Bão lũ dữ dội, nắng nóng khắc nghiệt và biến đổi khí hậu không còn là nguy cơ xa xôi, mà đã hiện diện rõ nét trong từng công trình xây dựng. Những cấu trúc kém bền vững sẽ nhanh chóng xuống cấp, gây tổn thất nghiêm trọng về cả tài sản lẫn an toàn. Trong bối cảnh đó, việc nghiên cứu và ứng dụng kết cấu trong điều kiện khí hậu cực đoan trở thành một đòi hỏi cấp thiết trong ngành xây dựng hiện đại.
Các loại khí hậu cực đoan và ảnh hưởng đến công trình
Nhiệt độ cao/thấp bất thường
Sự gia tăng tần suất của các đợt nóng kỷ lục hay lạnh đột ngột đang tạo ra áp lực lớn lên vật liệu và kết cấu công trình. Nhiệt độ cao khiến vật liệu giãn nở, giảm cường độ chịu lực; trong khi nhiệt độ thấp gây co ngót, giòn nứt. Đối với kết cấu trong điều kiện khí hậu cực đoan, việc chọn vật liệu có độ bền nhiệt, khả năng co giãn linh hoạt và kết nối mối ghép không giãn tách là điều kiện bắt buộc để duy trì độ ổn định và tuổi thọ công trình.
Gió bão mạnh
Gió xoáy, bão cấp mạnh đang xuất hiện thường xuyên hơn, đặc biệt ở các khu vực ven biển. Điều này đặt ra yêu cầu khắt khe về khả năng kháng gió, chống lật và ổn định ngang cho hệ kết cấu. Các giải pháp như sử dụng kết cấu khung giằng, neo móng sâu, tăng cường liên kết giữa các thành phần ngang – đứng là nền tảng bắt buộc trong thiết kế. Đồng thời, việc mô phỏng gió (wind simulation) cũng đang trở thành bước không thể thiếu khi tối ưu kết cấu.
Mưa lớn và lũ lụt kéo dài
Tần suất mưa lớn, kéo dài cùng với hệ thống thoát nước kém đang gây ra ngập úng, xói lở và phá hủy kết cấu móng. Các giải pháp cấu trúc phải tính đến khả năng thoát nước nhanh, sàn nâng cao, vật liệu không thấm, và biện pháp chống xâm thực. Ngoài ra, kết hợp kỹ thuật cảnh quan – kiến trúc bền vững (sponge city, hệ sinh thái đô thị) cũng là cách tiếp cận hiệu quả giúp giảm áp lực từ thiên tai.
Động đất và điều kiện địa chất đặc biệt
Ở những vùng có nguy cơ động đất, việc đảm bảo kết cấu trong điều kiện khí hậu cực đoan phải đi kèm khả năng kháng rung động và chịu lún. Giải pháp phổ biến gồm sử dụng đế cách chấn (base isolation), móng sâu phù hợp địa tầng, và bố trí kết cấu đối xứng để tránh xoắn lệch. Những yếu tố địa chất đặc biệt như đất yếu, đồi dốc, mạch nước ngầm cũng cần được khảo sát địa kỹ thuật kỹ lưỡng trước khi thi công.
Yêu cầu kỹ thuật với kết cấu trong điều kiện khắc nghiệt
Tải trọng gió, băng tuyết, địa chấn
Trong kết cấu trong điều kiện khí hậu cực đoan, các yếu tố ngoại lực như gió mạnh, băng tuyết tích tụ và chấn động địa chất trở thành thông số thiết kế bắt buộc phải tính đến. Tải trọng gió có thể tác động theo phương ngang, tạo lực lật hoặc kéo đứt cấu kiện nếu không được tính toán kỹ lưỡng. Băng tuyết làm gia tăng tải trọng tĩnh mái, đặc biệt tại các vùng lạnh kéo dài. Trong khi đó, động đất ảnh hưởng đến ổn định toàn hệ công trình. Việc tích hợp cả ba yếu tố vào mô hình kết cấu giúp đảm bảo tính toàn vẹn và độ bền lâu dài.
Khả năng giãn nở nhiệt và co rút vật liệu
Sự chênh lệch nhiệt độ lớn giữa ngày và đêm hoặc theo mùa khiến vật liệu xây dựng giãn nở – co rút liên tục, gây nứt vỡ nếu không có giải pháp kỹ thuật phù hợp. Vì vậy, khi thiết kế kết cấu trong vùng khí hậu khắc nghiệt, cần bố trí khe co giãn đúng chuẩn, lựa chọn vật liệu có hệ số giãn nở thấp, đồng thời kết hợp lớp chống thấm – cách nhiệt hiệu quả. Điều này đặc biệt quan trọng với bê tông, kim loại và kính – những vật liệu nhạy cảm với nhiệt độ.
Hệ số an toàn cao hơn công trình thông thường
Một trong những đặc trưng quan trọng của kết cấu chịu điều kiện khắc nghiệt là yêu cầu hệ số an toàn cao hơn công trình thông thường. Điều này đảm bảo kết cấu không chỉ “đủ dùng” trong điều kiện lý tưởng, mà còn có khả năng chống chịu vượt ngưỡng khi xảy ra thiên tai bất thường. Việc tính dư tải trọng, sử dụng vật liệu cao cấp và thiết kế đa tầng bảo vệ là những giải pháp phổ biến hiện nay.
Tiêu chuẩn thiết kế kết cấu theo vùng khí hậu
Các tiêu chuẩn thiết kế hiện đại không còn mang tính chung chung mà phải tuân thủ theo vùng khí hậu cụ thể. Việt Nam hiện đã có quy chuẩn phân vùng khí hậu trong xây dựng, giúp kỹ sư xác định chính xác tải trọng gió, độ ẩm, nhiệt độ biên và tần suất thiên tai cho từng khu vực. Áp dụng tiêu chuẩn đúng vùng là bước đầu tiên để đảm bảo hiệu quả kết cấu trong điều kiện khí hậu cực đoan, tránh những sai lệch gây lãng phí hoặc mất an toàn cho công trình.
Vật liệu xây dựng bền vững cho điều kiện khí hậu khắc nghiệt
Bê tông tự phục hồi, bê tông chịu muối biển
Trong kết cấu trong điều kiện khí hậu cực đoan, bê tông truyền thống dễ nứt nẻ, thấm nước và nhanh xuống cấp. Bê tông tự phục hồi (self-healing concrete) giải quyết triệt để nhược điểm này nhờ khả năng “vá lành” các vết nứt nhỏ nhờ vi khuẩn hoặc vi hóa chất bên trong cấu trúc. Cùng với đó, bê tông chịu muối biển được bổ sung phụ gia chống ăn mòn, rất phù hợp cho các công trình ven biển và hải đảo, nơi môi trường ăn mòn diễn ra nhanh chóng và liên tục.
Thép chống ăn mòn, vật liệu composite
Các công trình ở vùng khí hậu khắc nghiệt – nhiều mưa, độ ẩm cao, không khí nhiễm mặn – cần sử dụng thép chống ăn mòn, như thép không gỉ hoặc thép mạ kẽm nhúng nóng. Ngoài ra, vật liệu composite sợi carbon, sợi thủy tinh đang được sử dụng ngày càng phổ biến vì trọng lượng nhẹ, chịu lực tốt và khả năng kháng thời tiết vượt trội. Đây là giải pháp hiệu quả trong việc tăng tuổi thọ công trình mà vẫn đảm bảo tính thẩm mỹ và tiết kiệm chi phí duy tu.
Vật liệu cách nhiệt, chống cháy, chịu tia UV
Ở các vùng nắng nóng, bức xạ mặt trời và nhiệt độ cao liên tục khiến công trình nhanh xuống cấp. Vật liệu cách nhiệt như gạch bọt, panel PU, sơn phản quang… giúp giảm truyền nhiệt và tiết kiệm năng lượng làm mát. Đồng thời, lớp phủ chống tia UV, chống cháy lan là bắt buộc với những kết cấu trong điều kiện khí hậu cực đoan như rừng khô dễ cháy hoặc khu vực gần đường xích đạo.
Ứng dụng vật liệu thông minh (smart materials)
Công nghệ vật liệu thông minh (smart materials) đang mở ra hướng đi mới cho ngành xây dựng. Từ kính chuyển sáng theo ánh nắng, tường cảm biến độ ẩm cho tới vật liệu đổi màu, đổi trạng thái theo nhiệt độ – tất cả đều góp phần tạo ra kết cấu có khả năng phản ứng linh hoạt trước biến đổi khí hậu. Những vật liệu này không chỉ nâng cao hiệu suất công trình mà còn giảm tác động môi trường, hướng tới kiến trúc xanh và bền vững.
Giải pháp kết cấu cho từng loại khí hậu cực đoan
Giải pháp kết cấu cho vùng mưa nhiều, khí hậu nhiệt đới ẩm
Kết cấu trong điều kiện khí hậu cực đoan tại vùng nhiệt đới ẩm như Việt Nam đòi hỏi hệ kết cấu phải thích nghi tốt với lượng mưa lớn, độ ẩm cao và nền đất dễ lún. Giải pháp thường được áp dụng:
- Móng sâu hoặc móng bè: Đảm bảo ổn định công trình trong điều kiện nền đất yếu và dễ bị xói lở.
- Sàn nhà được nâng cao: Giúp chống ngập khi mưa lớn, nhất là tại các vùng trũng thấp.
- Mái nhà có độ dốc lớn: Tăng khả năng thoát nước, giảm đọng nước gây thấm dột.
- Tích hợp hệ thống thoát nước nhanh và hiệu quả: Ống thoát lớn, khe thu nước hợp lý.
- Vật liệu kháng ẩm và chống nấm mốc: Gạch không nung, sơn chống thấm, bê tông có phụ gia chống ẩm.
Giải pháp kết cấu cho vùng khí hậu sa mạc, nắng nóng khắc nghiệt
Ở các khu vực có nhiệt độ cao quanh năm và biên độ nhiệt lớn giữa ngày – đêm, kết cấu phải đảm bảo khả năng chống nứt, chống giãn nở nhiệt và cách nhiệt hiệu quả:
- Vật liệu xây dựng cách nhiệt tốt: Gạch đất sét, bê tông nhẹ, tường hai lớp có lớp cách nhiệt ở giữa.
- Kết cấu mái phẳng có lớp phủ cách nhiệt: Hạn chế truyền nhiệt vào bên trong không gian sống.
- Thiết kế mặt đứng hạn chế bức xạ trực tiếp: Dùng lam chắn nắng, mái hiên sâu, màu sơn sáng để phản xạ nhiệt.
- Thông gió tự nhiên tối ưu: Giúp giảm nhiệt độ bên trong mà không phụ thuộc hoàn toàn vào máy lạnh.
Kết cấu chống chịu bão, gió lớn và môi trường biển
Ở các vùng ven biển thường xuyên hứng chịu bão và gió mạnh, kết cấu trong điều kiện khí hậu cực đoan phải được thiết kế ưu tiên tính kháng gió và chống ăn mòn:
- Khung kết cấu chắc chắn, chịu lực ngang cao: Cột, giằng, dầm được thiết kế theo tiêu chuẩn kháng gió bão.
- Neo móng vững chắc: Gia cố bằng cọc sâu, hệ móng được buộc chắc với phần khung để tránh trôi lật.
- Vật liệu chống ăn mòn muối biển: Dùng bê tông chống sunfat, thép mạ kẽm hoặc inox ở các chi tiết tiếp xúc với không khí biển.
- Thiết kế cửa sổ, mái và tường chắn gió: Kết cấu đơn giản, ít khe hở, dễ gia cố khi có cảnh báo bão.
Kết cấu phù hợp vùng lạnh và có tuyết
Với khí hậu khắc nghiệt như tuyết rơi, đóng băng, công trình cần thiết kế để chống chịu được trọng lượng tuyết, không bị thấm nước và đảm bảo vận hành ổn định hệ thống kỹ thuật:
- Mái nhà vát lớn, trượt tuyết tốt: Giảm áp lực tuyết đọng, tránh gây sập mái.
- Vật liệu không thấm nước và kháng lạnh: Tôn phủ đá, bê tông trộn phụ gia chống thấm.
- Bảo vệ hệ thống đường ống và kết cấu ngầm: Bọc ống bằng vật liệu cách nhiệt, bố trí trên cao hoặc dưới độ sâu không bị đóng băng.
- Cửa sổ và tường cách nhiệt: Dùng kính hai lớp, cửa có ron chống thoát nhiệt.
Thiết kế kết cấu thích ứng khí hậu
Kiến trúc khí hậu chủ động (climate-responsive architecture)
Trong bối cảnh kết cấu trong điều kiện khí hậu cực đoan ngày càng trở thành vấn đề sống còn, kiến trúc khí hậu chủ động đang là định hướng chiến lược. Đây là cách thiết kế đồng bộ giữa hình khối công trình, hướng nắng, thông gió và khả năng chống chịu với nhiệt độ khắc nghiệt, bão lũ hay khô hạn. Ở Việt Nam, xu hướng này được thể hiện rõ qua các công trình sử dụng mái đón gió, lam chắn nắng, mặt đứng thông minh để giảm tải năng lượng làm mát và duy trì vi khí hậu ổn định.
Kết cấu tự điều chỉnh (adaptive structure)
Một xu hướng nổi bật trong kết cấu thích ứng khí hậu là hệ kết cấu tự điều chỉnh – adaptive structure. Đây là loại kết cấu có thể thay đổi hình dạng, độ mở hay vị trí các bộ phận theo thời tiết. Ví dụ: mái có thể đóng/mở theo ánh sáng mặt trời, hệ khung gỗ/bê tông linh hoạt theo độ ẩm. Nhờ vậy, công trình có thể “hít thở” cùng môi trường, nâng cao tuổi thọ và tối ưu chi phí vận hành.
Vật liệu sinh học, tự tái tạo trong môi trường tự nhiên
Không thể nói đến kết cấu trong điều kiện khí hậu cực đoan mà bỏ qua yếu tố vật liệu. Các vật liệu sinh học như gỗ kỹ thuật, gạch đất nung cải tiến, tre ép khối hay bê tông từ tro bay đang thay thế dần vật liệu truyền thống. Chúng có khả năng tái tạo, lưu trữ nhiệt, và giảm phát thải CO₂ – giúp công trình không chỉ bền vững mà còn “sống hòa hợp” với tự nhiên.
Kết cấu bền vững: Hướng đi ưu tiên trong bối cảnh khí hậu khắc nghiệt
Trong bối cảnh biến đổi khí hậu ngày càng rõ nét, nhu cầu phát triển kết cấu trong điều kiện khí hậu cực đoan không chỉ là xu hướng mà đã trở thành yêu cầu bắt buộc. Các giải pháp kết cấu cần đảm bảo khả năng chịu lực trước những tác động khắc nghiệt như bão, mưa axit, nhiệt độ cao kéo dài hay độ ẩm lớn. Ngoài ra, việc sử dụng vật liệu thân thiện môi trường, tối ưu hóa thiết kế tiết kiệm năng lượng và giảm phát thải carbon cũng là các yếu tố cốt lõi.
Đây cũng chính là một trong những chủ đề trọng tâm tại RILEM-ICONS 2025, nơi quy tụ các chuyên gia vật liệu và kết cấu xây dựng trên toàn thế giới. Bạn đọc quan tâm có thể tìm hiểu thêm tại bài viết: Việt Nam tổ chức RILEM-ICONS 2025: Diễn đàn học thuật quốc tế lớn về vật liệu – kết cấu.