Phát hiện hơn 42.000 tấn thép được đan xen thành hình tổ chim: Bí mật đằng sau siêu công trình có 300m mái che mà không cần cột chống

Sân vận động Quốc gia Bắc Kinh (Bird's Nest - Tổ Chim) là một trong những công trình thể thao có kết cấu độc đáo nhất thế giới khi sử dụng khoảng 42.000 tấn thép để tạo nên hệ khung chịu lực bên ngoài, cho phép mái che vượt nhịp gần 300 m mà không cần cột chống trong khu vực thi đấu. Thiết kế này mang đến tầm nhìn không bị cản trở cho hơn 90.000 khán giả, đồng thời tăng khả năng chống chịu động đất.

Được xây dựng với tổng kinh phí khoảng 2,2 tỷ nhân dân tệ, sân vận động được thiết kế nhằm phục vụ Thế vận hội Bắc Kinh 2008 và trở thành biểu tượng kiến trúc của thành phố.

Khác với nhiều sân vận động quy mô lớn vốn sử dụng hệ cột và dầm bên trong để nâng đỡ mái che, sân vận động Tổ Chim tập trung toàn bộ kết cấu chịu lực vào lớp khung thép bao quanh công trình.

Các dầm thép đan xen tạo thành hình dạng giống một tổ chim, vừa tạo nên diện mạo đặc trưng của công trình, vừa đóng vai trò truyền toàn bộ tải trọng của mái xuống hệ móng. Nhờ đó, không gian trung tâm được giải phóng hoàn toàn, tạo nên nhịp kết cấu dài gần 300 m mà không có cột chắn tầm nhìn.

Thiết kế này giúp toàn bộ hơn 90.000 chỗ ngồi đều có góc quan sát thông thoáng, không bị che khuất bởi các bộ phận kết cấu.

Đáng chú ý, hệ khung thép không chỉ mang tính thẩm mỹ mà còn là bộ phận chịu lực chính của công trình, thay thế vai trò của các cột chống thường thấy trong những sân vận động truyền thống.

Việc thi công hệ kết cấu thép đòi hỏi quy trình chế tạo và lắp ráp có độ chính xác cao. Các cấu kiện được sản xuất riêng, sau đó vận chuyển tới công trường để lắp đặt ở nhiều độ cao khác nhau.

Các mối hàn đều được kiểm tra bằng phương pháp siêu âm nhằm phát hiện các khuyết tật trước khi từng cấu kiện được đưa vào sử dụng.

Bên cạnh đó, các kỹ sư cũng phải tính đến hiện tượng giãn nở nhiệt của thép. Khi nhiệt độ thay đổi, kết cấu thép sẽ giãn nở hoặc co lại, vì vậy toàn bộ hệ khung được chia thành nhiều phân đoạn hoạt động như các khe co giãn để giảm ứng suất phát sinh.

Hệ thống gối đỡ di động được bố trí ở phần chân công trình cũng giúp hấp thụ chuyển động của nền đất, hạn chế tải trọng tập trung lên các dầm thép.

Một điểm nổi bật khác của sân vận động là kết cấu bê tông bên trong và lớp khung thép bên ngoài được thiết kế hoạt động độc lập.

Phần bê tông chứa khán đài không liên kết cứng với hệ khung thép chịu lực của mái. Khi xảy ra động đất, hai hệ kết cấu có thể dịch chuyển theo những cách khác nhau, qua đó giảm nguy cơ truyền toàn bộ năng lượng từ phần này sang phần còn lại.

Theo thông tin từ dự án, công trình được thiết kế để chịu được động đất mạnh tới cấp 8 mà không xuất hiện các hư hỏng nghiêm trọng về kết cấu. Việc tách biệt hai hệ kết cấu cũng góp phần bảo vệ các khu vực liên kết vốn dễ chịu tác động trong quá trình rung chấn.

Khoảng trống giữa các dầm thép được bao phủ bằng lớp màng vật liệu chuyên dụng nhằm hạn chế nước mưa rơi trực tiếp xuống khán đài nhưng vẫn cho phép ánh sáng tự nhiên đi vào bên trong.

Hệ thống mái cũng được thiết kế để giảm hiện tượng đổ bóng lên sân thi đấu, đồng thời hỗ trợ cải thiện chất lượng âm thanh trong các sự kiện thể thao và biểu diễn.

Ngoài ra, hệ thống thoát nước tích hợp trên mái có nhiệm vụ thu gom nước mưa phục vụ vận hành công trình, trong khi lớp màng bao che giúp giảm bức xạ mặt trời, góp phần điều hòa nhiệt độ trong những thời điểm nắng nóng.

Nhờ kết hợp giữa giải pháp kết cấu và kiến trúc, sân vận động Tổ Chim không chỉ đáp ứng các yêu cầu kỹ thuật của một công trình thể thao quy mô lớn mà còn trở thành một trong những biểu tượng kiến trúc nổi bật của Trung Quốc. Hệ khung thép đan xen vừa đảm nhiệm chức năng chịu lực, vừa tạo nên hình ảnh đặc trưng giúp công trình được nhận diện rộng rãi trên thế giới.