EN
Liên kết nhanh
Loại vật liệu chúng ta chọn khi xây dựng các công trình thực sự ảnh hưởng đến khả năng chịu lực và mức độ linh hoạt của kiến trúc sư trong thiết kế. Bê tông cốt thép rất chắc chắn khi chịu lực nén, đó là lý do vì sao nó được sử dụng phổ biến để làm nền móng và phần lõi trung tâm của các tòa nhà cao tầng. Thép kết cấu, ngược lại, chịu lực kéo tốt hơn nhiều, cho phép tạo ra những kết cấu mái lớn trải rộng trên không gian rộng mà không cần cột chống đỡ. Các công trình cũng cần phải bền vững trước mọi điều kiện thời tiết. Những hư hại do độ ẩm và sự thay đổi nhiệt độ theo thời gian cuối cùng sẽ gây ảnh hưởng nếu không được xử lý đúng cách trong quá trình xây dựng. Lấy ví dụ như gỗ dán chéo (CLT). Sản phẩm gỗ hiện đại này đã thay đổi cục diện bằng cách mang lại hiệu suất kết cấu vững chắc, đồng thời vẫn cho phép các nhà thiết kế tạo ra những hình dạng độc đáo và mặt bằng thông thoáng, điều trước đây đòi hỏi giải pháp thép đắt tiền. Một số dự án gần đây thậm chí đã tích hợp CLT vào các phần tường cong, nơi mà các vật liệu truyền thống khó có thể đáp ứng đồng thời cả yêu cầu thẩm mỹ lẫn kỹ thuật.
Việc lựa chọn vật liệu phù hợp phụ thuộc vào các đặc tính độ bền, khả năng chịu đựng trong các môi trường khác nhau và mức độ chịu được các loại tải trọng khác nhau. Ở những khu vực gần biển, nơi không khí mặn có thể ăn mòn vật liệu, các nhà xây dựng thường sử dụng những vật liệu chống ăn mòn như thép mạ kẽm hoặc bê tông cốt sợi thủy tinh. Ở những khu vực có nguy cơ cháy cao, cần dùng vật liệu khó bắt lửa, do đó đá tự nhiên và gạch là những lựa chọn phổ biến. Về khả năng chịu lực thực tế của từng loại vật liệu, bê tông đúc sẵn rất phù hợp với các tải trọng tĩnh lớn như trụ cầu. Tuy nhiên, khi công trình cần độ đàn hồi trong động đất, các vật liệu như gỗ dán ép (LVL) hoạt động tốt hơn vì chúng có khả năng hấp thụ rung động mà không bị gãy. Việc cân nhắc đúng tất cả các yếu tố này giúp công trình kéo dài tuổi thọ trước khi cần sửa chữa. Một số nghiên cứu cho thấy cách tiếp cận này có thể giảm chi phí bảo trì theo thời gian khoảng 40%. Ngoài ra, nó còn đảm bảo công trình tuân thủ các quy định địa phương, vốn có sự khác biệt đáng kể giữa các khu vực.
Bê tông vẫn là vật liệu được lựa chọn hàng đầu cho hầu hết các công trình xây dựng ngày nay vì nó có khả năng chịu lực rất lớn dưới áp lực nén, điều này làm cho nó phù hợp với mọi thứ, từ việc trải đường đến xây dựng các tòa nhà chọc trời. Các con số cũng chứng minh điều này – theo các báo cáo gần đây, khoảng 70 phần trăm tất cả các tòa nhà tại các thành phố trên toàn thế giới được làm bằng bê tông. Điều khiến bê tông trở nên phổ biến là khả năng kết hợp hiệu quả với cốt thép, tạo thành các hệ thống kết cấu vững chắc. Tuy nhiên, có những vấn đề mà chúng ta không thể bỏ qua. Bê tông cần rất nhiều thời gian để đông cứng hoàn toàn, đôi khi kéo dài hàng tuần hoặc thậm chí hàng tháng, và quá trình sản xuất xi măng thải ra lượng lớn khí carbon dioxide vào khí quyển. Những vấn đề này tiếp tục gây nhức nhối cho ngành công nghiệp bất chấp mọi lợi ích mà bê tông mang lại.
Thép vượt trội trong các dự án yêu cầu lắp ráp nhanh và tỷ lệ cường độ trên trọng lượng cao. Các khung thép được chế tạo sẵn cho phép tốc độ thi công nhanh hơn tới 50% so với phương pháp bê tông truyền thống. Độ bền của thép trong các khu vực hay động đất và khả năng thích ứng với thiết kế mô-đun khiến nó trở nên không thể thiếu đối với các tòa nhà chọc trời và các cơ sở công nghiệp.
Các sản phẩm gỗ kỹ thuật như gỗ dán chéo (CLT) kết hợp tính bền vững với độ vững chắc về kết cấu. Các tấm CLT giảm lượng chất thải xây dựng lên đến 30% so với các phương pháp thông thường (Báo cáo Đổi mới Lâm nghiệp 2023), trong khi vẻ đẹp tự nhiên của chúng thu hút các công trình phát triển thân thiện với môi trường. Tuy nhiên, khả năng dễ bị ảnh hưởng bởi độ ẩm và côn trùng đòi hỏi phải xử lý tiên tiến để đảm bảo tuổi thọ.
Gạch xây mang lại khối lượng nhiệt cao, giúp điều tiết nhiệt độ trong nhà và giảm chi phí năng lượng từ 15–20% ở những vùng khí hậu ôn hòa (Nghiên cứu Về Vỏ Tòa Nhà 2023). Ốp đá tự nhiên có độ bền đã được kiểm chứng qua hàng thế kỷ, mặc dù trọng lượng lớn của nó giới hạn việc sử dụng trong các công trình thấp tầng nếu không có nền móng gia cố.
Mặt dựng kính làm tăng khả năng tận dụng ánh sáng tự nhiên nhưng đòi hỏi kỹ thuật thiết kế cẩn thận để giảm thiểu thất thoát nhiệt. Các tấm kính hai lớp với lớp phủ chống phát xạ thấp có thể giảm tải hệ thống HVAC tới 25% (Hội đồng Hiệu suất Cửa sổ 2023). Kiểm soát hiện tượng chói lóa và bảo trì trong suốt vòng đời công trình vẫn là những yếu tố quan trọng cần cân nhắc trong quy hoạch thiết kế.
Thời gian tồn tại của một vật liệu phụ thuộc chủ yếu vào thành phần cấu tạo và khả năng chống chịu trước các yếu tố như độ ẩm, sự thay đổi nhiệt độ và hóa chất trong môi trường. Lấy bê tông làm ví dụ. Khi tiếp xúc với độ ẩm, đôi khi nó phản ứng với silica gây ra nứt nẻ. Thép nếu không được bảo vệ sẽ bị rỉ sét khá nhanh ở khu vực ven biển. Theo một số nghiên cứu từ NIST năm 2023, khoảng 40 phần trăm các công trình bằng bê tông gần vùng nước cần được sửa chữa sau chỉ hai thập kỷ do hư hại bởi nước mặn. Việc lựa chọn vật liệu phù hợp rất quan trọng tùy theo vị trí lắp đặt. Nhựa gia cố sợi thường có tuổi thọ dài hơn trong điều kiện ăn mòn cao, trong khi gỗ được xử lý áp lực lại hoạt động tốt hơn ở những nơi thường gặp vấn đề về mối mọt.
Các nhà nghiên cứu đã theo dõi hiệu suất của các bức tường chắn sóng dọc bờ biển Florida trong suốt một thập kỷ và phát hiện ra một điều thú vị về các loại vữa bê tông. Khi các nhà thầu thêm 8% tro silica và sử dụng cốt thép không gỉ, những bức tường này chỉ gặp khoảng một phần tư các vấn đề nứt vỡ so với các hỗn hợp bê tông thông thường. Tuy nhiên, vẫn còn một vấn đề khác đáng chú ý. Các bức tường chắn sóng không có hệ thống thoát nước đầy đủ vẫn bị mất khoảng 22% độ bền theo thời gian do nước liên tục thấm vào. Điều này có ý nghĩa gì? Về cơ bản, xây dựng ven biển cần phải suy nghĩ vượt ra ngoài việc chỉ chọn vật liệu tốt hơn. Giải pháp thực sự nằm ở việc kết hợp các công thức bê tông chắc chắn với những lựa chọn thiết kế thông minh, có khả năng xử lý nước mưa và thủy triều dâng một cách hiệu quả ngay từ đầu.
Bê tông có khả năng tự lành nhờ vi khuẩn như Bacillus subtilis là một trong những đổi mới thú vị có thể giúp công trình kéo dài tuổi thọ thêm 15 đến 20 năm. Những vi sinh vật này về cơ bản sẽ bịt kín các vết nứt nhỏ khi chúng xuất hiện, từ đó ngăn ngừa các vấn đề lớn hơn về sau. Đối với các kết cấu thép chịu tác động của điều kiện khắc nghiệt, hệ thống anode điện hóa cũng rất hiệu quả, giảm ăn mòn lên tới gần 90%. Theo nghiên cứu được công bố năm ngoái, tất cả các loại vật liệu tiên tiến này đều giúp giảm đáng kể chi phí bảo trì trong suốt vòng đời sử dụng, tiết kiệm từ 18 đến 24 đô la cho mỗi foot vuông theo thời gian. Khoản tiết kiệm chi phí này chắc chắn góp phần giúp các dự án duy trì tính bền vững. Ngày nay, các nhà xây dựng đang ngày càng thông minh hơn trong việc ứng dụng những vật liệu này, nên ta thấy sự xuất hiện ngày càng phổ biến của cốt thép phủ epoxy và các lớp phủ silane đặc biệt có khả năng đẩy nước tại các công trường xây dựng trên khắp nơi.
Ngành xây dựng là một trong những tác nhân chính gây ra khí nhà kính, với bê tông và thép chiếm khoảng 60% lượng phát thải từ vật liệu xây dựng. Theo báo cáo năm 2023 của Grip-Rite, toàn ngành xây dựng chiếm khoảng 37% lượng khí thải carbon toàn cầu. Thép nổi bật ở điểm này vì dù có thể tái chế ở tỷ lệ 90%, việc sản xuất thép mới vẫn thải ra 1,85 tấn CO2 cho mỗi tấn thép sản xuất, cao gấp ba lần so với mức phát thải từ bê tông. Vì lý do đó, ngày càng nhiều nhà thầu xanh đang chuyển sang sử dụng các loại xi măng hỗn hợp, trộn thêm các thành phần như tro bay hoặc xỉ từ các quá trình công nghiệp. Phương pháp này giúp giảm lượng carbon khoảng 30 đến 40%, đồng thời vẫn đảm bảo hiệu quả trong hầu hết các ứng dụng. Những chuyên gia tại Viện Nghiên cứu Môi trường và Năng lượng đã thúc đẩy việc đánh giá vật liệu theo toàn bộ vòng đời của chúng. Khi tính đến tất cả các yếu tố từ vận chuyển, chi phí lắp đặt cho đến việc phá dỡ sau cùng, cách tiếp cận toàn diện này có thể cắt giảm gần một nửa lượng phát thải tổng thể.
Phân tích vòng đời toàn bộ công trình (LCA) xác định những vật liệu bất ngờ dẫn đầu về tính bền vững: gỗ dán chéo (CLT) hấp thụ 1,1 tấn CO₂ trên mỗi mét khối, trong khi mái nhôm tái chế tiết kiệm tới 95% năng lượng so với vật liệu mới. Một nghiên cứu năm 2023 của Stanford cho thấy các thiết kế theo hướng dẫn của LCA đạt được trung hòa carbon nhanh hơn 52% so với các phương pháp thông thường.
Thị trường cốt liệu tái chế toàn cầu sẽ đạt 68,4 tỷ USD vào năm 2028 khi các nhà phát triển thay thế 30–50% bê tông nguyên sinh bằng phế liệu xây dựng đã được đập vụn. Các thực hành nền kinh tế tuần hoàn hiện đã chuyển hướng 82% chất thải xây dựng khỏi các bãi chôn lấp trong các dự án tại EU thông qua các mạng lưới đồng sinh công nghiệp, biến lớp cách nhiệt từ kính thành vật liệu làm nền đường.
Các chứng nhận LEED v4.1 yêu cầu ít nhất 20% hàm lượng vật liệu tái chế trong các vật liệu kết cấu, thúc đẩy việc áp dụng các khối gạch hempcrete (nhẹ hơn 28%, khả năng cách nhiệt R-3,6/inch) và vật liệu cách nhiệt từ nấm mycelium. Các công trình đạt BREEAM Outstanding báo cáo mức carbon tích lũy thấp hơn 62% khi sử dụng các vật liệu composite sợi cellulose và hệ thống bê tông địa polymer.
Giá ban đầu của các tấm lợp asphalt dao động từ khoảng 120 đến 250 USD mỗi ô (square), thấp hơn khoảng 40 phần trăm so với việc lắp đặt mái kim loại. Tuy nhiên, những tấm lợp này thường cần được thay thế sau mỗi 15 đến 25 năm, trong khi mái kim loại có thể sử dụng được từ 40 đến 70 năm trước khi cần bảo trì. Khi nhìn vào tổng thể, chi phí trọn đời của mái asphalt cao hơn khoảng 2,8 lần do chủ nhà thường xuyên phải sửa chữa sau bão và thay thế nhiều lần hơn. Theo một nghiên cứu gần đây về tổng chi phí sở hữu năm 2024, hầu hết các công trình thực tế chỉ chi khoảng 10% cho chi phí xây dựng ban đầu, trong khi gần 7 trên 10 đồng đô la lại dành cho các khoản chi phí bảo trì định kỳ. Một lợi ích khác của mái kim loại đáng được nhắc đến là bề mặt phản quang giúp giảm hóa đơn làm mát từ 10% đến 25%. Vì vậy, khi cân nhắc cả về độ bền lẫn tiết kiệm năng lượng, mái kim loại rõ ràng vượt trội hơn về mặt lựa chọn tiết kiệm chi phí lâu dài cho các chủ bất động sản đang tìm kiếm khoản đầu tư dài hạn.
Tính toán chi phí vòng đời đánh giá các chi phí mua sắm, lắp đặt, bảo trì và xử lý trong suốt thời gian sử dụng của một loại vật liệu. Ví dụ:
| Vật liệu | Chi phí ban đầu (mỗi m²) | Chi phí bảo trì (50 năm) | Chi phí xử lý |
|---|---|---|---|
| Xăng | $90—$140 | $800—$1,200 | $30—$50 |
| Gỗ dán định hướng lớp (Cross-laminated timber) | $110—$160 | $300—$500 | $10—$20 |
Các nghiên cứu cho thấy chi phí vật liệu ban đầu chỉ chiếm khoảng 20—30% tổng chi phí trọn đời, phần còn lại liên quan đến chi phí duy trì. Việc bảo vệ chống ăn mòn chủ động đối với thép hoặc sử dụng chất bịt kín cho gỗ có thể giảm ngân sách bảo trì trong 10 năm lên tới 35%.
Việc sử dụng các cấu kiện xây dựng được chế tạo sẵn có thể giảm chi phí nhân công tại các công trường xây dựng từ 15 đến 30 phần trăm, đồng thời rút ngắn tiến độ dự án khoảng 20 đến 40 phần trăm theo các báo cáo trong ngành. Lấy các tấm bê tông lắp ghép làm ví dụ tiêu biểu, những tấm này tiết kiệm được khoảng 3 đến 5 phần trăm lượng vật liệu bị lãng phí, một con số khá ấn tượng so với mức tỷ lệ thất thoát thông thường là 10 đến 15 phần trăm khi dùng phương pháp đổ bê tông tại chỗ truyền thống. Nhiều nhà thầu cho biết họ đạt mức giảm gần 30 phần trăm tổng lượng chất thải khi tích hợp thép tái chế cùng các sản phẩm gỗ kỹ thuật vào công trình của mình. Điều này không chỉ giúp giảm chi phí xử lý rác thải mà còn hạ thấp khoản tiền phải trả cho nguyên vật liệu đầu vào. Những phương pháp như vậy thực tế còn khá phù hợp với các nguyên tắc của nền kinh tế tuần hoàn. Bằng cách tái sử dụng hiệu quả hơn các vật liệu qua nhiều dự án, ngành xây dựng có tiềm năng tiết kiệm khoảng 160 tỷ USD mỗi năm—số tiền hiện đang bị tiêu tốn để xử lý lượng chất thải này.
Gỗ dán chéo (CLT) là một sản phẩm gỗ kỹ thuật nổi bật nhờ độ bền cấu trúc và tính bền vững. Nó cho phép các kiến trúc sư thiết kế những hình dạng sáng tạo và bố trí mặt bằng mở, đồng thời giảm thiểu chất thải xây dựng.
Các điều kiện thời tiết như độ ẩm và sự thay đổi nhiệt độ có thể gây hư hại cho vật liệu xây dựng theo thời gian. Việc lựa chọn và xử lý phù hợp trong quá trình xây dựng có thể giúp giảm thiểu những tác động này.
Thép được ưu tiên trong các thiết kế mô-đun do tỷ lệ cường độ trên trọng lượng cao và khả năng thích ứng tốt. Các khung thép được chế tạo sẵn cho phép thi công nhanh hơn và đặc biệt hữu ích ở các khu vực có nguy cơ động đất.
Cả bê tông và thép đều đóng góp đáng kể vào lượng khí thải nhà kính, chiếm khoảng 60% lượng phát thải từ vật liệu xây dựng. Các đổi mới như xi măng hỗn hợp và các phương pháp tiếp cận theo vòng đời nhằm giảm thiểu những tác động này.
