Tọa lạc tại Công viên Olympic thuộc quận Triều Dương, thủ đô Bắc Kinh, Sân vận động Quốc gia Trung Quốc – thường được gọi với cái tên quen thuộc “Tổ chim” (Bird’s Nest) – là một trong những kỳ quan kiến trúc tiêu biểu của thế giới hiện đại. Công trình được khởi công ngày 24/12/2003 và hoàn thành vào tháng 6/2008 nhằm phục vụ Thế vận hội Mùa hè 2008, với tổng mức đầu tư xấp xỉ 3,5 tỷ Nhân dân tệ (khoảng 13.600 tỷ đồng).
Sở hữu diện tích sàn xây dựng 258.000 m² cùng sức chứa tối đa 91.000 chỗ ngồi (gấp hơn hai lần sân vận động Quốc gia Mỹ Đình), công trình gây choáng ngợp không chỉ ở quy mô đồ sộ mà còn ở giải pháp kết cấu độc nhất vô nhị: toàn bộ tải trọng của hệ mái và khán đài được nâng đỡ bởi một “ma trận” đan xen từ hơn 42.000 tấn thép kết cấu rỗng, ống thép chuyên dụng và hàng vạn cụm phụ kiện liên kết cơ khí siêu chịu lực.
Hệ kết cấu thép hộp và ống thép rỗng: Giải pháp chịu lực phi quy ước
Khác biệt hoàn toàn với các công trình thể thao truyền thống vốn giấu hệ kết cấu chịu lực sau các lớp tường ốp hoặc tấm nhôm trang trí, thiết kế của hãng kiến trúc Herzog & de Meuron (Thụy Sĩ) phối hợp cùng tập đoàn kỹ thuật Arup đã phô bày toàn bộ khung xương kim loại ra mặt ngoài. Lớp vỏ bên ngoài không phải là chi tiết mỹ thuật đơn thuần, mà chính là khung chịu lực không gian (spatial load-bearing frame) trực tiếp gánh toàn bộ trọng lượng bản thân công trình và ứng suất gió bão.
Toàn bộ hệ khung ngoài sử dụng từ 42.000 đến 45.000 tấn thép, với tổng chiều dài các thanh cấu kiện ghép nối vượt mốc 36 km. Để tạo ra những đường nét đan cài tự nhiên như một chiếc tổ chim khổng lồ mà vẫn đảm bảo độ cứng vững tuyệt đối, các kỹ sư kết cấu đã lựa chọn giải pháp thép hộp tiết diện rỗng (Hollow Structural Sections – HSS) và ống thép thành dày cán nóng chuyên dụng:
- Thép hộp tổ hợp cỡ lớn: Mỗi thanh dầm chính của “Tổ chim” thực chất là một hệ dầm hộp thép rỗng tiết diện vuông hoặc chữ nhật lên tới 1,2m × 1,2m, được chế tạo từ các tấm thép hợp kim cường độ cao hàn tổ hợp tự động. Cấu trúc rỗng bên trong giúp giảm đáng kể tĩnh tải (trọng lượng bản thân kết cấu) tác động xuống nền móng, trong khi tối đa hóa mô-men kháng uốn và mô-men kháng xoắn theo mọi phương không gian.
- Ống thép tròn chịu lực nhánh (Circular Hollow Sections – CHS): Tại các vị trí thanh giằng chéo và hệ đan liên kết phụ, các phân đoạn ống thép tròn thành dày đóng vai trò truyền lực kéo và lực nén đối xứng. Nhờ dạng hình học tròn đều, ống thép giúp triệt tiêu hiện tượng xoáy khí động học khi gió bão quét qua bề mặt sân vận động, đồng thời phân bổ đều ứng suất tiếp xúc.
- Mác thép chịu lực cao đặc chủng (Q460): Do nhịp vượt khẩu độ của mái che lên tới gần 300 mét mà không hề có cột chống trung gian, các nhà luyện kim Trung Quốc đã phải nghiên cứu và sản xuất riêng mác thép hợp kim thấp cường độ cao Q460 (với giới hạn chảy tối thiểu 460 MPa). Thép có hàm lượng tạp chất cực thấp, bổ sung vi lượng niken và vanadi giúp tăng độ dẻo dai va đập ở nhiệt độ âm và chống rách tế vi theo phương chiều dày tấm thép (Z-direction).
Vai trò quan trọng của các phụ kiện thép và nút giao cơ khí phức tạp
Nếu các thanh dầm thép hộp và ống thép là “xương cốt” thì hệ thống phụ kiện liên kết, khớp nối và nút giao hình học chính là “khớp xương” quyết định sự tồn vong của công trình. Tại sân Tổ chim, không có một mối nối nào chịu lực đơn trục; mỗi nút giao đều là điểm hội tụ của 3 đến 6 nhánh thép theo các góc tọa độ không gian 3D phức tạp.
Để hiện thực hóa bài toán kỹ thuật này, vai trò của hệ phụ kiện thép chuyên dụng được nâng lên mức chuẩn xác tuyệt đối:
- Nút giao thép đúc nguyên khối (Cast Steel Nodes): Tại các điểm nút giao nhau phức tạp – nơi quy tụ ứng suất cắt và ứng suất uốn cực hạn – các kỹ sư từ chối phương pháp hàn ghép mẩu thép thủ công thông thường vì nguy cơ nứt gãy mỏi rất cao. Thay vào đó, hàng trăm cụm nút giao được chế tác bằng công nghệ thép đúc nguyên khối chịu tải cao. Các phụ kiện nút đúc này được gia công chính xác từng góc vát, tạo nên sự chuyển tiếp mượt mà về mặt truyền lực giữa các nhánh ống thép và dầm hộp, loại bỏ hiện tượng tập trung ứng suất cục bộ.
- Hệ bu-lông cường độ cao và bản mã liên kết (Gusset Plates): Trước khi được hàn liền thành một khối thống nhất, các cấu kiện khổng lồ nặng hàng chục tấn được định vị trên không gian bằng hệ thống bản mã giằng dày hàng chục milimet và liên kết tạm bằng cụm bu-lông cường độ cao cấp bền 10.9. Các bản mã này phải trải qua quá trình nhiệt luyện ram ủ để khử ứng suất dư sinh ra trong quá trình cắt định hình.
- Phụ kiện nẹp căng kết cấu mái màng ETFE/PTFE: Để che chắn cho khán đài, sân vận động sử dụng lớp màng polymer hai lớp gồm ETFE và PTFE. Hệ mái này không tự đứng vững mà được giữ chặt vào khung ống thép nhờ hàng vạn phụ kiện kẹp nhôm-thép không gỉ, dây cáp thép căng ứng suất trước và bu-lông chống ăn mòn. Các chi tiết phụ kiện nhỏ bé này chịu trách nhiệm co giãn nhịp nhàng theo biến thiên nhiệt độ của thời tiết Bắc Kinh, đảm bảo tấm màng không bị rách toạc dưới áp lực gió giật.
Kiểm định siêu âm mối hàn ống và giải pháp cô lập chống động đất cấp 8
Với khối lượng gia công cơ khí khổng lồ ngay tại hiện trường lắp dựng, toàn bộ các mối hàn giáp mối giữa ống thép và dầm hộp đều phải tuân thủ quy trình kiểm tra không phá hủy (NDT) nghiêm ngặt nhất thế giới. 100% mối nối liên kết chịu lực chính đều được quét bằng thiết bị siêu âm đa kênh (Ultrasonic Testing – UT) và kiểm tra bột từ (MT). Mọi khuyết tật tiềm ẩn như nứt ngầm, ngậm xỉ, hay thiếu ngấu mối hàn đều bị loại bỏ triệt để nhằm đảm bảo tính toàn vẹn của kết cấu rỗng.
Đặc biệt, công trình được tính toán để đứng vững trước các trận động đất có cường độ lên tới cấp 8 theo thang Richter. Bí quyết cơ học nằm ở việc tách rời hoàn toàn hai hệ thống:
- Khán đài bê tông cốt thép bên trong (nơi chứa 91.000 khán giả).
- Hệ khung thép hộp – ống thép đan xen bên ngoài.
Ở giữa hai khối công trình độc lập này là một hệ thống gối đỡ cao su lõi chì (Lead Rubber Bearings – LRB) kết hợp với các khớp nối cơ khí thép giảm chấn (Seismic Dampers). Khi có rung chấn địa chấn xảy ra, hệ khung thép bên ngoài và khối bê tông bên trong sẽ dao động tương đối lệch pha nhau. Các phụ kiện giảm chấn bằng thép đặc chủng sẽ hấp thụ và triệt tiêu năng lượng rung lắc, ngăn không cho sóng xung kích truyền qua làm nứt gãy hệ thống ống thép chịu lực hay đe dọa sự an toàn của người ngồi trên khán đài.
Giá trị đa năng của một tài sản đô thị vận hành quanh năm
Sau khi hoàn thành sứ mệnh lịch sử tại Olympic Bắc Kinh 2008 và Olympic Mùa đông 2022, Sân vận động Quốc gia Bắc Kinh không rơi vào cảnh lãng phí như nhiều dự án thể thao trên thế giới. Nhờ không gian thông thoáng không vướng cột do kết cấu thép khẩu độ lớn tạo ra, công trình đã được chuyển đổi công năng linh hoạt thành một trung tâm phức hợp văn hóa, thương mại và du lịch sầm uất.
Ba tầng ngầm bên dưới sân cỏ tích hợp hệ thống đường ống kỹ thuật thu gom nước mưa, mạng lưới khai thác địa nhiệt điều hòa nhiệt độ cùng hàng chục nghìn mét vuông dành cho trung tâm thương mại, khu dịch vụ và bãi đỗ xe. Sự kết hợp hoàn hảo giữa kỹ thuật cơ khí luyện kim, công nghệ chế tạo ống thép chịu lực và hệ phụ kiện liên kết thông minh đã biến sân Tổ chim thành một biểu tượng trường tồn, minh chứng cho sức mạnh của ngành kết cấu thép trong việc kiến tạo những tài sản đô thị có tuổi thọ hàng trăm năm.
Xem thêm các sản phảm khác của Hương Đạt
