Trong bài báo này trình bày một số nguyên tắc thiết kế hình dáng kết cấu nhịp cầu vượt trên các tuyến đường giao thông và cơ sở thiết kế mỹ học cho kết cấu nhịp cầu sao cho có tính mỹ thuật cao. Đồng thời, phân tích một số công trình cầu vượt trên các tuyến đường giao thông ở nước ta, từ đó đề xuất một số giải pháp để nâng cao tính thẩm mỹ của những công trình cầu vượt xây dựng mới trong tương lai của nước ta.
MỸ HỌC TRONG THIẾT KẾ HÌNH DÁNG KẾT CÇU NHÐP CỈU V ỢT Trần Minh Phụng1, Lê Minh Quang1, Phú Thị Tuyết Nga1, Đặng Thị Phương Chi2 Trường Đại học Thủ Dầu Một, Trường Đại học Giao thông Vận tải TP HCM Tóm tắt Trong báo chúng tơi trình bày số ngun tắc thiết kế hình dáng kết cấu nhịp cầu vượt tuyến đường giao thông sở thiết kế mỹ học cho kết cấu nhịp cầu cho có tính mỹ thuật cao Đồng thời, chúng tơi phân tích số cơng trình cầu vượt tuyến đường giao thơng nước ta, từ đề xuất số giải pháp để nâng cao tính thẩm mỹ cơng trình cầu vượt xây dựng tương lai nước ta Giới thiệu mỹ học thiết kế cơng trình cầu Thiết kế cầu q trình địi hỏi sử dụng kiến thức khoa học, công nghệ đánh giá mỹ thuật cho giải pháp thiết kế tốt cơng trình cầu Mỗi số ba lĩnh vực mang lại giá trị khác biệt trình thiết kế Khoa học đóng góp kỹ phân tích kết cấu hình học Công nghệ kết hợp kiến thức thực tế cơng trình cầu thiết kế để tìm kiếm hồn hảo thiết kế đó; ví dụ, loại kết cấu, sử dụng vật liệu, kinh tế Tính thẩm mỹ thúc đẩy khoa học công nghệ kết hợp để thiết kế thành tác phẩm hoàn hảo kết cấu, kinh tế vẻ đẹp, để tạo xuất sắc thiết kế có hiệu ứng tổng hợp Hình Ba thành phần tạo nên xuất sắc thiết kế (M.P Burke, JK, PE & J Montonqj 1993) Trong suốt trình thiết kế, có nhiều hội để tính thẩm mỹ đƣợc trình bày Vì thẩm mỹ cảm xúc khơng phải cơng thức đƣợc tính tốn Khoa học cơng nghệ cung cấp khơng giúp đƣợc nhận định nghệ thuật Chúng hy vọng kiến thức mỹ thuật sau nâng cao mức độ nhận thức tầm 82 quan trọng thẩm mỹ cầu nối nhà thiết kế cơng trình cầu với nhà thiết kế mỹ thuật để đƣa định tốt cho cơng trình cầu trở thành tác phẩm hoàn hảo mặt kỹ thuật, kinh tế thẩm mỹ Các sở mỹ học thiết kế cơng trình cầu Các ngun tắc thiết kế mỹ học liên quan đến ý tƣởng hình ảnh tập hợp phản ứng cảm xúc, phản ứng cảm xúc thƣờng tinh tế Việc nghiên cứu nguyên tắc thiết kế thẩm mỹ bao gồm việc xem xét mối quan hệ trực quan cơng trình cầu vị trí nó, nhƣ khối lƣợng, hình dạng hình thức kết cấu Khái niệm trực quan đƣợc sử dụng để phát triển, mô tả thể ý tƣởng trực quan là: yếu tố thiết kế trực quan tính chất thẩm mỹ Các yếu tố thiết kế trực quan xác định nhận thức trực quan Các yếu tố bao gồm đƣờng nét, hình dạng, hình thức bố trí, màu sắc kết cấu Chúng đƣợc sử dụng để nói rõ khái niệm trực quan Chất lƣợng thẩm mỹ kết việc sử dụng yếu tố thiết kế trực quan đƣợc sử dụng để mơ tả bố cục hình ảnh Tính thẩm mỹ bao gồm tỷ lệ, nhịp điệu, trật tự, hài hịa, cân bằng, tƣơng phản, quy mơ thống 2.1 Các nguyên tắc thiết kế thẩm mỹ Khơng có tham số thiết kế kiểm sốt đặc tính vật lý chung cầu Một cầu hoàn hảo kết hợp thông số thiết kế đƣợc sử dụng đồng thời để bổ sung cho Các nhà thiết kế giải thích thơng số thiết kế đem đến cho cơng trình cầu tính thẩm mỹ cao yếu tố thiết kế Yếu tố thiết kế thẩm mỹ yếu tố sở hình ảnh mà cân xuất cơng trình cầu đƣợc xây dựng Các nhà thiết kế nên tập trung phát triển giải pháp thiết kế tốt cho thông số thiết kế trƣớc xem xét phƣơng pháp trực quan khác Để tìm giải pháp thiết kế tốt nhất, nhà thiết kế phải xem xét mục tiêu thẩm mỹ nêu trƣớc thực định liên quan đến thông số thiết kế Các yếu tố thiết kế thẩm mỹ bao gồm: Hình dạng kiểu kiến trúc thƣợng tầng cơng trình cầu Hình học theo phƣơng dọc phƣơng ngang cơng trình cầu Mối quan hệ cơng trình cầu với mơi trƣờng xung quanh Vị trí hình dạng cơng trình cầu Vị trí hình dạng mố cầu Sự tƣơng tác cơng trình cầu với mơi trƣờng xung quanh Hình Các từ viết tắt sử dụng hướng dẫn 83 Trong đó: L- Tổng chiều dài cầu C- Chiều dài cầu S- Chiều dài nhịp D- Tổng chiều sâu kiến trúc thƣợng tầng P - Chiều cao lan can đầu lan can đến đáy mặt cầu) E - Chiều cao dầm cầu (chiều cao kết cấu nhịp cầu) G - Chiều cao từ đáy kết cấu nhịp so với mặt đất V- Chiều cao từ đáy kết cấu nhịp so với mặt đƣờng dƣới cầu K - Khoảng cách từ mép đƣờng đến mặt mố H - Chiều cao mặt mố tiếp xúc (từ mái dốc mặt mố đến đáy cấu trúc thƣợng tầng) T - Chiều cao trụ (từ đƣờng đất cao độ mặt nƣớc bình thƣờng đến đỉnh trụ) M - Chiều dài mũ trụ N - Chiều cao thân trụ (từ mặt đất cao độ mặt nƣớc bình thƣờng đến đáy mũ trụ) W - Chiều dày thân trụ B - Chiều rộng thân trụ A - Khoảng cách cột làm thân trụ 2.2 Cơ sở thiết kế chung Tất cơng trình cầu tạo khơng đơn cơng trình giao thơng, mà cịn tác phẩm thẩm mỹ tổng thể hạ tầng giao thông khu vực Kỹ sƣ thiết kế phải chịu trách nhiệm thẩm mỹ Khi cầu đƣợc xây dựng đối tƣợng đƣợc tạo mơi trƣờng Mọi ngƣời nhìn thấy phản hồi họ thấy Đơi khi, cầu trở thành biểu tƣợng cộng đồng: cầu Tràng Tiên sông Hƣơng Huế, cầu Rồng sông Hàn Đà Nẵng,… Những cầu trở thành biểu tƣợng đẹp cộng đồng 2.2.1 Tính thẩm mỹ giá thành Chất lƣợng thẩm mỹ thƣờng gắn liền với cầu đáp ứng hiệu khai thác cơng trình kết cấu hiệu thƣờng kết cấu kinh tế Việc chi nhiều tiền chƣa hẳn cho đời cầu đẹp Ấn tƣợng thị giác bao trùm đƣợc tạo hình dạng cấu trúc thân từ phận cấu thành cầu Một số cầu đƣợc coi có tính thẩm mỹ chúng đáp ứng đƣợc yêu cầu mong muốn tối ƣu kết cấu, tối ƣu giá thành, có khả khai thác cao có thẩm mỹ cao 2.2.2 Xác định xuất Các yếu tố quan trọng định đến xuất cầu hình dạng vị trí mơi trƣờng, bao gồm kết cấu thƣợng tầng (kết cấu nhịp) kết cấu hạ tầng (mố trụ cầu) Chính việc thiết kế yếu tố làm nên thành công mặt thẩm mỹ Ngƣời ta phản ứng nhƣ phụ thuộc vào họ nhìn thấy lần Ấn tƣợng quan trọng 84 Tiếp theo màu yếu tố chính, hình dạng bố cục chi tiết Do yếu tố định quan trọng cầu theo thứ tự quan trọng chúng nhƣ sau: Hình dạng theo phƣơng dọc ngang mối quan hệ chúng với địa hình xung quanh cấu trúc nhƣ: cầu cao bao nhiêu, liệu cong theo hai mặt phẳng xung quanh đƣợc nhìn thấy Các loại kết cấu thƣợng tầng: vòm, dầm, giàn, khung, v.v Vị trí đặt cầu Vị trí đặt mố, trụ cầu, hình dạng chiều cao tiếp xúc với đất Hình dạng kiến trúc thƣợng tầng, đặc biệt tỷ lệ chiều cao/chiều dài nhịp Hình dạng kết cấu nhịp cầu Hình dạng kết cấu mố trụ cầu Chi tiết hệ lan can Màu sắc kết cấu bề mặt 10 Trang trí cầu xung quanh Năm yếu tố định thƣờng đƣợc coi định mang tính kỹ thuật nghiêm ngặt Tuy nhiên, chúng định tránh khỏi mặt thẩm mỹ Năm yếu tố cuối điều thƣờng đƣợc nghĩ đến nói tính thẩm mỹ cầu Tuy nhiên, tính thẩm mỹ gần nhƣ cho định liên quan đến năm yếu tố cuối cùng, mà định đƣợc đƣa năm lần - thƣờng cố gắng thực Tốt ta phải đƣa định tốt năm yếu tố đầu tiên, sau sử dụng năm định cuối để nhấn mạnh cải thiện yếu tố tích cực đƣợc tạo Hình Lựa chọn nhà thiết kế: loại cầu nên đây? 2.2.3 Quan điểm cố định di chuyển Khi ngƣời thiết kế phát triển ý tƣởng thẩm mỹ cho cơng trình cầu, suy nghĩ phải vị trí ngƣời xem cầu Cần xét đến tác động cầu khung cảnh xung quanh cơng trình cầu Đối với cầu bắc qua thung lũng công viên, ngƣời xem ngƣời sử dụng cơng viên đƣờng mịn đƣờng bên dƣới Đối với cầu cạn 85 đƣờng phố ngƣời ngƣời lái xe đƣờng phố Một cầu bắc qua siêu xa lộ có lối vào hạn chế ngoại lệ đƣợc nhìn thấy ngƣời sử dụng đƣờng cao tốc xe với tốc độ nhanh (hình 4) Đối với số cầu lớn phạm vi nhìn thấy bao gồm vài kilomet vng, tồn cộng đồng tầm nhìn cầu Bản thân cầu tạo góc nhìn với mơi trƣờng xung quanh Một cầu bắc qua sông lớn lối vào thị trấn đƣợc coi nhƣ biểu tƣợng Hình Khu vực tập trung người lái xe tốc độ đường cao tốc 2.3 Thiết kế hình học cầu Tiên đề thiết kế hình học là: tổng thể tổng phần Đó yêu cầu để tạo cấu trúc hấp dẫn, miễn yếu tố có liên quan đến Trong thiết kế có triết lý ta thiếu ý đến chi tiết khơng phù hợp với phần cịn lại cấu trúc làm giảm vẻ ngồi tổng thể Thiết kế hình học cầu yếu tố định đến xuất cơng trình cầu tƣơng lai nên đƣợc giải giai đoạn ban đầu dự án Tiêu chí thiết kế thƣờng cho phép đủ linh hoạt để cải thiện xuất cầu Giải pháp tiếp xúc sớm với tiêu chuẩn thiết kế hạng mục khác đƣờng, chiếu sáng, giao thông, cảnh quan), giai đoạn đầu, sửa đổi có tác động 2.3.1 Hình học Hình Cầu vượt Ơ Đơng Mác -Nguyễn Khối cầu vượt Đại Cồ Việt - Trần Khắc Chân (Sở Giao Thông Vận Tải Hà Nội 2013) Trong kết cấu cầu kết cấu dọc ngang đƣợc tạo thành từ đƣờng cong tiếp tuyến dài, liên tục trông đẹp so với liên kết đƣợc tạo thành từ đoạn ngắn, rời rạc Hình học đƣờng cao tốc bao gồm kết nối loạt tiếp tuyến với đƣờng cong Tạo 86 liên kết ngang dọc, nhà thiết kế tìm kiếm tính kinh tế cách giảm thiểu đào đất đáp ứng khoảng cách tầm nhìn yêu cầu thiết kế khác bao gồm an toàn hiệu suất Căn chỉnh dọc ngang đƣợc tạo thành từ đƣờng cong dài, liên tục tiếp tuyến nhƣ cầu vƣợt Ơ Đơng Mác - Nguyễn Khối - Hà Nội trông đẹp so với liên kết tạo thành từ ngắn, rời rạc phân đoạn cầu vƣợt Đại Cồ Việt - Trần Khắc Chân - Hà Nội (hình 5) trơng gấp khúc làm gián đoạn luồng hình ảnh đƣờng 2.3.2 Bố cục Bố cục vấn đề giải kết cấu nhỏ để giảm thiểu gián đoạn đến liên tục cơng trình cầu Khi tỷ số độ mảnh nhịp chính) đƣợc thiết lập (S/G) cho nhịp chính, đƣợc giữ khơng đổi Tỷ lệ yếu tố cầu yếu tố định tác động trực quan đến cơng trình cầu Hình Nhấn mạnh tỷ lệ ngang vị trí cầu tàu Hình Các tỷ lệ với chiều cao 2.3.3 Hình dáng kết cấu nhịp Tính liên tục kết cấu nhịp cầu đƣợc cải thiện cách làm cho dầm mảnh Tính liên tục trực quan làm cho dầm dƣờng nhƣ dài hơn, thơng qua thị giác đánh giá độ mỏng tƣơng đối cách so sánh chiều dài với chiều cao dầm Một dầm dài mảnh mai hình hình 9) Hình Kết cấu nhịp mảnh tốt kết cấu nhịp thô dày 87 Hình Tính liên tục trực quan làm cho dầm mảnh mai Hình 10 Sử dụng nhịp thon mảnh để chuyển tiếp dầm có độ cao khác Tạo vuốt dầm cầu làm cho cầu mảnh Đông thời nâng cao khoảng tĩnh không dƣới cầu dầm liên tục làm giảm độ cao trung bình chúng Hình 11 Các vuốt dầm thể chuyển tiếp lực cầu Chiều dài đƣờng chuyển tiếp nên chọn 20% 40% chiều dài nhịp Các đoạn vuốt phải đủ dài để tƣơng ứng với chiều dài nhịp Điều khơng phải lúc đạt đƣợc xâm phạm đến khoảng tĩnh thơng dƣới cầu Đây ví dụ lý cần có tham gia sớm thiết kế mỹ học trình thiết kế cơng trình cầu Hình 12 Ảnh hưởng góc gập ngắn dài Chiều cao đoạn vuốt không đƣợc vƣợt hai lần chiều cao dầm không đƣợc nhỏ 1,3 lần chiều cao dầm Nếu chiều cao vuốt cao hai lần độ cao dầm trơng mỏng manh phần vuốt trông nặng Ngƣợc lại nhận thấy đƣợc độ cao vuốt Hình 13 Các giới hạn đề xuất cho độ cao vuốt 88 Góc vuốt nên nằm khoảng từ 135 đến 160 (hình 14) Hình 14 Ảnh hưởng góc gập khác điểm chịu lực Các vuốt hình dạng bụng cá làm cho vết lõm nặng trông gƣợng gạo nên tránh (Hình 15) Hình 15 Trọng lượng trực quan kết cấu nhịp thêm vào vuốt hình bụng cá Đối với số cầu có loại trụ thấp bề dày trụ phải tƣơng ứng với chiều cao kết cấu nhịp, chiều dài nhịp chiều cao trụ (Hình 16) Hình 16 Chiều dài nhịp liên quan đến chiều sâu cấu trúc thượng tầng Các nhà thiết kế thƣờng định hình hóa để giữ cho độ dày cột trục cầu giống số cầu khác mục đích kinh tế Điều giúp tiết kiệm đƣợc số chi phí, nhƣng phải cân nhắc với việc giảm chất lƣợng hình ảnh Nên nhớ việc tiết kiệm chi phí tạm thời chất lƣợng hình ảnh giảm trì vòng đời cầu Đánh giá số cơng trình cầu thực tế Cầu vƣợt nút giao Thân Cửu Nghĩa Tiền Giang) bố trí sơ đồ kết cấu nhịp có chiều dài nhịp nhƣ nhau, chiều cao nhịp không thay đổi Xét mặt giải pháp thi cơng đơn giản, khơng phức tạp, mặt giá thành khơng cao Nhƣng xét mặt thẩm mỹ cơng trình cầu có bố cục đơn điệu, thiếu duyên dáng, mà tƣơng lai nút giao 89 sầm uất với hàng ngàn lƣợng phƣơng tiện giao thông qua lại ngày nên hình dáng cầu cần phải có tính thẩm mỹ Hình 17 Cầu vượt nút giao Thân Cửu Nghĩa - Tiền Giang (Công ty Cổ phần BOT Trung Lương - Mỹ Thuận 2020) Cầu vƣợt nút giao 319 với cao tốc TP.HCM -Long Thành-Dầu Giây bố trí sơ đồ kết cấu nhịp hài hịa theo nhịp điệu nhịp dài nhịp biên ngắn dần tƣơng ứng với chiều cao trụ cầu Ngoài chiều cao dầm thay đổi tạo mềm mại, mảnh cho kết cấu nhịp Tuy nhiên, giải pháp thi công phức tạp giá thành cao Nhƣng tƣơng lai nút giao sầm uất với hàng ngàn lƣợng phƣơng tiện giao thơng qua lại ngày cần nên hình dáng cầu cần phải có tính mỹ thuật cao hợp lý Hình 18 Cầu vượt nút giao 319 với cao tốc TP HCM -Long Thành-Dầu Giây (Công ty CP Đầu tư Phát triển Cường Thuận IDICO 2020) Kết luận kiến nghị Thiết kế cơng trình cầu khó, địi hỏi ngƣời thiết kế phải tn thủ quy chuẩn kỹ thuật thiết kế cho cơng trình cầu đảm bảo đủ khả chịu lực trƣờng hợp khai thác bình thƣờng nhƣ bất lợi mà cơng trình ổn định Ngƣời thiết kế cịn phải chọn loại kết cấu cho khả thi thi cơng đồng thời khai thác vận hành cơng trình an tồn đạt hiệu cao Nhƣng khơng phải lúc ta đặt mục tiên hết mà xem nhẹ phớt lờ tính thẩm mỹ cơng trình cầu Vì cơng trình cầu cơng trình cơng cộng phục vụ cho cộng đồng, ngày có hàng nghìn phƣơng tiện giao thơng ngƣời qua nó, nhìn nó, bình phẩm Nếu cơng trình cầu có tính mỹ thuật cao mang lại nhiều giá trị khác lớn mong đợi nhƣ: cơng trình, hài hịa với mơi trƣờng xung quanh, điểm nhấn kiến trúc khu vực Để cơng trình cầu 90 xây dựng sau có tính thẩm mỹ cao việc thiết kế mỹ học cơng trình cầu phải đƣợc tham gia từ sớm với việc thiết kết cấu dự án Một cơng trình có tính thẩm mỹ cao không thiết lúc giá thành cao Nếu biết kết hợp nhịp nhàng lĩnh vực khoa học, công nghệ mỹ thuật cho tác phẩm hồn hảo TÀI LIỆU THAM KHÂO Bộ Giao thông Vận tải (2017), Tiêu chuẩn Thiết kế cầu đƣờng bộ, tiêu chuẩn TCVN 118231:2017 Burke, M P., Jr., P.E., and J Montoney Science - Technology - Aesthetics: The Three Aspects of Design Excellence Presented at American Concrete Institute's Spring Convention, Vancouver, British Columbia, 1993 Công ty Cổ phần BOT Trung Lƣơng - Mỹ Thuận 2020 Chạy thực nghiệm thông tuyến cao tốc Trung Lƣơng - Mỹ Thuận https:// baoxaydung.com.vn/chay-thuc-nghiem-thongtuyen-cao-toc-trung-luong-my-thuan-296203.html Công ty CP Đầu tƣ Phát triển Cƣờng Thuận IDICO Dự án nút giao 319 kết nối cao tốc TP.HCM - Long Thành - Dầu Giây Truy cập ngày 20/04/2021 www.baogiaothong.vn/ cuoi-thang-6-thong-xe-nut-giao-319-ket-noi-cao-toc-long-thanh-d502849.html Gauvreau 2005), P “Engineering and Urban Design: Who Leads Whom?” 1st CSCE Specialty Conference on Infrastructure Technologies, Management and Policy Montreal: Canadian Society for Civil Engineering Gauvreau, P 1998), “The Three Myths of Bridge esthetics” In Developments in Short and Medium Span Bridge Engineering 2002, Canadian Society for Civil Engineering, 2002 Gauvreau, P 2007), “Innovation and esthetics in Bridge Engineering” Canadian Civil Engineer 23.5 (Winter 2006-2007): 10-12 Gottemoeller, Frederick Bridgescape: The Art of Designing Bridges New York: John Wiley & Sons Lê Văn Dƣơng, Lê Đình Lục, Lê Hồng Vân 2008), Giáo trình Mĩ học đại cương, NXB Giáo Dục 10 Leonhardt (1982), F Bridges: Aesthetics and Design, Deutsche Verlags-Anstalt (MIT Press, Cambridge, Massachusetts) 11 Mock, Elizabeth B (1949) The Architecture of Bridges New York: The Museum of Modern Art 12 Sở GTVT Hà Nội Thành phố Hà Nội thông xe cầu vƣợt nút giao thông đƣờng Đại Cồ Việt - Trần Khát Chân sau tháng thi công 30/08/2013 Truy cập ngày 18/04/2021 https// tuoitre.vn/chinh-thuc-thong-xe-cau-vuot-dai-co-viet -tran-khat-chan-566328.htm 13 Trần Minh Phụng, Lê Minh Quang 2008), Hạ tầng kỹ thuật đô thị, NXB Xây dựng 14 Trần Minh Phụng, Lê Minh Quang 2021), Thi công lắp ráp kết cấu nhịp cầu thép, NXB Xây dựng 91 ... trọng định đến xuất cầu hình dạng vị trí mơi trƣờng, bao gồm kết cấu thƣợng tầng (kết cấu nhịp) kết cấu hạ tầng (mố trụ cầu) Chính việc thiết kế yếu tố làm nên thành công mặt thẩm mỹ Ngƣời ta phản... tầng, đặc biệt tỷ lệ chiều cao/chiều dài nhịp Hình dạng kết cấu nhịp cầu Hình dạng kết cấu mố trụ cầu Chi tiết hệ lan can Màu sắc kết cấu bề mặt 10 Trang trí cầu xung quanh Năm yếu tố định thƣờng... thẩm mỹ cao việc thiết kế mỹ học cơng trình cầu phải đƣợc tham gia từ sớm với việc thiết kết cấu dự án Một cơng trình có tính thẩm mỹ cao không thiết lúc giá thành cao Nếu biết kết hợp nhịp nhàng