Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Sự phát triển kinh tế – xã hội và tốc độ đô thị hóa nhanh chóng tại các trung tâm đô thị lớn như Thành phố Hồ Chí Minh dẫn đến nhu cầu gia tăng mạnh mẽ về quỹ nhà ở và không gian thương mại, dịch vụ. Trong bối cảnh quỹ đất nội thành ngày càng hạn chế, việc phát triển các công trình phức hợp cao tầng kết hợp trung tâm thương mại và căn hộ cao cấp là giải pháp tối ưu hóa hiệu quả sử dụng đất, nâng cao tiện ích hạ tầng đô thị.

Đồ án tốt nghiệp thực hiện nghiên cứu, tính toán thiết kế kết cấu và lập biện pháp tổ chức thi công cho công trình chung cư cao cấp Lucky Palace. Các nhiệm vụ nghiên cứu và thiết kế kỹ thuật được xác lập theo các nội dung chính:

  1. Tổng quan kiến trúc: Đánh giá vị trí, điều kiện tự nhiên, quy hoạch mặt bằng, mặt đứng và công năng các tầng của công trình.
  2. Thiết kế kết cấu: Lựa chọn giải pháp kết cấu chịu lực, xác định tải trọng và tác động (tĩnh tải, hoạt tải, gió tĩnh, gió động, động đất), tính toán nội lực và bố trí cốt thép cho các cấu kiện chịu lực chính (cầu thang bộ, sàn tầng điển hình, hệ khung dầm – cột – vách lõi, nền móng cọc khoan nhồi).
  3. Tổ chức và kỹ thuật thi công: Lập biện pháp thi công phần ngầm (cọc khoan nhồi, tường Barrette, đào đất, cọc Kingpost, bê tông móng), biện pháp kỹ thuật thi công phần thân, lập tiến độ thi công và biện pháp đảm bảo an toàn lao động, vệ sinh môi trường.
  • Đối tượng nghiên cứu: Công trình chung cư cao cấp Lucky Palace (quy mô công trình dân dụng cấp đặc biệt, chiều cao 120,15 m, gồm 3 tầng hầm, 34 tầng nổi và 1 tầng mái).
  • Phạm vi không gian: Địa điểm xây dựng tại số 50 đường Phan Văn Khỏe, Phường 2, Quận 6, Thành phố Hồ Chí Minh (phía Đông giáp đường Ngô Nhân Tịnh, phía Tây giáp đường Chu Văn An, phía Bắc giáp hẻm đường Chu Văn An, phía Nam giáp đường Phan Văn Khỏe; diện tích khu đất 3.586 m², diện tích xây dựng 2.001,47 m²).
  • Phạm vi thời gian và tiêu chuẩn: Áp dụng hệ thống tiêu chuẩn, quy chuẩn xây dựng hiện hành của Việt Nam tại thời điểm thiết kế.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp thiết kế

Hệ thống tiêu chuẩn và cơ sở pháp lý

Đồ án được tính toán và thiết kế dựa trên hệ thống tiêu chuẩn kỹ thuật quốc gia và quy chuẩn hiện hành:

  • Kết cấu bê tông cốt thép: TCXDVN 5574:2018 (Kết cấu bê tông và bê tông cốt thép – Tiêu chuẩn thiết kế), TCXD 198:1997 (Nhà cao tầng – Thiết kế bê tông cốt thép toàn khối), TCVN 1651-2:2018 (Thép cốt bê tông).
  • Tải trọng và tác động: TCVN 2737:1995 (Tải trọng và tác động – Tiêu chuẩn thiết kế), TCXD 229:1999 (Chỉ dẫn tính toán thành phần động của tải trọng gió), TCXDVN 375:2006 / TCXD 9386:2012 (Thiết kế công trình chịu động đất).
  • Nền móng: TCVN 10304:2014 (Móng cọc – Tiêu chuẩn thiết kế), TCVN 9362:2012 (Tiêu chuẩn thiết kế nền nhà và công trình), TCVN 9395:2012 và TCXD 206:1998 (Cọc khoan nhồi – Thi công và nghiệm thu).
  • Thi công và an toàn lao động: TCVN 5308:1991 (Quy phạm kỹ thuật an toàn trong xây dựng), QCVN 18:2021/BXD (Quy chuẩn kỹ thuật quốc gia về An toàn trong thi công xây dựng), Định mức 1776/BXD.

Phương pháp nghiên cứu và tính toán kỹ thuật

  • Mô hình hóa phần tử hữu hạn: Sử dụng phần mềm ETABS v17 để thiết lập mô hình không gian tổng thể công trình, phân tích động học dao động riêng, xác định phổ phản ứng động đất, nội lực do tải trọng gió và tổ hợp tải trọng.
  • Phân tích phi tuyến theo giai đoạn thi công (Sequential Construction / Staged Construction): Áp dụng Load Case AutoSeq nhằm kiểm soát hiện tượng co ngắn đàn hồi (Shortening) gây tập trung ứng suất lệch tại vị trí liên kết giữa dầm và vách lõi do tĩnh tải tích lũy.
  • Phương pháp tính toán cấu kiện: Áp dụng lý thuyết biến dạng dẻo và đàn hồi tuyến tính đối với bản sàn; phương pháp quy đổi bài toán nén uốn lệch tâm xiên sang phẳng đối với cột; tính toán vùng biên chịu mô men uốn đối với vách lõi; tính toán cọc theo sức kháng ma sát thành bên, sức kháng mũi và kiểm tra đài cọc theo điều kiện chống chọc thủng.

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1: Tổng quan về kiến trúc công trình

Chương 1 trình bày vị trí địa lý, đặc điểm khí hậu thủy văn khu vực Quận 6, TP.HCM (vùng gió II-A, địa hình dạng C). Công trình có tổng chiều cao từ cốt ±0,00 đến đỉnh mái là 120,15 m, gồm 3 tầng hầm (B3 ở cốt -9,8 m, B2 ở -6,6 m, B1 ở -3,4 m) với ram dốc độ dốc $i = 20,5%$. Khối đế thương mại dịch vụ bố trí từ tầng 1 đến tầng 5 (tầng 5 bố trí phòng gym 1.500 m²), tầng 6 tích hợp tiện ích và hồ bơi bán lộ thiên. Khối tháp từ tầng 7 đến tầng 33 bố trí căn hộ cao cấp (7 căn hộ/tầng, diện tích từ 78 m² đến 162 m² và căn hộ Duplex). Hệ thống giao thông trục đứng gồm 4 thang máy và 2 buồng thang bộ thoát hiểm chạy xuyên suốt từ hầm B3 lên tầng 34.

Chương 2: Tổng quan về kết cấu công trình

Tác giả đề xuất giải pháp kết cấu kết hợp: hệ khung chịu lực cho khối ngầm và khối đế thương mại (tầng 1–5); hệ khung – vách – lõi chịu lực cho khối căn hộ (tầng 7–34) nhằm tăng cường độ cứng chống tải trọng ngang. Giải pháp sàn là sàn sườn toàn khối, ứng dụng dầm bẹt tại các vị trí cần đảm bảo chiều cao thông thủy kiến trúc. Cấp bền vật liệu được phân chia cụ thể:

  • Bê tông: Cấp B40 ($R_b = 22\text{ MPa}, R_{bt} = 1,4\text{ MPa}, E = 3,25 \times 10^4\text{ MPa}$) cho cột, vách, dầm, móng, lanh tô; cấp B30 ($R_b = 17\text{ MPa}, R_{bt} = 1,2\text{ MPa}$) cho sàn, nền trệt, bể nước; cấp B25 cho cầu thang bộ.
  • Cốt thép: Thép CB400-V cho thép dọc dầm, cột, móng; CB300-V cho thép cấu tạo và đai ($\phi \ge 8\text{ mm}$); CB240-T cho cốt đai ($\phi \le 8\text{ mm}$).
  • Sơ bộ kích thước tiết diện: sàn tầng điển hình $h_b = 180\text{ mm}$; dầm chính $600 \times 220\text{ mm}$ (và dầm bẹt quy đổi); dầm phụ $h_d = 550\text{ mm}$; vách lõi chiều dày $300\text{ mm}$, $400\text{ mm}$, $450\text{ mm}$.

Chương 3: Xác định tải trọng và tác động

Xác định các thành phần tải trọng tác dụng lên công trình:

  • Tĩnh tải: Trọng lượng bản thân kết cấu, lớp hoàn thiện sàn và tải trọng phân bố của tường xây.
  • Hoạt tải: Tra theo TCVN 2737:1995 cho từng không gian chức năng (nhà để xe: $5,0\text{ kN/m}^2$, phòng ở: $1,5\text{ kN/m}^2$, thương mại: $4,0\text{ kN/m}^2$, ban công/hành lang: $3,0\text{ kN/m}^2$).
  • Tải trọng gió: Công trình cao 120,15 m (> 40 m) thuộc vùng gió II-A ($W_0 = 0,95\text{ kN/m}^2$), địa hình C, tính toán đầy đủ thành phần tĩnh và thành phần động theo TCXD 229:1999 qua phân tích các dạng dao động trong ETABS.
  • Tải trọng động đất: Tính theo TCXD 9386:2012 với gia tốc nền $a_{gR} = 0,07g = 0,686\text{ m/s}^2$, gia tốc thiết kế $a_g = 0,86\text{ m/s}^2$ (hệ số tầm quan trọng $\gamma_1 = 1,25$), hệ số nền $S = 1,15$, hệ số ứng xử $q = 3,3$.
  • Tổ hợp tải trọng: Thiết lập 13 tổ hợp tải trọng (gồm tổ hợp cơ bản và tổ hợp đặc biệt kết hợp tải trọng động đất) cùng một tổ hợp bao (Combo Bao).

Chương 4: Thiết kế cầu thang bộ

Thiết kế chi tiết cầu thang 2 vế dạng bản từ tầng 7 đến tầng 33 (nằm giữa trục 3–3a và B1–D). Cầu thang gồm 20 bậc/tầng, chiều cao bậc $h_b = 160\text{ mm}$, bề rộng bậc $l_b = 300\text{ mm}$, góc nghiêng $\alpha = 27^\circ$, chiều dày bản thang $h_b = 100\text{ mm}$, kích thước dầm thang $200 \times 300\text{ mm}$. Tính toán nội lực bản nghiêng, bản chiếu nghỉ và dầm chiếu tới theo sơ đồ dầm 2 đầu ngàm, xác định diện tích cốt thép chịu uốn theo trạng thái giới hạn.

Chương 5: Thiết kế sàn tầng điển hình

Thực hiện tính toán kiểm chứng sàn tầng điển hình qua 2 phương pháp:

  • Phương pháp tính trực tiếp: Tính toán ô sàn đơn S14 ($l_1 = 6.840\text{ mm}, l_2 = 5.800\text{ mm}$, tỷ số $l_1/l_2 = 1,18 < 2$, làm việc 2 phương) theo sơ đồ đàn hồi. Tĩnh tải $8,92\text{ kN/m}^2$, hoạt tải $1,95\text{ kN/m}^2$, tổng tải $10,87\text{ kN/m}^2$. Cốt thép lớp dưới nhịp ngắn tính được $A_s = 211,5\text{ mm}^2$, bố trí $\phi 10a200$ ($A_s = 392,5\text{ mm}^2, \mu = 0,25%$). Kiểm tra điều kiện chịu cắt: $Q_{\max} = 25,22\text{ kN} < Q_{b1} = 84\text{ kN}$, bê tông đủ khả năng chịu cắt không cần đặt cốt đai.
  • Phương pháp phần tử hữu hạn: Sử dụng ETABS v17 chia dải Strip theo phương OX và OY (bề rộng dải $b = 1\text{ m}$) cho các ô sàn S1, S2, S3 để phân tích biểu đồ mô men uốn và tính thép chịu uốn.

Chương 6: Thiết kế khung trục điển hình

Nội dung chương tập trung giải quyết các bài toán kết cấu phức tạp:

  • Phân tích hiện tượng lún đàn hồi (Shortening) và xử lý bằng phân tích phi tuyến theo giai đoạn thi công (Sequential Construction).
  • Thiết kế cốt thép dầm bẹt B23 (B2-RV) tiết diện $1.800 \times 400\text{ mm}$, nhịp 8,5 m tại tầng 4: mô men gối $M^- = -516,14\text{ kNm}$ (bố trí $14\phi 22$), mô men nhịp $M^+ = 262,54\text{ kNm}$ (bố trí $14\phi 16$). Tính toán cốt đai chịu cắt và kiểm tra kháng chấn: chọn cốt đai 2 nhánh $\phi 12a100$ trong đoạn $l_{cr} = L/4$ đầu dầm và $\phi 12a150$ ở giữa dầm.
  • Thiết kế cột C36 tầng 1 (tiết diện $1.800 \times 1.000\text{ mm}$, bê tông B40): tính toán nén uốn lệch tâm xiên, quy đổi sang bài toán lệch tâm phẳng tương đương.
  • Thiết kế thép vách lõi theo phương pháp vùng biên chịu uốn, bố trí thép lanh tô hộp thang máy và kiểm tra chi tiết nút khung dầm – cột.

Chương 7: Nền móng

Dựa trên số liệu địa chất hố khoan HK4, công trình lựa chọn giải pháp móng cọc khoan nhồi chịu lực trên lớp đất tốt. Thiết kế chi tiết đài móng cọc PC-2:

  • Xác định số lượng và sơ đồ bố trí cọc trong đài.
  • Kiểm tra lực dọc lớn nhất truyền xuống cọc và lực phân phối lên từng đầu cọc.
  • Kiểm tra điều kiện áp lực tại đáy khối móng quy ước (xác định trọng lượng tiêu chuẩn, mô men tính toán và độ lệch tâm theo 2 phương).
  • Tính toán sức chịu tải nhóm cọc và kiểm tra điều kiện chống đâm thủng của đài cọc theo mô hình tháp chọc thủng.
  • Tính toán và bố trí cốt thép chịu uốn cho đài móng PC-2.

Chương 8: Lập biện pháp thi công phần ngầm

Thiết kế biện pháp kỹ thuật thi công giai đoạn ngầm (3 tầng hầm):

  • Bố trí hệ thống phụ trợ mặt bằng: cổng, hàng rào, hệ thống rửa xe, nhà tạm, hệ thống cấp thoát nước và điện thi công.
  • Biện pháp thi công cọc khoan nhồi và tường vây Barrette: lựa chọn máy trộn dung dịch Bentonite BE-15A, cẩu tự hành COBE-7045, máy đào gầu ngoạm MASAGO, xe vận chuyển đất Kamaz-5541.
  • Thi công đào đất nhiều giai đoạn kết hợp sử dụng máy đào gầu nghịch EO-3322B1 và máy đào gầu ngoạm ZX330LC-5G.
  • Tính toán kiểm tra khả năng chịu lực của cọc thép Kingpost và chiều sâu ngàm chôn Kingpost vào đầu cọc nhồi.
  • Biện pháp đổ bê tông đài giằng móng: tính toán năng suất máy bơm tĩnh, lập phương án ván khuôn phủ phim và hệ đà ngang, đà đứng đỡ cốp pha.

Chương 9: Thiết kế biện pháp tổ chức thi công phần ngầm

Lập tiến độ thi công chi tiết cho toàn bộ giai đoạn ngầm: xác lập danh mục công việc, tính toán hao phí lao động, định mức ca máy theo Định mức 1776, phân chia dây chuyền thi công cọc, tường vây, đào đất, kết cấu đài móng và các sàn hầm B3, B2, B1.

Chương 10: Biện pháp kỹ thuật thi công phần thân

  • Thiết kế tổ chức thi công kết cấu phần thân (khối đế và 28 tầng căn hộ): lập danh mục công tác cốt thép, cốp pha, bê tông dầm sàn cột vách; phân chia phân đoạn thi công trên mặt bằng tầng điển hình.
  • Thiết kế tổng mặt bằng thi công phần thân: bố trí vị trí cần trục tháp QTZ6015, vận thăng lồng, mạng lưới giao thông công trường, bãi gia công cốt thép, cốp pha và kho chứa vật tư.

Chương 11: An toàn lao động và vệ sinh môi trường

Đề xuất các quy chuẩn an toàn lao động chi tiết theo QCVN 18:2021/BXD và TCVN 5308:1991:

  • An toàn trong công tác đất: quy định đào đất bằng máy đào gầu nghịch, đào thủ công và máy đào cần thụt thò trong không gian hầm sâu.
  • An toàn công tác bê tông: quy trình lắp dựng, neo giằng và tháo dỡ hệ giàn giáo, ván khuôn; an toàn gia công lắp dựng cốt thép; an toàn vận hành máy bơm bê tông và đầm dùi.
  • An toàn điện thi công, an toàn vận hành cẩu tháp, tường Barrette và các biện pháp giảm thiểu bụi, tiếng ồn, nước thải bảo vệ môi trường đô thị.

Kết quả và đóng góp

Hạng mục kỹ thuật Thông số / Giải pháp thiết kế trong đồ án
Quy mô công trình 3 tầng hầm + 34 tầng nổi + 1 mái; Chiều cao: 120,15 m; Diện tích sàn xây dựng: 2.001,47 m²
Vật liệu sử dụng Bê tông B40 ($R_b=22\text{ MPa}$), B30 ($R_b=17\text{ MPa}$), B25; Thép CB400-V, CB300-V, CB240-T
Hệ kết cấu chịu lực Hệ khung (hầm & thương mại) kết hợp hệ khung – vách – lõi (khối căn hộ); Sàn sườn dầm bẹt
Phân tích kết cấu Ứng dụng ETABS v17 với phân tích giai đoạn thi công (Sequential Construction) xử lý lún lệch Shortening
Cấu kiện điển hình Dầm bẹt B23 ($1.800 \times 400\text{ mm}$); Cột C36 ($1.800 \times 1.000\text{ mm}$); Vách dày 300–450 mm; Móng cọc đài PC-2
Thiết bị thi công ngầm Máy trộn Bentonite BE-15A, cẩu COBE-7045, gầu Masago, máy đào EO-3322B1 & ZX330LC-5G, xe Kamaz-5541
Thiết bị thi công thân Cần trục tháp QTZ6015, cốp pha phủ phim, máy bơm bê tông tĩnh
  • Đóng góp kỹ thuật: Đồ án đã giải quyết hoàn chỉnh bài toán thiết kế công trình phức hợp cao tầng cấp đặc biệt trên nền đất yếu đô thị; kết hợp thành công giải pháp kiến trúc dầm bẹt nhằm tối ưu chiều cao thông thủy và giải pháp phân tích kết cấu phi tuyến loại bỏ hiệu ứng tập trung nội lực bất thường do hiện tượng Shortening giữa khung và vách.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

  • Hạn chế: Các tính toán tải trọng gió động và động đất chủ yếu dựa trên phương pháp phân tích phổ phản ứng tuyến tính trong phần mềm ETABS, chưa mô phỏng phân tích lịch sử thời gian phi tuyến (Nonlinear Time History Analysis). Mô hình tương tác nền đất – kết cấu móng được giả thiết qua phương pháp khối móng quy ước mà chưa xét tương tác động phi tuyến đất – cọc – đài.
  • Hướng phát triển: Mở rộng nghiên cứu bài toán phân tích phi tuyến hình học và vật liệu dưới tác động của động đất mạnh; ứng dụng công nghệ mô hình hóa thông tin công trình (BIM) trong quản lý xung đột xung quanh dầm bẹt và tối ưu hóa tiến độ 4D/5D trong giai đoạn thi công ngầm.

Giá trị tham khảo

Đồ án là tài liệu tham khảo có giá trị thực tiễn cho sinh viên chuyên ngành Kỹ thuật Xây dựng Công trình Dân dụng và Công nghiệp, kỹ sư kết cấu và kỹ sư quản lý thi công:

  • Cung cấp quy trình mẫu về tính toán tải trọng gió động (TCXD 229:1999) và động đất (TCXDVN 375:2006 / TCXD 9386:2012) cho công trình cao trên 100 m.
  • Hướng dẫn cụ thể phương pháp thiết kế cấu kiện dầm bẹt bê tông cốt thép chịu uốn và cột kích thước lớn chịu nén lệch tâm xiên theo TCXDVN 5574:2018.
  • Minh họa chi tiết quy trình lựa chọn thiết bị, tính toán cọc Kingpost và lập biện pháp thi công tường Barrette, cọc khoan nhồi cho hầm sâu 3 tầng.

Câu hỏi thường gặp

1. Công trình có quy mô và vị trí xây dựng cụ thể ở đâu?

Công trình là chung cư cao cấp Lucky Palace, tọa lạc tại số 50 đường Phan Văn Khỏe, Phường 2, Quận 6, TP.HCM. Công trình gồm 3 tầng hầm (sâu đến cốt -9,8 m), 34 tầng nổi và 1 tầng mái với tổng chiều cao từ cốt ±0,00 đến đỉnh mái là 120,15 m, diện tích xây dựng 2.001,47 m².

2. Hiện tượng "Shortening" trong phân tích kết cấu công trình này là gì và tác giả đã xử lý như thế nào?

Shortening (lún đàn hồi) là hiện tượng co ngắn không đồng đều của các cấu kiện thẳng đứng (cột và vách lõi) dưới tác dụng của tĩnh tải tích lũy theo thời gian xây dựng, dẫn đến sự tăng đột biến mô men uốn tại các đầu dầm liên kết với vách. Tác giả đã xử lý bằng cách sử dụng chức năng phân tích theo giai đoạn thi công (Sequential Construction Case) trong ETABS v17 với trường hợp tải trọng AutoSeq thay thế cho trường hợp tĩnh tải thông thường.

3. Tiết diện và cách bố trí thép của dầm bẹt B23 tầng 4 được thiết kế như thế nào?

Dầm B23 (B2-RV) trục B-C tầng 4 có kích thước tiết diện $1.800 \times 400\text{ mm}$, nhịp 8,5 m, sử dụng bê tông B40 và thép CB400-V. Cốt thép dọc chịu uốn tại gối chịu mô men $M^- = -516,14\text{ kNm}$ được bố trí $14\phi 22$ ($A_s = 53,22\text{ cm}^2$); tại giữa nhịp chịu mô men $M^+ = 262,54\text{ kNm}$ được bố trí $14\phi 16$ ($A_s = 28,14\text{ cm}^2$). Cốt đai gồm 2 nhánh $\phi 12a100$ trong phạm vi $L/4$ ở hai đầu dầm và $\phi 12a150$ ở giữa nhịp.

4. Giải pháp kết cấu phần móng và các thiết bị chính thi công phần ngầm gồm những gì?

Móng công trình sử dụng giải pháp móng cọc khoan nhồi kết hợp đài cọc bê tông cốt thép (điển hình là đài PC-2) ngàm vào nền địa chất tốt. Thi công phần ngầm sử dụng hệ tường vây Barrette, cọc Kingpost, máy trộn Bentonite BE-15A, cẩu tự hành COBE-7045, máy đào gầu ngoạm MASAGO, máy đào gầu nghịch EO-3322B1, máy đào ZX330LC-5G và đoàn xe tự đổ Kamaz-5541.

Kết luận

Đồ án tốt nghiệp "Thiết kế và thi công công trình kiến trúc chung cư cao cấp Lucky Palace" đã hoàn thành trọn vẹn và chuẩn xác các nội dung kỹ thuật từ thiết kế kiến trúc, tính toán kết cấu khung – vách – móng cọc chịu tải trọng động đến lập biện pháp tổ chức thi công chi tiết phần ngầm và phần thân. Việc ứng dụng công cụ phần tử hữu hạn ETABS kết hợp phương pháp phân tích theo giai đoạn thi công đã giải quyết hiệu quả bài toán ứng suất cục bộ do lún đàn hồi và tối ưu hóa không gian sử dụng thông qua hệ dầm bẹt. Toàn bộ các bước tính toán và quy trình thi công đều tuân thủ chặt chẽ hệ thống quy chuẩn, tiêu chuẩn xây dựng hiện hành của Việt Nam.