Phân tích chi tiết Hệ kết cấu diagrid

BỘ MÔN KẾT CẤU MỚI

HỆ KẾT CẤU DIAGRID

Nguyễn Anh Duy
Hồ Hoàng Duy
Trần Bạch Ngọc
Nguyễn Thanh Nhã
Lê Tấn Khoa
Nguyễn Tấn Thông
Trương Lê Trung Tín
Nguyễn Xuân Huy


PHÂN I. DIAGRID- GIỚI THIỆU

1.
2.
3.
4.

GIỚI THIỆU
ƯU ĐIỂM VÀ KHUYẾT ĐIỂM
QUÁ TRÌNH PHÁT TRIỂN.
VẤN ĐỀ KỶ THUẬT – KHẢ THI

PHẦN II. KẾT CẤU VÀ YÊU CẦU KỸ THUẬT

1.
2.
3.

a.
b.
c.

NGUYÊN LÝ LÀM VIỆC VÀ TRUYỂN LỰC
MODULE
CHI TIẾT LIÊN KẾT

NÚT GIÀN
SÀN
LỔI CỨNG

PHẦN III. ỨNG DỤNG

1.
2.
3.

THIẾT KẾ MẶT ĐỨNG
VÕ BAO CHE, THẨM MỸ
MỘT SỐ CÔNG TRÌNH TIÊU BIỂU

PHẦN IV. KẾT LUẬN


PHẦN 1: DIAGRID - GIỚI THIỆU

1

GIỚI THIỆU DIAGRID

ƯU ĐIỂM - KHUYẾT ĐIỂM

3

2

QUÁ TRÌNH PHÁT TRIỂN

VẤN ĐỀ KỶ THUẬT

4


PHẦN 1: DIAGRID – GIỚI THIỆU

1

GIỚI THIỆU

Kết cấu Diagrid đã được sử dụng rộng rãi cho nhiều thể loại công trình với nhịp vượt, hình dáng khác nhau. Kết cấu Diagrid có thể hỗ trợ chịu lực
tốt cho cả những công trình có đường nét cong hoặc xiên xéo, không cần một kết cấu lõi truyền thống. Hệ Diagrid cũng có thể được dùng cho kết
cấu mái để tạo ra những khoảng vượt lớn không dùng cột.


PHẦN 1 : DIAGRID – GIỚI THIỆU

1

ĐỊNH NGHĨA

DIAGRID

DIAgonal
Đường chéo

GRID
Hệ lưới

DIAGRID = DIAgonal + GRID là sự kết hợp giữa mạng lưới của các cấu trúc có sẵn trong tự nhiên với nguyên tắc tổ chức hệ thanh đan chéo trong
không gian. Quá trình phát triển tự nhiên của cấu trúc đan chéo đã cho ra đời Hệ thống lưới thanh không gian DIAGRID, các mạng lưới thanh đan chéo
theo tỷ lệ nhất định và đồng dạng, liên kết tại các mắt nối đặc biệt và sự hỗ trợ lẫn nhau đón nhận tất cả các đối tượng tải trọng lên công trình.

Hệ thống lưới thanh Diagrid (gọi tắt là Hệ Diagrid) tạo ra một hệ thống kết cấu không gian dạng vỏ công trình, tiếp nhận tải trọng của các tầng
nhà và tải trọng gió. Với hệ khung - vỏ này, có thể giảm nhẹ hệ thống kết cấu khung nhà, tạo sự linh hoạt trong bố trí không gian sử dụng và bố trí hệ thống
trang thiết bị ngôi nhà. 

Đường nét của một mảng nút đơn giản (mô đun cơ bản ban đầu dạng tam giác, sau mở rộng thành tứ
giác, hình tròn...). Nhưng khả năng phát triển hình thái học các mảng nút của Diagrid lại gần như là vô tận. 

Biểu tượng của Hệ Diagrid , dựa trên hình ảnh tinh thể kim cương


PHẦN 1: DIAGRID – GIỚI THIỆU

2

ƯU ĐIỂM – NHƯỢC ĐIỂM
ƯU ĐIỂM

Khả năng giải phóng cột rất cao, dễ bố trí không gian, khả năng xử lý hình khối tốt.
•

Tính năng chịu lực vượt trội so với các dạng kết cấu thông thường.

•

Khả năng tính toán, thiết kế dựa trên công nghệ máy tính cho phép tối ưu hoá và kiểm soát các tham số mà 5 hoặc 6 năm trước đây chưa từng có;

Cấu trúc diagrid là nổi trội về thẩm mỹ và biểu cảm.
Tiếp nhận có hiệu quả ánh sáng tự nhiên tại vỏ công trình, qua đó có thể giảm tiêu thụ năng lượng;
Tạo ra các hình thức kiến trúc mới mà các dạng kết cấu hiện tại khó đáp ứng
•

Giảm 1/5 lượng thép so với cấu trúc khung

•

Khai thác tối đa các vật liệu kết cấu.


PHẦN 1: DIAGRID – GIỚI THIỆU

2

ƯU ĐIỂM – NHƯỢC ĐIỂM
NHƯỢC ĐIỂM

•

Thiết kế và thi công gặp nhiều khó khăn

•

Hệ Diagrid vẫn chưa phải là hệ kết cấu có thể áp dụng cho các công trình có tham vọng vươn cao. Vẫn còn khá nhiều vấn đề kỹ thuật cần phải giải

quyết.
•

Quá trình xây dựng cần có đội ngũ kinh nghiệm, nếu không, chỉ một sai sót nhỏ trong lắp ghép cũng làm cho kết cấu bị yếu đi.

•

Khi số lượng các công trình sử dụng hệ diagrid tăng lên như hiện nay, công chúng đã quen với hình thức các thanh chéo đan nhau, vì vậy người

KS, KTS cần phải tiếp tục cải tiến để tạo ra những công trình có mặt ngoài đẹp và hiệu quả về mặt chịu lực


PHẦN 1: DIAGRID – GIỚI THIỆU

3

QUÁ TRÌNH PHÁT TRIỂN

BẢN THIẾT KẾ ĐẦU TIÊN
Tác phẩm kiến trúc đầu tiên của Vladimir Shukhov là một tháp nước ở Nga.
Cấu trúc tháp được tạo nên từ những thanh thép đan chéo liên tục từ chân cho đến
đỉnh, liên kết với nhau bằng các nút tại những giao điểm của các thanh.
Đây được xem là công trình kinh điển là tiền đề cho khái niệm mà sau này người ta
gọi là Diagrid.

1896–1919
Shukhov Towers
(Various) Russia
Cao 350m
Designer:

Vladimir Shukhov


PHẦN 1: DIAGRID – GIỚI THIỆU

3

QUÁ TRÌNH PHÁT TRIỂN

TÒA NHÀ VĂN PHÒNG ĐẦU TIÊN ỨNG DỤNG DIAGRID

TÒA NHÀ VĂN PHÒNG ĐẦU TIÊN ỨNG DỤNG DIAGRID
( BIỂU HIỆN CỦA 1 HÌNH THỨC THIẾT KẾ KIẾN TRÚC MỚI DẠNG LƯỚI “GRID”)

1963
IBM

Building

(United Ironworkers)

Pittsburgh, PA, USA
13 tầng

PHẦN 1: DIAGRID – GIỚI THIỆU

3

QUÁ TRÌNH PHÁT TRIỂN

SỰ XUẤT HIỆN CỦA HỆ THỐNG CÁC THANH DẰNG CHÉO TRÊN
BỀ MẶT CÔNG TRÌNH, CÓ VAI TRÒ LÀ KHUNG CHỊU LỰC KẾT
CẤU GIÚP GIẢI PHÓNG CỘT BÊN TRONG CÔNG TRÌNH ĐƯỢC
GỌI LÀ :
“DIAGONALIZED CORE SYSTEM”

- KẾT CẤU NÀY TẠO HIỆU QUẢ THẨM MỸ ĐẶC TRƯNG TRÊN
MẶT ĐỨNG CỦA CÁC NHÀ CAO TẦNG.

1969

1990

John Hancock Center

Bank Of China Tower

Chicago, IL, USA

Hong Kong, China

100 tầng, cao 344m

72 tầng , cao 367m

1996
Puerta De Europa
Madrid, Spain
114m/26 floors


PHẦN 1: DIAGRID – GIỚI THIỆU

3

QUÁ TRÌNH PHÁT TRIỂN

- THEO THỜI GIAN KHÁI NIỆM DIAGRID DẦN TRỞ NÊN PHỔ BIẾN.
- PHONG TRÀO ỨNG DỤNG CẤU TRÚC DIAGRID VÀO CÁC CÔNG
TRÌNH KIẾN TRÚC CAO TẦNG ĐÃ TẠO NÊN NGUỒN CẢM HỨNG MỚI
MẺ CHO SÁNG TẠO HÌNH KHỐI KIẾN TRÚC THẾ KỶ XXI.

2002

2004

London City Hall

Swiss Re

LonDon, EngLAnD

(30 st. Mary axe)

10 tầng

Royal OntarIo

Museum

Hearst MagazIne Tower

LonDon, EngLAnD

New York City, NY, USA

40 tầng, cao180m

46 tầng, 182m

2008

2006

2006

Canton Tower

2008
Tornado Tower

Addition

Guangzhou, China

Doha, Qatar

Toronto, ON, Canada

Cao 600m

51 tầng, 195m

6 tầng


PHẦN 1: DIAGRID – GIỚI THIỆU

3

QUÁ TRÌNH PHÁT TRIỂN

2010

 

2010

2011

2012

Guangzhou IFC

O-14

Guangzhou, China

Dubai, UAE

Abu Dhabi, UAE

24 tầng, cao 106 m

36 tầng, cao 165m

103 tầng, cao 439m

Capital Gate

Bow Encana
Tower
CAnADA,
57 tầng, cao 237m

2012

2014

CCTV
Beijing, China

Lotte Super Tower
Manukau InstItute of
Technology

54 tầng, cao 234m

2015

Auckland, New Zealand
5 tầng

2016
Zhongguo Zun

Seoul, South Korea 112 tầng,

Tower

cao 555m

Beijing, China
108 tầng, cao 528m


PHẦN 1: DIAGRID – GIỚI THIỆU

3

QUÁ TRÌNH PHÁT TRIỂN

Cùng với sự phát triển mạnh mẽ của công nghệ, đặc biệt là ứng dụng mô hình BIM (building information
modeling) vào thiết kế và thi công công trình kiến trúc đã tạo nên bước đột phá trong việc tính toán giải quyết
những hình khối phức tạp, những chi tiết đòi hỏi độ chính xác cao của “diagrid” tạo nên những công trình vô cùng
ấn tượng độc đáo chỉ trong thời gian ngắn.


PHẦN 1: DIAGRID – GIỚI THIỆU
YÊU CẦU KỸ THUẬT

4

-

Công trình ngày nay có thể đạt tới giới hạn của chiều cao, hình dạng và vật liệu, kết quả của sự tiến
bộ công nghệ mà chúng ta dùng để thiết kế và xây dựng.

-

Cách chúng ta thiết kế và xây dựng đã thay đổi nhanh chóng, phép thử-sai đã lỗi thời từ lâu, nhất là
khi thiết kế hệ kết cấu. Các vấn đề về gió, chấn động và hỏa hoạn phải được đánh giá từ giai đoạn rất
sớm của thiết kế bởi chúng sẽ xác định phạm vi khả dụng của việc ứng dụng Diagrid vào dự án.

-

Trong khi đây là yêu cầu đối với tất cả các công trình, nó có ý nghĩa đặc biệt quan trọng đối với các
công trình Diagrid vì hiện nay chúng ta chỉ ở giai đoạn đầu của việc sử dụng Diagrid trong lĩnh vực
này.

Mô hình tỉ lệ 1:50 của tháp Canon (Quảng Châu, TQ)
trong thử nghiệm bàn rung

PHẦN II: KẾT CẤU VÀ YÊU CẦU KỶ THUẬT
1. NGUYÊN LÝ LÀM VIỆC VÀ TRUYỀN LỰC

1

ĐỊNH NGHĨA HỆ DIAGRID

KHẢ NĂNG CỦA DIAGRID

3

LỰA CHỌN VẬT LIỆU

LỢI ÍCH TRONG KẾT CẤU

5

2

ĐIỂN HÌNH TIÊU BIỂU

4


1. NGUYÊN LÝ LÀM VIỆC VÀ TRUYỀN LỰC
ĐỊNH NGHĨA HỆ DIAGRID

1

- Diagrid mô tả một mạng lưới cấu trúc đường chéo. Hệ thống này bao gồm các thanh xiên, bình thường chế tạo từ kết cấu thép, được
liên kết tại các điểm nút. Hệ thống hình kim cương đòi hỏi các mặt tam giác được phân chia đồng dạng trong cấu trúc.
 

- Đây là một ý tưởng thiết kế cấu trúc để xây dựng các tòa nhà kết hợp sự kháng lại trọng lực và tải trọng ngang thành một hệ thống
hình tam giác, loại bỏ vai trò của cột dọc tiết kiệm chi phí và giải phóng không gian bên trong. 

Với trọng lượng khá nhẹ so với khả năng
chịu lực của nó, kết cấu này thường được
đặt trên vỏ ngoài công trình và liên kết với
dầm sàn .
 


1. NGUYÊN LÝ LÀM VIỆC VÀ TRUYỀN LỰC

1

ĐỊNH NGHĨA HỆ DIAGRID

Kết cấu Diagrid thích hợp cho các cấu trúc hữu cơ hoặc các thiết kế phức tạp
hơn trong hình thức thẩm mỹ

Góc của hệ diagrid được xác định bởi góc tạo thành giữa đường chéo và sàn
nằm ngang.

Các đặc trưng và điều kiện của diagrid:
-Kích thước Module được xác định bởi số tầng mà thanh chéo của hình kim cương kéo dài
từ đầu này đến đầu kia.

-Các Nút là các điểm giao nhau của các thanh chéo.
-Đai biên (horizontal bracing ring) được tạo ra bởi sự kết nối của các nút Diagrid với dầm biên
của sàn.


1. NGUYÊN LÝ LÀM VIỆC VÀ TRUYỀN LỰC

1

ĐỊNH NGHĨA HỆ DIAGRID

Một phần lớn các chi phí của kết cấu Diagrid nằm trong việc chế tạo các nút, vì
vậy việc thiết kế và xây dựng hướng tới việc giảm thiểu biến đổi số lượng các
nút và đơn giản hóa việc kết nối giữa các nút và các đường chéo để tăng tốc
độ lắp dựng.


1. NGUYÊN LÝ LÀM VIỆC VÀ TRUYỀN LỰC

2

KHẢ NĂNG CỦA KẾT CẤU DIAGRID

Cấu trúc diagrid có xu hướng không thay đổi đáng kể hình dạng thẳng cơ bản của tháp, các ứng dụng
hiện tại của diagrid đang khai thác khả năng của lưới tam giác để dễ dàng phù hợp với nhiều hình
thức hình học ngẫu nhiên. Thuật ngữ "lưới" chi phối trực tiếp đến kỹ thuật lập bản đồ của phần mềm
thiết kế 3D và các phương thiết kế kiến trúc, thông qua phần mềm BIM để chế tạo chi tiết. Các khái
niệm về một lưới và các đường cong phức tạp là cơ sở của việc thiết kế lưới diagrid hiện đại.

Hầu hết các tháp diagrid đều hướng tới việc loại bỏ các cột nằm giữa cấu trúc bên ngoài và lõi. Ấn

tượng hơn là việc sử dụng chiếu sáng tự nhiên hiệu quả và giảm độ dày sàn. Điều này hỗ trợ và thúc
đẩy xu hướng kiến trúc bền vững phát triển.


1. NGUYÊN LÝ LÀM VIỆC VÀ TRUYỀN LỰC

2

KHẢ NĂNG CỦA KẾT CẤU DIAGRID

- Trái ngược với chiến lược cấu trúc hiện đại trước đó, tòa nhà diagrid đương đại có xu hướng
kiến trúc độc đáo, củng cố ý tưởng tham vọng của kiến trúc đẩy mạnh các kỹ thuật công nghệ
trong kết cấu.

- Đối với các công trình tạo hình phức tạp, Thiết kế nút, các thanh xiên và cấu trúc Diagrid là
rất khác biệt về chiều cao, hình dáng, kết cấu,… Đây là một thách thức trong tìm kiếm sự tối ưu
hóa của mô hình Diagrid.


1. NGUYÊN LÝ LÀM VIỆC VÀ TRUYỀN LỰC

2

KHẢ NĂNG CỦA KẾT CẤU DIAGRID

Những tiến bộ trong tính toán và mô hình song song với
sự phát triển của cấu trúc Diagrid, dễ dàng hỗ trợ thiết kế
các đường cong trong mọi hình dáng từ kết cấu cho đến
chi tiết, việc tạo ra các bản vẽ thi công và chế tạo.

1. NGUYÊN LÝ LÀM VIỆC VÀ TRUYỀN LỰC

3

LỰA CHỌN VẬT LIỆU

Mặc dù Diagrid có thể được chế tạo từ nhiều loại vật liệu khác nhau, nhưng
vật liệu phổ biến nhất vẫn là thép. Tuy nhiên, gỗ hoặc bê tông cốt thép cũng có
thể được sử dụng

Thép vẫn giữ được hình dạng của nó với tải trọng cao rất tốt khi làm việc trong hình dạng các module vì vậy
thép là vật liệu lý tưởng.

Bê tông cốt thép có thể được sử dụng để làm lớp vỏ bao che. Có thể lấy ví dụ như O-14 Tower ở Dubai sử dụng
bê tông để tách biệt hình dáng khung kim cương điển hình của diagrid. Với bê tông công trình có tạo hình như
miếng phomat khổng lồ. 


1. NGUYÊN LÝ LÀM VIỆC VÀ TRUYỀN LỰC

3

LỰA CHỌN VẬT LIỆU

- Lựa chọn các vật liệu lõi có thể khác
nhau tùy theo địa phương.

- Việc lựa chọn thép cho hệ thống diagrid
còn vì khả năng chế tạo hàng loạt, phục

vụ thi công lắp ráp tiết kiệm được thời gian
xây dựng.


1. NGUYÊN LÝ LÀM VIỆC VÀ TRUYỀN LỰC

3

LỰA CHỌN VẬT LIỆU

HẠN CHẾ:

-Hệ thống kết cấu Diagrid dù là một giải pháp mạnh mẽ để xây dựng tòa nhà chọc trời vươn
cao. Nhưng giống như tất cả các hệkết cấu khác, Diagrid vẫn có giới hạn của mình:
+ Đối với một hệ thống Diagrid xây dựng
là

100 tầng.
+ Đối với một hệ thống diagrid xây dựng

hình l

bằng thép, giới hạn chiều cao điển hình

à thấp hơn ở 60 tầng.

bằng bê tông, hạn chế chiều cao điển


1. NGUYÊN LÝ LÀM VIỆC VÀ TRUYỀN LỰC

3

LỰA CHỌN VẬT LIỆU

- Hệ thống diagrid bê tông đòi hỏi một lượng lớn công việc khi thi công dẫn đến chi phí xây dựng
cao hơn.

- Các nút kết nối bằng bê tông cũng rất phức tạp so với xây dựng hệ thống trực giao điển hình. Các
nút được đúc sẵn và tăng chi phí xây dựng do tính phức tạp của chúng. Đối với các công trình hình
dạng phức tạp thì số lượng nút cũng tăng và việc thiết kế và chế tạo cũng phức tạp hơn.