Giải pháp lồng thép lắp ghép tiền chế (Prefabricated Rebar Cage) – Tối ưu thi công tường bê tông

Một cụm lồng thép tiền chế kích thước lớn được gia công sẵn trong nhà xưởng, chờ vận chuyển tới công trường.

Trong xây dựng bê tông cốt thép, lồng thép (hay khung cốt thép) đóng vai trò như “bộ xương” chịu lực bên trong các kết cấu tường, cột, dầm bê tông. Thông thường, các thanh thép rời được cắt uốn và buộc nối trực tiếp tại công trường, tạo thành lồng thép ngay trong ván khuôn trước khi đổ bê tông. Tuy nhiên, phương pháp truyền thống này tiêu tốn rất nhiều nhân công và thời gian trên hiện trường. Giải pháp lắp ghép lồng thép tiền chế là một bước cải tiến, trong đó các lồng thép hoặc một phần lồng thép được chế tạo sẵn thành mô-đun và lắp ráp tại công trường. Cách làm này đang ngày càng được ứng dụng để tối ưu thi công tường bê tông, đặc biệt ở những dự án đòi hỏi tiến độ nhanh, khối lượng kết cấu lớn và yêu cầu chất lượng cao.

1. Lồng thép lắp ghép tiền chế là gì?

Lồng thép lắp ghép tiền chế (prefabricated rebar cage) là các khung cốt thép được chế tạo sẵn từng phần hoặc toàn bộ trước, sau đó vận chuyển đến công trường để lắp đặt vào vị trí thiết kế. Thay vì buộc từng thanh thép một tại chỗ, đội thi công có thể ghép các đoạn lồng thép đã hàn buộc sẵn với nhau bằng mối nối cơ khí (các ống nối ren, bulong đầu chồn, hàn đối đầu, v.v.). Ví dụ, trong thi công tường chắn hoặc tường vách lõi thang máy, thay vì lắp từng thanh thép dọc và thép đai, người ta có thể chia tường thành các đoạn 2-3m và chế tạo sẵn lồng thép cho từng đoạn này. Đến công trường, các đoạn lồng thép sẽ được cẩu vào cốp-pha và nối với nhau qua đoạn nối chờ. Cách tiếp cận mô-đun này giúp thi công nhanh chóng như lắp hình, tương tự như các khung Lego trong xây dựng.

1.1. So sánh với phương pháp buộc thép truyền thống

Phương pháp buộc nối thủ công từng thanh thép tại chỗ đã phổ biến hàng thế kỷ, nhưng bộc lộ nhiều hạn chế trong các dự án quy mô lớn. Một số khác biệt chính giữa phương pháp lồng thép lắp ghép tiền chế so với cách làm truyền thống gồm:

• Thời gian thi công: Lắp ghép mô-đun nhanh hơn đáng kể. Các nghiên cứu cho thấy chế tạo trước lồng thép giúp rút ngắn thời gian lắp đặt tại hiện trường so với buộc từng thanh tới 30-50%. Điều này đặc biệt ý nghĩa với các dự án cần đẩy nhanh tiến độ.
• Nhân công và an toàn: Do phần lớn công đoạn buộc thép được thực hiện trước (trong xưởng hoặc bãi tiền chế), số lượng công nhân làm việc trên cao và trong không gian hẹp giảm đi rõ rệt. Ít nhân công tại chỗ hơn đồng nghĩa với an toàn lao động cao hơn và ít rủi ro tai nạn.
• Chất lượng và độ chính xác: Lồng thép được gia công sẵn trong môi trường nhà máy với máy móc và khuôn mẫu đảm bảo đúng kích thước, khoảng cách thép, vị trí neo. Kiểm soát chất lượng chặt chẽ tại xưởng giúp sản phẩm đầu ra đồng nhất, hạn chế sai sót so với buộc thủ công ngoài trời.
• Giảm hao hụt vật liệu: Gia công thép tại xưởng cho phép tối ưu cắt uốn theo thiết kế, hạn chế dư thừa và rơi vãi thép. Thống kê từ các dự án cho thấy tỷ lệ thép hao hụt giảm đáng kể khi chuyển sang giải pháp lắp ghép. Chủ đầu tư tiết kiệm chi phí nhờ giảm phế liệu và thép vụn.
• Giảm giao cắt và dễ đổ bê tông: Với lồng thép tiền chế, các thanh thép có thể được bố trí hợp lý và sử dụng giải pháp thanh neo đầu to (headed bars) thay cho uốn móc, giúp giảm giao cắt chồng chéo trong lồng thép dày đặc. Nhờ đó, dễ đổ bê tông và rung dùi đảm bảo bê tông ngấm đều, tránh lỗ rỗng do quá nhiều thép chèn nhau.

Lồng thép tròn đường kính lớn được chế tạo sẵn và vận chuyển đến công trường bằng xe mooc, sẵn sàng cẩu dựng vào hố móng. Việc chế tạo sẵn giúp rút ngắn tối đa thời gian lắp đặt tại hiện trường.

Tóm lại, giải pháp lắp ghép lồng thép tiền chếmang lại nhiều lợi ích về tốc độ, chi phí và chất lượng so với phương pháp buộc nối truyền thống. “Việc sử dụng các lồng thép lắp sẵn có đầu chốt cho phép rút ngắn thời gian thi công đồng thời sản phẩm tạo ra có độ tin cậy cao hơn nhờ kiểm soát chất lượng tại nhà máy”. Xu hướng này phù hợp với chiến lược hiện đại hóa ngành xây dựng, hướng đến thi công nhanh hơn, an toàn hơn và hiệu quả hơn.

1.2. Ứng dụng giải pháp lắp ghép lồng thép tiền chế cho tường bê tông

Tường bê tông cốt thép (chẳng hạn tường tầng hầm, tường vách lõi cứng, tường chắn đất, tường vỏ lò phản ứng…) thường có diện tích lớn và bố trí rất nhiều thép dày đặc. Đây là đối tượng lý tưởng để ứng dụng lồng thép lắp ghép. Thay vì thi công cả mảng tường trong một đợt, nhà thầu có thể chia nhỏ chiều cao tường thành các phân đoạn, mỗi đoạn lắp một khung lồng thép tiền chế.

Chẳng hạn, với một bức tường cao 9m, có thể chia thành 3 đoạn cao 3m. Mỗi đoạn được đan sẵn lưới thép hai lớp đúng theo bản vẽ, có chừa các đầu thép chờ hoặc đầu nối cơ khí ở mép trên. Khi dựng tường, đội thi công chỉ việc cẩu lồng thép của đoạn 1 đặt vào cốp-pha, cố định vị trí rồi đổ bê tông đoạn 1. Sau đó tiếp tục cẩu lồng thép đoạn 2 đặt nối tiếp lên đoạn 1 (các đầu thép chờ sẽ được bu lông nối với nhau), lắp cốp-pha và đổ bê tông đoạn 2, v.v. Quá trình lặp lại đến khi hoàn thiện chiều cao tường. Phương pháp lắp ghép này tương tự cách thi công vách tường theo phân đoạn trượt (jump form) nhưng với ưu điểm là lồng thép mỗi phân đoạn đã được chuẩn bị sẵn, không phải đan thủ công tại chỗ.

Một ví dụ tiêu biểu là tường chắn barrette (tường vây móng) của ga ngầm tuyến metro. Tại dự án ga Stevens MRT (Singapore), nhà thầu đã áp dụng giải pháp lồng thép tiền chế cho tường diaphragm wall dày hàng chục mét. Toàn bộ lồng thép các panel tường barrette được gia công sẵn tại nhà máy và chở đến công trường theo lịch trình “just-in-time”. Nhờ đó, công trường chật hẹp không phải tồn trữ thép, và tổ đội có thể lắp thả lồng thép xuống hố đào ngay khi vừa vận chuyển đến. Đặc biệt, các lồng thép này đã được bố trí sẵn đầu nối nhanh (coupler) ở đầu, giúp việc thi công đốt hầm bên dưới (basement) sau này thuận lợi và tiết kiệm rất nhiều thời gian. Chủ đầu tư ga metro đã ghi nhận giải pháp lồng thép lắp ghép tiền chế giúp tiết kiệm đáng kể chi phí nhờ giảm hao hụt vật liệu và nhân công hiện trường, đồng thời đảm bảo an toàn trên công trường đông đúc.

Không chỉ tường thẳng, lồng thép lắp ghép tiền chế còn ứng dụng cho tường cong, vòm – ví dụ như tường hầm, vòm cầu. Các đoạn lồng thép uốn cong sẵn theo bán kính thiết kế sẽ được chế tạo trước, khi lắp chỉ cần ghép nối tuần tự. Việc này đòi hỏi độ chính xác cao để các đoạn khớp với nhau, nên ưu thế gia công bằng máy tại xưởng càng phát huy tác dụng.

Lồng/lưới cốt thép dạng cong uốn theo bán kính thiết kế, được cẩu lắp trong nhà xưởng để sản xuất cấu kiện hầm/vòm một cách tự động hóa. (Ảnh: Firmengruppe Max Bögl; nguồn: NBM&CW)

2. Công nghệ sản xuất và lắp dựng lồng thép tiền chế

Để triển khai giải pháp lồng thép lắp ghép hiệu quả, cần có sự hỗ trợ của công nghệ từ khâu thiết kế, sản xuất đến lắp dựng:

• Mô hình hóa 3D và BIM: Trước tiên, kỹ sư cần dựng mô hình 3D của toàn bộ lồng thép trong kết cấu tường, sau đó chia mô hình thành các module phù hợp cho vận chuyển và lắp đặt. Việc ứng dụng BIM giúp xác định chính xác số lượng, vị trí coupler, trình tự lắp ghép. (Xem thêm: Ứng dụng BIM 3D trong thiết kế và thi công). Mô hình thông tin công trình hỗ trợ phối hợp giữa thiết kế kết cấu và biện pháp thi công, đảm bảo các khớp nối lồng thép nằm đúng chỗ thuận tiện.
• Gia công cốt thép tự động hóa: Tại nhà xưởng, các máy uốn, máy hàn lồng thép tự động cho phép chế tạo nhanh và chính xác các cụm lồng thép lớn. Nhiều đơn vị đã phát triển dây chuyền hàn lồng thép bằng robot, có thể sản xuất các lồng thép tròn đường kính đến 3-4m hoặc các lồng thép dầm dài hàng chục mét. Lồng thép sau khi hàn xong được kiểm tra kỹ kích thước, gắn thêm thanh giằng định vị (brace) để đảm bảo khung không biến dạng khi vận chuyển đường dài.

Lồng cốt thép cọc khoan nhồi đường kính lớn (thép phủ epoxy) tiền chế tại xưởng, lắp ráp hoàn chỉnh theo mô-đun; đưa tới công trường chỉ cần hạ đặt vào hố khoan. Có thể tích hợp ống kiểm tra CSL và thiết bị thử tải O-Cell khi yêu cầu. (Nguồn: Dimension Fabricators)

• Vận chuyển và lắp dựng: Các lồng thép tiền chế thường có kích thước cồng kềnh, cần tính toán phương án vận chuyển an toàn (xe chuyên dụng, chằng buộc chắc chắn). Đến công trường, cần bố trí cẩu đủ tải trọng và tầm với để nâng lồng thép vào vị trí. Lưu ý khi cẩu lắp lồng thép dài phải nâng nhiều điểm để tránh cong vênh khung thép. Công tác lắp dựng thường diễn ra nhanh chóng – chỉ vài chục phút để đặt một lồng thép vào cốp-pha, sau đó công nhân tiến hành nối các đầu thép và cố định vị trí, kiểm tra cao độ rồi chuyển ngay sang đổ bê tông. Quy trình này giúp rút ngắn đáng kể tổng thời gian ghép cốt thép và đổ bê tông cho mỗi phân đoạn tường.

Nhìn chung, thành công của giải pháp lồng thép lắp ghép phụ thuộc vào khâu chuẩn bị và phối hợp đồng bộ giữa thiết kế – sản xuất – thi công. Mọi sai sót trong kích thước module hay vị trí coupler có thể gây khó khăn khi lắp ghép hiện trường. Do vậy, kiểm soát chất lượng nghiêm ngặt là yếu tố then chốt: từ việc kiểm tra từng mối hàn, từng đầu ren coupler tại xưởng, cho đến giám sát quá trình cẩu lắp đảm bảo khung thép vào đúng vị trí thiết kế.

3. Áp dụng cho công trình phức tạp, chịu lực lớn (ví dụ dự án điện hạt nhân)

Đối với các dự án nhà máy điện hạt nhân hoặc công trình công nghiệp nặng, kết cấu bê tông cốt thép thường có kích thước rất lớn và yêu cầu an toàn cao độ. Điển hình như tường bê tông chắn xạ của lò phản ứng hạt nhân dày tới 1-1,5m, thép bố trí nhiều lớp dày đặc. Việc thi công thủ công từng thanh thép trong điều kiện đó sẽ vô cùng khó khăn và mất thời gian. Giải pháp lắp ghép lồng thép vì thế đặc biệt phù hợp với các dự án hạt nhân, nơi mà tiến độ và chất lượng thi công kết cấu bê tông là then chốt.

Theo một nghiên cứu được tài trợ bởi Bộ Năng Lượng Hoa Kỳ (Prefabricated High-Strength Rebar Systems with High-Performance Concrete for Accelerated Construction of Nuclear Concrete Structures), việc sử dụng hệ thống cốt thép cường độ cao kết hợp lồng thép tiền chế có đầu neo đã cho thấy triển vọng rút ngắn đáng kể thời gian thi công và chi phí chế tạo cho kết cấu bê tông nhà máy điện hạt nhân. Đặc biệt, cách tiếp cận này giúp giảm số lượng thanh thép phải lắp, đơn giản hóa lồng thép và giảm độ dày đặc của mạng lưới cốt thép, qua đó dễ dàng kiểm tra hiện trường và đổ bê tông đảm bảo chất lượng. Những cải tiến này được đánh giá là có tiềm năng đẩy nhanh đáng kể tiến độ xây dựng và giảm chi phí cho nhà máy điện hạt nhân, đồng thời nâng cao mức độ tin cậy của công trình.

Trên thế giới, các nước đã có kinh nghiệm xây dựng nhà máy điện hạt nhân như Hàn Quốc, Trung Quốc, UAE đều áp dụng triệt để phương pháp thi công mô-đun nhằm tối ưu tiến độ. Tại dự án Barakah (UAE), dự án áp dụng mạnh mẽ tiền chế và lắp ghép (đặc biệt là open-top và pre-assembly các cụm lớn) để rút ngắn tiến độ, kiểm soát chất lượng, và an toàn được nâng cao. Đây là minh chứng rõ ràng cho lợi ích của các giải pháp mô-đun như lồng thép tiền chế trong lĩnh vực xây dựng hạt nhân.

Tất nhiên, đi kèm với lợi ích là thách thức: Các kết cấu hạt nhân thường đòi hỏi dung sai lắp đặt rất nhỏ, vì vậy việc chế tạo lồng thép sẵn phải đảm bảo chính xác tuyệt đối. Công tác nối ghép (bằng coupler hay hàn) tại hiện trường cũng phải được kiểm soát nghiêm ngặt, từng mối nối đều cần kiểm tra chất lượng (ví dụ chụp phim, thử kéo) tương tự kiểm soát mối hàn kết cấu thép. Tuy nhiên, với quy trình quản lý chất lượng phù hợp, những thách thức này có thể vượt qua. Trên thực tế, IAEA đã khuyến nghị các nước mới triển khai điện hạt nhân nên kết hợp công nghệ thi công tiên tiến – trong đó có thi công mô-đun hóa – cùng với hệ thống quản lý số hóa để đảm bảo vừa đẩy nhanh tiến độ vừa giữ vững chất lượng và an toàn (Trích từ: Construction Technologies for NPPs).

Tại Việt Nam, khi chúng ta xem xét tái khởi động chương trình điện hạt nhân trong tương lai, các giải pháp thi công tiên tiến như lồng thép lắp ghép sẽ là xu hướng tất yếu. Chúng không chỉ giúp đẩy nhanh tiến độ xây dựng các khối bê tông đồ sộ, mà còn góp phần nâng cao khả năng nội địa hóa (khi ta có thể tự gia công được các module cốt thép phức tạp) cũng như đảm bảo an toàn và chất lượng theo tiêu chuẩn quốc tế. Pontech – với kinh nghiệm tham gia thiết kế kết cấu cho nhiều dự án nhà máy điện hạt nhân trên thế giới – cũng nhận thấy tầm quan trọng của việc cập nhật những công nghệ thi công hiện đại này trong môi trường xây dựng Việt.

4. Kết luận

Giải pháp lắp ghép lồng thép (prefabricated rebar cage) là một bước tiến quan trọng trong kỹ thuật thi công bê tông cốt thép. Từ những công trình dân dụng thông thường đến các dự án hạ tầng phức tạp và nhà máy điện hạt nhân, việc ứng dụng lồng thép tiền chế đang mang lại hiệu quả rõ rệt về tiến độ, chi phí và chất lượng. Xu hướng thi công mô-đun hóa này phù hợp với chiến lược hiện đại hóa ngành xây dựng Việt Nam, giúp rút ngắn thời gian thi công, giảm phụ thuộc vào lao động thủ công và nâng cao tính cạnh tranh của nhà thầu.

Tất nhiên, để triển khai thành công cần sự đầu tư ban đầu vào công nghệ thiết kế (BIM), máy móc gia công cũng như đào tạo kỹ sư, công nhân lành nghề. Nhưng về lâu dài, những lợi ích mà giải pháp lắp ghép lồng thép mang lại – thi công nhanh hơn, an toàn hơn, chất lượng cao hơn – sẽ bù đắp xứng đáng cho những nỗ lực đầu tư ấy. Với đà phát triển của các dự án quy mô lớn trong nước, việc nắm bắt và làm chủ các công nghệ xây dựng tiên tiến như lồng thép tiền chế sẽ giúp chúng ta tiết kiệm thời gian, chi phí và nâng tầm tiêu chuẩn xây dựng của Việt Nam trong tương lai không xa.

Theo dõi các dự án và dịch vụ của Pontech để hiểu thêm về năng lực chuyên môn. Bạn cần thiết kế kết cấu cho tường bê tông hoặc công trình phức tạp (NPP)? Liên hệ Pontech để nhận giải pháp tối ưu về tiến độ, chất lượng và chi phí.