Ứng dụng công nghệ BIM trong tư vấn thiết kế công trình thủy lợi

TUYEÅN TAÄP KEÁT QUAÛ KHOA HOÏC & COÂNG NGHEÄ 2017 - 2018 456 VIEÄN KHOA HOÏC THUÛY LÔÏI MIEÀN NAM ỨNG DỤNG CÔNG NGHỆ BIM TRONG TƯ VẤN THIẾT KẾ CÔNG TRÌNH THỦY LỢI BIM TECHNOLOGY APPLICATION IN THE DESIGN OF HYDRAULIC CONSTRUCTIONS PGS. TS. Tô Văn Thanh, ThS. Doãn Văn Huế, ThS. Nguyễn Hồng Hà, ThS. Nguyễn Trọng Tuấn, ThS. Phan Quý Anh Tuấn, ThS. Lương Quốc Tuấn, ThS. Doãn Quốc Quyền, ThS. Cao Quang Vinh TÓM TẮT Hiện nay trên thế giới có nhiều định nghĩa khác nhau về mô hình thông tin công trình BIM (Building Information Modeling). Tuy nhiên một cách chung nhất có thể hiểu BIM là tiến trình tạo dựng và sử dụng mô hình thông tin kỹ thuật số cho các công tác từ thiết kế, thi công đến quản lý vận hành công trình. Việc áp dụng quy trình BIM sẽ cho phép thông tin và dữ liệu được sản xuất dưới dạng số, tạo điều kiện thuận lợi cho sự trao đổi, hợp tác giữa các bên tham gia. Để tiếp cận với cuộc cách mạng công nghệ 4.0 đang được triển khai trong toàn ngành, Viện Khoa học Thủy lợi miền Nam đã đi đầu trong việc ứng dụng công nghệ BIM trong thiết kế công trình thủy lợi, kết quả bước đầu đạt được thể hiện ở 2 dự án: Đập ngăn mặn trên sông Cái Nha Trang và Cống âu thuyền Ninh Quới tỉnh Bạc Liêu đã được các cơ quan quản lý, chủ đầu tư đánh giá cao, góp phần rõ nét để rút ngắn thời gian thiết kế và kiểm soát chất lượng, khối lượng công trình và tạo nền tảng cơ sở dữ liệu ban đầu cho công tác thiết kế các công trình tiếp theo. ABSTRACT Nowadays, there are many different definitions of building information modeling (BIM). However, the most common way to understand BIM is the process of creating and using the digital information model for designing, building and management operating constructions. The application of the BIM process will allow information and data to be produced digitally, facilitating exchanges and cooperation between related parties. In order to approach to the Industrial Revolution 4.0 in irrigation sector, the Southern Institute for Water Resources Research (SIWRR) has taken the lead in applying BIM technology in the design of hydraulic constructions. Currently, there are two projects: Dam to prevent salt water intrusion on Cai River, Nha Trang Province and Ninh Quoi Sluice in Bac Lieu Province have been high appreciated by the authorities and investors. These projects contribute significantly to shorten the design time, to control the quality and quantity of construction as well as to create an initial database platform for the design of subsequent constructions. 1. GIỚI THIỆU TỔNG QUAN VỀ BIM Hiện nay, việc ứng dụng công nghệ đối với các đơn vị tham gia vào hoạt động đầu TUYEÅN TAÄP KEÁT QUAÛ KHOA HOÏC & COÂNG NGHEÄ 2017 - 2018 VIEÄN KHOA HOÏC THUÛY LÔÏI MIEÀN NAM 457 tư xây dựng chưa được thống nhất, đơn lẻ, rời rạc, thiếu tính liên thông giữa các đơn vị, giữa các khâu trong quá trình lập kế hoạch, thiết kế, phân tích lựa chọn phương án, quản lý, điều hành thi công, nghiệm thu hoàn thành, khai thác vận hành công trình, cũng như việc kiểm soát hồ sơ (việc lưu trữ các thông tin công trình bằng thủ công, trên giấy tờ lưu kho làm hạn chế khi cần tra cứu thông tin, chia sẻ thông tin, thất lạc hồ sơ) và tham mưu, quyết định giải quyết các công việc tương ứng với các quá trình trên còn mất nhiều thời gian, chưa mang lại hiệu quả như mong muốn. Để khắc phục những vấn đề bất cập nêu trên, một số nước trên thế giới (Mỹ, Nhật Bản, Phần Lan, Singapore,) đã ứng dụng thành công mô hình thông tin xây dựng BIM (Building Information Modeling) vào công tác quản lý công trình xây dựng từ lúc lập kế hoạch cho đến khi hoàn thành, khai thác vận hành công trình (toàn bộ vòng đời dự án, công trình), mang lại hiệu quả to lớn. BIM cho phép mô phỏng thực tế công trình dự kiến sẽ được xây dựng trong tương lai gần (tỷ lệ 1:1) để các bên tham gia điều chỉnh từ ý tưởng, xử lý các bất hợp lý (trong quá trình thiết kế kỹ thuật), xem xét và lựa chọn được giải pháp thi công hợp lý (trong quá trình thiết kế bản vẽ thi công), và lập kế hoạch, dự toán từ nó. Bằng cách này, các đối tác tham gia dự án có thể xem xét trước, đánh giá hiệu quả và phê duyệt từ tổng thể đến từng chi tiết của dự án trước khi thực hiện. Cũng có thể hiểu, BIM là một giải pháp quản lý toàn diện từ thiết kế, thi công cho đến vận hành và bảo trì dự án. Hình 1. Sơ đồ nguyên tắc cơ bản triển khai BIM trong dự án đầu tư xây dựng Khi nói về BIM nhiều người nghĩ rằng đơn giản nó là một sản phẩm phần mềm, thực tế công nghệ BIM không bó hẹp trong việc diễn tả một thiết kế kiến trúc hay việc tạo ra một mô hình 3D trình bày phối cảnh của công trình sau khi công trình đã được thiết kế xong. BIM không đơn thuần chỉ là một mô hình 3D mà BIM là tiến trình tạo dựng và sử dụng mô hình kỹ thuật số cho công việc thiết kế, thi công và cả quá trình thực hiện dự án. Những phần mềm chuyên ngành đơn giản chỉ là cơ cấu, công cụ để tiến TUYEÅN TAÄP KEÁT QUAÛ KHOA HOÏC & COÂNG NGHEÄ 2017 - 2018 458 VIEÄN KHOA HOÏC THUÛY LÔÏI MIEÀN NAM trình BIM được thực hiện. BIM chứa đựng những thay đổi mang tính cách mạng trong việc thông tin của công trình xây dựng được tạo ra, thể hiện, và sau này được sử dụng trong quá trình xây dựng. Do hợp nhất được thông tin từ tất cả các khía cạnh của quá trình xây dựng công trình nên BIM có thể làm tăng hiệu quả sử dụng và tính sẵn có của các thông tin này lên gấp nhiều lần. Với khả năng kết hợp thông tin các bộ phận công trình với các thông tin về định mức, đơn giá, tiến độ thi công, chế độ bảo dưỡng vận hành, BIM mang lại những thay đổi mang tính cách mạng trong việc tạo ra, thể hiện và sử dụng thông tin của công trình xuyên suốt các quá trình thiết kế, xây dựng và vận hành. Khả năng gắn kết và hợp nhất thông tin từ tất cả các công đoạn của công trình làm BIM ngày càng trở thành xu hướng tất yếu của ngành xây dựng để tối ưu hóa việc thiết kế, thi công và quản lý công trình. 2. LỢI ÍCH BIM 2.1. Tổng thể BIM giúp tăng khả năng phối hợp thông tin, tăng sự hợp tác giữa các bên có liên quan và cung cấp một cái nhìn tổng thể, rõ ràng về công trình (từ tổng quát đến chi tiết) giúp các bên liên quan đến dự án đưa ra các quyết định phù hợp, giảm thiểu rủi ro và nâng cao hiệu quả công việc. Kết nối Chủ đầu tư, các đơn vị tư vấn thiết kế và các nhà thầu thi công trên cùng một mô hình BIM. Khả năng này giúp giảm thời gian thiết kế, giảm thời gian điều chỉnh thiết kế mỗi khi có yêu cầu thay đổi từ Chủ đầu tư, giảm thiểu các lỗi thông số kỹ thuật trong hồ sơ thiết kế, giảm thời gian lập kế hoạch, giảm chi phí đầu tư xây dựng. Nhờ khả năng kết nối này, cho phép các bên liên quan tham gia dự án xây dựng sẽ làm việc cùng với nhau trong một không gian chung, trên cùng một mô hình để giải quyết các vấn đề kỹ thuật như: xác định các bất hợp lý trong thiết kế (liên quan đến kết cấu, kiến trúc, cơ điện) và đưa ra giải pháp xử lý các bất hợp lý đó một cách thống nhất trong thời gian ngắn nhất. Nhờ đó, giảm được tối đa các chi phí phát sinh ở trên công trường. Nhờ khả năng kết nối này, những thông tin liên quan đến việc thay đổi thiết kế khi đã được cập nhật trên mô hình BIM sẽ được tự động cập nhật trên các mô hình thành phần, trên các bản vẽ, bảng thống kê và trên các tiêu chuẩn kỹ thuật của dự án, Việc này giúp duy trì tính thống nhất và xuyên suốt của dòng thông tin. Nhờ khả năng kết nối này, các thành viên của dự án có thể nắm bắt được các thành viên khác đang làm gì với công trình một cách rõ ràng và do đó họ có nhiều ảnh hưởng hơn đối với công việc của các thành viên khác. Điều này đặc biệt hữu ích trong trường hợp “va chạm, xung đột” có thể dẫn đến việc “chồng chéo mặt trận công tác (stacking of trades)” - khu vực mà hai nhà thầu khác nhau dự kiến lắp đặt thiết bị hoặc vật liệu trong cùng một không gian, đôi khi cùng một thời gian. Trên thực tế, để giải quyết tình hình này thì phải yêu cầu một nhà thầu dỡ bỏ vật liệu và lắp đặt lại hoặc phải đợi chờ để có được mặt bằng thi công. Tuy nhiên nếu đưa các vấn đề về “va chạm, xung đột” này vào trong mô hình BIM thì vấn đề này hoàn toàn có thể lường trước được và có thể đưa ra giải pháp xử lý trước khi các công việc được tiến hành. TUYEÅN TAÄP KEÁT QUAÛ KHOA HOÏC & COÂNG NGHEÄ 2017 - 2018 VIEÄN KHOA HOÏC THUÛY LÔÏI MIEÀN NAM 459 2.2. Thiết kế dễ hình dung hơn Chủ đầu tư nắm bắt được trọn vẹn ý tưởng thiết kế từ các đơn vị tư vấn thiết kế. Nhờ hiệu ứng hình ảnh không gian ba chiều của BIM, việc truyền tải ý tưởng kiến trúc được thực hiện một cách có hiệu quả hơn rất nhiều. Nói một cách khác, thông qua mô hình, chủ đầu tư của dự án có thể dễ dàng khái quát hình dạng của công trình, các khoảng không gian quan trọng, và sự hòa hợp của công trình với cảnh quan xung quanh. Chủ đầu tư có thể dễ dàng nhìn ra được công trình của mình sẽ thực tế như thế nào trong tương lai. Nhờ vậy, chủ đầu tư không những hiểu được ý tưởng thiết kế một cách tốt hơn mà còn dễ dàng phản hồi thông tin đến nhà tư vấn kiến trúc để tư vấn kiến trúc có thể sửa đổi thiết kế sao cho đáp ứng yêu cầu mà mình mong muốn. Mỗi Nhà thầu, thông qua mô hình 3D, hình dung được mức độ phức tạp của phần việc mình đảm nhận như thế nào để từ đó đưa ra các biện pháp thi công hợp lý. Việc này sẽ rất khó khăn nếu chỉ dựa vào các bản vẽ thiết kế 2D. Mô hình 3D đặc biệt hiệu quả đối với các Nhà thầu cơ điện khi triển khai thiết kế bản vẽ thi công các hệ thống cơ điện một cách chính xác. Việc thiết kế bản vẽ thi công chính xác không những giúp cho việc thi công nhanh mà còn giúp cho việc cung ứng vật tư thuận lợi. 2.3. Tính linh hoạt Với BIM, rất dễ dàng để điều chỉnh thiết kế. Khi có một sự thay đổi ở mô hình BIM thì nó sẽ tự động cập nhật tất cả các bản vẽ thành phần mà bị ảnh hưởng bởi sự thay đổi đó. Ví dụ, nếu tiền sảnh được bố trí thêm vào tầng một trên mô hình BIM, tất cả các bản vẽ thể hiện tầng một cũng sẽ hiển thị các chi tiết cần thiết để xây dựng tiền sảnh. Một khi sự thay đổi được thực hiện với mô hình BIM thì sẽ không cần thiết phải có những sự điều chỉnh thủ công trên từng bản vẽ thành phần nữa. Các nhà thiết kế đơn giản chỉ cần in bản vẽ xây dựng mới ra. 2.4. Cải thiện tính toán chi phí BIM có thể đơn giản hóa và giúp việc tính toán chi phí do thông tin có tính chiều sâu và chính xác mà nó cung cấp. Mối liên hệ dễ dàng với vật liệu và số chi tiết lắp đặt có thể xuất ra từ mô hình có thể cải thiện tốc độ và độ chính xác của việc ước tính, đưa ra những thay đổi về kiểu dáng thiết kế vì vậy các vấn đề về chi phí có thể được giải quyết một cách chủ động. 2.5. Giảm chi phí lắp đặt Trước khi quá trình lắp đặt tiến hành, BIM sẽ giúp xác định những chi tiết không thích hợp, ví dụ như các phần của bản thiết kế chiếm vị trí trùng nhau. Từ đó nhà thiết kế có thể điều chỉnh sớm hơn để giảm hay triệt tiêu các thay đổi trong quá trình lắp đặt. Mô hình BIM có thể được sử dụng để làm sẵn các chi tiết của công trình, ví dụ như là ống dẫn một cách đáng tin cậy. Điều này sẽ giúp tiết kiệm chi phí liên quan đến lắp ráp và lắp đặt. TUYEÅN TAÄP KEÁT QUAÛ KHOA HOÏC & COÂNG NGHEÄ 2017 - 2018 460 VIEÄN KHOA HOÏC THUÛY LÔÏI MIEÀN NAM 2.6. Lịch sử công trình Khi một công trình được thông qua khâu thiết kế, lắp đặt và được sử dụng, mô hình kĩ thuật số có thể được dùng như một thông tin quan trọng cho chủ sở hữu và nhà thầu dịch vụ. Ví dụ, nếu một chi tiết công trình bị hỏng, mô hình thông tin công trình có thể được sử dụng để xác định vị trí, nhà sản xuất, số model, thông số vận hành và các dữ liệu thích hợp để sửa chữa một cách hiệu quả hay thay thế chi tiết đó. Nếu một phần công trình được làm lại mô hình mới, mô hình thông tin công trình sẽ được sử dụng để xác định các chi tiết kín, như ống dẫn và thiết bị điện để xúc tiến các quyết định trên mô hình thiết kế mới. 2.7. Lợi ích của BIM đối với đơn vị quản lý, vận hành công trình Sử dụng Mô hình thông tin công trình cho phép đơn giản hóa việc bàn giao thông tin liên quan tới thiết bị công trình. Trong suốt quá trình thi công nhà thầu đã tập hợp thông tin về vật liệu lắp đặt và bảo trì cho các hệ thống trong công trình. Các thông tin này có thể được liên kết tới đối tượng trong mô hình thông tin công trình, được bàn giao cho chủ đầu tư và có thể được sử dụng để kiểm tra tất cả hệ thống thiết bị công trình. Mô hình thông tin công trình là một nguồn thông tin chính xác và rất quan trọng cho việc quản lý và vận hành công trình. Nó có thể được tích hợp với hoạt động thiết bị và các hệ thống quản lý và được dùng như một nền tảng hỗ trợ cho việc giám sát các hệ thống kiểm soát thời gian thực để quản lý thiết bị từ xa và rất nhiều các khả năng khác. 3. CÁC ỨNG DỤNG BIM Các ứng dụng BIM phổ biến được liệt kê trong bảng 1 dưới đây [1] có thể triển khai được với công nghệ hiện tại. Chủ đầu tư và các bên liên quan có thể tham khảo để lựa chọn áp dụng phù hợp với nhu cầu và giai đoạn triển khai của dự án. Bảng 1. Một số ứng dụng BIM Nội dung áp dụng BIM Mô tả công việc Sản phẩm Xây dựng mô hình hiện trạng. Xây dựng mô hình BIM của hiện trạng công trường/dự án. Phối cảnh khu vực dự án, mặt bằng bố trí hiện trạng công trường tại thời điểm xem xét, thể hiện được địa hình, địa vật, các điều kiện và cơ sở vật chất tại công trường/dự án. Mô hình hóa thông tin công trình (3D) Chuyển đổi từ bản vẽ 2D sang mô hình BIM trong trường hợp chưa thực hiện thiết kế theo BIM. Mô hình BIM được dựng từ bản vẽ 2D đảm bảo được khả năng bóc tách được khối lượng công việc chủ yếu và nghiên cứu phương án thiết kế trong các giai đoạn, cung cấp các bản vẽ 2D cho các thành phần của công trình. TUYEÅN TAÄP KEÁT QUAÛ KHOA HOÏC & COÂNG NGHEÄ 2017 - 2018 VIEÄN KHOA HOÏC THUÛY LÔÏI MIEÀN NAM 461 Nội dung áp dụng BIM Mô tả công việc Sản phẩm Phối hợp đa bộ môn. Tích hợp các mô hình BIM riêng lẻ từng bộ môn vào mô hình liên kết. Xác định và giải quyết các xung đột thiết kế trước khi thi công. Cập nhật mô hình sau xử lý xung đột (nếu có yêu cầu) Mô hình BIM đã được phối hợp các bộ môn thiết kế, bảng báo cáo xung đột của các bộ môn. Mô hình mô phỏng trình tự thi công Lên kế hoạch trình tự xây dựng trên cơ sở BIM Bản tiến độ thi công, mô hình mô phỏng tiến trình thi công theo thời gian thực. Bố trí mặt bằng thi công công trình. Mô tả trực quan và xây dựng mô hình BIM cho hiện trạng công trường, dự kiến bố trí thiết bị, kho bãi, giao thông nội bộ công trường. Mô hình BIM bố trí mặt bằng thi công công trường tại thời điểm xem xét, thể hiện được các điều kiện, cơ sở vật chất tại công trường, phân bố giao thông nội bộ của công trường. Mô hình hoàn công công trình Bàn giao mô hình hoàn công cho chủ đầu tư để quản lý cơ sở, trang thiết bị Mô hình BIM hoàn công bao gồm thông tin về cơ sở vật chất, trang thiết bị tại công trường (lịch sử lắp đặt, danh mục, thông số kỹ thuật,...) Nhập thông tin dữ liệu và xây dựng kế hoạch bảo trì công trình. Nhập thông tin dữ liệu phục vụ quản lý vận hành và xây dựng kế hoạch bảo trì công trình. Mô hình BIM phục vụ quản lý vận hành công trình và kế hoạch bảo trì. Các công việc khác Theo yêu cầu cụ thể. Theo yêu cầu cụ thể. 4. ỨNG DỤNG BIM TRONG CÔNG TÁC THIẾT KẾ Thông qua mô hình 3D, đơn vị thiết kế có thể trình bày đầy đủ và trọn vẹn ý tưởng, phương án thiết kế cho dự án. Từ đó, các đơn vị khác như chủ đầu tư, quản lý dự án, sẽ đóng góp ý kiến để tối ưu hóa dựa trên một mô hình “thực”, toàn bộ dữ liệu dự án được số hóa và quản lý bằng hệ thống thông tin chuyên dụng nhằm giảm thiểu việc mất mát dữ liệu và giúp cho việc truy xuất được thực hiện nhanh chóng. Hình 2. Mô hình 3D phương án đề xuất xây dựng Đập ngăn mặn Sông Cái - Nha Trang TUYEÅN TAÄP KEÁT QUAÛ KHOA HOÏC & COÂNG NGHEÄ 2017 - 2018 462 VIEÄN KHOA HOÏC THUÛY LÔÏI MIEÀN NAM Hình 3. Chi tiết trụ pin, khoang cống Đập ngăn mặn Sông Cái - Nha Trang Các xung đột, điểm bất hợp lý giữa các hạng mục, cấu kiện và chi tiết của bản vẽ 2D truyền thống sẽ không được phát hiện một cách đầy đủ trong quá trình thiết kế dẫn đến phải tốn thời gian và nhân lực để sửa đổi, điều chỉnh hoặc bổ sung trong giai đoạn thi công. Vấn đề này sẽ được giải quyết một cách triệt để khi thiết kế ngay từ đầu trên mô hình 3D. Hình 4. Chi tiết bố trí cọc, cửa van, cầu giao thông cống Ninh Quới, tỉnh Bạc Liêu TUYEÅN TAÄP KEÁT QUAÛ KHOA HOÏC & COÂNG NGHEÄ 2017 - 2018 VIEÄN KHOA HOÏC THUÛY LÔÏI MIEÀN NAM 463 Ngoài ra, công nghệ BIM cho phép trích xuất khối lượng trực tiếp từ mô hình 3D, Nếu so với thực hiện truyền thống là phải bóc khối lượng bằng thủ công thì BIM cho thấy được tính năng vượt trội, khối lượng sẽ được quản lý một cách chính xác và đầy đủ. 5. KIẾN NGHỊ Đề án áp dụng mô hình thông tin công trình (BIM) trong hoạt động xây dựng và quản lý vận hành công trình đã được Thủ tướng Chính phủ phê duyệt tại Quyết định số 2500/QĐ-TTg ngày 22/12/2016. Đến nay, Bộ Xây dựng đã công bố Chương trình khung đào tạo, bồi dưỡng áp dụng BIM trong giai đoạn thí điểm (Quyết định số 1056/QĐ-BXD ngày 11/10/2017) và Hướng dẫn tạm thời áp dụng BIM trong giai đoạn thí điểm (Quyết định số 1057/QĐ-BXD ngày 11/10/2017). Hiện nay trên thế giới có nhiều định nghĩa khác nhau về mô hình thông tin công trình BIM. Tuy nhiên một cách chung nhất có thể hiểu BIM là tiến trình tạo dựng và sử dụng mô hình thông tin kỹ thuật số cho các công tác từ thiết kế, thi công đến quản lý vận hành công trình. Việc áp dụng quy trình BIM sẽ cho phép thông tin và dữ liệu được sản xuất dưới dạng số, tạo điều kiện thuận lợi cho sự trao đổi, hợp tác giữa các bên tham gia. Để tiếp cận với cuộc cách mạng công nghệ 4.0 đang được triển khai trong toàn ngành, Viện Khoa học Thủy lợi miền Nam đã đi đầu trong việc ứng dụng công nghệ BIM trong thiết kế công trình thủy lợi, kết quả bước đầu đạt được thể hiện ở 2 dự án: Đập ngăn mặn trên sông Cái - Nha Trang và Cống âu thuyền Ninh Quới tỉnh Bạc Liêu đã được các cơ quan quản lý, chủ đầu tư đánh giá cao, góp phần rõ nét để rút ngắn thời gian thiết kế và kiểm soát chất lượng, khối lượng công trình và tạo nền tảng cơ sở dữ liệu ban đầu cho công tác thiết kế các công trình tiếp theo./. TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Bộ Xây dựng, Đề án áp dụng mô hình thông tin công trình (BIM) trong hoạt động xây dựng và quản lý vận hành công trình, 2016. [2] Viện Khoa học Thủy lợi miền Nam, Dự án xây dựng Đập ngăn mặn trên sông Cái Nha Trang, 2017. [3] Viện Khoa học Thủy lợi miền Nam, Dự án xây dựng Cống âu thuyền Ninh Quới tỉnh Bạc Liêu, 2018. [4] Standard, P. A. S. 1192-2: 2013. Specification for information management for the capital/delivery phase of construction projects using building information modelling. [5] Standard, B. S. 1192: 2007+ A2: 2016. Collaborative production of architectural, engineering and construction information–Code of practice. [6] BIM Forum (2016). Level of Development (LOD) Specification. [7] Workgroup, BIM Guide. “Singapore BIM Guide” Guide, Building and Construction Authority, BIM Steering Committee (2013). Phản biện: PGS. TS. Võ Khắc Trí