Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Đồ án được thực hiện trong bối cảnh nhu cầu đầu tư cơ sở hạ tầng hành chính ngày càng tăng tại TP. Hồ Chí Minh, đặc biệt là các công trình văn phòng nhà nước quy mô lớn. Công trình trụ sở làm việc Chi Cục Thuế TP. HCM với chiều cao 74 m, gồm 1 tầng hầm, 18 tầng nổi và 2 tầng kỹ thuật, phục vụ đồng thời khoảng 2.000 cán bộ nhân viên và 2.000 khách giao dịch, đặt ra yêu cầu cao về thiết kế hệ thống kỹ thuật MEP (Mechanical – Electrical – Plumbing). Tác giả xác định rằng khí hậu nóng ẩm đặc trưng của TP. HCM (nhiệt độ trung bình 27,55°C, cao nhất 36°C, lượng mưa trung bình năm 1.949 mm) cùng với mật độ sử dụng dày đặc của công trình tạo ra bài toán tổng hợp đòi hỏi hệ thống cấp thoát nước, điều hòa không khí – thông gió, và cung cấp điện phải được tính toán đồng bộ, đảm bảo an toàn, tiện nghi và tiết kiệm năng lượng.

Mục tiêu đề tài gồm ba nhóm nhiệm vụ được tác giả xác định rõ:

  1. Tính toán và thiết kế hệ thống cấp thoát nước (cấp nước lạnh, bể ngầm, két nước mái, thủy lực đường ống, thoát nước sinh hoạt, thoát nước mưa, chống úng tầng hầm).
  2. Tính toán và thiết kế hệ thống điều hòa không khí VRV, thông gió cấp gió tươi, hút gió thải, hút khói hành lang, tạo áp cầu thang bộ, thông gió tầng hầm.
  3. Tính toán và thiết kế hệ thống cung cấp điện (chiếu sáng, phụ tải, lựa chọn máy biến áp, máy phát dự phòng, tụ bù công suất phản kháng, bảo vệ ngắn mạch và kiểm tra sụt áp).

Ngoài ra, đồ án yêu cầu thể hiện toàn bộ bản vẽ bằng AutoCAD, triển khai mô hình 3D trên Revit và lập bảng khái toán vật tư thiết bị.

Đối tượng nghiên cứu: Hệ thống kỹ thuật MEP của công trình cao ốc văn phòng trụ sở Chi Cục Thuế TP. HCM.

Phạm vi: Công trình tọa lạc tại góc đường Trần Lựu – Vũ Tông Phan, phường An Phú, Quận 2 (TP. Thủ Đức), TP. HCM. Diện tích khuôn viên 10.050 m², tổng diện tích sàn 27.200 m², khối tích 93.560 m³. Thời gian thực hiện và hoàn thành đồ án vào tháng 6 năm 2024.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp

Khung tiêu chuẩn và văn bản quy phạm

Toàn bộ đồ án được tính toán và thiết kế theo hệ thống quy chuẩn, tiêu chuẩn Việt Nam hiện hành:

Lĩnh vực Tiêu chuẩn / Quy chuẩn
Cấp nước TCVN 4513-1988, TCXDVN 33-2006, QCVN:2000
Thoát nước TCVN 4474-1987, TCXDVN 51-2008, QCVN 07-02-2016/BXD
PCCC QCVN 06:2021/BXD, TCVN 2622:1995
Gara ôtô QCVN 13:2018/BXD
Điện IEC (Ủy ban Kỹ thuật Điện Quốc tế), TCVN

Hệ thống điều hòa không khí được thiết kế theo công nghệ VRV (Variable Refrigerant Volume) – hệ thống điều hòa trung tâm biến lưu lượng môi chất lạnh – sử dụng phương pháp tính toán phụ tải lạnh Carrier (sơ đồ tuần hoàn không khí một cấp mùa hè), với các hệ số đặc trưng RSHF (Room Sensible Heat Factor), GSHF (Grand Sensible Heat Factor) và ESHF (Effective Sensible Heat Factor). Thiết kế chiếu sáng sử dụng phần mềm DIALux để kiểm tra độ rọi và độ đồng đều.

Phương pháp thiết kế kỹ thuật

  • Cấp thoát nước: Phương pháp tính theo đương lượng thiết bị vệ sinh (TCVN 4513-1988), công thức thực nghiệm Hct = 10 + 4×(n-1) để xác định áp lực cần thiết, phương trình Hazen–Williams để tính tổn thất ma sát đường ống (hệ số C = 130 cho ống thép, C = 150 cho ống PPR nhựa dẻo).
  • Điều hòa không khí: Phương pháp Carrier, tính toán từng thành phần nhiệt thừa (bức xạ qua kính Q11, truyền qua mái Q21, qua vách Q22, qua nền Q23, đèn chiếu sáng Q31, máy móc Q32, con người Q4, gió tươi QN, gió lọt Q5), kiểm tra đọng sương, thành lập và tính toán sơ đồ điều hòa không khí trên đồ thị T–d.
  • Hệ thống điện: Phương pháp tính phụ tải theo từng nhóm (chiếu sáng, ổ cắm, điều hòa, công cộng, sự cố); phương pháp chọn CB và dây dẫn theo điều kiện phát nóng; tính toán ngắn mạch và kiểm tra sụt áp.
  • Công cụ phần mềm: AutoCAD (bản vẽ thi công), Revit (mô hình 3D MEP), DIALux (tính chiếu sáng).

Nguồn dữ liệu

Số liệu đầu vào gồm: số liệu khí tượng thủy văn TP. HCM (nhiệt độ, độ ẩm, lượng mưa), áp lực đường ống cấp nước ngoài công trình H_ngoài = 20 mH₂O, điện áp nguồn lưới 24 kV, thông số kiến trúc và kết cấu công trình do Công ty TNHH tư vấn thiết kế giám sát xây dựng D cung cấp.

Nội dung chính theo từng chương

Phần I – Giới thiệu tổng quan dự án

Phần này trình bày lý do lựa chọn đề tài, mục tiêu, nội dung và tổng quan công trình. Công trình có 1 tầng hầm, tầng 1, tầng lửng, tầng 2 đến tầng 17, tầng sân thượng và 2 tầng kỹ thuật; chiều cao 74 m; diện tích sàn tổng cộng 27.200 m². Công trình được phân vùng cấp điện từ lưới điện quốc gia 24 kV, cấp nước từ đường ống dịch vụ đô thị, thoát nước vào mạng lưới thoát nước khu vực. Phần này cũng nêu điều kiện tự nhiên – khí hậu TP. HCM làm cơ sở cho các thông số thiết kế.

Phần II – Hệ thống cấp thoát nước (Chương 1–3)

Chương 1 khái quát khái niệm, phân loại hệ thống cấp thoát nước và liệt kê toàn bộ các tiêu chuẩn áp dụng.

Chương 2 trình bày thiết kế mạng lưới cấp nước. Tổng số thiết bị vệ sinh trong công trình gồm 239 hố xí, 221 lavabo, 18 chậu giặt, 80 vòi nước và 119 âu tiểu. Tổng nhu cầu dùng nước sinh hoạt Q_sh = 80,63 m³/ngày đêm. Áp lực nước cần thiết Hct = 78 mH₂O vượt xa áp lực mạng lưới ngoài 20 mH₂O, do đó tác giả chọn phương án bể chứa ngầm – trạm bơm – két nước mái. Bể ngầm tổng dung tích 180 m³ (kích thước 18,2 m × 4 m × 2,5 m), bao gồm 121 m³ nước sinh hoạt và 54 m³ nước chữa cháy (2,5 l/s × 2 họng × 3 giờ). Két nước mái bố trí tại 2 tầng kỹ thuật: 3 m³ tại tầng 6 và 6 m³ tại tầng sân thượng. Hai cụm bơm trung chuyển đặt tầng hầm (mỗi cụm 1 bơm chạy + 1 dự phòng): cụm 1 chọn bơm Pentax U18V-900/9T (Q = 0–24 m³/h, công suất 6,6 kW/9 HP), cụm 2 chọn Pentax 3HP U7V-300/6T (công suất 2,2 kW/3 HP). Đồng hồ đo nước kiểu tuốc bin DN100. Van giảm áp bố trí theo phương án 1 (trên trục đứng, cứ 3 tầng một van từ tầng 11 trở xuống).

Chương 3 trình bày thiết kế mạng lưới thoát nước sinh hoạt, thoát nước mưa và chống úng tầng hầm. Hệ thống thoát nước sinh hoạt phân tách nước thải đen (ống SP) và nước thải xám (ống WP). Nước thải được xử lý sơ bộ qua bể tự hoại trước khi xả ra mạng thoát nước thành phố. Thoát nước mưa được tính toán cho mái, tầng sân thượng, tầng 15, tầng 7 và tầng 5. Tầng hầm được trang bị bơm chìm chống úng nhãn Mastra MBA3.

Phần III – Hệ thống điều hòa không khí (Chương 4–7)

Chương 4 giới thiệu hệ thống VRV, yêu cầu thiết kế và các thông số ban đầu: điều kiện ngoài trời và trong nhà đặc trưng cho TP. HCM.

Chương 5 tính toán phụ tải lạnh toàn công trình theo phương pháp Carrier, bao gồm chín thành phần nhiệt. Kết quả tổng nhiệt thừa được tổng hợp và phân bổ cho từng khu vực (phòng làm việc chung, hội trường, hành lang…). Dàn lạnh FCU (Fan Coil Unit) và dàn lạnh âm trần cassette được chọn phù hợp với tổng năng suất lạnh tính toán của từng phòng. Dàn nóng, bộ chia gas REFNET Joints, đường ống đồng và ống nước ngưng được tính chọn theo bảng tra kích cỡ tiêu chuẩn.

Chương 6 tính toán hệ thống thông gió, hút khói và tạo áp. Hệ thống gồm: cấp gió tươi (quạt FAF cho từng tầng điển hình, kích thước ống gió tươi và tổn thất áp suất), hút gió thải WC (quạt EAF, ống EAG), hút khói hành lang (lưu lượng khói tính khi có cháy, miệng gió, quạt hút khói), tạo áp ba cầu thang bộ (N2 trục 11-D, trục 7-D, trục 1-C) và thông gió tầng hầm (lưu lượng, miệng gió, quạt).

Chương 7 triển khai toàn bộ hệ thống điều hòa không khí trên phần mềm Revit (hệ thống cấp gió lạnh, cấp gió tươi, hút gió thải WC, điều áp cầu thang bộ) và lập bảng khái toán vật tư thiết bị.

Phần IV – Hệ thống cung cấp điện (Chương 8–14)

Chương 8 khái quát yêu cầu và tiêu chuẩn thiết kế hệ thống điện theo IEC và TCVN.

Chương 9 thiết kế hệ thống chiếu sáng thông thường và chiếu sáng sự cố. Tác giả dùng phần mềm DIALux để kiểm tra độ rọi và độ đồng đều cho từng khu vực; kết quả kiểm tra hai phòng làm việc tầng 1 được trình bày chi tiết. Đèn thoát hiểm sử dụng nhãn Rạng Đông.

Chương 10 tính toán phụ tải theo từng nhóm (chiếu sáng, ổ cắm, điều hòa, công cộng, sự cố). Máy biến áp dầu Thibidi 1.500 kVA được lựa chọn; máy phát dự phòng CU1675D5A được tính toán và chọn dựa trên danh sách phụ tải ưu tiên của công trình.

Chương 12 tính toán bù công suất phản kháng, phân tích ý nghĩa kinh tế và kỹ thuật của việc nâng cao hệ số cos φ, tính toán dung lượng tụ bù và chọn thiết bị (CB bù, thanh cái).

Chương 13 lựa chọn thiết bị bảo vệ (MCB, MCCB, RCBO, ACB) và dây dẫn theo điều kiện phát nóng. Tính chọn dây từ máy biến áp đến tủ MSB, busway từ MSB đến các tủ tầng 1–17, tap-off unit và dây dẫn cấp điện cho từng tủ tầng.

Chương 14 tính toán ngắn mạch (vị trí sau máy biến áp và thanh cái tủ MSB) và kiểm tra sụt áp toàn công trình.

Thiết kế và triển khai

Kiến trúc hệ thống MEP

Hệ thống MEP được thiết kế phân tầng rõ ràng:

  • Cấp nước: Bể ngầm tầng hầm → cụm bơm trung chuyển → két nước mái tầng 6 (3 m³) và tầng sân thượng (6 m³) → 6 trục ống đứng (CW1–CW6) phân phối cho các khu WC từng tầng. Van giảm áp bố trí trên trục đứng từ tầng 11 trở xuống, cách 3 tầng một van.
  • Điều hòa: Hệ VRV với dàn nóng đặt ngoài trời, FCU và dàn cassette âm trần trong phòng, bộ chia gas REFNET Joints, ống đồng và ống nước ngưng. Hệ thống gió tươi và hút thải WC vận hành độc lập với hệ lạnh.
  • Điện: Nguồn lưới 24 kV → máy biến áp dầu Thibidi 1.500 kVA → tủ MSB → busway dọc tòa nhà → tap-off → tủ tầng MDB → tủ phòng DB → thiết bị. Máy phát CU1675D5A dự phòng cho phụ tải ưu tiên.

Công nghệ và phần mềm

Phần mềm Ứng dụng
AutoCAD Vẽ mặt bằng, sơ đồ không gian từng hệ thống
Revit Mô hình 3D MEP, phối cảnh hệ thống điều hòa và cấp thoát nước
DIALux Tính toán và kiểm tra độ rọi chiếu sáng

Kiểm tra và xác nhận số liệu

Kết quả tính toán tay được đối chiếu với phần mềm chuyên dụng (DIALux cho chiếu sáng, công cụ tính tổn thất cục bộ trên phần mềm cho hệ thống gió). Bảng thủy lực cấp nước và thoát nước được trình bày chi tiết trong 8 phụ lục kèm theo.

Kết quả và đóng góp

Kết quả chính

Hệ thống Thông số / Kết quả chính
Bể chứa ngầm 180 m³ (121 m³ sinh hoạt + 54 m³ chữa cháy)
Két nước mái 3 m³ (tầng 6) + 6 m³ (tầng sân thượng)
Bơm trung chuyển cụm 1 Pentax U18V-900/9T, 6,6 kW, Q = 0–24 m³/h
Bơm trung chuyển cụm 2 Pentax 3HP U7V-300/6T, 2,2 kW
Bình tích áp 300 lít
Máy biến áp Thibidi 1.500 kVA
Máy phát dự phòng CU1675D5A
Tổng lưu lượng tính toán cấp nước Q_tt = 9,4 l/s (tổng đương lượng 908,16)
Nhu cầu dùng nước ngày Q_sh = 80,63 m³/ngày đêm

Tác giả đã hoàn chỉnh các bản vẽ AutoCAD cho từng hệ thống (cấp nước, thoát nước, điều hòa, điện) và mô hình Revit 3D bao gồm hệ thống cấp gió lạnh, gió tươi, hút gió thải WC và điều áp cầu thang bộ. Bảng khái toán vật tư thiết bị được lập đầy đủ cho cả ba hệ thống.

Giải pháp và kiến nghị

  • Áp dụng sơ đồ cấp nước bể chứa – trạm bơm – két nước mái thay vì cấp trực tiếp từ lưới, đảm bảo áp lực liên tục cho 18 tầng (Hct = 78 mH₂O).
  • Bố trí van giảm áp trên trục đứng cứ 3 tầng từ tầng 11 trở xuống (phương án 1) để kiểm soát áp lực trong giới hạn cho phép.
  • Sử dụng bình tích áp 300 lít phối hợp bơm tăng áp để ổn định áp lực tại các tầng cao.
  • Trang bị máy phát dự phòng CU1675D5A đảm bảo cấp điện cho phụ tải ưu tiên khi mất điện lưới.

Đóng góp

Đồ án tích hợp đồng bộ ba hệ thống MEP cho một công trình văn phòng nhà nước quy mô lớn (74 m, 27.200 m² sàn, 4.000 người sử dụng đồng thời), áp dụng đầy đủ hệ thống tiêu chuẩn Việt Nam hiện hành và triển khai mô hình Revit 3D – đây là điểm khác biệt so với các đồ án chỉ dừng ở bản vẽ 2D truyền thống.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Tác giả thừa nhận trong lời mở đầu rằng kiến thức và kinh nghiệm thực tế còn hạn chế, đồ án không thể tránh khỏi thiếu sót trong quá trình tính toán và triển khai. Cụ thể, các hạn chế có thể xác định từ phạm vi đồ án gồm:

  • Đồ án chưa tính toán và thiết kế hệ thống phòng cháy chữa cháy chủ động (sprinkler, báo cháy) mà chỉ dừng ở dự trữ nước chữa cháy trong bể ngầm.
  • Hệ thống điện nhẹ (mạng LAN, camera, điều khiển tự động BMS) không nằm trong phạm vi của đồ án.
  • Khái toán vật tư chưa phải dự toán chi tiết, chưa bao gồm phân tích kinh tế toàn vòng đời công trình.
  • Hướng nghiên cứu tiếp có thể mở rộng sang tích hợp BMS (Building Management System) để giám sát và điều khiển tự động toàn bộ hệ thống MEP, hoặc đánh giá tiêu chí công trình xanh (LOTUS, LEED) cho công trình văn phòng nhà nước quy mô tương đương.

Giá trị tham khảo

Đồ án phù hợp để tham khảo cho các đối tượng sau:

  • Sinh viên ngành Hệ thống kỹ thuật công trình xây dựng, Kỹ thuật công trình dân dụng, MEP đang thực hiện đồ án thiết kế hệ thống kỹ thuật cho cao ốc văn phòng, đặc biệt công trình trên 10 tầng cần phân vùng cấp nước và bố trí van giảm áp.
  • Người làm đề tài tương tự về thiết kế hệ thống VRV cho văn phòng nhiều tầng hoặc tính toán phụ tải điện và bù công suất phản kháng cho cao ốc.
  • Các phần đáng tham khảo nhất gồm: trình tự tính toán bể ngầm – két nước – bơm trung chuyển (Chương 2), phương pháp tính phụ tải lạnh Carrier và lập sơ đồ điều hòa trên đồ thị T–d (Chương 5), quy trình tính toán ngắn mạch và kiểm tra sụt áp (Chương 14), cùng toàn bộ phụ lục tính toán chi tiết (Phụ lục 1–8).

Câu hỏi thường gặp

1. Tại sao công trình không dùng trực tiếp áp lực nước từ đường ống thành phố? Áp lực đường ống cấp nước bên ngoài công trình H_ngoài = 20 mH₂O, trong khi áp lực nước cần thiết để đưa nước đến tầng cao nhất tính theo công thức thực nghiệm là Hct = 10 + 4×(18–1) = 78 mH₂O. Do Hct >> H_ngoài, giải pháp bắt buộc là dùng bể ngầm kết hợp trạm bơm và két nước mái.

2. Bể chứa nước ngầm có dung tích bao nhiêu và được bố trí như thế nào? Bể ngầm có tổng dung tích 180 m³, bao gồm 121 m³ nước sinh hoạt (1 ngày đêm) và 54 m³ nước chữa cháy dự trữ trong 3 giờ (2 họng, tiêu chuẩn 2,5 l/s/họng). Kích thước bể: 18,2 m × 4 m × 2,5 m.

3. Hệ thống điều hòa không khí sử dụng loại công nghệ gì và được chọn thiết bị theo tiêu chí nào? Hệ thống VRV (Variable Refrigerant Volume) được áp dụng cho toàn công trình. Phụ tải lạnh được tính toán theo phương pháp Carrier với chín thành phần nhiệt (bức xạ qua kính, truyền qua mái, qua vách, qua nền, nhiệt do đèn, máy móc, con người, gió tươi và gió lọt). Dàn lạnh FCU và cassette âm trần được chọn theo tổng năng suất lạnh tính toán của từng phòng; dàn nóng, ống đồng và bộ chia gas REFNET Joints được chọn theo bảng tra kích cỡ tiêu chuẩn VRV.

4. Máy biến áp và máy phát điện dự phòng được lựa chọn như thế nào? Sau khi tính toán tổng phụ tải toàn công trình từ các nhóm chiếu sáng, ổ cắm, điều hòa, phụ tải công cộng và sự cố, tác giả lựa chọn máy biến áp dầu Thibidi 1.500 kVA. Máy phát dự phòng CU1675D5A được tính toán dựa trên danh sách phụ tải ưu tiên cần đảm bảo khi mất điện lưới, với chế độ vận hành liên động MCCB được trình bày qua bảng trạng thái.

5. Van giảm áp được bố trí theo phương án nào và từ tầng nào trở xuống? Tác giả chọn phương án 1: lắp van giảm áp trên trục ống đứng cấp nước, cứ 3 tầng bố trí một van. Theo kết quả tính toán áp lực từng tầng (Bảng 2.6), từ tầng 11 trở xuống áp suất dư vượt ngưỡng cho phép, do đó van giảm áp được bố trí bắt đầu từ tầng 11.

Kết luận

Đồ án tốt nghiệp "Thiết kế hệ thống kỹ thuật công trình trụ sở làm việc Chi Cục Thuế TP. HCM" của sinh viên Bùi Thanh Sang (MSSV 20135060, Trường ĐH Sư phạm Kỹ thuật TP. HCM, 2024) thực hiện đầy đủ tính toán và thiết kế ba hệ thống MEP cho cao ốc văn phòng 74 m phục vụ 4.000 người, bao gồm cấp thoát nước, điều hòa không khí VRV – thông gió – hút khói – tạo áp, và cung cấp điện. Toàn bộ số liệu được tính toán theo hệ thống TCVN, QCVN và tiêu chuẩn IEC hiện hành, có kiểm tra bằng phần mềm chuyên dụng (Revit, DIALux). Kết quả được thể hiện qua bản vẽ AutoCAD, mô hình Revit 3D và tám phụ lục tính toán chi tiết, tạo thành hồ sơ kỹ thuật tham chiếu có hệ thống cho đối tượng sinh viên ngành hệ thống kỹ thuật công trình xây dựng và MEP.