Ứng dụng mô hình hóa thông tin xây dựng trong triển khai dự án cầu

ª KS. Phạm Tuyên Huấn ª TS. Nguyễn Duy Tıến Trường Đại học Giao thông vận tải Người phản biện: TS. Nguyễn Hữu Thuấn TS. Ngô Văn Minh

Tóm tắt: Ở một số quốc gia, việc sử dụng BIM trở thành bắt buộc với các các công trình có tính chất quan trọng, đặc biệt. Tuy nhiên, việc ứng dụng ở Việt Nam hiện còn chưa phổ biến, đặc biệt trong công trình giao thông. Bài báo trình bày những ưu, nhược điểm của việc ứng dụng công nghệ này trong triển khai dự án cầu ở Việt Nam và giới thiệu một ví dụ áp dụng công nghệ BIM trong thiết kế công trình cầu.

Từ khóa: Mô hình hóa thông tin xây dựng, BIM, thiết kế cầu.

Abstract: Building Information Modeling (BIM) is a commonly used technology in construction development and implementation in the world. In some countries the use of BIM is a must for construction of high importance. In Vietnam, especially in transport construction, its application is not yet widespread however. This article presents the pros and cons of the application of this technology in bridge project development in Vietnam and shows one application example of BIM technology in bridge design. 

Keywords: Building Information modeling, BIM, bridge design.

1. Đặt vấn đề

Nhiều năm qua, việc thiết kế các dự án xây dựng công trình cầu ở Việt Nam (và thế giới trước đây) thường được thực hiện theo quy trình từng bước truyền thống. Quy trình này được sơ đồ hóa ở Hình 1.1.

Hình 1.1: Các bước thiết kế công trình theo cách truyền thống

Quá trình thực hiện thiết kế dự án theo quy trình này có tính kế thừa kém. Cụ thể, tuy sản phẩm thiết kế ở các bước thực chất là việc mô tả cùng công trình, chỉ khác nhau về mức độ chi tiết (sơ bộ, kĩ thuật, bản vẽ thi công). Tuy nhiên, trong thực tế, các bước thiết kế sau kế thừa được rất ít sản phẩm thiết kế của bước trước và trong phần lớn trường hợp phải thực hiện lại hầu như toàn bộ quá trình thiết kế. Sau khi đã hoàn thành công tác thiết kế, nhà thầu căn cứ vào bản vẽ thiết kế để triển khai bản vẽ thi công chi tiết cho từng kết cấu. Sau khi thi công hoàn thành, nhà thầu lập hồ sơ hoàn công và chuyển giao cho chủ đầu tư. Nếu có bất kỳ sự cố nào phát sinh trong quá trình thi công dẫn đến không thi công được đều dẫn đến việc phải điều chỉnh lại thiết kế ban đầu.

 Đây là kết quả của việc các đơn vị cùng tham gia vào dự án nhưng lại không chia sẻ chung một cơ sở dữ liệu về công trình. Ngoài ra, đơn vị thực hiện triển khai xây dựng công trình (nhà thầu) lại thường tiếp cận công trình rất muộn, ít có cơ hội tham gia góp ý, điều chỉnh, thay đổi thiết kế để đảm bảo tính khả thi. Người sử dụng công trình (thường là người dân) do không có kiến thức về các bản vẽ kĩ thuật hai chiều nên không tưởng tượng được công trình trên hồ sơ thiết kế truyền thống, dẫn đến không có nhiều khả năng đóng góp ý tưởng để đảm bảo tính năng sử dụng, tính thẩm mĩ trong quá trình khai thác công trình sau này.

Hình 1.2: Tương tác đơn tuyến giữa các công đoạn của quá trình thiết kế

Trong nội bộ quá trình thiết kế, các công đoạn khác nhau bao gồm: Lập thuyết minh báo cáo, triển khai bản vẽ, bản tính, lập dự toán và KCS có mối quan hệ chồng chéo (Hình 1.2) do không chia sẻ chung một cơ sở dữ liệu. Điều này dẫn đến các cập nhật, chỉnh sửa của một công đoạn có thể không được đồng bộ hóa sang các công đoạn khác, làm mất tính thống nhất của thiết kế.

Để cải tiến mô hình thực hiện một dự án, yếu tố cần thiết bao gồm:

- Thứ nhất: Cần xây dựng được một cơ sở dữ liệu chung, chuẩn cho tất cả các bên tham gia và dự án.

- Thứ hai: Cải thiện việc trao đổi thông tin, dữ liệu giữa các đơn vị tham gia vào dự án, đưa nhà thầu và người sử dụng công trình tiếp cận sớm hơn vào dự án ngay từ bước thiết kế.

Đây chính là các cơ sở để phát triển công nghệ mô hình hóa thông tin xây dựng trong triển khai các dự án xây dựng công trình.

2. Giới thiệu về mô hình hóa thông tin trong xây dựng - BIM

BIM là chữ viết tắt của Building information modeling (Mô hình thông tin xây dựng). BIM tiến trình tạo dựng, sử dụng và quản lý công trình ở tất cả các bước, hợp nhất các khía cạnh và thành phần tham gia vào dự án. Mô hình số sử dụng trong công nghệ BIM không chỉ bản vẽ kỹ thuật mà thực chất là một cơ sở dữ liệu số, lưu trữ tất cả các thông tin, dữ liệu về dự án, công trình (Hình 2.1).

Hình 2.1: Các bên tham gia vào mô hình BIM

 

Trong quá trình phát triển, công nghệ BIM đã trải qua các mô hình từ đơn giản đến phức tạp, tương ứng với sự phát triển chung của công nghệ máy tính. Quá trình phát triển của công nghệ BIM được tóm lược ở Hình 2.2.

- Mô hình BIM 2D: Quá trình lưu trữ thông tin về công trình và dự án trên các bản vẽ CAD thông thường.

- Mô hình BIM 3D: Mô hình trong đó các thông số kỹ thuật: Kích thước, vật liệu, vị trí… của các bộ phận công trình được trình bày trong một mô hình 3D.

- Mô hình BIM 4D: Mô hình 3D có bổ sung thêm thời gian.

- Mô hình BIM 5D: Mô hình 4D có bổ sung chi phí xây dựng theo vòng đời công trình.

Hình 2.2: Các bước phát triển của mô hình BIM

 

Trong mô hình thông tin xây dựng, các thông tin về kích thước, thông số kĩ thuật, thông tin về giá thành, khả năng thi công, tiến độ thi công, nhu cầu huy động vật tư, nhân lực… của từng bộ phận công trình được tích hợp trong một cơ sở dữ liệu thống nhất, có thể dễ dàng truy cập, điều chỉnh. Từ đó, các bên tham gia vào dự án có thể lựa chọn, thay đổi và bổ sung các thuộc tính cho công trình; cơ sở dữ liệu do một bên thay đổi được tự động cập nhật vào cơ sở dữ liệu chung, đảm bảo tính thống nhất của dự án.

Hình 2.3: Các công đoạn của mô hình BIM trong triển khai dự án

 3. Các ưu điểm chính của việc ứng dụng mô hình BIM trong triển khai dự án xây dựng cầu

3.1. Thúc đẩy hợp tác sớm

BIM thúc đẩy hợp tác trong giai đoạn đầu của một dự án giữa các thành viên trong nhóm thông qua việc sử dụng các thông tin phù hợp và đầy đủ hơn, hiệu quả hơn so với các phương pháp truyền thống. Điều này cho phép các quyết định thiết kế được thực hiện tối ưu hóa toàn tòa nhà tại một giai đoạn mà ít tốn kém để phân tích, thay vì phương pháp truyền thống của việc tối ưu hóa các thành phần riêng lẻ. Điều này sẽ giảm thiểu sự cần thiết phải thực hiện thay đổi sau này trong việc thiết kế hoặc trong quá trình xây dựng khi ngay cả những thay đổi nhỏ có thể có tác động rất lớn trên cả chi phí xây dựng và chi phí vòng đời của tòa nhà. Hình 3.1 minh họa ưu điểm này.

Hình 3.1: Thúc đẩy hợp tác sớm giữa các giai đoạn công trình

 

3.2. Xây dựng mô hình tham số

Các thông tin xây dựng trong mô hình BIM là các thông tin tham số, có thể thay đổi theo ý người dung. Khi có nhu cầu cần sửa lại thiết kế, mô hình thì các đối tượng liên quan: Khối lượng, bản vẽ và tính toán sẽ được cập nhật lại. Điều này sẽ rất hiệu quả với các thiết kế phải sửa đổi nhiều trong quá trình phê duyệt cũng như thi công thực tế.

3.3. Chất lượng

Mô hình BIM cho phép các bên tham gia vào dự án có cơ hội tiếp xúc sớm với dự án, đồng thời dễ dàng nhận ra những điểm thiết kế sai theo chuyên môn, chức năng của mỗi bên. Điều này giúp cho thiết kế chính xác, giảm thiểu khả năng mắc lỗi của dự án.

3.4. Hiệu quả kinh tế

BIM có thể mang lại các lợi ích kinh tế cho tất cả các bên liên quan. Ví dụ, đầu tư vào công nghệ BIM vào đội ngũ thiết kế thường liên quan đến một số chi phí ban đầu, tuy nhiên có tiềm năng lớn để giảm chi phí thiết kế và sản xuất thông qua sử dụng hiệu quả hơn về thời gian và sự hiển thị tốt hơn. Nhà thầu có thể được hưởng lợi từ việc sử dụng BIM thông qua sự phối hợp tốt hơn, chi phí lập dự toán và quản lý mua sắm tốt hơn, sử dụng BIM cho tự động hóa chế tạo trong công xưởng và lập kế hoạch chính xác hơn, có thể cung cấp cho các công trường xây dựng sạch hơn và an toàn hơn và rút ngắn thời gian thi công. Chủ sở hữu có thể được hưởng lợi từ BIM thông qua việc đạt được sự chắc chắn hơn trong các kết quả đầu ra liên quan đến chi phí dự án và thời gian điều mà có thể được ước tính tốt hơn khi BIM 4D và BIM 5D được tích hợp vào quá trình trước đó.

4. Ví dụ thực hiện các bước thiết kế theo công nghệ BIM cho cầu vượt Lê Hồng Phong - Hải Phòng và phân tích các ưu điểm

Để tạo dựng một mô hình BIM áp dụng trong thiết kế, thông thường cần trải qua 3 cấp độ mô hình chính:

- Mô hình kiến trúc: Khi dự án ở bước ý tưởng, các kỹ sư, kiến trúc sư có thể hiểu ý tưởng thông qua mô hình kiến trúc.

- Mô hình tính toán: Sau khi phương án được phê duyệt về mặt kiến trúc, các kỹ sư kết cấu sẽ chuyển từ mô hình kiến trúc sang mô hình tính toán để kiểm tra tính khả thi cũng như chịu lực của công trình.

- Mô hình cấu tạo: Các kỹ sư chuyển từ mô hình tính sang mô hình kết cấu cụ thể với các cấu tạo, liên kết và cốt thép cho mô hình. Từ mô hình kết cấu sẽ xuất ra khối lượng cũng như cấu tạo chi tiết và gần thực tế xây dựng.

Mô hình kến trúc của dự án được thực hiện bằng phần mềm Sketchup cho hình dung 3 chiều ban đầuvề dự án nhưHình 4.1.

Hình 4.1: Mô hình kiến trúc phương án cầu

Mô hình này cho phép chủ đầu tư, nhà thầu và người dân (người sử dụng công trình) có hiểu biết ít về các bản vẽ kỹ thuật 2D dễ dàng hình dung và lựa chọn thiết kế kiến trúc thích hợp với cảnh quan, điều kiện thực tế vị trí xây dựng công trình.

Mô hình bản vẽ kiến trúc sau khi được chấp thuận, chuyển sang giao thức IFC chuẩn, lưu trữ những thiết kế cơ sở về dự án, công trình như: Chiều dài, kích thước kết cấu.

Mô hình này được bổ sung hoàn thiện về mặt chi tiết bố trí cốt thép bản mặt cầu, các mặt cắt thanh chịu lực, vật liệu sử dụng, liên kết giữa các kết cấu chính bằng phần mềm Tekla-Structure 20. Kết quả mô hình được thể hiện ở Hình 4.2 và một lần nữa thông tin được cập nhật vào cơ sở dữ liệu chung của cầu (lưu trữ dạng giao thức IFC).

Hình 4.2: Mô hình bản vẽ phương án cầu

Từ mô hình bản vẽ phương án cầu và cơ sở dữ liệu đã được cập nhật, sử dụng phần mềm phân tích kết cấu SCIA Engineer thực hiện điều chỉnh các vị trí liên kết để xây dựng mô hình tính toán thích hợp với phương án cầu như Hình 4.3 và 4.4.

Hình 4.3: Điều chỉnh vị trí để có liên kết thích hợp

Hình 4.4: Mô hình phân tích - tính toán

 

5. Kết luận

Từ ví dụ trên đây, chúng ta có thể thấy việc thiết kế theo truyền thống bao gồm các công đoạn triển khải bản vẽ thiết kế, tính toán thiết kế và dựng bản vẽ kiến trúc vốn được thực hiện riêng rẽ nay khi áp dụng công nghệ BIM đã cho phép sử dụng chung một cơ sở dữ liệu được mã hóa trên một giao thức chung (IFC). Việc chuyển đổi từ mô hình này sang mô hình kia có nhiều tính kế thừa, chỉ cần bổ sung thêm các chỉnh sửa, không cần phải triển khai lại từ đầu. Điều này giúp tiết kiệm thời gian và tăng hiệu quả của dự án.

Như vậy, quy trình BIM không chỉ cải thiện việc quản lý chung của dự án mà còn giúp cải thiện từng khâu của dự án dựa trên việc xây dựng một mô hình thông tin chung về công trình và cho phép sử dụng mô hình này cho tất cả các bên và các khâu của dự án.

 Tài liệu tham khảo

[1]. Ngô Văn Minh (01/2015), Ứng dụng mô hình hóa thông tin xây dựng trong thiết kế cầu, Hội thảo khoa học về Ứng dụng mô hình hóa thông tin xây dựng trong thiết kế công trình cầu ở Việt Nam, Trường Đại học GTVT.

[2]. Bộ GTVT (2005), Tiêu chuẩn thiết kế cầu 22TCN-272-05.

[3]. Randy Deustch (2010), BIM and Integrated Design, The American Institute of Architects, John Wiley & Sons, Inc.

[4]. Jason Underwood and Um it Iskdag (2012), Building Information Modeling and Construction Informatics - Concepts and Technologies, Information Science Reference, Hershey, New York.