Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu
Đồ án tốt nghiệp chuyên ngành Công nghệ Kỹ thuật Xây dựng của tác giả Vũ Văn Sĩ (Lớp ĐH Xây dựng K21, Trường Đại học Hải Phòng) thực hiện nhiệm vụ thiết kế kỹ thuật toàn diện cho công trình "Nhà làm việc Công ty TNHH Đầu tư và Thương mại Bảo Quang". Đây là đồ án kỹ thuật công trình dân dụng thuộc loại hình thiết kế - tính toán thực hành, bao gồm 3 mảng nội dung chính: Kiến trúc, Kết cấu và Tổ chức thi công.
Bối cảnh thực tiễn được xác định xuất phát từ nhu cầu xây dựng trụ sở làm việc tập trung nhằm điều hành mọi hoạt động khai thác và sản xuất kinh doanh của Công ty TNHH Đầu tư và Thương mại Bảo Quang. Công trình được quy hoạch xây dựng tại xã Minh Tân, huyện Kiến Thụy, thành phố Hải Phòng — một khu vực đồng bằng ven biển có đặc điểm khí tượng thủy văn và địa chất đặc thù thuộc vùng gió áp lực cao.
Nhiệm vụ và mục tiêu thiết kế của đồ án được phân định cụ thể theo các phần kỹ thuật:
- Nhiệm vụ thiết kế kiến trúc (chiếm 10% khối lượng): Nghiên cứu công năng, bố cục mặt bằng tổng thể, thiết kế mặt bằng các tầng (tầng 1, tầng 2, các tầng điển hình, tầng mái và tầng tum), mặt đứng chính, mặt cắt công trình; tích hợp giải pháp kỹ thuật hạ tầng (giao thông, thoát hiểm, chiếu sáng, thông gió, cấp thoát nước, cấp điện, phòng cháy chữa cháy và xử lý rác thải).
- Nhiệm vụ tính toán kết cấu (chiếm 45% khối lượng): Lựa chọn giải pháp kết cấu chịu lực chính là khung bê tông cốt thép toàn khối; thực hiện tính toán chi tiết khung trục K11 (khung ngang chịu lực chính gồm 3 nhịp qua các trục B, C, D, E từ tầng 1 đến tầng mái), thiết kế sàn sườn toàn khối tầng điển hình (tầng 5), tính toán kết cấu cầu thang bộ (trục 11-12) và thiết kế hệ thống nền móng cọc bê tông cốt thép dựa trên số liệu khảo sát địa chất công trình.
- Nhiệm vụ thiết kế và tổ chức thi công: Lập biện pháp kỹ thuật thi công phần ngầm (hạ cọc, đào đất, đổ bê tông đài móng, giằng móng); thiết kế biện pháp kỹ thuật thi công phần thân (tính toán ván khuôn, giàn giáo, lựa chọn máy móc thiết bị nâng vận chuyển); lập tiến độ và tổng mặt bằng tổ chức thi công công trình.
Đối tượng và phạm vi nghiên cứu:
- Đối tượng nghiên cứu: Công trình nhà làm việc văn phòng 6 tầng kèm 1 tầng tum, kết cấu khung bê tông cốt thép toàn khối.
- Phạm vi không gian: Khu đất xây dựng tại xã Minh Tân, huyện Kiến Thụy, TP. Hải Phòng; công trình có chiều cao tổng thể $25{,}27\text{ m}$, chiều rộng $26{,}71\text{ m}$.
- Phạm vi kỹ thuật: Tập trung chuyên sâu vào tính toán khung phẳng trục 11, sàn sườn tầng 5, cầu thang bộ 21 bậc, hệ móng cọc đài thấp và biện pháp thi công tương ứng.
Cơ sở lý thuyết và phương pháp tính toán
Đồ án sử dụng hệ thống tiêu chuẩn, quy chuẩn xây dựng hiện hành của Việt Nam kết hợp các tài liệu chuyên ngành về kết cấu bê tông cốt thép và thi công xây dựng:
- Tiêu chuẩn thiết kế tải trọng và tác động: TCVN 2737-1995 và cập nhật viện dẫn TCVN 2737-2020 để xác định tĩnh tải, hoạt tải sử dụng và tải trọng gió.
- Tiêu chuẩn và tài liệu cơ sở về kết cấu bê tông cốt thép: Sàn sườn bê tông cốt thép toàn khối (ThS. Nguyễn Duy Bân, Mai Trọng Bình, Nguyễn Trường Thắng); Kết cấu bê tông cốt thép - phần cấu kiện cơ bản (PGS. Phan Quang Minh, GS. Ngô Thế Phong, GS. Nguyễn Đình Cống); Kết cấu bê tông cốt thép - phần kết cấu nhà cửa (GS. Ngô Thế Phong, TS. Trịnh Thanh Đạm, PGS. Nguyễn Lê Ninh); Khung bê tông cốt thép toàn khối (PGS. TS. Lê Bá Huế).
Phương pháp tính toán và thiết kế kỹ thuật thực tế được áp dụng trong đồ án bao gồm:
- Phương pháp mô hình hóa và phân tích kết cấu: Sử dụng sơ đồ khung phẳng 2D ngàm tại mặt móng; ứng dụng phần mềm phân tích kết cấu SAP2000 để giải nội lực (lực dọc $N$, lực cắt $Q$, mô men uốn $M$) dưới tác dụng của các trường hợp tải trọng độc lập (tĩnh tải, hoạt tải 1, hoạt tải 2 lệch tầng lệch nhịp, tải trọng gió trái, gió phải).
- Phương pháp tổ hợp nội lực: Thực hiện tổ hợp tải trọng theo nguyên lý cộng tác dụng gồm Tổ hợp cơ bản 1 (Tĩnh tải + 1 Hoạt tải) và Tổ hợp cơ bản 2 (Tĩnh tải + 0,9 $\times$ Tổng các hoạt tải) nhằm xác định các cặp nội lực nguy hiểm nhất $(M_{\max}, N_{\text{tư}})$, $(M_{\min}, N_{\text{tư}})$, $(N_{\max}, M_{\text{tư}})$ tại từng tiết diện cột và dầm.
- Phương pháp tính toán cấu kiện bê tông cốt thép: Tính toán dầm chịu uốn theo tiết diện chữ nhật (vùng mô men âm) và tiết diện chữ T (vùng mô men dương có xét cánh bê tông vùng nén); tính toán cột theo cấu kiện chịu nén lệch tâm phẳng đặt cốt thép đối xứng; tính toán sàn theo sơ đồ bản kê 4 cạnh làm việc hai phương ($l_2/l_1 = 1{,}25 < 2$).
- Phương pháp tính toán địa kỹ thuật và nền móng: Phân tích sức chịu tải của cọc đơn theo chỉ tiêu cơ lý của đất nền dựa trên kết quả thí nghiệm xuyên tiêu chuẩn (SPT) và xuyên tĩnh (CPT); kiểm tra sức chịu tải của vật liệu làm cọc; tính toán kiểm tra lún móng cọc khối móng quy ước; kiểm tra ứng suất nén đáy đài và chọc thủng đài cọc.
- Nguồn dữ liệu đầu vào: Số liệu khảo sát địa chất công trình tại hiện trường Kiến Thụy - Hải Phòng; bản đồ phân vùng áp lực gió (vùng IV-B theo TCVN 2737-1995 có $W_0 = 155\text{ kG/m}^2$); thông số cơ lý vật liệu gồm bê tông cấp độ bền B22,5 ($R_b = 13\text{ MPa}$, $R_{bt} = 0{,}975\text{ MPa}$), cốt thép nhóm AI ($R_s = 225\text{ MPa}$) cho đường kính $\phi < 10\text{ mm}$ và thép nhóm AII ($R_s = 280\text{ MPa}$, $R_{sc} = 280\text{ MPa}$) cho đường kính $\phi \ge 10\text{ mm}$.
Nội dung chính theo từng phần và chương
Phần I: Thiết kế kiến trúc và giải pháp kỹ thuật công trình (10% khối lượng)
Chương này thiết lập giải pháp tổng mặt bằng, tổ chức không gian chức năng và tích hợp hệ thống hạ tầng kỹ thuật của tòa nhà 6 tầng kèm tum:
- Phân chia công năng mặt bằng:
- Tầng 1: Khu gara để xe có diện tích $943\text{ m}^2$; 2 khu vệ sinh nam/nữ riêng biệt ở hai đầu ($15\text{ m}^2/\text{phòng}$); 2 thang máy đơn ($3{,}2\text{ m}^2/\text{thang}$); 1 phòng kho chứa dụng cụ vệ sinh ($4{,}9\text{ m}^2$); 2 thang bộ 21 bậc (chiều rộng bản thang $1{,}4\text{ m}$, chiều cao bậc $15{,}7\text{ cm}$, bề rộng mặt bậc $30\text{ cm}$).
- Tầng 2: Khu hành chính quản trị gồm phòng giám đốc ($67\text{ m}^2$), phòng truyền thống ($67\text{ m}^2$), 9 phòng làm việc nhân viên, 1 phòng phó giám đốc, 1 phòng quản lý, 1 phòng tổ chức, 1 phòng lễ tân, 1 phòng khách và 2 kho tài liệu ($33{,}1\text{ m}^2/\text{phòng}$); hành lang giao thông rộng $2{,}78\text{ m}$.
- Tầng 3 đến tầng 6: Mỗi tầng bố trí 14 phòng làm việc nhân viên, 2 kho tài liệu ($33{,}1\text{ m}^2/\text{phòng}$), 1 hội trường lớn ($139\text{ m}^2$) cùng hệ thống khu vệ sinh và thang máy đồng bộ.
- Tầng tum: Bố trí phòng kỹ thuật thang máy ($19\text{ m}^2$), 2 tum thang bộ ($38{,}4\text{ m}^2$) và lắp đặt 3 téc nước sinh hoạt trên mái.
- Giải pháp hình khối và kỹ thuật: Lưới cột gồm 3 nhịp ngang ($7{,}2\text{ m} + 3{,}0\text{ m} + 7{,}2\text{ m}$) và 13 bước dọc nhà (gồm 12 bước $4{,}5\text{ m}$ và 1 bước $6{,}0\text{ m}$). Hệ thống điện chiếu sáng bảo đảm độ rọi 20–40 lux, dây đồng ruột bọc 2 lớp PVC đi ngầm trong ống nhựa phi 20. Trạm xử lý nước thải đặt tại tầng ngầm với lưu lượng thiết kế $40\text{ l/s}$. Hệ thống chống sét sử dụng kim thu lôi kết hợp cọc tiếp địa bằng thép.
Phần II: Tính toán và thiết kế kết cấu (45% khối lượng)
Phần kết cấu giải quyết toàn bộ quy trình thiết kế chịu lực từ tải trọng, khung ngang, cấu kiện dầm, cột, bản sàn đến móng và cầu thang:
- Xác định sơ bộ tiết diện và tải trọng:
- Tiết diện cột biên C1 (trục B, E): tầng 1–3 chọn $300 \times 550\text{ mm}$, tầng 3–6 giảm xuống $300 \times 500\text{ mm}$.
- Tiết diện cột giữa C2/C8 (trục C, D): tầng 1–4 chọn $300 \times 700\text{ mm}$, tầng 4–7 chọn $300 \times 650\text{ mm}$.
- Tiết diện dầm: Dầm chính ngang phòng và hành lang chọn $300 \times 600\text{ mm}$; dầm phụ dọc nhà chọn $300 \times 300\text{ mm}$. Sàn bê tông toàn khối dày $h_s = 12\text{ cm}$.
- Tải trọng tính toán: Tĩnh tải sàn phòng $505{,}1\text{ kG/m}^2$, sàn mái $803{,}8\text{ kG/m}^2$, sàn vệ sinh $500{,}1\text{ kG/m}^2$; hoạt tải phòng làm việc $240\text{ kG/m}^2$, hành lang $360\text{ kG/m}^2$, phòng họp $480\text{ kG/m}^2$, mái không người sử dụng $97{,}5\text{ kG/m}^2$; áp lực gió tiêu chuẩn $W_0 = 155\text{ kG/m}^2$ (vùng IV-B), lực phân bố $q_d = 669{,}6 \cdot k\text{ (kG/m)}$.
| Cấu kiện |
Kích thước tiết diện |
Nội lực tính toán nguy hiểm |
Cốt thép tính toán ($A_s$) |
Cốt thép bố trí thực tế |
Hàm lượng cốt thép ($\mu$) |
| Dầm D25 nhịp BC (Tầng 1–5) |
$300 \times 600\text{ mm}$ ($h_0=56\text{ cm}$) |
Gối: $M = 42{,}72\text{ T.m}$
Nhịp: $M = 21{,}73\text{ T.m}$ |
Gối: $34{,}31\text{ cm}^2$
Nhịp: $15{,}68\text{ cm}^2$ |
Gối: $5\phi25$ ($A_s = 34{,}31\text{ cm}^2$)
Nhịp: $3\phi25$ ($A_s = 14{,}73\text{ cm}^2$) |
Gối: $2{,}0%$
Nhịp: $0{,}65%$ |
| Dầm D31 nhịp CD (Tầng 1–5) |
$300 \times 600\text{ mm}$ ($h_0=56\text{ cm}$) |
Gối: $M = -23{,}70\text{ T.m}$
Nhịp: $M = -4{,}96\text{ T.m}$ |
Gối: $15{,}40\text{ cm}^2$
Nhịp: Cấu tạo |
Gối: $3\phi25$ ($A_s = 16{,}22\text{ cm}^2$)
Nhịp: $2\phi25$ ($A_s = 9{,}82\text{ cm}^2$) |
Gối: $0{,}98%$ |
| Dầm D30 nhịp BC (Tầng mái) |
$300 \times 600\text{ mm}$ ($h_0=56\text{ cm}$) |
Nhịp: $M = 28{,}24\text{ T.m}$ |
Tính theo tiết diện chữ T |
Bố trí thép dọc nhóm AII |
Đạt yêu cầu chịu lực |
| Cột C1 (Trục B, E Tầng 1) |
$300 \times 550\text{ mm}$ |
Tổ hợp ($M_{\max}, N_{\text{tư}}$), ($N_{\max}, M_{\text{tư}}$) |
Tính nén lệch tâm đối xứng |
Cốt thép dọc nhóm AII |
Đạt giới hạn $\mu = 1–2%$ |
| Cột C8 (Trục C, D Tầng 1) |
$300 \times 700\text{ mm}$ |
$N = -371{,}09\text{ T}$, $M = 4{,}16\text{ T.m}$ |
Tính nén lệch tâm phẳng |
Bố trí cốt thép chịu lực dọc |
Đạt yêu cầu |
| Bản sàn tầng 5 |
Ô bản $4{,}5 \times 3{,}6\text{ m}$, dày $12\text{ cm}$ |
Mô men uốn 2 phương $M_I, M_{II}$ |
Tính theo bản kê 4 cạnh |
Cốt thép lưới nhóm AI |
Đạt tiêu chuẩn biến dạng |
| Móng M1 (Trục B, E) |
Đài cọc BTCT |
Tải trọng chân cột K11 |
Tính theo SPT và CPT |
Cọc ép BTCT, đài móng BTCT |
Đảm bảo lún và chọc thủng |
| Móng M2 (Trục C, D) |
Đài cọc BTCT |
Tải trọng chân cột lớn trục giữa |
Tính theo SPT và CPT |
Cọc ép BTCT, đài móng BTCT |
Đảm bảo tải trọng truyền cọc |
Phần III: Thiết kế và tổ chức thi công (Chương 8, 9, 10)
- Chương 8: Thi công phần ngầm: Giới thiệu đặc điểm hiện trường và điều kiện địa chất thủy văn; lập quy trình hạ cọc BTCT, đào đất hố móng, cắt đầu cọc, đổ bê tông lót, lắp dựng cốp pha - cốt thép và đổ bê tông đài móng, giằng móng.
- Chương 9: Thi công phần thân: Thiết kế hệ thống ván khuôn (cốp pha đáy, cốp pha thành, cột chống chịu lực) cho dầm, sàn, cột; tính toán lựa chọn máy nâng, cần trục tháp và máy bơm bê tông phục vụ vận chuyển vật liệu lên cao.
- Chương 10: Tổ chức thi công công trình: Thiết lập sơ đồ tổ chức thi công theo phương pháp dây chuyền; bố trí tổng mặt bằng thi công (kho bãi vật liệu, đường vận chuyển nội bộ, nguồn cấp điện, cấp nước thi công); lập tiến độ thi công tổng thể cho toàn bộ công trình.
Kết quả và đóng góp kỹ thuật
Kết quả tính toán chính
- Hoàn thiện giải pháp kiến trúc công trình: Thiết kế hoàn chỉnh không gian làm việc cho một doanh nghiệp quy mô lớn với đầy đủ các phân khu chức năng (gara $943\text{ m}^2$, hội trường $139\text{ m}^2$, các phòng ban chuyên môn $33{,}1\text{ m}^2$ đến $67\text{ m}^2$), đáp ứng các tiêu chuẩn thoát hiểm với 2 buồng thang bộ độc lập và 2 thang máy.
- Xác lập nội lực và cốt thép khung phẳng K11: Mô hình hóa thành công khung ngang chịu tải nặng nhất của tòa nhà dưới các tổ hợp tĩnh tải, hoạt tải và áp lực gió vùng IV-B ($W_0 = 155\text{ kG/m}^2$). Kết quả phân tích khẳng định tiết diện cột $300 \times 550\text{ mm}$ (cột biên) và $300 \times 700\text{ mm}$ (cột giữa tầng 1) cùng tiết diện dầm $300 \times 600\text{ mm}$ bảo đảm đầy đủ khả năng chịu lực, hàm lượng cốt thép dao động từ $0{,}65%$ đến $2{,}0%$, thỏa mãn điều kiện kinh tế - kỹ thuật.
- Thiết kế nền móng an toàn: Tính toán sức chịu tải cọc theo cả kết quả thí nghiệm SPT và CPT, lựa chọn phương án móng cọc đài thấp truyền tải vào tầng đất tốt, kiểm tra lún và ứng suất chọc thủng đài đều nằm trong giới hạn cho phép của quy chuẩn.
Đóng góp kỹ thuật của đồ án
- Ứng dụng quy trình tính toán kết cấu liền mạch: từ sơ bộ tiết diện theo công thức giải tích kinh nghiệm $\rightarrow$ phân tích nội lực tự động bằng phần mềm SAP2000 $\rightarrow$ tổ hợp tải trọng $\rightarrow$ bố trí cốt thép chi tiết và kiểm tra hàm lượng theo TCVN.
- Đề xuất giải pháp thi công đồng bộ giữa biện pháp kỹ thuật (cốp pha, máy móc) và tổ chức mặt bằng, bảo đảm tính khả thi khi triển khai xây dựng trên thực tế tại địa bàn Hải Phòng.
Hạn chế và phạm vi áp dụng
- Hạn chế về mô hình tính toán: Đồ án sử dụng mô hình tính khung phẳng 2D ngàm tại chân cột để tính toán nội lực khung K11 thay vì mô hình không gian 3D tổng thể, do đó chưa phản ánh hoàn toàn tác động xoắn của công trình dưới tác động của tải trọng ngang phức tạp.
- Giới hạn tính toán tải trọng gió: Do công trình có chiều cao $25{,}27\text{ m}$ (trên $23\text{ m}$ một biên độ nhỏ), đồ án chủ yếu tập trung tính toán thành phần gió tĩnh theo TCVN 2737-1995, chưa đi sâu phân tích thành phần động của tải trọng gió và tác động động đất.
- Phạm vi địa chất cục bộ: Các giải pháp móng cọc M1, M2 được thiết kế dựa trên số liệu địa chất và chỉ số SPT/CPT cụ thể tại xã Minh Tân, huyện Kiến Thụy, TP. Hải Phòng, không thể áp dụng trực tiếp cho các địa điểm xây dựng có địa tầng khác nếu không tính toán lại.
Giá trị tham khảo
Tài liệu đồ án tốt nghiệp này mang lại giá trị tham khảo cụ thể cho các nhóm đối tượng:
- Sinh viên ngành Kỹ thuật Xây dựng / Xây dựng Dân dụng & Công nghiệp: Tham khảo mẫu đồ án tốt nghiệp chuẩn mực có đầy đủ 3 phần (Kiến trúc 10%, Kết cấu 45%, Thi công).
- Kỹ sư thiết kế kết cấu công trình: Tham khảo quy trình dồn tải sàn về dầm theo sơ đồ tam giác - hình thang, phương pháp lập bảng tổ hợp nội lực xuất từ phần mềm SAP2000 và bảng tính cốt thép cấu kiện chịu uốn/nén lệch tâm.
- Cán bộ kỹ thuật và chỉ huy trưởng công trình: Tham khảo các bảng tính tải trọng ván khuôn, phương pháp lựa chọn cần trục tháp và bố trí tổng mặt bằng thi công cho nhà làm việc nhiều tầng bê tông cốt thép.
Câu hỏi thường gặp
1. Công trình được xây dựng tại khu vực có cấp phân vùng gió nào và áp lực gió tiêu chuẩn là bao nhiêu?
Công trình đặt tại xã Minh Tân, huyện Kiến Thụy, TP. Hải Phòng, thuộc phân vùng áp lực gió IV-B. Theo TCVN 2737-1995, giá trị áp lực gió tiêu chuẩn đầu vào là $W_0 = 155\text{ kG/m}^2$, hệ số vượt tải tin cậy $n = 1{,}2$.
2. Tiết diện và cách bố trí cốt thép chịu lực chính của dầm D25 nhịp BC (tầng 1–5) là bao nhiêu?
Dầm D25 có kích thước tiết diện $b \times h = 300 \times 600\text{ mm}$ ($h_0 = 56\text{ cm}$), nhịp $L = 7{,}2\text{ m}$. Cốt thép tại tiết diện gối chịu mô men âm $M = 42{,}72\text{ T.m}$ được bố trí $5\phi25$ ($A_s = 34{,}31\text{ cm}^2$, hàm lượng $\mu = 2{,}0%$). Cốt thép tại giữa nhịp chịu mô men dương $M = 21{,}73\text{ T.m}$ được bố trí $3\phi25$ ($A_s = 14{,}73\text{ cm}^2$, hàm lượng $\mu = 0{,}65%$).
3. Kích thước cột tầng 1 khung trục K11 được chọn như thế nào?
Cột biên C1 (trục B, E) tầng 1 có tiết diện $300 \times 550\text{ mm}$ (sau đó giảm xuống $300 \times 500\text{ mm}$ ở các tầng trên). Cột giữa C8 (trục C, D) tầng 1 có tiết diện $300 \times 700\text{ mm}$ để tiếp nhận lực nén tĩnh tải và hoạt tải tập trung lớn từ 2 nhịp dầm biên và dầm hành lang.
4. Giải pháp kết cấu bản sàn được lựa chọn có kích thước và chiều dày bao nhiêu?
Bản sàn tầng điển hình có kích thước ô bản $l_1 = 3{,}6\text{ m}$ và $l_2 = 4{,}5\text{ m}$. Do tỷ số $l_2/l_1 = 4{,}5 / 3{,}6 = 1{,}25 < 2$, bản sàn được tính toán làm việc theo sơ đồ bản kê 4 cạnh hai phương, chiều dày bản sàn được chọn thống nhất là $h_s = 12\text{ cm}$.
5. Các loại vật liệu bê tông và cốt thép chính sử dụng trong đồ án là gì?
Đồ án sử dụng bê tông cấp độ bền B22,5 ($R_b = 13\text{ MPa}$, $R_{bt} = 0{,}975\text{ MPa}$); cốt thép có đường kính $\phi < 10\text{ mm}$ dùng thép nhóm AI ($R_s = 225\text{ MPa}$); cốt thép có đường kính $\phi \ge 10\text{ mm}$ dùng thép nhóm AII ($R_s = 280\text{ MPa}$, $R_{sc} = 280\text{ MPa}$).
Kết luận
Đồ án tốt nghiệp của sinh viên Vũ Văn Sĩ đã giải quyết hoàn chỉnh nhiệm vụ thiết kế kỹ thuật công trình "Nhà làm việc Công ty TNHH Đầu tư và Thương mại Bảo Quang" 6 tầng kèm tum tại Hải Phòng. Bản thuyết minh và các bảng tính toán đã thể hiện chi tiết giải pháp kiến trúc hợp lý, tính toán chính xác khung kết cấu bê tông cốt thép trục 11 bằng phần mềm SAP2000 theo tiêu chuẩn TCVN, đồng thời lập biện pháp tổ chức thi công khả thi. Tài liệu là nguồn tham khảo chuyên môn hữu ích cho việc học tập, nghiên cứu và triển khai đồ án tốt nghiệp khối ngành Xây dựng Dân dụng và Công nghiệp.
