THIẾT KẾ CẦU TRONG ĐÔ THỊ
TÁC GIẢ: PGS.TS NGUYỄN THỊ THỊ TUYẾT TRINH – PHẦN II
Hôm nay, CKJVN xin tiếp tục gửi tới độc giả bài viết “Thiết kế cầu trong đô thị – Phần 2” của PGS.TS Nguyễn Thị Thị Tuyết Trinh (Trưởng Bộ môn Công trình giao thông thành phố và công trình thuỷ -Trường Đại học Giao thông vận tải).Bài báo đã được đăng trên tạp chí Xây Dựng (Bộ Xây Dựng).
3. Đặc điểm thiết kế cầu trong đô thị.
Trên thế giới, cầu có thể được xếp thành 4 loại cơ bản: cầu dầm, cầu vòm, cầu dây văng và cầu treo dây võng. Tất cả những dạng cầu lớn này đều có từ lâu đời với nền văn minh nhân loại. Gần đây phát triển thêm các dạng cầu phức hợp và linh hoạt hơn, do có nhiều loại vật liệu xây dựng khác nhau ở các thời kỳ khác nhau được nghiên cứu áp dụng. Khoảng 4.000 năm trước đến đầu Thế kỷ 19, vật liệu xây dựng duy nhất là gỗ và đá. Gỗ cây có thể được sử dụng làm dầm cầu. Đá là vật liệu cứng hơn nhiều so với gỗ, có khả năng chịu nén và khả năng chịu thời tiết tốt hơn. Tất cả các công trình kiến trúc thời kỳ đầu của Ai Cập và Hy Lạp đều được xây dựng bằng đá. Nhưng vật liệu đá không thể chịu ứng suất kéo cao khi uốn, nên các tòa nhà phải sử dụng các cột có khoảng cách gần nhau. Gạch cũng là một loại vật liệu nén tốt, sau đó được sản xuất để thay thế vật liệu đá trong một số ứng dụng. Cầu vòm là phát minh tài tình nhất của người La Mã và người Trung Quốc, sử dụng hoàn toàn sức chịu nén của vật liệu đá để tạo nên kết cấu vòm. Vật liệu sắt có độ bền và khả năng chế tạo hình cao hơn đá, thời gian đầu sử dụng dây xích sắt để xây dựng cầu dây xích, là một dạng cầu treo. Tuy nhiên, những công trình này thường là những kết cấu nhịp nhỏ vì giống như đá, vật liệu sắt không có khả năng chịu lực căng kéo cao. Thép đã tạo nên một cuộc cách mạng trong xây dựng cầu, vì thép có thể chịu được cả lực căng kéo và lực nén cao. Khi công tác chế tạo thép trở nên khả thi vào giữa Thế kỷ 19, các kỹ sư đã có thể xây dựng cầu dầm nhịp dài, hay cầu giàn và cầu vòm nhịp lớn và thanh mảnh. Bằng cách kết hợp thép với bê tông, các kỹ sư cũng đã có thể xây dựng nhiều cầu liên hợp nhịp lớn. Như vậy, sự phát triển cầu có thể được chia thành hai thời đại: thời đại vòm đá và thời đại đương đại với cả 4 loại cầu. Kỷ nguyên vòm đá kéo dài hơn 4.000 năm, trong khi kỷ nguyên đương đại chưa đầy 200 năm. Sự sẵn có của các loại vật liệu ảnh hưởng đến việc lựa chọn các dạng cầu. Hiện nay, nhiều vật liệu mới như vật liệu sợi carbon, bê tông tính năng cao, thép tính năng cao và vật liệu nano… có thể được sử dụng trong quá trình phát triển các dạng cầu mới và hiện đại. Tuy nhiên, những vật liệu này vẫn chưa sẵn sàng cho các ứng dụng trên diện rộng, quy mô lớn. Các chuyên gia đều công nhận rằng, một công trình được thiết kế phù hợp với “các nguyên tắc cơ bản” về kết cấu thường có được một kết cấu trang nhã, cân đối và hấp dẫn mà không cần trang trí thêm. Khi thiết kế cầu trong đô thị cũng vậy, trước tiên cần tuân thủ các nguyên tắc cơ bản về tỷ lệ cân đối của kết cấu, sau đó xem xét đến khả năng hiển thị trực quan và hình dáng của kết cấu cầu trong mối quan hệ với môi trường xung quanh nó. Nguyên tắc chung khi thiết kế cầu cần xét đến thẩm mỹ thường là:
– Đối với cầu có nhịp ngắn hay ít hiển thị trực quan, thường không yêu cầu cụ thể về tính thẩm mỹ;
– Đối với cầu có nhịp trung bình điển hình, thường đòi hỏi quan tâm đến tính thẩm mỹ;
– Đối với cầu có nhịp dài hoặc cầu có hiển thị trực quan lớn, cần đặc biệt lưu ý về tính thẩm mỹ;
– Đối với cầu trong khu đô thị, cầu bắc qua sông, eo biển, hẻm núi hoặc khe núi là những vị trí làm tăng khả năng sự hiển thị trực quan của công trình cầu, cần đòi hỏi cao hơn về tính thẩm mỹ.
Các kiến trúc sư cầu nổi tiếng đã đưa ra các khuyến nghị sau để thiết kế những công trình cầu hấp dẫn hơn:
– Công trình cầu phải hài hòa với môi trường, quy mô và đặc điểm của khu vực;
– Không chỉ một cây cầu mà cả một hệ thống cầu nên được lựa chọn dựa trên môi trường xung quanh nó khi qua sông, qua biển, qua hẻm núi sâu, trong khu vực đô thị;
– Quá trình chuyển tiếp từ các hướng đường tiếp cận sang nhịp cầu phải mềm mại;
– Nên nghiên cứu các giải pháp thiết kế kết cấu mới và vật liệu mới. Nên sử dụng vật liệu xây dựng cầu là vật liệu nhẹ, tính năng cao để tạo ra kiến trúc thanh mảnh;
– Nên bố trí ít trụ đỡ để tạo ra sự thanh thoát của tịnh không dưới cầu;
– Nên sử dụng hiệu ứng ánh sáng và bóng đổ để thực hiện trực quan độ mảnh của các thành phần cầu;
– Ngoài kiến trúc kết cấu tổng thể ra, các chi tiết nhỏ cũng cần được cân nhắc tính thẩm mỹ. Ví dụ như, mặt cầu có thể được xây dựng bằng nhiều loại vật liệu khác nhau, không chỉ là nhựa đường hay bê tông, lan can có thể được tạo hình theo các kiến trúc khác nhau.
– Thiết kế cầu phải cho phép tiếp cận duy tu bảo dưỡng phù hợp trong suốt thời gian khai thác cầu.
Hầu hết các nguyên tắc về thẩm mỹ kích thích các giác quan của người xem là tỷ lệ, trật tự, đơn giản, cân đối, màu sắc và kết cấu. Việc áp dụng và tích hợp phù hợp các nguyên tắc này, cùng với thiết kế kết cấu và chức năng hợp lý, có thể có được các dạng cầu thể hiện đặc tính kết cấu và chất lượng hình ảnh mạnh mẽ trong khu vực đô thị. Thông thường, thiết kế cầu nhịp dài được hưởng lợi từ sự sang trọng tự nhiên của hệ thống kết cấu cầu. Như kỹ sư cầu người Pháp Michel Virlogeux đã phát biểu: “Chỉ riêng quy mô của những công trình cầu có nhịp dài đã mang lại cho chúng một vẻ uy nghi vốn có”. Ở những công trình cầu treo, những trụ tháp với kích thước và dáng vẻ hùng vĩ, kết hợp với vẻ sang trọng tự nhiên của những sợi cáp chính, đã chiếm ưu thế trên hình ảnh. Tuy nhiên, kiến trúc sư sẽ có vai trò để mang lại hiệu quả thẩm mỹ tối đa cho kết cấu cầu. Các trụ tháp nếu được thiết kế đẹp mắt sẽ mang lại cảm giác vừa sang trọng, vừa mạnh mẽ. Kiến trúc sư Irving Morrow đã đưa ra những cải tiến thẩm mỹ nổi tiếng nhất cho Cầu Cổng Vàng (Golden Gate Bridge) ở San Francisco. Phong cách Art Deco của các tháp cầu và màu “International Orange” được lựa chọn đã góp phần đáng kể vào sự nổi tiếng của công trình kiến trúc năm 1937 tuyệt vời này, thậm chí ngày nay còn được coi là một trong những công trình vĩ đại nhất từng được xây dựng. Cầu Cổng Vàng luôn nằm trong danh sách những công trình “vĩ đại nhất” và “nổi tiếng nhất” trên thế giới.
Hình 2. Cầu Cổng Vàng (Golden Gate Bridge) ở San Francisco
4. Kết luận.
Cầu là công trình phục vụ có nhiều chức năng với chức năng chính là giải quyết vấn đề giao thông cho con người và hàng hóa. Từ việc đáp ứng những nhu cầu thiết thực thuần túy, những công trình cầu đã phát triển theo thời gian để trở thành biểu tượng của sự tiến bộ của con người, của các thành phố và của toàn quốc gia. Thiết kế cầu trong đô thị cần xem như thiết kế công trình kiến trúc của đô thị đó, sự xuất sắc đạt được là nhờ tích hợp khoa học, công nghệ và thẩm mỹ. Vai trò của kỹ sư thiết kế cầu trong đô thị rất quan trọng, đảm bảo tính kỹ thuật cần có của công trình trong đô thị. Nhưng thêm vào đó, kỹ sư thiết kế cầu trong đô thị cần kết hợp với kiến trúc sư, coi việc thiết kế như một quá trình sáng tạo nghệ thuật, hiểu được các nguyên tắc khoa học và kỹ thuật, hợp nhất các khái niệm cơ bản thành một chủ đề thống nhất. Trong số rất nhiều những công trình cầu xung quanh chúng ta, có những công trình cầu mà chúng ta đều ngưỡng mộ, là biểu tượng của khát vọng muôn đời của con người về việc xây dựng cầu dài hơn, cao hơn, đẹp hơn và hiện đại hơn.
TÀI LIỆU THAM KHẢO
[1] D.J. Brown, Bridges: Three Thousand Years of Defying Nature. MBI Publishing Company, 2001.
[2] P. Dallard et al., The London Millennium Footbridge. Structural Engineer. Nov. 20,2001.
[3] P. Jodidio, Calatrava. Taschen GmbH, Koln, 2007.
[4] M. Salamak, Inspirations in footbridges designing. Proc., 4th International Conference footbridge 2011, Attractive Structures at reasonable costs, 6-8 July, Wroclaw.
[5] M. Salamak, P. Klikowicz, Protections and monitoring of European transportation routes in Upper Silesia mining area, 14th International.
[6] Multidisciplinary Scientific Conference SGEM 2014, 17-26 June, Albena, Bulgaria,Conference Proceedings, Vol. 2.
[7] Design guideline to improve the appearance of bridges in NSW Centre for Urban Design, February 2019.
[8] Cầu thành phố, Nguyễn Thị Tuyết Trinh, Nguyễn Viết Trung, Nguyễn Đức Thị Thu Định, Nhà xuất bản Giao thông vận tải, 2013.
[9] Kết cấu thép hiện đại trong công trình giao thông đô thị, Nguyễn Thị Tuyết Trinh, Nhà xuất bản Giao thông vận tải, 2014.
