Gỗ là một trong những vật liệu xây dựng lâu đời nhất trên thế giới. Các công trình khung gỗ đã tồn tại qua nhiều thế kỷ, và phần lớn các công trình dân cư hiện nay vẫn được xây dựng bằng gỗ xẻ tiêu chuẩn. Gỗ là vật liệu bền chắc, nhẹ, bền vững, có thể khai thác trong nước và thi công hiệu quả. Tuy nhiên, trong phần lớn thế kỷ trước, gỗ phần nào đã bị thay thế bởi thép, bê tông và gạch đá như hệ thống kết cấu chính. Nhưng xu hướng này đang dần thay đổi. Gỗ đang quay trở lại trong thiết kế xây dựng nhờ vào vẻ đẹp tự nhiên và tính thân thiện với môi trường. Tuy nhiên, sự suy giảm phổ biến của gỗ trong vài thập kỷ qua đã tạo ra một số thách thức mà các kiến trúc sư và kỹ sư phải vượt qua để đáp ứng nhu cầu ngày càng tăng của công trình xây dựng bằng gỗ.
Trên thị trường xây dựng ngày nay, xu hướng sử dụng kết cấu gỗ nhẹ và gỗ nặng trong các công trình hỗn hợp, nhà ở nhiều hộ, tòa nhà thương mại và thậm chí cả trường học đang ngày càng phát triển. Không chỉ do sự xuất hiện của các sản phẩm và hệ thống xây dựng bằng gỗ mới, mà các kiến trúc sư và chủ đầu tư còn nhận thấy mọi người yêu thích vẻ đẹp tự nhiên của gỗ. Là những người thiết kế, chúng ta cần làm quen lại với việc xây dựng bằng gỗ. Các sản phẩm gỗ mới như dầm gỗ dán (glulam) và tấm gỗ nhiều lớp chéo (CLT) cho phép xây dựng các công trình cao hơn và bền chắc hơn — nếu người thiết kế chấp nhận sử dụng chúng.
Vậy tại sao lại phải tốn công thiết kế công trình bằng gỗ khi thép, bê tông và gạch đá đã được tin dùng từ lâu? Hóa ra, gỗ có nhiều lợi ích hơn là chỉ về mặt thẩm mỹ.
Dù các nguyên lý kỹ thuật cơ bản đối với gỗ tương tự như với các vật liệu xây dựng khác, nhưng hành vi, liên kết và khả năng của nó có thể rất khác biệt. Nhiều loại gỗ có đặc tính cơ học, cách liên kết và hệ khung khác nhau rất lớn. Việc có quá nhiều lựa chọn và biến số có thể gây bối rối khi muốn tìm một phương án xây dựng đơn giản, đồng thời cũng khiến khó tích lũy được kinh nghiệm thực tiễn toàn diện. Tuy nhiên, chính sự đa dạng này cũng cho phép gỗ hữu dụng ở những khía cạnh mà các vật liệu khác không thể đáp ứng. Gỗ rất linh hoạt, dễ thay đổi trong thực tế thi công hoặc tạo ra các cấu kiện đặc biệt. Khi các sản phẩm mới như CLT và dầm glulam tùy biến xuất hiện, khả năng thiết kế các công trình nhẹ, đẹp mắt và ít lãng phí vật liệu được mở rộng.
Độ bền là yếu tố thường bị bỏ qua trong xây dựng bằng gỗ. Gỗ có khả năng chịu tải tạm thời do gió hoặc động đất cao hơn nhiều so với khả năng chịu tải tĩnh được thiết kế. Theo thiết kế LRFD, các vật liệu gỗ được quy định trong Tiêu chuẩn Thiết kế Quốc gia (NDS) có sức chịu tải thiết kế cho gió và động đất cao hơn 160% so với tải trọng sống. Theo ASCE 7-10, nhà khung gỗ nhẹ có hệ số giảm chấn động đất cao nhất trong số các vật liệu hoặc hệ khung xây dựng. Hiệu suất cao này là do trọng lượng nhẹ và số lượng lớn các liên kết nhỏ hơn nhiều so với hệ kết cấu thép hay gạch đá (ICC, 2015). Các công trình gỗ khối (mass timber) như CLT cho sàn và tường đã vượt các yêu cầu về chống nổ và thậm chí được sử dụng trong các căn cứ quân sự (WoodWorks, 2017).
Dầm glulam, như trong công trình mở rộng tại nhà thờ St. John of Rochester, thường được lựa chọn trong thiết kế vì vẻ đẹp thẩm mỹ. Không chỉ hiệu quả về chi phí và bền vững, các cấu kiện gỗ này còn có thể được gia công theo hình dạng rất tùy chỉnh, kết hợp vẻ đẹp kiến trúc với hiệu quả kết cấu.
Một mối quan tâm rõ ràng khi xây dựng bằng gỗ là nguy cơ cháy. Mặc dù gỗ chắc chắn dễ cháy hơn thép hay bê tông, nhưng điều đó không đồng nghĩa với việc nó không thể hoạt động hiệu quả khi xảy ra hỏa hoạn. Ít ai biết rằng, gỗ lớn (heavy timber) có thể chịu cháy tốt hơn hệ khung không cháy. Khi gỗ cháy thành than, lớp than sẽ tạo ra một lớp bảo vệ, làm chậm sự suy giảm vật liệu và giảm lượng nhiên liệu có sẵn cho đám cháy (AWC, 2014). Hiệu ứng này cũng xảy ra với sản phẩm gỗ kỹ thuật như dầm/cột glulam và CLT. Các công trình khung gỗ nhẹ vẫn có thể đáp ứng các tiêu chuẩn khắt khe về chống cháy của Bộ luật Xây dựng Quốc tế (IBC) nếu được xây dựng đúng với lớp hoàn thiện, vách ngăn và hệ thống phun nước chữa cháy (Jeffrey B. Stone, 2015).
Nói cách khác, tính dễ cháy của gỗ không nhất thiết là yếu tố hạn chế, miễn là được thiết kế phòng cháy đúng cách.
Bộ luật xây dựng thường giới hạn chiều cao tối đa tùy vào loại kết cấu và mục đích sử dụng. Theo IBC 2015, nhà gỗ lớn (heavy timber) chỉ được phép xây tối đa 6 tầng hoặc chiều cao mái trung bình 85 feet so với mặt đất. Những giới hạn này hiện nghiêm ngặt hơn so với trước đây. Chẳng hạn, trụ sở công ty chúng tôi nằm trong một tòa nhà khung gỗ lịch sử cao 7 tầng ở trung tâm Rochester. Tuy nhiên, trên thế giới, các công trình mới đang vượt xa các giới hạn hiện hành. Các phương pháp thay thế và thử nghiệm vật liệu mới như CLT đang giúp các kỹ sư và cơ quan thẩm định chấp nhận thiết kế dựa trên hiệu suất cụ thể thay vì các giới hạn chung. Năm 2015, một tòa nhà căn hộ cao 14 tầng, cao 173 foot — được mệnh danh là “plyscraper” — đã trở thành công trình khung gỗ cao nhất thế giới. Ngoài việc phá vỡ giới hạn chiều cao, công trình này còn giúp tiết kiệm hơn 2.600 tấn CO₂ so với kết cấu bê tông và thép tiêu chuẩn (Lewis, 2017).
Xét về môi trường, xây dựng xanh là một trong những lợi ích lớn nhất khi sử dụng gỗ. Năm 2013, tòa nhà Cebula Hall tại Đại học Saint Martin’s ở Lacey, Washington trở thành công trình LEED cao điểm nhất tại Tây bán cầu (97/100 điểm). Ngoài các giải pháp xanh khác như sưởi địa nhiệt và pin mặt trời, công trình còn được ghi điểm nhờ sử dụng gỗ bền vững được chứng nhận bởi Hội đồng Quản trị Rừng FSC (Jones, 2013). Cũng tại Washington, Quận học Bethel là nơi có mức tiêu hao năng lượng trên mỗi học sinh thấp nhất khu vực, nhờ vào việc cả 23 công trình đều sử dụng khung gỗ. Quận này hưởng lợi từ khả năng cách nhiệt tốt của gỗ — không truyền nhiệt mạnh như thép hay bê tông — và cho phép “cách nhiệt vượt chuẩn”. Việc tiết kiệm chi phí nhờ không dùng khung thép cũng giúp họ mua được thiết bị cơ khí tiết kiệm năng lượng hơn (WoodWorks, 2012).
Chi phí luôn là một trong những yếu tố thuyết phục nhất — và có nhiều cách mà thiết kế gỗ giúp tiết kiệm. Không chỉ rẻ hơn, gỗ còn giúp tiết kiệm năng lượng trong suốt vòng đời công trình. Thống kê cho thấy nhà khung gỗ nhẹ có thể tiết kiệm tới 30% chi phí so với khung thép. Gỗ sẵn có, dễ gia công tại hiện trường. Kỹ thuật xây dựng nhà dân dụng phổ biến cũng giúp giảm chi phí lao động lành nghề và giúp các nhà thầu dễ dàng làm việc với gỗ.
Với công trình gỗ lớn, tuy nhiên, chi phí vật liệu không phải lúc nào cũng rẻ. Các sản phẩm gỗ kỹ thuật như PSL, glulam hay CLT thường đắt hơn so với kết cấu thép tương đương. Tuy nhiên, vì nhẹ hơn và được gia công sẵn phù hợp để thi công, chúng thường rút ngắn thời gian và nhân công. Trong bối cảnh hiện nay, xây dựng công trình gỗ cao tầng chưa chắc đã rẻ hơn. Nhưng khi sản phẩm mới và phương pháp xây dựng dần được phổ biến và chấp nhận trong quy chuẩn, thì tiết kiệm thời gian và nhân lực sẽ giúp công trình gỗ lớn dần tiệm cận hiệu quả của nhà khung gỗ nhẹ.
Mặc dù thiết kế gỗ khối vẫn còn được xem là kỹ năng chuyên biệt, và khung gỗ nhẹ chủ yếu dành cho nhà ở, nhưng các kỹ sư và kiến trúc sư đang dần thay đổi quan điểm. Việc học hỏi là điều tất yếu khi các sản phẩm và phương pháp mới xuất hiện, nhất là khi cả đội ngũ cần được thuyết phục về tính thực tiễn của thay đổi. Nhưng đó chính là điều tôi hy vọng sẽ xảy ra. Ngày càng có nhiều người muốn thiết kế, xây dựng và sống trong các công trình bằng gỗ, và cần có thêm nhiều người trong ngành cùng nỗ lực để hiện thực hóa điều đó.
Theo: labellapc.com/