Vật liệu xây dựng bằng thép đề cập đến thuật ngữ chung cho các vật liệu khác nhau có thành phần chủ yếu là thép và được xử lý và hình thành thông qua quá trình nấu chảy, cán, hàn, uốn nguội và các quá trình khác và được sử dụng trong kết cấu chính hoặc hệ thống bao vây của các tòa nhà và công trình. Chúng đã vượt qua những vật liệu gạch, gỗ, đá truyền thống và trở thành trụ cột cốt lõi của ngành xây dựng hiện đại.
Các thành viên cốt lõi bao gồm:
Thép kết cấu: như thép hình chữ H cán nóng, thép hình chữ I (thép hình chữ I), thép góc, thép kênh, ống vuông/chữ nhật (thép hình hộp), ống thép tròn, thép tấm,… tạo thành bộ xương của công trình (dầm, cột, kèo).
Cốt thép: Thép ren, thanh thép tròn trơn, v.v., được nhúng vào bê tông để tạo thành bê tông cốt thép, cải thiện đáng kể độ bền kéo.
Thép mỏng thành mỏng uốn nguội: Các tấm thép mỏng được uốn nguội thành hình chữ C, hình chữ U, hình chữ Z và các mặt cắt ngang khác, dùng cho các kết cấu thép nhẹ (như nhà ở thấp tầng, gác lửng) và các kết cấu thứ cấp.
Tấm thép/tấm kim loại: Dùng làm sàn sàn (tấm tôn), hệ thống bao che tường/mái (tấm thép màu, tấm sandwich).
Đầu nối: Bu lông cường độ cao, vật liệu hàn, tấm kết nối, v.v. để đảm bảo tính toàn vẹn và ổn định của kết cấu.
Các tính năng cốt lõi:
Độ bền tuyệt vời và trọng lượng nhẹ: Tỷ lệ cường độ trên trọng lượng cực cao cho phép xây dựng các tòa nhà có nhịp lớn và độ thông thoáng cao, giảm tải trọng nền móng.
Tính đồng nhất và độ tin cậy: Vật liệu đồng nhất, tính chất cơ học ổn định, kiểm soát chất lượng của quy trình sản xuất nghiêm ngặt và kết quả tính toán thiết kế là đáng tin cậy.
Độ dẻo dai tuyệt vời: Nó có thể hấp thụ năng lượng rất lớn (chẳng hạn như động đất và tải trọng gió) và không dễ bị gãy giòn đột ngột.
Chế tạo sẵn tại nhà máy và lắp ráp hiệu quả: Các bộ phận được chế tạo sẵn chính xác trong nhà máy, việc kết nối bu lông hoặc hàn diễn ra nhanh chóng tại chỗ, giúp rút ngắn đáng kể thời gian xây dựng.
Xanh và bền vững: Khả năng tái chế cao (tỷ lệ tái chế có thể đạt hơn 95%) và mức độ ô nhiễm xây dựng thấp (chủ yếu vận hành khô).
Thiết kế linh hoạt và mô hình hóa miễn phí: Độ dẻo cao, dễ dàng đạt được các hình dạng kiến trúc phức tạp và mới lạ cũng như yêu cầu về không gian rộng lớn.
1. Tại sao nên chọn vật liệu xây dựng bằng thép?
Trong sự cạnh tranh của nhiều loại vật liệu xây dựng, vật liệu thép nổi bật và những ưu điểm không thể thay thế:
Lợi ích kinh tế vượt trội:
Thời gian xây dựng ngắn = thu hồi vốn nhanh: Tốc độ xây dựng tiền chế và lắp ráp vượt xa kết cấu bê tông truyền thống, tiết kiệm rất nhiều thời gian và chi phí nhân công, dự án được đưa vào sử dụng sớm hơn để tạo ra lợi ích.
Giảm chi phí tổng thể: Giảm trọng lượng kết cấu giúp tiết kiệm chi phí nền móng; sản xuất tại nhà máy giảm thiểu chất thải tại chỗ; chi phí bảo trì sau này tương đối thấp; sử dụng không gian cao (lưới cột lớn, dầm nhỏ và phần cột).
Giá trị lâu dài: Độ bền cao giúp giảm tần suất thay mới, có tuổi thọ sử dụng lâu dài và giá trị còn lại tốt (có thể tái chế).
Ưu điểm hiệu suất hàng đầu:
An toàn và đáng tin cậy: Độ bền cao và độ dẻo cao mang lại khả năng chống động đất và gió tuyệt vời, là lựa chọn lý tưởng cho các khu vực dễ xảy ra động đất và vùng bão.
Chất lượng ổn định và có thể kiểm soát: Môi trường sản xuất tại nhà máy nghiêm ngặt, tiêu chuẩn kiểm tra chất lượng cao và độ chính xác của các bộ phận được đảm bảo.
Nhịp lớn và không gian rộng: Dễ dàng nhận ra các kết cấu nhịp lớn không có hoặc ít cột (như nhà thi đấu, nhà máy, phòng triển lãm).
Dễ dàng chuyển đổi và mở rộng: Hệ thống kết cấu rõ ràng, thuận tiện cho việc gia cố, thêm tầng hoặc phân chia lại không gian sau này.
Lựa chọn xanh cho sự phát triển bền vững:
Mô hình kinh tế tuần hoàn: Thép là một trong những vật liệu có tỷ lệ tái chế cao nhất hiện nay. Nó có thể được tái chế gần như vô tận mà không làm giảm hiệu suất, giảm đáng kể chất thải xây dựng và tiêu thụ tài nguyên (theo dữ liệu từ Hiệp hội Thép Thế giới).
Lượng khí thải carbon thấp: Mặc dù mức tiêu thụ năng lượng sản xuất cao nhưng tuổi thọ cao, khả năng tái chế và kết cấu tiền chế giúp giảm mức tiêu thụ năng lượng và khí thải tại chỗ, khiến lượng khí thải carbon trong toàn bộ vòng đời có tính cạnh tranh. Quá trình sử dụng thép phế liệu lò hồ quang điện trong thời gian ngắn có thể làm giảm lượng khí thải carbon hơn nữa.
Giảm ô nhiễm tại chỗ: Vận hành khô là phương pháp chính giúp giảm đáng kể ô nhiễm tiếng ồn, bụi và nước thải hoạt động ướt ra môi trường.
Tương thích với công nghệ xanh: Khung thép là nền tảng lý tưởng để tích hợp các công nghệ tiết kiệm năng lượng như tấm quang điện mặt trời và mái nhà xanh.
Thiết kế và thi công linh hoạt:
Tự do về hình dạng: Nhận ra khả năng sáng tạo không giới hạn của kiến trúc sư và tạo ra nhiều tòa nhà mang tính biểu tượng (như Sân vận động Tổ chim và Tháp Eiffel).
Nhà tiền chế và lắp ráp: Là phương pháp xây dựng mang tính công nghiệp hóa cao, ít bị ảnh hưởng bởi thời tiết, chất lượng và kiểm soát thời gian xây dựng tốt hơn, phù hợp với định hướng phát triển công nghiệp hóa xây dựng.
Độ chính xác cao: Sản xuất tại nhà máy đảm bảo kích thước linh kiện chính xác và sai số lắp ráp nhỏ trên công trường.
2. Các lĩnh vực ứng dụng chính của vật liệu xây dựng bằng thép
Khả năng thích ứng mạnh mẽ của vật liệu thép khiến nó xuất hiện trong mọi loại công trình xây dựng:
Công trình công nghiệp:
Nhà xưởng/nhà xưởng: Dạng kết cấu ưa chuộng dành cho nhà xưởng một tầng hoặc nhiều tầng. Nhịp lớn, không gian rộng đáp ứng việc bố trí thiết bị sản xuất, dây chuyền lắp ráp.
Trung tâm kho bãi/hậu cần: Kết cấu thép là giải pháp hoàn hảo cho chiều cao thông thoáng và khoảng cách cột lớn nhằm tạo điều kiện thuận lợi cho việc lưu trữ hàng hóa và lưu thông hiệu quả.
Cơ sở công nghiệp nặng: Chẳng hạn như khung, bệ thiết bị và giá đỡ đường ống của nhà máy điện, nhà máy lọc dầu và nhà máy hóa chất.
Công trình thương mại và công cộng:
Trung tâm thương mại/trung tâm mua sắm lớn: Cần có không gian nội thất rộng rãi, linh hoạt để thu hút khách hàng.
Tòa nhà văn phòng/nhà cao tầng: Kết cấu kết cấu khung thép ống lõi là hình thức chủ đạo của các tòa nhà siêu cao tầng hiện đại (như Tháp Thượng Hải).
Sân vận động/Trung tâm Hội nghị và Triển lãm: Tạo ra những mái nhà nhịp siêu lớn và khán đài không bị cản trở để mang lại trải nghiệm không gian ấn tượng (chẳng hạn như Tổ chim và các nhà ga sân bay lớn).
Trường học/Bệnh viện/Sân bay/Trung tâm giao thông: Yêu cầu thi công nhanh, độ nhiễu thấp và bố trí không gian linh hoạt.
Cơ sở hạ tầng:
Cầu: Dây cáp chính, trụ và mặt cầu của cầu nhịp lớn (cầu treo và cầu dây văng) là thành phần chủ yếu; cầu thép nhịp vừa và nhỏ ngày càng được sử dụng rộng rãi.
Kết cấu cột tháp: tháp điện, tháp truyền thông, tháp tuabin gió, v.v.
Giàn khoan ngoài khơi: Cấu trúc chính của giàn khoan dầu ngoài khơi.
Các lĩnh vực mới nổi và nhiều tầng:
Tòa nhà nhiều tầng: Việc ứng dụng hệ thống ke thép nhẹ trong các tòa nhà văn phòng, chung cư, khách sạn (đặc biệt là các tòa nhà mô-đun) đang phát triển nhanh chóng.
Nhà ở và nhà ở thấp tầng:
Biệt thự/nhà ở thép nhẹ: Hệ thống ke thép nhẹ vách mỏng uốn nguội, thi công nhanh, cách nhiệt tốt, tiết kiệm năng lượng và khả năng chống động đất tuyệt vời.
Nhà ở kết cấu thép nhiều tầng: Từng bước phát huy để giải quyết tình trạng “thiếu lao động”, nâng cao chất lượng công trình và trình độ công nghiệp hóa.
Công trình đặc biệt: Tháp truyền tải, tác phẩm điêu khắc, công trình tạm thời (nhà di động, sân khấu), v.v.
3. Câu hỏi thường gặp (Q&A)
Hỏi: Tòa nhà kết cấu thép có đắt hơn tòa nhà bê tông cốt thép không?
Đáp: Nó không thể được khái quát hóa. Chi phí vật liệu ban đầu có thể cao hơn một chút, nhưng xét đến chi phí toàn diện (chi phí tài chính và quản lý tiết kiệm được nhờ rút ngắn thời gian xây dựng, giảm chi phí cơ bản, lợi ích do tận dụng không gian cao, chi phí bảo trì dài hạn thấp, giá trị có thể thu hồi, v.v.), kết cấu thép thường có lợi thế kinh tế đáng kể, đặc biệt là trong các dự án nhạy cảm về công nghiệp, thương mại và xây dựng quy mô lớn.
Hỏi: Tôi nên làm gì nếu thép dễ bị rỉ sét và ăn mòn?
Đáp: Điều này có thể phòng ngừa và kiểm soát được. Kết cấu thép hiện đại áp dụng nhiều biện pháp bảo vệ:
Xử lý bề mặt: Phun cát để loại bỏ rỉ sét đến mức quy định.
Lớp phủ chống ăn mòn lâu dài: Phun sơn lót, sơn trung gian, sơn phủ ngoài (như sơn lót epoxy giàu kẽm, sơn trung gian epoxy sắt mica, sơn phủ polyurethane), thiết kế hệ thống lớp phủ và độ dày theo mức độ ăn mòn của môi trường.
Mạ kẽm nhúng nóng: Rất hiệu quả đối với các bộ phận hoặc bộ phận nhỏ trong môi trường khắc nghiệt.
Thép chịu thời tiết: Lớp rỉ sét ổn định và dày đặc sẽ hình thành trong những điều kiện khí quyển nhất định để bảo vệ lớp nền, loại bỏ nhu cầu sơn và bảo trì (thường được sử dụng cho các kết cấu lộ thiên).
Bảo vệ catốt: Được sử dụng cho các công trình dưới nước hoặc dưới lòng đất (chẳng hạn như móng cọc ngoài khơi). Thiết kế tiêu chuẩn, thi công cẩn thận, kiểm tra và bảo trì thường xuyên có thể đảm bảo kết cấu thép hoạt động lâu dài.
Hỏi: Thép không có khả năng chống cháy, nếu xảy ra hỏa hoạn tôi phải làm sao?
Trả lời: Mặc dù thép không cháy nhưng độ bền của nó sẽ giảm mạnh ở nhiệt độ cao (trên khoảng 550°C). Vì vậy, phòng cháy chữa cháy là yêu cầu bắt buộc đối với thiết kế kết cấu thép. Các phương pháp phổ biến bao gồm:
Lớp phủ chống cháy: Lớp phủ chống cháy (nở ra khi cháy tạo thành lớp carbon cách nhiệt) hoặc lớp phủ chống cháy không cháy (cách nhiệt dày).
Bao bì ván chống cháy: Chẳng hạn như tấm thạch cao, tấm canxi silicat, tấm len đá, v.v.
Bọc bê tông/vữa: Tạo thành một lớp bảo vệ.
Cấu trúc chứa đầy nước (áo nước).
Thông qua thiết kế và thi công khoa học, giới hạn chịu lửa của kết cấu thép hoàn toàn có thể đáp ứng được yêu cầu về quy định phòng cháy chữa cháy của tòa nhà.
Hỏi: Hiệu quả cách âm, cách nhiệt của nhà kết cấu thép có tốt không?
Trả lời: Bản thân thép là chất dẫn nhiệt tốt (dẫn nhiệt nhanh), nhưng hiệu suất cách nhiệt và cách âm của các tòa nhà kết cấu thép chủ yếu phụ thuộc vào hệ thống vỏ và vật liệu lấp đầy (chẳng hạn như len cách nhiệt tường/mái, tấm sandwich, tấm trang trí tường trong và ngoài, kết cấu cách âm sàn). Hệ thống kết cấu thép hiện đại có thể đáp ứng đầy đủ hoặc thậm chí vượt xa yêu cầu về tiện nghi của các tòa nhà truyền thống thông qua việc thiết kế các lớp cách nhiệt hợp lý, sử dụng công nghệ cầu gãy (ngăn chặn cầu nhiệt), lấp đầy bằng vật liệu cách âm hiệu suất cao và các biện pháp khác. Tường ke bằng thép nhẹ chứa đầy bông thủy tinh hoặc bông đá là cấu trúc cách nhiệt và cách âm tuyệt vời.
Hỏi: Kết cấu thép có phù hợp để sử dụng trong nhà ở không?
A: Rất phù hợp và là một trong những hướng phát triển trong tương lai.
Hệ thống keel thép nhẹ được sử dụng rộng rãi trong các biệt thự thấp tầng, nhà ở nông thôn, căn hộ, nhà mô-đun, tái thiết sau thiên tai, v.v., với ưu điểm là chống động đất tốt, thi công nhanh, tiết kiệm năng lượng và bảo vệ môi trường, không gian linh hoạt.
Công nghệ xây dựng nhà ở kết cấu thép nhiều tầng đã trưởng thành và được sử dụng rộng rãi ở nước ngoài, đồng thời cũng đang được quảng bá tích cực ở Trung Quốc. Ưu điểm của nó là tốc độ xây dựng nhanh (ngắn hơn khoảng 1/3 so với truyền thống), chất lượng cao của các bộ phận do nhà máy sản xuất, tỷ lệ nhà cao, hiệu suất địa chấn vượt trội và dễ dàng thực hiện các công trình xanh và xây dựng công nghiệp hóa (tòa nhà tiền chế).
Vật liệu xây dựng bằng thép đã làm thay đổi sâu sắc bộ mặt của kiến trúc hiện đại với sức mạnh, độ dẻo dai, tốc độ thi công, tính linh hoạt trong thiết kế và tính bền vững chưa từng có. Từ những tòa nhà mang tính biểu tượng tráng lệ đến những nhà máy công nghiệp hiệu quả và thiết thực, từ những cây cầu bắc qua hào nước tự nhiên đến những ngôi nhà ấm áp và tiện nghi, kết cấu thép đang âm thầm xây dựng những không gian xanh hơn, hiệu quả hơn và an toàn hơn cho con người. Với sự tiến bộ không ngừng của khoa học vật liệu, công nghệ sản xuất và các khái niệm thiết kế, thép, với tư cách là bộ xương cốt lõi của các tòa nhà, sẽ đóng vai trò ngày càng quan trọng trong việc hình thành môi trường sống bền vững trong tương lai. Chọn thép có nghĩa là chọn một tương lai kiến trúc mạnh mẽ, hiệu quả và xanh.
