bên cạnh đó, việc kiểm tra độ võng và bề rộng vết nứt là cần thiết để đảm bảo điều kiện sử dụng bình thường của công trình. Độ võng quá lớn có thể gây ảnh hưởng đến các lớp hoàn thiện, vách ngăn và gây cảm giác không an toàn cho người sử dụng. Tương tự, vết nứt vượt quá giới hạn cho phép sẽ làm giảm độ bền lâu của kết cấu do cốt thép có nguy cơ bị ăn mòn. Các phân tích này được thực hiện cẩn thận bằng cả tính toán thủ công và hỗ trợ từ phần mềm SAFE.
5.1. Phân tích và kiểm tra điều kiện chọc thủng sàn
Khả năng chống chọc thủng của sàn được kiểm tra tại các vị trí cột góc, cột biên và cột giữa, nơi có lực tập trung lớn. Theo TCVN 5574-2018, điều kiện kiểm tra dựa trên việc so sánh lực cắt do ngoại lực và khả năng chịu cắt của bê tông trên tiết diện tính toán. Tiết diện này có đường bao cách mép cột một khoảng 0.5 lần chiều cao làm việc của sàn (ho). Đồ án đã tính toán lực tập trung giới hạn mà bê tông có thể chịu được (Fb,u) và so sánh với lực tác dụng (F). Kết quả kiểm tra cho thấy tại tất cả các vị trí cột quan trọng, điều kiện chống chọc thủng đều được thỏa mãn. Điều này chứng tỏ chiều dày sàn 200 mm và việc bố trí mũ cột là hợp lý, đảm bảo an toàn chống lại phá hoại cục bộ.
5.2. Đánh giá độ võng và vết nứt của sàn phẳng
Kiểm tra biến dạng là một phần không thể thiếu. Đầu tiên, đồ án tiến hành kiểm tra sự hình thành vết nứt bằng cách so sánh mô men do ngoại lực (M) và mô men gây nứt (Mcrc). Kết quả cho thấy M > Mcrc, nghĩa là sàn có xuất hiện vết nứt. Do đó, cần tính toán bề rộng vết nứt (acrc) và so sánh với giá trị giới hạn cho phép (acrc,u). Cả tính toán thủ công và kết quả từ phần mềm SAFE đều cho thấy bề rộng vết nứt nằm trong giới hạn cho phép, đảm bảo độ bền lâu cho kết cấu. Tương tự, độ võng của sàn được phân tích bằng cách thiết lập các tổ hợp tải trọng dài hạn và ngắn hạn trong SAFE. Kết quả độ võng tính toán được so sánh với độ võng giới hạn theo tiêu chuẩn, và kết luận rằng sàn phẳng của Chung cư Aces Building thỏa mãn điều kiện về biến dạng, đảm bảo tiện nghi và an toàn khi sử dụng.
VI. Tổng Kết Đồ Án Tốt Nghiệp Thiết Kế Chung Cư Aces
Đồ án tốt nghiệp Thiết Kế Chung Cư Aces Building đã hoàn thành xuất sắc nhiệm vụ đặt ra, trình bày một cách toàn diện và khoa học quy trình thiết kế một công trình nhà cao tầng phức tạp. Từ việc phân tích kiến trúc, lựa chọn giải pháp kết cấu, cho đến việc tính toán chi tiết các cấu kiện chịu lực, đồ án đã thể hiện sự nắm vững kiến thức chuyên môn của sinh viên ngành Công nghệ kỹ thuật công trình xây dựng. Việc lựa chọn hệ kết cấu khung-vách kết hợp sàn phẳng và móng cọc khoan nhồi đã được chứng minh là một giải pháp tối ưu, vừa đáp ứng yêu cầu về kiến trúc, vừa đảm bảo khả năng chịu lực và sự ổn định của công trình. Quá trình tính toán chi tiết sàn tầng điển hình bằng phần mềm SAFE và kiểm tra các điều kiện theo TCVN 5574-2018 cho thấy sự cẩn trọng và tuân thủ nghiêm ngặt các quy chuẩn kỹ thuật. Đồ án không chỉ là một bài tập học thuật mà còn mang tính thực tiễn cao, có thể được xem như một tài liệu hướng dẫn có giá trị cho các kỹ sư trẻ. Nó khẳng định tầm quan trọng của việc kết hợp giữa lý thuyết nền tảng và các công cụ tính toán hiện đại để tạo ra những công trình bền vững, an toàn và hiệu quả kinh tế, góp phần vào sự phát triển của ngành xây dựng Việt Nam.
6.1. Đánh giá tổng thể tính khả thi và an toàn của dự án
Thông qua các phân tích và tính toán chi tiết, đồ án đã chứng minh tính khả thi và an toàn của dự án Chung cư Aces Building. Hệ kết cấu được lựa chọn có đủ độ cứng và độ bền để chịu được các loại tải trọng, bao gồm cả tải trọng gió và động đất theo tiêu chuẩn. Các cấu kiện chính như sàn, cột, vách đều được thiết kế với hệ số an toàn cao. Các kiểm tra về trạng thái giới hạn sử dụng như độ võng và vết nứt đều cho kết quả thỏa mãn, đảm bảo công trình sẽ hoạt động ổn định và bền vững trong dài hạn. Về mặt kinh tế, việc sử dụng sàn phẳng và tối ưu hóa tiết diện vật liệu giúp giảm chi phí xây dựng và rút ngắn tiến độ thi công. Do đó, dự án hoàn toàn khả thi để triển khai trong thực tế.
6.2. Hướng phát triển cho ngành Công nghệ kỹ thuật công trình
Đồ án này mở ra nhiều hướng phát triển cho ngành Công nghệ kỹ thuật công trình xây dựng. Thứ nhất, nó nhấn mạnh tầm quan trọng của việc ứng dụng các phần mềm mô phỏng và phân tích kết cấu tiên tiến như ETABS và SAFE vào quá trình thiết kế. Thứ hai, việc nghiên cứu và áp dụng các giải pháp kết cấu mới như sàn ứng lực trước, bê tông chất lượng siêu cao có thể là một hướng đi để tối ưu hóa hơn nữa các công trình cao tầng trong tương lai. Cuối cùng, đồ án là nguồn cảm hứng cho các thế hệ sinh viên tiếp theo trong việc thực hiện các đề tài nghiên cứu chuyên sâu, giải quyết các bài toán thực tế của ngành xây dựng, góp phần nâng cao chất lượng và sự an toàn của các công trình tại Việt Nam.
