November 1, 2025
Trong bức tranh tổng thể của kiến trúc hiện đại, kết cấu khung thép nổi lên như một người hùng thầm lặng—sức mạnh và khả năng thích ứng đáng kinh ngạc của nó đã hỗ trợ vô số tòa nhà chọc trời ngoạn mục, đồng thời thay đổi căn bản sự hiểu biết của chúng ta về chiều cao và khả năng xây dựng. Nếu không có công nghệ đột phá này, những công trình cao chọc trời xuyên qua mây có thể vẫn bị giới hạn trong bản vẽ thiết kế hoặc thể hiện ở những hình thức hoàn toàn khác. Khung thép, với bộ khung vững chắc của nó, không chỉ hỗ trợ cho đường chân trời đô thị hiện đại mà còn mang lại sự tự do và đổi mới chưa từng có trong thiết kế kiến trúc.
Kết cấu khung thép, như tên gọi, là một hệ thống xây dựng bộ xương bao gồm các cột thép và dầm chữ I. Cốt lõi của hệ thống này nằm ở thiết kế cấu trúc độc đáo của nó, phân bố đều trọng lượng của một tòa nhà trên toàn bộ khung, cho phép nó thách thức trọng lực và mở rộng lên trên vô hạn. Thay thế cho các khung gang trước đó, khung thép đã trở thành lựa chọn chủ đạo trong xây dựng thế kỷ 20 và tiếp tục ảnh hưởng đến sự phát triển kiến trúc hiện đại.
Bản chất của khung thép nằm ở hình dạng mặt cắt ngang của các thành phần của nó, đặc biệt là dầm chữ I giống chữ "I". Thiết kế này không phải là tùy tiện mà là kết quả của các tính toán cơ học chính xác. Hình dạng đặc biệt của dầm chữ I cho phép chúng chống lại hiệu quả các ứng suất khác nhau, đảm bảo sự ổn định và an toàn về cấu trúc.
Các cột thép có các mặt bích (các đầu ngang của dầm chữ I) dày và rộng hơn so với các dầm, tăng cường khả năng chịu ứng suất nén và duy trì sự ổn định theo chiều dọc. Các trụ dọc này chịu áp lực hướng xuống rất lớn, với các mặt bích dày hơn để ngăn ngừa hiện tượng cong vênh hoặc sụp đổ. Ngoài dầm chữ I, các ống thép hình vuông và hình tròn thường được sử dụng, đôi khi được đổ đầy bê tông để tăng thêm độ bền. Các mặt cắt hình ống này mang lại khả năng chống xoắn tuyệt vời trước các lực ngang, trong khi việc đổ đầy bê tông cải thiện khả năng chịu tải và khả năng chống cháy.
Các phương pháp kết nối giữa dầm và cột cũng quan trọng không kém. Các kết cấu thép hiện đại thường sử dụng bu lông và ốc vít, trong khi đinh tán đã từng chiếm ưu thế trong lịch sử. Bu lông mang lại sự tiện lợi trong lắp đặt và khả năng tháo rời, tạo điều kiện cho việc bảo trì và sửa đổi, trong khi đinh tán cung cấp độ bền kết nối vượt trội và khả năng chống cắt cho các ứng dụng tải nặng.
Phần bụng trung tâm của dầm chữ I thường rộng hơn so với cột để chống lại các mô men uốn lớn hơn xảy ra trong dầm, ngăn ngừa biến dạng. Là các trụ ngang chịu trọng lượng của sàn và mái, dầm yêu cầu phần bụng rộng hơn để duy trì các đặc tính chống uốn của chúng.
Khung thép thường được phủ trên các tấm thép lớn tạo thành khuôn gợn sóng. Các lớp bê tông dày được gia cố bằng thép cốt thép được đổ lên trên để tạo ra các tấm sàn chắc chắn. Sự kết hợp này tận dụng sức nén của bê tông và sức căng của thép, tạo ra một vật liệu tổng hợp có khả năng xử lý cả hai loại ứng suất để cải thiện độ bền.
Các phương pháp thay thế bao gồm các tấm bê tông đúc sẵn với các lớp san lấp—có lợi cho việc xây dựng nhanh chóng—hoặc hệ thống sàn nâng trong các tòa nhà văn phòng tạo ra không gian giữa các tấm sàn kết cấu và sàn hoàn thiện cho hệ thống cáp và ống dẫn, tăng cường khả năng tiếp cận và thích ứng với việc bảo trì.
Thép mềm ra ở nhiệt độ cao, có khả năng dẫn đến sụp đổ một phần, khiến việc chống cháy là điều cần thiết để đảm bảo an toàn cho người sử dụng và bảo tồn cấu trúc. Các phương pháp bảo vệ phổ biến bao gồm bọc các cột bằng gạch, bê tông hoặc tấm thạch cao—các vật liệu có đặc tính cách nhiệt tuyệt vời, làm chậm quá trình truyền nhiệt đến các cấu kiện kết cấu.
Dầm có thể được bọc bê tông, phun chống cháy hoặc bảo vệ thông qua các cụm trần được đánh giá. Đáng chú ý, amiăng—từng là vật liệu chống cháy phổ biến—đã bị loại bỏ dần vào những năm 1970 do các rủi ro về sức khỏe đã được xác định.
Các bức tường bên ngoài gắn vào khung thép thông qua các kỹ thuật xây dựng khác nhau trong khi thể hiện các phong cách kiến trúc đa dạng. Ngoài các chức năng thẩm mỹ, các mặt tiền này đóng vai trò là rào cản môi trường quan trọng. Các vật liệu từ gạch, đá và bê tông cốt thép đến kính kiến trúc, tấm kim loại hoặc thậm chí sơn đơn giản bảo vệ khung thép khỏi hư hại do thời tiết đồng thời đáp ứng các yêu cầu thiết kế.
Ngoài khung thép nặng thông thường, Khung thép nhẹ (LSF) sử dụng các tấm thép mạ kẽm được tạo hình nguội thành các đinh tán cho các ứng dụng dân dụng, thương mại và công nghiệp. Hệ thống này có các thanh ngang được cố định vào sàn và trần với các đinh tán dọc thường cách nhau 16 inch (410 mm), được cố định bằng ốc vít.
Các cấu hình dân dụng phổ biến bao gồm các đinh tán hình chữ C và các thanh hình chữ U, với độ dày từ 12 đến 25 gauge. Các thước đo dày hơn (12-14) xử lý các tải trọng dọc trục đáng kể trong các kết cấu chịu lực, trong khi các thước đo trung bình (16-18) chống lại các lực ngang như gió bão. Các đinh tán mỏng hơn 25 gauge phù hợp với các vách ngăn bên trong không chịu lực. Các mặt bích đinh tán (rộng 1¼-3 inch) chứa các lớp hoàn thiện tường, với các lỗ trên web (1⅝-1¼ inch) cho phép định tuyến tiện ích.
Các nhà sản xuất sản xuất các tấm thép mạ kẽm làm vật liệu cơ bản cho các mặt cắt hình thành nguội thông qua các quy trình tạo hình bằng cuộn. Tỷ lệ cường độ trên trọng lượng cao của thép cho phép thiết kế linh hoạt cho các nhịp dài và khả năng chống lại tải trọng địa chấn và gió. Việc lắp đặt cách nhiệt thích hợp là rất quan trọng để ngăn chặn cầu nhiệt—các khu vực tăng cường truyền nhiệt—thông qua các lớp cách nhiệt bên ngoài (cắt nhiệt).
Khoảng cách đinh tán tiêu chuẩn là 16 inch ở giữa cho các ngôi nhà (thay đổi theo yêu cầu tải) và 24 inch cho các bức tường dãy văn phòng ngoại trừ xung quanh thang máy và cầu thang.
Khung thép cán nóng liên quan đến việc nung nóng các cấu kiện thép trên nhiệt độ kết tinh (1.700°F/930°C) để tinh chỉnh cấu trúc hạt và căn chỉnh các mạng tinh thể trước khi cán chính xác thành các cấu hình mong muốn. Quá trình này tăng cường độ bền và độ dẻo dai, làm cho nó lý tưởng cho các kết cấu nặng.
So với thép hình thành nguội, các mặt cắt cán nóng có độ dày và kích thước lớn hơn, mang lại độ bền vượt trội với biến dạng tối thiểu dưới tải nặng. Mặc dù chi phí ban đầu cao hơn, nhưng hiệu quả của chúng trong các dự án quy mô lớn—yêu cầu ít thành phần hơn cho các nhịp tương đương—mang lại những lợi thế kinh tế cho các công trình xây dựng lớn.
Quá trình chuyển đổi từ sắt sang thép làm vật liệu kết cấu chính diễn ra chậm chạp. Tòa nhà khung sắt đầu tiên—Ditherington Flax Mill—xuất hiện vào năm 1797, nhưng thép chỉ trở nên phổ biến sau phương pháp sản xuất năm 1855 của Henry Bessemer. Đến năm 1870, thép cường độ cao giá cả phải chăng với độ dẻo tốt đã xuất hiện, mặc dù sắt rèn và gang vẫn chiếm ưu thế do những thách thức trong sản xuất từ quặng giàu phốt pho—một vấn đề được Sidney Gilchrist Thomas giải quyết vào năm 1879.
Kỷ nguyên xây dựng thép carbon thấp đáng tin cậy bắt đầu vào khoảng năm 1880 khi chất lượng thép ổn định đủ để sử dụng trong kiến trúc.
Tòa nhà Home Insurance (1885) tiên phong trong việc xây dựng bộ xương bằng cách loại bỏ vai trò chịu lực của gạch. Tại Hoa Kỳ, Tòa nhà Rand McNally (1890, Chicago) đã trở thành công trình khung thép đầu tiên, trong khi Tòa nhà Bảo hiểm Hoàng gia Liverpool (thiết kế năm 1895, xây dựng 1896-1903) đã giới thiệu công nghệ này đến Anh.
Là một công nghệ xây dựng trưởng thành, khung thép đóng một vai trò then chốt trong kiến trúc hiện đại. Sự đổi mới liên tục tập trung vào tính bền vững thông qua các vật liệu và kỹ thuật thân thiện với môi trường, cùng với các phương pháp xây dựng thông minh sử dụng Mô hình thông tin xây dựng (BIM) và robot để tăng cường hiệu quả và chất lượng. Khung thép chắc chắn sẽ tiếp tục dẫn đầu sự tiến bộ kiến trúc hướng tới không gian sống an toàn hơn, thoải mái hơn.
Tỷ lệ cường độ trên trọng lượng cao: Cho phép khả năng chịu tải lớn hơn với trọng lượng kết cấu giảm.
Xây dựng nhanh chóng: Chế tạo sẵn tại nhà máy cho phép lắp ráp nhanh chóng tại công trường.
Tính linh hoạt trong thiết kế: Cho phép các nhịp mở lớn hơn và không gian có thể thích ứng.
Khả năng chống động đất: Hoạt động tốt trong điều kiện động đất.
Tính bền vững: Thép có khả năng tái chế cao, giảm thiểu chất thải.
Dễ bị cháy: Yêu cầu các biện pháp chống cháy toàn diện.
Dễ bị ăn mòn: Cần các phương pháp xử lý bảo vệ chống gỉ.
Chi phí vật liệu cao hơn: Giá thép làm tăng chi phí xây dựng ban đầu.
Thép cường độ cao tiên tiến: Giảm kích thước thành phần và trọng lượng kết cấu.
Công nghệ xanh: Giảm tiêu thụ năng lượng và tác động đến môi trường.
Xây dựng thông minh: Tích hợp các công cụ kỹ thuật số để chính xác và hiệu quả.
Hệ thống đúc sẵn: Mở rộng các kỹ thuật xây dựng mô-đun.
Kết cấu khung thép đã có ảnh hưởng sâu sắc đến kiến trúc hiện đại và sẽ tiếp tục phát triển để đáp ứng những thách thức trong tương lai trong khi định hình đường chân trời trên toàn thế giới.
