Nguyên Lý Thiết Kế Nhà Cao Tầng Để Tối Ưu Hóa Khí Động Học

Nhà siêu cao tầng ngày càng phổ biến tại các đô thị hiện đại. Sự phát triển của kết cấu cường độ cao và vật liệu nhẹ giúp các tòa nhà này thanh mảnh hơn. Tuy nhiên, chúng lại dễ bị ảnh hưởng bởi lực gió mạnh mẽ. Các dao động rung lắc, áp lực gió lên bề mặt và kết cấu là những thách thức lớn. Bài viết này đi sâu vào nguyên lý thiết kế nhà cao tầng nhằm giảm thiểu tác động tiêu cực của gió, tập trung vào các giải pháp khí động học tiên tiến.

Tác động của gió lên các tòa nhà cao tầng bao gồm ảnh hưởng đến môi trường xung quanh, bề mặt tòa nhà và hệ thống kết cấu. Để kiểm soát lực mô men xoắn và rung động do gió, có hai cách tiếp cận chính: tăng cường kết cấu và sử dụng thiết bị giảm chấn, hoặc tối ưu hóa hình dạng tòa nhà theo nguyên lý thiết kế nhà cao tầng khí động học. Cách thứ hai mang lại hiệu quả cao về chi phí bằng cách giảm tải trọng gió tác động trực tiếp. Bài viết sẽ phân tích chi tiết các phương pháp thiết kế khí động học, từ mức độ cục bộ đến tổng thể, cùng các ví dụ điển hình.

Nguyên lý thiết kế nhà cao tầng khí động học là yếu tố then chốt để đảm bảo sự an toàn, ổn định và tiện nghi cho các công trình kiến trúc cao tầng trong môi trường đô thị đầy thách thức.

Phân Tích Tác Động Của Gió Lên Nhà Cao Tầng

Các tòa nhà siêu cao tầng, với tỷ lệ chiều cao trên chiều rộng lớn, đặc biệt dễ bị tổn thương bởi các tác động của gió. Lực gió không chỉ gây ra hư hại cho lớp vỏ bao che mà còn ảnh hưởng nghiêm trọng đến hệ thống kết cấu bên trong. Các nghiên cứu chỉ ra rằng áp lực gió tăng theo chiều cao, thường đạt đỉnh ở các tầng trung và cao.

Ảnh Hưởng Đến Môi Trường Xung Quanh

Khi gió tương tác với các tòa nhà cao tầng, nó tạo ra các luồng gió tốc độ cao và các vùng áp suất thay đổi ở không gian xung quanh. Điều này có thể gây khó khăn cho hoạt động đi lại của người dân và phương tiện giao thông dưới mặt đất, tạo ra hiệu ứng “gió lùa” không mong muốn.

Ảnh Hưởng Đến Bề Mặt Tòa Nhà

Áp lực gió tác động trực tiếp lên các bề mặt bao phủ của tòa nhà như tường, kính. Sự biến đổi áp suất liên tục có thể gây ra mỏi vật liệu, làm giảm tuổi thọ của lớp vỏ kiến trúc và tiềm ẩn nguy cơ hư hỏng, đặc biệt là các hệ thống mặt dựng kính.

Ảnh Hưởng Đến Kết Cấu Tòa Nhà

Tải trọng gió là một trong những yếu tố tải trọng ngang quan trọng nhất ảnh hưởng đến hệ thống kết cấu của nhà cao tầng. Lực gió tác động có thể gây ra chuyển vị ngang, mô men xoắn và rung động, đòi hỏi kết cấu phải đủ cứng vững và linh hoạt để chịu đựng. Nếu không được xử lý đúng cách, những tác động này có thể dẫn đến sự mất ổn định và hư hỏng kết cấu.

Các Phương Pháp Kiểm Soát Tác Động Của Gió

Để giảm thiểu các tác động tiêu cực của tải trọng gió, các kỹ sư và kiến trúc sư đã phát triển nhiều giải pháp. Hai hướng tiếp cận chính bao gồm:

1. Tăng cường hệ thống kết cấu và sử dụng cấu trúc giảm chấn: Phương pháp này tập trung vào việc làm cho kết cấu tòa nhà trở nên cứng vững hơn và lắp đặt các thiết bị giảm chấn (như bộ giảm chấn khối lượng điều chỉnh – TMD, hoặc bộ giảm chấn ma sát) để hấp thụ năng lượng rung động. Tuy nhiên, việc này có thể làm tăng chi phí xây dựng và trọng lượng công trình.
2. Thiết kế hình dạng tòa nhà theo nguyên lý khí động học: Cách tiếp cận này nhằm mục đích giảm thiểu trực tiếp tải trọng gió tác động lên tòa nhà thông qua việc tối ưu hóa hình dạng kiến trúc. Bằng cách điều chỉnh hình khối, tòa nhà có thể “lướt” qua gió một cách hiệu quả hơn, giảm thiểu lực cản và rung động. Đây là lý do hầu hết các tòa nhà siêu cao tầng hiện đại đều có hình dáng độc đáo, không còn là những khối hộp chữ nhật đơn thuần.

Thiết Kế Hình Dáng Khí Động Học Cho Nhà Cao Tầng

Việc tối ưu hóa khí động học cho nhà cao tầng có thể được thực hiện ở hai cấp độ: cục bộ và tổng thể.

1. Thiết Kế Hình Dáng Khí Động Học Ở Mức Độ Cục Bộ

Mức độ cục bộ tập trung vào việc thay đổi chi tiết hình dạng tại các góc hoặc các bộ phận nhỏ trên bề mặt tòa nhà để cải thiện hiệu suất khí động học. Các hình dạng góc khác nhau được nghiên cứu bao gồm:

• Góc cơ bản: Góc vuông hoặc chữ nhật truyền thống.
• Góc bo tròn: Làm mềm các cạnh, giảm sự tập trung ứng suất và tạo dòng chảy mượt mà hơn.
• Góc vát (chamfered): Cắt bỏ một phần góc, giúp giảm lực cản gió.
• Góc khuyết (recessed): Tạo các rãnh hoặc lõm vào, có thể làm gián đoạn dòng xoáy.
• Góc có cánh (vây – fins): Các chi tiết nhô ra có thể định hướng dòng chảy hoặc giảm rung động.
• Góc xẻ rãnh (grooved): Tạo các rãnh dọc hoặc ngang trên bề mặt.

Các thử nghiệm trong đường hầm gió và mô phỏng CFD cho thấy các góc vát, lõm và bo tròn có hiệu quả trong việc giảm lực gió theo chiều dọc và ngang. Các góc có cánh có thể tăng cường hiệu quả giảm phản hồi gió ngang, trong khi các góc có rãnh giúp giảm tác động ở cả hai phương.

[
Các tác động của gió đối với tòa nhà cao tầng gồm gió ngang, gió dọc và mô men xoắn. (Nguồn: Structville.)

Ngược lại, “Mức độ tổng thể” có tác động lớn hơn đến thiết kế kiến trúc và kết cấu vì nó ảnh hưởng đến toàn bộ hình khối của tòa nhà. Tuy nhiên, các biện pháp can thiệp ở mức độ cục bộ cũng đóng vai trò quan trọng trong việc tinh chỉnh hiệu suất khí động học. Việc lựa chọn chính xác các chi tiết hình dạng bên ngoài của tòa nhà có thể giúp giảm đáng kể lực và chuyển động do gió gây ra, làm gián đoạn dòng xoáy và giảm mô men xoắn tác động lên hệ thống kết cấu.

Ví Dụ Tiêu Biểu Về Thiết Kế Cục Bộ

• Tháp IFC Hong Kong: Tòa tháp này nằm trong môi trường gió phức tạp. Các kỹ sư đã điều chỉnh hình khối mặt bằng với các góc giật răng cưa không đều để xử lý hiện tượng xoáy gió tự tạo ra, vốn có thể khiến tòa nhà rung chuyển dữ dội.
• Tháp Đài Bắc 101: Việc sửa đổi các góc của tòa nhà hình chữ nhật, như vát mép hoặc bo tròn, đã giúp giảm đáng kể lực tác động của gió. Giải pháp vát góc với tỷ lệ 10% chiều rộng tòa nhà có thể giảm tới 40% lực gió dọc và 30% lực gió ngang so với tiết diện hình chữ nhật ban đầu.
• Tháp ICC Hong Kong: Tòa nhà này được xử lý mặt bằng với thiết kế giật cấp hình khuyết góc, giúp đạt được sự cân bằng tối ưu giữa an toàn, thoải mái và tiết kiệm vật liệu khi đối mặt với gió bão mạnh từ biển.
• Tòa tháp Ping An Thâm Quyến: Mặt tiền của tòa tháp có góc hơi nghiêng liên tục, kết hợp với cấu trúc thanh sọc đứng, đã giảm tải trọng gió lên kết cấu và mô men gió giật. Thiết kế này cho thấy hiệu quả khí động học cao, giảm 32% mô men gió giật và 35% tải trọng gió so với các hình dạng truyền thống.
• Trung tâm Thương mại Một thế giới (One WTC): Mặt bằng tòa nhà có sự chuyển biến xoay dần từ hình vuông thành hình bát giác rồi lại thành hình vuông ở đỉnh. Các góc vát ở mặt bằng tầng là kết quả của việc tối ưu hóa khí động học, giúp giảm áp lực gió lên bề mặt và kết cấu, đồng thời giảm lượng thép cần thiết.

[
Các phương án xử lý khí động học các góc của tòa tháp: a/ Tháp IFC Hong Kong: Mặt bằng góc răng cưa không đều; b/ Tháp Đài Bắc 101 Đài Bắc: Mặt bằng góc răng cưa; c/ Tháp ICC Hong Kong: Mặt bằng với thiết kế giật góc; d/ Tháp Ping An FC Thâm Quyến: Mặt bằng có thiết kế góc giảm dần. (Nguồn: Archdaily)

2. Thiết Kế Hình Dáng Khí Động Học Ở Mức Độ Tổng Thể

Giải pháp khí động học ở mức độ tổng thể tác động vào hình dáng bao quát của tòa nhà, mang lại hiệu quả giảm thiểu tải trọng gió và rung động lớn hơn. Các hình thức phổ biến bao gồm:

• Thiết kế dạng hình nón và giật cấp, thu hẹp nhỏ dần: Các tòa nhà có tiết diện nhỏ dần theo chiều cao giúp lan rộng dải tần số rung động, làm giảm tác động của gió ngang. Hình dạng này cũng làm giảm lực cản và triệt tiêu áp lực gió ngang.
  [
  Trường dòng chảy không khí xung quanh tòa tháp có tiết diện nhỏ dần. (Nguồn: Researchgate)

  Các ví dụ điển hình cho hiệu ứng “giật cấp nhỏ dần” bao gồm Tháp John Hancock Chicago, Tháp Chase Chicago và Kim tự tháp Transamerica San Francisco. Việc tạo ra các tiết diện nhỏ dần theo chiều cao giúp giảm thiểu tải trọng gió và gia tốc các luồng gió thổi xuống mặt đất.
  [
  Các ví dụ về thiết kế khí động họa tòa nhà với hiệu ứng giật cấp nhỏ dần; (a) Tháp John Hancock Chicago, (b) Tháp Chase Chicago, (c) Kim tự tháp Transamerica San Francisco. (Nguồn: Researchgate)

• Thiết kế tòa nhà dạng khối xoắn: Các tòa nhà siêu cao tầng thiết kế dạng xoắn là một phương pháp hiệu quả để giảm lực gió ngang. Lực gió thay đổi hướng dọc theo chiều cao, làm giảm phản ứng ngang của tòa nhà. Thiết kế xoắn giúp tòa nhà trở nên khí động học hơn và có thể giảm tới 24% tải trọng gió so với tòa nhà hình chữ nhật tương đương.
  [
  Trường dòng chảy qua mặt cắt dọc và ngang tòa nhà – Độ lớn vận tốc tức thời và bán dòng chảy. – (Nguồn: Researchgate)

  Tuy nhiên, thiết kế xoắn cũng làm tăng lực xoắn tác động lên kết cấu. Các tòa tháp Absolute Towers ở Mississauga, Canada, Tháp Turning Torso ở Thụy Điển và Cayan Tower ở Dubai là những ví dụ nổi bật về thiết kế xoắn. Chúng không chỉ mang lại giá trị thẩm mỹ mà còn giảm đáng kể tải trọng gió và bức xạ mặt trời, giúp phân tán luồng gió và giảm lắc lư.
  [
  Các tòa nhà thiết kế dạng xoắn: (a) Tháp Absolute Towers Mississauga Canada, (b)Tháp Turning Torso Thụy Điển, (c) Tháp Cayan Tower Dubai. (Nguồn: Researchgate)

• Thiết kế tòa nhà mở thông mặt tiền: Bổ sung các khoang mở hoặc tầng thông gió xuyên qua tòa nhà, đặc biệt là ở các tầng cao, là một cách hiệu quả để cải thiện hiệu suất khí động học. Điều này cho phép không khí chảy qua cấu trúc, làm giảm tác động của dòng xoáy, lực cản và áp suất âm cực đại trên các mặt khuất gió.
  [
  Các tòa nhà thiết kế dạng mở thông mặt tiền: Tháp SWF Thượng Hải; Kingdom Centre Riyadh; Tháp Trung tâm Tô Châu. (Nguồn: Researchgate)

  Các công trình như Tòa nhà Thế giới Tài chính Thượng Hải, Trung tâm Vương quốc ở Riyadh, và Tháp Trung tâm Tô Châu đã khai thác đặc tính khí động học của các ô cửa lớn mở thông xuyên qua tòa nhà. Nghiên cứu cho thấy việc mở một tầng duy nhất ở vị trí tối ưu (khoảng 70% chiều cao tòa nhà) có thể giảm tới 44% tốc độ gió cộng hưởng. Mở nhiều tầng có thể giảm tới 76% gia tốc cộng hưởng, làm gián đoạn dòng xoáy và giảm thiểu gia tốc gió ngang.
  [
  Ví dụ về các tòa nhà cao tầng có mặt tiền mở: Tòa tháp Park Ave New York; Tòa tháp St Regis Tower Chicago; Tòa tháp West 57th Street New York; Tòa tháp Tháp Panda Thành Đô. (Nguồn: Researchgate)

Kết Luận

Việc áp dụng các nguyên lý thiết kế nhà cao tầng khí động học, dù ở mức độ cục bộ (xử lý các góc, chi tiết bề mặt) hay mức độ tổng thể (tối ưu hóa hình khối bao quát như thu hẹp dần, xoắn ốc, hoặc tạo khoang mở), đều mang lại những thay đổi tích cực trong việc kiểm soát áp lực gió.

Các lợi ích chính bao gồm:

• Tối ưu hóa chi phí: Giảm chi phí gia cường kết cấu và lắp đặt hệ thống giảm chấn.
• Nâng cao an toàn và tiện nghi: Giảm dao động, chuyển vị đỉnh tòa nhà, tạo môi trường sống và làm việc an toàn, thoải mái hơn, đồng thời tăng cường sự ổn định và bền vững của kết cấu.
• Cải thiện môi trường vi khí hậu: Giảm gia tốc gió thổi xuống chân tòa nhà và giảm chênh lệch áp suất xung quanh, làm dịu các tác động gió cục bộ.
• Hiệu quả của hình dáng xoắn: Hình dáng xoắn là một cách hiệu quả để giảm ứng suất gió, mặc dù cần cân nhắc sự giảm dần độ cứng theo chiều cao tăng dần.

Nhìn chung, thiết kế khí động học không chỉ là một yêu cầu kỹ thuật mà còn là một yếu tố thẩm mỹ quan trọng, định hình nên bộ mặt của các đô thị hiện đại và đảm bảo sự trường tồn của các công trình kiến trúc cao tầng.

KTS Nguyễn Như Hoàng (Bài đăng trên Tạp chí Kiến trúc số 01-2023)

Cập Nhật Lần Cuối Vào Lúc 21/01/2026 by Trần Bảo