Công nghệ BIM giúp đẩy nhanh tiến độ, giảm chi phí xây dựng

Mô hình thông tin công trình (Building Information Modeling - BIM) đang là xu hướng công nghệ tất yếu của ngành xây dựng hạ tầng trong bối cảnh hội nhập và phát triển. Việc ứng dụng BIM với tiến trình tạo dựng và sử dụng mô hình kỹ thuật số cho công việc thiết kế, thi công và cả quá trình quản lý vận hành, bảo trì công trình giúp tăng năng suất lao động, chất lượng, hiệu quả công việc, góp phần giảm thiểu chất thải xây dựng và được đánh giá là công nghệ mũi nhọn của ngành Xây dựng nhằm phát triển hạ tầng số, nền tảng số thuộc Chương trình Chuyển đổi số Quốc gia đến năm 2025, định hướng đến năm 2030 đã được Thủ tướng Chính phủ phê duyệt tháng 6/2020.

TRONG CÔNG TÁC QUẢN LÝ DỰ ÁN

BIM là xu hướng công nghệ tất yếu trong ngành Xây dựng và đã được thông qua tại Quyết định số 2500/QĐ-TTg ngày 22/12/2016 của Thủ tướng Chính phủ phê duyệt Đề án áp dụng mô hình BIM trong hoạt động xây dựng các công trình cơ sở hạ tầng, công trình cầu và quản lý vận hành công trình. Theo đó, giai đoạn 2017 - 2019 thực hiện công tác tuyên truyền nâng cao nhận thức, đào tạo và thí điểm áp dụng BIM, hướng đến áp dụng rộng rãi BIM kể từ năm 2021.

Theo TS. Tạ Ngọc Bình - Bộ Xây dựng, việc áp dụng BIM hướng tới mục tiêu thực hiện tiết kiệm ít nhất 30% về chi phí quy đổi tổng hợp; từ các chủ thể có liên quan thực hiện áp dụng BIM; tăng cường tính minh bạch và thuận lợi trong quản lý, kiểm soát chất lượng hoạt động xây dựng; quản lý vận hành công trình cơ sở hạ tầng, công trình cầu. Trong đó, chi phí xây dựng tiết kiệm khoảng 10%, giảm lãng phí về vật liệu xây dựng khoảng 20%; giảm thời gian thi công xây dựng khoảng 10% so với tiến độ được phê duyệt; giảm thời gian thiết kế, điều chỉnh thiết kế khoảng 10%; giảm các yêu cầu sửa đổi do sự không phù hợp của thiết kế khoảng 40%.

Dự án Công nghệ BIM sử dụng nguồn vốn viện trợ không hoàn lại của Chính phủ Úc cho Bộ GTVT đang trong quá trình hoàn thiện hồ sơ dự án để thẩm định, phê duyệt. Tuy nhiên, do hiện nay chưa cân đối bố trí được nguồn vốn nên chưa được phê duyệt, dự kiến sẽ triển khai thực hiện khi có điều kiện về nguồn vốn. Mặt khác, đối với công tác ứng dụng các phần mềm, công nghệ trong mô hình thông tin công trình BIM là lĩnh vực mới đối với ngành GTVT nên hiện chưa có các định mức, đơn giá được xây dựng.

ỨNG DỤNG CỦA BIM TRONG THIẾT KẾ CÁC CÔNG TRÌNH HẠ TẦNG GIAO THÔNG

Được chấp nhận nhiều nơi trên thế giới bởi các tổ chức khác nhau, khái niệm BIM được Ủy ban Tiêu chuẩn BIM tại Mỹ (NBIMS) định nghĩa như sau: "Mô hình thông tin công trình - BIM là sự biểu diễn bằng cách số hóa các thuộc tính vật lý và chức năng của công trình, chia sẻ nguồn tri thức các thông tin của công trình, tạo một cơ sở đáng tin cậy cho các quyết định trong suốt vòng đời từ ý tưởng ban đầu cho đến khi dỡ bỏ nó".

Tekla Structures là một giải pháp tích hợp trong việc mô hình hóa tham số cho công trình cầu (BrlM) cho thiết kế tất cả các dạng, kích thước và vật liệu của cầu. Với sự hài lòng ở mức độ cao, khách hàng khẳng định rằng Tekla Structures là giải pháp BrIM mạnh mẽ nhất và hiệu quả nhất hiện nay. Điều này là do mô hình được xây dựng theo phương pháp tiếp cận phối hợp các công cụ và các quy trình, từ đó cung cấp cho khách hàng cả những thiết kế phức tạp như cầu theo đường cong đôi.

Với công nghệ BIM, công trình xây dựng được thể hiện trên môi trường 3D; các đối tượng có thuộc tính về hình học và vật liệu; bản vẽ 2D sẽ được tạo từ mô hình 3D.

Các bộ phận thiết kế, thi công, giám sát có thể truy cập và cập nhật dữ liệu chung duy nhất. Các thay đổi trên mô hình luôn được cập nhật cho tất cả các bộ phận. Với công nghệ BIM, cốt lõi của dự án là mô hình số 3D, một mô hình mà tất cả các kỹ sư và nhà thiết kế có thể thể hiện các ý đồ thiết kế. Từ mô hình, tất cả các bản vẽ được khởi tạo theo yêu cầu. Mô hình sẽ được cập nhật trong suốt quá trình thiết kế để đạt được mô hình thiết kế cuối cùng. Vì thế, các xung đột và lỗi thiết kế sẽ được phát hiện sớm và được sửa chữa. Các lỗi trong quá trình thi công sẽ gây ra phát sinh chi phí rất lớn nên việc phát hiện sớm ngay trong giai đoạn thiết kế đóng vai trò vô cùng quan trọng.

Thêm vào đó, một mô hình trực quan giúp giải quyết các vấn đề về đọc bản vẽ 2D mà trước đây thường mắc phải, đặc biệt với các bộ phận tham gia không có nền tảng kỹ thuật như các bộ phận quản lý. Với mô hình trực quan trên 3D, các mặt của vấn đề dễ dàng hơn được xem xét bởi các bộ phận quản lý công, chính phủ.

Không giống như phương pháp thiết kế truyền thống trên 2D mô tả các đối tượng qua các đường line (đường thẳng, cong, polyline…), mô hình BIM mô tả các đối tượng có thuộc tính. Các đối tượng có thể được tiêu chuẩn hóa, lấy từ thư viện hoặc Internet. Các kỹ sư thuộc các bên khác nhau, mô hình các đối tượng theo nhiệm vụ của mình và có thể chia sẻ, phối hợp làm việc trên nền tảng dữ liệu chung.

Mô hình BIM là công cụ vô cùng có giá trị để giảm chi phí do lỗi thiết kế. Thống kê từ Na Uy cho thấy, ít nhất 4% tổng chi phí các dự án hạ tầng là do lỗi thiết kế. Với BIM, chi phí này liên tục được giảm xuống.

Trong lĩnh vực thiết kế các công trình cầu, hầm, các đối tượng thiết kế mang tính kết cấu như kết cấu thép, kết cấu bê tông cốt thép. Phần mềm Tekla Structures của hãng Tekla Corp là giải pháp BIM hàng đầu trong lĩnh vực này.

Việc ứng dụng BIM tại Việt Nam từ chỗ chủ yếu được thực hiện một số dự án có yếu tố nước ngoài tham gia (do nước ngoài đầu tư hoặc thuê tư vấn quản lý dự án, thiết kế nước ngoài). Đến nay, nhiều cơ quan, tổ chức trong nước (chủ đầu tư, tư vấn, nhà thầu xây lắp) đã bắt đầu quan tâm, xem xét, triển khai do thấy được lợi ích BIM có thể mang lại. Tại Việt Nam, ngày càng nhiều chủ đầu tư cũng như nhà thầu, công ty tư vấn giám sát sử dụng BIM cho dự án như: Dự án tuyến metro 1: Bến Thành - Suối Tiên, tuyến metro 2: Bến Thành - Tham Lương, cầu Sài Gòn 2, cầu Vàm Cống, hầm Thủ Thiêm…

Mô hình BIM đã được ứng dụng trong thiết kế, thi công cầu Thủ Thiêm 2 (TP. Hồ Chí Minh), Dự án Cầu Rào II... Dự án Cầu Rào II có tổng mức đầu tư 661 tỷ đồng, trong đó khoản vay vốn ODA Phần Lan là 24,45 triệu EUR (600 tỷ đồng). Công ty MTHojgaard (Đan Mạch) cho hay, mô hình 3D giúp cho tất cả các bên tiết kiệm thời gian một cách đáng kể. MTHojgaard đã thực hiện nhiều buổi họp trực tuyến với các bộ phận từ các nước khác nhau và trao đổi thông tin trên mô hình dự án đã sử dụng.

Dự án Cầu Rào II sử dụng BIM cho thiết kế bản vẽ thi công kết cấu bê tông cốt thép, kết cấu thép và trao đổi thông tin giữa các bộ phận công trường, văn phòng thiết kế. Các phiếu yêu cầu thông tin được phản hồi nhanh chóng cho nhà thầu tại công trường dựa trên mô hình 3D. Việc thiết kế trên mô hình 3D BIM đã giúp nhà thầu tránh được các xung đột giữa cốt thép và các kết cấu chờ, giữa cốt thép và kết cấu thép, bản vẽ thiết kế chính xác, đầy đủ, đảm bảo dự án thực hiện đúng tiến độ.

Khả năng ứng dụng của công nghệ BIM trong thiết kế và quản lý các công trình xây dựng cơ sở hạ tầng. So với cách thức thiết kế truyền thống, công nghệ BIM cho năng suất vượt trội với độ chính xác cao, việc giảm sai sót ngay từ khâu thiết kế đảm bảo việc thi công tại công trường được chính xác, đúng tiến độ. Việc ứng dụng công nghệ BIM còn vượt ra ngoài phạm vi công tác thiết kế, trong quản lý xây dựng và vận hành công trình. Tại các nước phát triển, chính phủ hỗ trợ ngân sách và khuyến khích việc ứng dụng công nghệ BIM như Phần Lan, Mỹ, Singapore để giảm giá thành xây dựng và tiết kiệm năng lượng, phát triển bền vững.

Rào cản lớn nhất đối với việc triển khai ứng dụng công nghệ BIM là chi phí đầu tư bản quyền phần mềm, chi phí và thời gian đào tạo nhân lực tiếp nhận công nghệ, hành lang pháp lý và các văn bản hướng dẫn.

Để việc triển khai công nghệ BIM được rộng rãi không những cần sự đầu tư thích đáng từ phía doanh nghiệp mà còn cần sự khuyến khích hỗ trợ từ các cơ quan quản lý nhà nước trong việc tạo ra các hành lang pháp lý, tài liệu hướng dẫn; khuyến khích hướng tới bắt buộc áp dụng trong các dự án công.

Nhìn chung, ứng dụng KHCN trong giai đoạn chuẩn bị dự án, thực hiện dự án xây dựng công trình giao thông của các cơ quan, đơn vị chức năng, đặc biệt của các ban quản lý dự án còn hạn chế, vẫn theo phương pháp truyền thống, chưa sử dụng Mô hình thông tin công trình (BIM), các phần mềm ứng dụng còn nhỏ lẻ và rời rạc.

ỨNG DỤNG CỦA BIM TRONG GIAI ĐOẠN THI CÔNG

Ứng dụng BIM trong giai đoạn gia công, chế tạo: Mô hình Tekla được sử dụng để xuất các bản vẽ gia công chế tạo và bản vẽ lắp dựng của kết cấu thép công trình cầu. Mô hình thiết kế trên 3D giúp đảm bảo tính chính xác trong chế tạo, các cấu kiện được định vị khớp nhau khi gia công.

Mô hình Tekla còn được dùng để xuất dữ liệu số (file NC) giúp các nhà gia công gia tăng mức độ tự động hóa trong chế tạo; giảm thời gian nhập dữ liệu đầu vào cho máy CNC.

Theo cách truyền thống, cốt thép được gia công và lắp đặt tại hiện trường. Điều này chịu ảnh hưởng của yếu tố thời tiết, không gian làm việc gây tốn kém thời gian và nhân lực, lãng phí vật tư. Một xu hướng mới trong xây dựng là cốt thép được cắt và buộc tại nhà máy. Việc này đòi hỏi công tác thiết kế chi tiết cốt thép phải chính xác.

Nhà sản xuất mô hình cốt thép 3D trên phần mềm Tekla Structures tìm ra các lỗi thiết kế hoặc các trở ngại trong lắp dựng. Dữ liệu từ mô hình thiết kế 3D được kết nối với các phần mềm ERP và hệ thống sản xuất đưa xuống máy cắt, uốn cốt thép.

Ứng dụng BIM trong giai đoạn thi công: Người dùng có thể mô hình tất cả các thành phần từ kết cấu chính đến kết cấu phụ và kết cấu tạm như cần trục tháp, hàng rào bảo vệ, văn phòng công trường… trên mô hình BIM.

Mô hình BIM cũng được sử dụng cho lên kết hoạch và kiểm soát tiến độ. Bóc tách khối lượng và mua sắm vật tư vì mô hình BIM chứa các thông tin về đối tượng từ kích thước hình học đến chủng loại, số lượng vật tư. Từ mô hình có thể trích xuất chính xác vật tư phục vụ thi công (thể tích bê tông, khối lượng cốt thép, diện tích ván khuôn). Đặc biệt với công trình cầu khi dạng hình học của đối tượng và cốt thép khá phức tạp, việc tự động trích xuất khối lượng từ mô hình BIM giúp làm giảm đáng kể thời gian và công sức của kỹ sư công trường.

Lập tiến độ và kết nối với mô hình: Theo cách truyền thống, tiến độ thi công và bản vẽ không có sự kết nối. Kỹ sư tính toán khối lượng thủ công dựa trên bản vẽ 2D rồi nhập vào các phần mềm lập tiến độ như MSProject hoặc Primavera hoặc thực hiện bằng MSExcel. Với mô hình BIM, tiến độ được kết nối với đối tượng trên mô hình, nhờ đó đầu mục công việc kết nối với đối tượng, khối lượng công việc (thể tích bê tông, diện tích ván khuôn…) từ mô hình được cập nhật vào đầu mục công việc trên tiến độ. Tiến độ chi tiết cho từng hạng mục được tính ngược trở lại mô hình. Trên mô hình, các đối tượng được đặt màu tự động theo trạng thái thi công (đã thi công, chuẩn bị được thi công hay đã hoàn thành). Điều này cho phép kỹ sư hiện trường hay công nhân dễ dàng hình dung các công việc cần được triển khai; những bất hợp lý trong việc lập tiến độ cũng dễ được phát hiện.

Biện pháp thi công và kho vận: Mô hình BIM được sử dụng làm công cụ bố trí vị trí cần cẩu, kết cấu tạm và bãi tập kết vật tư. Đặc biệt đối với các công trường có mặt bằng thi công chật hẹp với nhiều thiết bị xuất hiện, mô hình 3D giúp việc bố trí thiết bị trực quan tránh xung đột.

Trắc đạc: Mô hình 3D BIM cho phép tạo ra các điểm định vị cần thiết trong công tác trắc đạc, dữ liệu trắc đạc được xuất ra từ mô hình 3D đảm bảo tính chính xác và giảm thời gian nhập liệu cho máy định vị.

Như trình bày ở phần trên, tại Việt Nam, BIM đã được chủ đầu tư cũng như nhà thầu, công ty tư vấn giám sát sử dụng BIM cho quá trình xây dựng dự án như: Dự án tuyến metro 1, tuyến metro 2, cầu Sài Gòn 2, cầu Vàm Cống, hầm Thủ Thiêm, cầu Thủ Thiêm 2 (TP. Hồ Chí Minh), Dự án Cầu Rào II, Dự án nhà để xe ga quốc nội sân bay Tân Sơn Nhất...

Ứng dụng BIM cho các dự án cơ sở hạ tầng tuy được áp dụng sau các công trình xây dựng dân dụng nhưng đang phát triển với tốc độ nhanh chóng. Kết quả báo cáo "Hiệu quả kinh doanh của việc ứng dụng BIM cho dự án cơ sở hạ tầng" của McGraw-Hill Construction cho biết: 67% các công ty đã sử dụng BIM thấy rõ được hiệu quả so với vốn đầu tư (ROI); các công ty sử dụng ứng dụng BIM cho các dự án cơ sở hạ tầng có tốc độ tăng trưởng gấp đôi (từ 27% lên 46%); 89% đơn vị đang sử dụng BIM và sẽ tiếp tục dùng BIM cho các dự án hạ tầng sắp tới của họ; 78% doanh nghiệp chưa sử dụng BIM rất hứng thú sử dụng BIM cho các dự án mới.

Nhìn chung, mô hình BIM đã được ứng dụng rộng rãi do những ưu điểm nổi bật như: nhanh chóng đưa ra nhiều phương án thiết kế để phân tích chọn phương án tối ưu, giảm thiểu lãng phí, thúc đẩy nhanh tiến độ của công trình, giảm thiểu xung đột trong quá trình thi công...