Lịch sử phát triển nhà cao tầng và các hệ chịu lực
Điểm lại lịch sử phát triển ngành xây dựng có những mốc đáng nhớ, là khởi điểm của việc xây dựng nhà cao tầng, nhà chọc trời:
1850: Phát minh ra kết cấu bê tông cốt thép (Pháp), trong khi công nghệ chế tạo ra thép đù có nhiều năm trước dó.
1851: Hãng thang máy OTIS xuất hiện đầu tiên ở Mỹ.
1885: Ngôi nhà cao tầng bằng khung thép đầu tiên được xây dựng tại Chicago, gồm 10 tầng (Home Ing urance Building) do một kỹ sư người Mỹ, xem như "ông tổ" của nhà trọc trời là Wiliam LcBaron Jenny thiết kế, không sử dụng những vật liệu thường gặp thời ấy cho nhà cửa là gỗ, gạch, đá. Sàn là bêtông cốt thép, còn tường vẫn là gạch xây.
Quy trình xây dựng kết cấu gạch được sử dụng để làm nhà cao tầng "kỷ lực" cho đến ngàv nay là tòa nhà Monadnock Building, cũng ở Chicago, gốm 17 tầng, cao 64m; xây dựng năm 1891. Do tường gạch xây chịu lực. nên tường tầng trệt đã dày đến 2,13m và diện tích tường dáy chiêm đến 15% diện tích xây dựng trên mặt bằng.
1905: Tòa nhà Metropoliian State Building, cao ốc 54 lầng đầu tiên tại New York (Mỹ), cao 170m khánh thành ( lưa ý là tòa nhà cao nhất nước ta hiện nay Saigon Tiade Cenler quận 1, chỉ cao khoán 130m, khánh thành 1998).
1906: Quy trình tính toán xây dựng kết cấu khung nhà bê tông cốt thép đầu tiên ra đời ở Pháp. Sự tiến bộ trong lĩnh vực bê tông cốt thép được đánh giá là chậm có đợt, do vậy, trong thời gian tòa nhà chọc trời Engine State Building ra đời (1930), tòa nhà bê tông cốt thép cao nhất chỉ là 23 tầng (Exchangc Building ở Seattle Mỹ).
1913: Kết cấu thép phát triển và nhà cao tầng đạt số tầng 60, độ cao 242m ở New York mang tên Woolworth. Xây dựng có dạng của một nhà thờ La Mã.
Sau thế chiến thứ nhất, sau thời gian tập trung phục vụ chiến tranh, quy trình công nghệ xây dựng nhà cao tầng lại có những bước khởi sắc mới, đánh dấu bởi những cao ốc 66 tầng (292m) tên Go Wall Tower Building; 71 tầng (283m) tên Citics Service Building; 77 tầng (319m) lên Chiryslcr Building. . .
Yêu cầu quy trình xây dựng nhà cao tầng càng mạnh mẽ khi có sự xuất hiện nhiều công ty lớn. đa quốc gia. Họ nhận thức rằng sự quảng cáo tên tuổi. Hoạt động co cụm trong một tòa nhà chỉ thuận lợi khi nhà có số tầng tăng lên. Song song đó, còn có vấn đế tập trung những doanh nghiệp trong khu thương mại (downtown) khiến giá thuê dất tăng cao.
1930: Tòa nhà choc trời nổi tiếng Eupire State Building được xây dựng ở New York gồm 102 tầng, cao 381m, không kể anten cao 67,7m đặt thêm trên đỉnh sau đó. Tòa nhà này đã cao hơn tháp EilĩeỊ thường tự hào là công trình kết cấu thép cao nhất ở thế kỷ 19 (320m). Ở tòa nhà này có 74 thang máy, bố trí trong 7 cụmể Hệ thống thang máy này, hôm nay, đã được đánh giá là không kinh tế.
Thế chiến thứ hai, một lần nữa đã lôi các nước Âu Mỹ vào cuộc chiến, và việc xây dựng nhà chọc trời có phần bi chững lại một thời gian. . . và sau khi thế chiến chấm dứt (1945) việc xây dựng nhà cao tầng lại bùng nổ, và lần này, "bộc phát" dữ dội hơn: Hàng loạt những thành phò lớn của những nước tiên tiến trên thế giới, tại những khu vực thưưng mại tập trung nhà cao tầng được xây dựng hâu như chen chức nhau, dạng kết cấu cũng được phát triển ưu việt hơn, phức tạp hơn và đạt nhiều thành tựu hơn. Có thể kể ra đây:
1968: Tòa nhà John Handcock Center ở Chicago vươn lên độ cao 344m, trên mặt bảng 47x80m gồm 100 tầng và ở nóc còn có thêm một anten TV cao 105m nữa.
1973: Tòa nhà World Trade Center ở New York vươn lên 412m, gồm 110 tầng, có dạng tháp đôi.
1974: Tòa nhà Sears Tovver ở Chicago khánh thành, giữ kỷ lực thế giới trong một thời gian gần 20 năm sau, cao 442m, có 110 tầng. Tòa nhà này có đến 102 thang máy, cho phép cùng túc có 16. 500 người làm việc và nguồn điện cũng cấp riêng cho nó đủ dùng cho một thành pho 147. 000 dân (Tiêu chuẩn sử dụng điện của Mỹ).
Cũng trong năm này, tòa nhà Montpamasse Tower được khánh thành ở Paris, cao nhất Âu Châu) chỉ có 60 tầng cao 209m.
1993: Tòa nhà Twin Tovver (Bertrowas) ở Thủ đô của Mã Lai bắt đầu được xây dựng, cũng trở lại dạng tháp đôi, hoành thành 1996 gồm 88 tầng, cao 452m, kể cả tháp TV cao 72,5m ở đỉnh. Chi phí xây dựng đôi tháp này là 1,6 tỷ USD (22. 400 tỷ đồng Việt Nam), một con số mở ước của chúng ta dành để phát triển thành phố.
Thế nhưng, vị trí cao vô địch tháp đôi của Mã Lai chắc chắn không giữ vững nổ,  Trung Quốc sẽ khánh thành Trung tâm Tài chính Thế giới (World Financial Center) ở Thượng Hải, cao 458m gồm 95 tầng. Hãng Kon Pederson Fox Associntes nổi tiếng của New York chịu trách nhiệm thiết kế công trình này.
Tiếp nữa, Úc khởi công xây dựng tại Melboume tòa nhà 120 tầng , cao 560m, hơn l00m so với tòa nhà của Trung Quốc nêu trên, Tiến độ dự kiến khánh thành là năm 2004. gồm 450 văn phòng làm việc, 1 phòng họp lớn, 1 khách sạn, 1 trung tâm giao dịch thương mại. Ngoài ra còn có tin là Ấn Độ đã có thiết kế sơ bộ tòa nhà 670m, xây dựng tại bang Madhva Pradesh, do Mỹ vẽ kiểu, có hình dáng một kim tự tháp cao, mang tên tháp trung tâm ấn Độ, Đài Loan cũng có một thiết kế sơ bộ nhà chọc trời, đạt kỷ lực độ cao là 800m, đặt tên là Millenium Tower (Tháp thiên niên kỷ). Tuy nhiên, có lẽ trận động đất lớn vừa qua trên hòn đảo này sẽ làm hoãn tiến độ chuẩn bị thực hiện dự án này.

Dạng hệ chịu lực tiên tiến của nhà cao tầng
Tuy thực tế, kết cấu thép có khả năng chịu tải cao hơn, nhưng đối với nhà cao tầng, sử dụng kết cấu thép thuần túy là không khả thi vì:
Khó chế tạo vách, lõi cứng bằng thép mà chỉ dùng cột thép thì không đủ sức chịu tải, ỉại phải tự hòan thành tiết diện, vì thép hình đặc chủng không tìm được.
Độ cứng của công trình không lớn, độ mảnh cao sẽ tạo chuyển vị lớn.
Giá thành xây dựng nhà cao tầng rất cao.
Các liên kết sẽ rất phức tạp, khi thi công và tuổi thọ không cao.
Sàn vẫn phải đổ bê tông cốt thép để chống rung, tăng sức chịu tải.
Chống cháy kém, chi phí bảo trì lớn.
Do vậy, quy trình tính toán kết cấu xây dựng khung nhà bê tông cốt thép, kết cấu hỗn hợp (cốt cứng, ống thép nhồi bêtông), kết composite. . . vẫn là kết cấu thích hợp nhất, hơn nữa, chúng ngày càng được cải thiện theo hướng, về cường độ và những tính năng ưu việc khác (độ linh hoạt, độ cứng nhanh, chỏng co ngót, chống cháy. . . ).
Quy trình thiết kế thi công xây dựng nhà cao tầng của những đơn vị chuyên ngành, chỉ ta sử dụng kết cấu phổ biến hiện nay, cũng như số tầng thích hợp của mỗi dạng kết cấu đó. Lưu ý là có nhiều công trình nhà ở dân dụng, do yêu cầu sử dụng, do tính chất đặc thù vẫn được thiết kế theo kicu kết hợp nhiều sơ đồ với nhau. Vấn đề là làm thế nào để có được một tác phẩm kết cấu tối ưu nhất tùy thuộc vào khả năng, tâm huyết của những đơn vị chuyên ngành có uy tín, kinh nghiệm được giao nhiệm vụ. Cũng vì thế, hầu như việc thiết kế nhà cao tầng được giao thầu, không đấu thầu.
Phần tiếp theo sẽ phân tích một số sơ đồ kết cấu của những dạng nhà chọc trời, đã được thiết kế thực tế. Cần lưu ý rằng những phần mềm tính toán công trình lớn hiện nay đéu đủ giúp chúng ta thiết kế được hệ chịu lực. Vấn để còn lại là kinh nghiệm.

Các hệ thống nhà nhiều tầng hiện tại và tương lai
Thập kỹ vừa qua đã chứng kiến một sự đa dạng rõ nét về các quy trình thiết kế kiến trúc thi công xây dựng nhà nhiều tầng. Có khuynh hướng tương thích giữa dạng mặt bằng của các tòa nhà với mạng lưới quy hoạch đô thị có sẵn bàn cờ cùng những ràng buộc khác về địa điểm. Có khuynh hướng tương thích với sự đa dạng trong các khối đứng để phù hợp với một táp hợp các nhà cao tầng lân cận và để đảm bảo được tầm nhìn và ánh sáng. Khuynh hướng thứ ba là sử dụng các hình khối sao cho tạo được một hình thức riênR của công trình mang tính nànụ độnẹ và thấm mỹ, theo đó, các góc cạnh và những chỗ lồi lõm cục bộ của mặt tien thưởno được sử dụng đê gán kết cho khớp với tổng thể chung. Do đó, các khuynh hướng thiết kế này thường đưa đến hệ quả là công trình cao tầng sẽ có một hình thể không đối xứng. Sự đa dạng của các lớp ống bằng đá, sự kết hợp giữa đá, bêtông đúc sẵn cùno nhiều loại vật liệu khác đã có sự tiến bộ vượt trội theo thời gian. Kiến trúc mặt tiền thưởng là sự tổng hợp vổ bản chất của màu sắc, kết cấu và sự trang trí. Sự tiến bộ của việc thiết kè’ các hẻ chịu lực hợp lý đã hướng dẫn đến khía cạnh "tổng hợp và thích ứng, theo đó, những bộ phận hay toàn bộ hệ kết cấu đã được nghiên cứu nhàm tạo được một hè chịu lưc tổng thế phù hợp với những nét đặc trưng trên mặt bằng từng công trình cụ thể. Những khái niệm về sự làm việc của hệ thống chịu lực ngang, chủ yếu cíã là ba chiều, có thể xét đốn cả sự tương hỗ giữa các bộ phận chịu lực khác nhau. Trọng tám điểm của những tiến bộ này có được từ việc plìát triển những phần mềm công suất lớn, đa nănc,, để giải quyết các vấn đê phức tạp lớn về kết cấu không gian. Những nghiên cứu về ánh hưởna sió (wind tunnel) trong những tác phẩm cần được thiết kế sơ bộ trước đã trở thành bước cần thiết trong quá trình thực hiện một thiết kế hoàn chỉnh (chi tiết).
Một số loại hệ chiu lưc tiên tiến đã giới thiệu ở trên, vẫn chắc chắn tiếp tục phát triển tốt trong thế kỹ tới được tiếp tục phân tích rõ hơn:
Quy trình thiết kế xây dựng hệ kết cấu chịu lực của nhà cao tầng bê tông cốt thép
Sàn nấm, với cột; Số tầng max = 10
Sàn nấm, với vách cứng (thay cột); Số tầng max = 15
Sàn nấm, với vách cứng, có cột; Số tầng max = 20
Sàn dầm, với vách cứng; Số tầng max = 25
Khung cứng; Số tầng max = 25
Cột Ông bộ' trí theo chu vi, sàn dầm; Số tầng max = 30
Khung cứng và hệ thống vách; Số tầng max = 50
Lõi cứng chịu lực; Số tầng max = 40
Khung cứng và hệ thống vách, dầm có vách; Số tầng max = 50
Khung cứng và hệ thống vách; Số tầng max = 60
Hệ dàn tầng với ống; biên; Số tầng max = 70
Hệ ống theo chu vi, dàn tầng kết hợp lõi cứng trong (ống trong ống); Số tầng max = 80
Hệ thống ống chéo bên ngoài hay xuyên tâm; Số tầng max = 90
Bó ống; Số tầng max = 120