Tài liệu Nghiên cứu ứng dụng công nghệ bim cho công trình cầu nguyễn hoàng thành phố tam kỳ

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA ---------- oOo ---------- NGUYỄN MINH MỸ NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG CÔNG NGHỆ BIM CHO CÔNG TRÌNH CẦU NGUYỄN HOÀNG THÀNH PHỐ TAM KỲ LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ THUẬT Kỹ thuật xây dựng công trình giao thông Đà Nẵng, 2018 ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA ---------- oOo ---------- NGUYỄN MINH MỸ NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG CÔNG NGHỆ BIM CHO CÔNG TRÌNH CẦU NGUYỄN HOÀNG THÀNH PHỐ TAM KỲ Chuyên ngành: Kỹ thuật xây dựng công trình giao thông Mã số: 85.80.205 LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ THUẬT Kỹ thuật xây dựng công trình giao thông NGƢỜI HƢỚNG DẪN KHOA HỌC: TS.CAO VĂN LÂM Đà Nẵng, 2018 LỜI CAM ĐOAN Tôi cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi. Các số liệu, kết quả nêu trong luận văn là trung thực và chưa từng được ai công bố trong bất kỳ công trình nào khác. . TÁC GIẢ LUẬN VĂN Nguyễn Minh Mỹ LỜI CẢM ƠN Trƣớc hết tôi xin chân thành gửi lời cảm ơn đến Ban giám hiệu nhà trƣờng, quý thầy cô trƣờng Đại học Bách khoa Đà Nẳng, đặc biệt là các thầy cô Khoa Xây dựng cầu đƣờng đã tận tình giảng dạy và tạo điều kiện giúp đỡ tôi trong quá trình học tập và hoàn thành khóa học. Tôi xin gửi lời cảm ơn trân trọng đến thầy TS. Cao Văn Lâm, kỹ sƣ Nguyễn Khắc Duy đã tận tình trực tiếp chỉ bảo và hƣớng dẫn tôi trong suốt quá trình thực hiện Luận văn này. Xin chân thành cảm ơn các thầy cô trong tiểu ban luận văn đã cho tôi những góp ý quý báu để hoàn chỉnh Luận văn. Tôi xin đƣợc bày tỏ lòng biết ơn đến gia đình và gửi lời cảm ơn tới bạn bè, đồng nghiệp đã luôn quan tâm chia sẻ, động viên tôi trong suốt thời gian thực hiện Luận văn. Mặc dù rất cố gắng, song luận văn vẫn không tránh khỏi những hạn chế và sai sót. Kính mong nhận đƣợc sự góp ý của các thầy cô cùng các bạn đồng nghiệp! TÁC GIẢ LUẬN VĂN Nguyễn Minh Mỹ NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG CÔNG NGHỆ BIM CHO CÔNG TRÌNH CẦU NGUYỄN HOÀNG - THÀNH PHỐ TAM KỲ Học viên: Nguyễn Minh Mỹ Chuyên ngành: KTXD công trình giao thông Mã số: 60.58.02.25 Khóa: K33 - Trƣờng Đại học Bách khoa - ĐHĐN Tóm tắt – Ngày nay với sự phát triển vƣợt bậc của công nghệ thông tin, để giảm thiểu tối đa chi phí, nhân công và thời gian ngày càng nhiều các công ty xây dựng trên thế giới và tại Việt Nam ứng dụng công nghệ BIM (Building Information Modeling) vì những lợi ích to lớn của nó mang lại trong cả vòng đời của một dự án. Đề tài nghiên cứu của tác giả hệ thống hóa và liên kết các phần mềm từ Infraworks – Revit – Navisworks và đƣa ra một mô hình ứng dụng công nghệ BIM để giúp cho các doanh nghiệp xây dựng tại Việt Nam thấy rõ đƣợc lợi ích của công nghệ BIM mang lại. Đồng thời tác giả cũng hy vọng ngày càng nhiều các doanh nghiệp xây dựng tại Việt Nam mạnh dạn đầu tƣ áp dụng công nghệ BIM để nâng cao hiệu quả trong ngành xây dựng, từng bƣớc vƣơn lên ngang bằng với các doanh nghiệp trên thế giới chỉ có nhƣ vậy mới có thể cạnh tranh đƣợc trong một môi trƣờng ngày càng khốc liệt của ngành xây dựng. Từ khóa – Công nghệ, BIM. APPLICATION RESEARCH BIM TECHNOLOGY FOR NGUYỄN HOÀNG BRIDGE - TAM KỲ CITY Abstract - Nowadays, with the beyond development of Information Technology, to save mostly labor cost and duration in controling construction projects, many Construction Companies in the World (include Vietnam) apply Building Information Modeling (B.I.M) technology because of its huge advantages. To assist a number of Construction Companies in Vietnam understand more about advantages of B.I.M, research topic of Writer systemize and link the software from Infraworks – Revit – Navisworks and give application model BIM technology. Furthermore, the Writer realy hopes that in the future many Construction Companies in Vietnam will apply B.I.M Technology, step by step reach to the class of Construction Companies in the World. It seems the only way to compete in a more and more difficult economic environment of Construction Industry.. Key words – Technology, BIM. MỤC LỤC MỞ ĐẦU......................................................................................................................... 7 1. Lý do chọn đề tài .........................................................................................................1 2. Mục tiêu nghiên cứu ....................................................................................................2 2.1. Mục tiêu tổng quát ....................................................................................................2 2.2. Mục tiêu cụ thể .........................................................................................................2 3. Đối tƣợng và phạm vi nghiên cứu ...............................................................................2 3.1. Đối tƣợng nghiên cứu ............................................................................................... 2 3.2. Phạm vi nghiên cứu ..................................................................................................2 4. Phƣơng pháp nghiên cứu ............................................................................................. 2 CHƢƠNG I . . TỔNG QUAN VỀ ỨNG DỤNG CÔNG NGHỆ BIM TRONG XÂY DỰNG ............................................................................................................................. 4 1.1. GIỚI THIỆU VỀ CÔNG NGHỆ BIM .....................................................................4 1.1.1. Định nghĩa BIM .....................................................................................................4 1.1.2. Quá trình hình thành và phát triển .........................................................................6 1.2. TÌNH HÌNH ỨNG DỤNG CÔNG NGHỆ BIM TRÊN THẾ GIỚI VÀ TẠI VIỆT NAM ................................................................................................................................ 8 1.2.1. Tình hình ứng dụng công nghệ BIM ở các nƣớc trên thế giới .............................. 8 1.2.2. Tình hình ứng dụng công nghệ BIM tại Việt Nam ............................................. 10 1.2.2.1. Cơ quan quản lý nhà nƣớc về xây dựng ...........................................................11 1.2.2.2. Đơn vị chủ đầu tƣ .............................................................................................12 1.2.2.3. Đơn vị tƣ vấn ....................................................................................................12 1.2.2.4. Đơn vị nhà thầu xây dựng ................................................................................14 1.2.2.5. Đơn vị khác ......................................................................................................15 1.3. LỢI ÍCH CỦA CÔNG NGHỆ BIM TRONG CÁC NGÀNH XÂY DỰNG .........15 1.3.1. Đối với chủ đầu tƣ ............................................................................................... 16 1.3.2. Đối với đơn vị tƣ vấn thiết kế ..............................................................................16 1.3.3. Đối với đơn vị quản lý dự án ...............................................................................17 1.3.4. Đối với nhà thầu thi công xây dựng, lắp đặt thiết bị công trình .......................... 17 1.3.5. Đối với đơn vị quản lý, vận hành công trình .......................................................18 1.3.6. Đối với cơ quan quản lý nhà nƣớc về xây dựng ..................................................18 1.4. NHỮNG THÁCH THỨC TRONG ỨNG DỤNG CÔNG NGHỆ BIM Ở VIỆT NAM .............................................................................................................................. 19 1.4.1 Về chủ trƣơng ....................................................................................................... 19 1.4.2. Về chính sách ......................................................................................................19 1.4.3. Về quy trình, đào tạo ........................................................................................... 20 1.4.4. Về công cụ, giải pháp công nghệ.........................................................................21 1.5. KẾT LUẬN. ...........................................................................................................21 CHƢƠNG 2: CƠ SỞ KHOA HỌC CỦA ỨNG DỤNG CÔNG NGHỆ BIM TRONG XÂY DỰNG ..................................................................................................22 2.1. CÔNG NGHỆ MÔ HÌNH 3D CAD THÔNG THƢỜNG ......................................22 2.2. HẠN CHẾ CỦA HỆ THỐNG CAD HAI CHIỀU .................................................22 2.3. SO SÁNH QUÁ TRÌNH LÀM VIỆC GIỮA BA CHIỀU BIM VỚI HAI CHIỀU CAD HIỆN NAY...........................................................................................................23 2.4. CÔNG NGHỆ MÔ HÌNH BIM 4D TRONG LẬP TIẾN ĐỘ THI CÔNG XÂY DỰNG ........................................................................................................................... 24 2.4.1. Mô hình 3D-BIM .................................................................................................24 2.4.2. Mô hình 4D-BIM .................................................................................................25 2.5. CÁC CÔNG CỤ PHẦN MỀM HỖ TRỢ ÁP DỤNG CÔNG NGHỆ BIM TRONG XÂY DỰNG .................................................................................................................. 25 2.5.1. Autodesk Revit .................................................................................................... 26 2.5.2. AutoCAD Civil 3D .............................................................................................. 28 2.5.2. Phần mềm Navisworks ........................................................................................ 30 2.5.3. Phần mềm Infraworks ......................................................................................... 32 2.6. QUY TRÌNH ỨNG DỤNG CÔNG NGHỆ BIM................................................... 33 2.7. KẾT LUẬN ............................................................................................................34 CHƢƠNG 3: ỨNG DỤNG CÔNG NGHỆ BIM CHO CÔNG TRÌNH CẦU NGUYỄN HOÀNG THÀNH PHỐ TAM KỲ, TỈNH QUẢNG NAM ....................35 3.1. TỔNG QUAN CÔNG TRÌNH NGHIÊN CỨU .....................................................35 3.1.1. Quy mô thiết kế ...................................................................................................35 3.1.2. Giải pháp thiết kế kết cấu .................................................................................... 36 3.1.2.1. Kết cấu nhịp ......................................................................................................36 3.1.2.2. Kết cấu phần dƣới............................................................................................. 36 3.1.3. Tổ chức thi công .................................................................................................. 36 3.1.3.1. Chuẩn bị mặt bằng ............................................................................................ 36 3.1.3.2. Thi công mố trụ cầu.......................................................................................... 37 3.1.3.3. Thi công kết cấu nhịp ....................................................................................... 37 3.1.3.4. Tiến độ thi công cầu ......................................................................................... 37 3.1.3.5. Các vấn đề cần lƣu ý......................................................................................... 37 3.2. ĐỀ XUẤT PHƢƠNG ÁN THIẾT KẾ BẰNG PHẦN MỀM INFRAWORKS .....38 3.2.1. Xây dựng mô hình tự nhiên tại ví trí xây dựng công trình cầu ........................... 38 3.2.2. Mô hình phƣơng án thiết kế cầu .........................................................................39 3.2.3. Tạo dựng kiến trúc cảnh quan xung quanh công trình ........................................40 3.2.4. Kết hợp Civil 3D, 3ds Max mô phỏng xe chạy ...................................................43 3.3. ỨNG DỤNG REVIT VÀ CIVIL 3D MÔ HÌNH CÔNG TRÌNH CẦU ................48 3.3.1. Nhập file từ Autocad vào revit phục vụ xây dựng mô hình công trình cầu .......48 3.3.2. Mô hình các bộ phận cầu ..................................................................................... 49 3.3.3. Mô hình kết cấu thép ........................................................................................... 52 3.3.4. Khung tên, nét in, trình bày bản vẽ ..................................................................... 54 3.4. ỨNG DỤNG NAVISWORKS QUẢN LÝ TIẾN ĐỘ THI CÔNG .......................56 3.4.1 Kiểm tra sự va chạm của kết cấu. .........................................................................56 3.4.2. Quản lý thông tin mô hình công trình .................................................................59 3.4.3. Trình diễn tiến độ thi công ..................................................................................59 3.5. Kết luận...................................................................................................................64 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ .....................................................................................65 1. KẾT LUẬN ...............................................................................................................65 2. KIẾN NGHỊ............................................................................................................... 65 DANH MỤC TÀI LIỆU THAM KHẢO ...................................................................67 DANH MỤC CÁC HÌNH Hình 1.4: Cầu Sài Gòn 2 áp dụng công nghệ BIM........................................................ 10 Hình 2.1. So sánh AUTOCAD và BIM .........................................................................24 Hình 2.2: Mô hình 3D-BIM........................................................................................... 24 Hình 2.3: Mô hình 4D-BIM........................................................................................... 25 Hình 2.4: Các phần mềm áp dụng công nghệ BIM .......................................................25 Hình 2.5: Sơ đồ thể hiện ứng dụng các phần mềm cho công trình cầu ......................... 26 Hình 2.6: Mô hình cầu giàn bằng phần mềm revit ........................................................ 26 Hình 2.7: Mô hình công trình cầu đƣờng bằng phần mềm Civil 3D............................. 28 Hình 2.8: Mô hình thi công cầu liên tục bằng phần mềm Navisworks ......................... 31 Hình 2.9: Mô hình công trình cầu bằng phần mềm Infraworks ....................................32 Hình 3.1: Phối cảnh đƣờng Điện Biên Phủ thành phố Tam Kỳ ....................................35 Hình 3.2: Sử dụng công cụ Model Builder tải dữ liệu mô hình dự án .......................... 38 Hình 3.3: Lấy dữ liệu địa hình tại khu vực xây dựng cầu .............................................38 Hình 3.4: Khai báo mặt cắt ngang cầu ..........................................................................39 Hình 3.5: Thiết kế đƣờng trong Infraworks ..................................................................39 Hình 3.6: Thiết kế cầu trong Infraworks .......................................................................40 Hình 3.7: Thêm các đối tƣợng: Cây xanh, nhà, cửa hàng dịch vụ, xe cộ….................40 Hình 3.8: Cầu Nguyễn Hoàng nhìn từ hƣớng Ga .......................................................... 41 Hình 3.9: Cầu Nguyễn Hoàng nhìn từ hƣớng đƣờng Lý Thƣờng Kiệt ......................... 41 Hình 3.10: Cảnh quan cầu nhìn từ hƣớng đƣờng dẫn ...................................................42 Hình 3.11: Cảnh quan cầu nhìn từ hƣớng đƣờng Nguyễn Hoàng .................................42 Hình 3.12: Phƣơng án kiến trúc đƣờng dẫn đầu cầu .....................................................42 Hình 3.13: Xuất file .IMX để nhập vào civil 3d............................................................ 43 Hình 3.14: Nhập file .IMX vào civil 3d ........................................................................43 Hình 3.15: Trên civil 3d xuất file .Vsp3d vào 3ds Max ................................................44 Hình 3.16: Khai báo mô hình xe chạy trong 3ds Max ..................................................44 Hình 3.17: Xuất file .DAE để nhập vào Infraworks ......................................................45 Hình 3.18: Nhập file đƣợc xuất từ 3ds Max vào lại Infraworks ...................................45 Hình 3.19: Khai báo di chuyển Camera ........................................................................46 Hình 3.20: Xuất phim trình diễn dự án..........................................................................46 Hình 3.21: Dùng công cụ Storyboard creator thiết lập các chế độ trình diễn dự án .....47 Hình 3.22: Mô hình xe chạy trên cầu ............................................................................47 Hình 3.23: Mô hình xe chạy theo đƣờng Nguyễn Hoàng .............................................48 Hình 3.24: Nhập File Autocad vào revit .......................................................................48 Hình 3.25: Dùng Family Metric Generic model mô hình các bộ phận cầu ..................49 Hình 3.26: Mô hình trụ cầu trên revit ............................................................................49 Hình 3.27: Mô hình mố cầu trên revit ...........................................................................49 Hình 3.28: Mô hình dầm Super - T trên revit ................................................................ 50 Hình 3.29: Mô hình bản mặt cầu và lề bộ hành ............................................................ 50 Hình 3.30: Đƣa mô hình các bộ phận cầu vào dự án ....................................................50 Hình 3.31: Mặt cắt các bộ phận kết cấu nhịp ................................................................ 51 Hình 3.32: Bố trí chung cầu .......................................................................................... 51 Hình 3.33: Bố trí thép trên mặt cắt 2D ..........................................................................52 Hình 3.34: Bố trí thép trực tiếp trên mô hình 3D .......................................................... 52 Hình 3.35: Mô hình cốt thép trụ cầu..............................................................................53 Hình 3.36: Mô hình cốt thép dầm cầu ...........................................................................53 Hình 3.37: Mô hình cốt thép mố cầu .............................................................................54 Hình 3.38: Tạo khung tên bản vẽ bằng Title block .......................................................54 Hình 3.39: Chỉnh sửa, trình bày các bản in ...................................................................55 Hình 3.40: Trình bày, in bản vẽ 2D trụ cầu ...................................................................55 Hình 3.41: Trình bày, in bản vẽ 3D tách kết cấu........................................................... 56 Hình 3.42: Revit export sang Navisworks .....................................................................57 Hình 3.43: Nhập mô hình từ Revit vào Navisworks .....................................................57 Hình 3.44: Kiểm tra sự va chạm giữa các bộ phận trong công trình trên Navisworks .58 Hình 3.45: Xuất kết quả kiểm tra xung đột ...................................................................58 Hình 3.46: Quản lý thông tin các mô hình của công trình ............................................59 Hình 3.47: Quản lý khối lƣợng các mô hình của công trình .........................................59 Hình 3.48: Tiến độ thi công tổng thể công trình cầu .....................................................60 Hình 3.49: Giai đoạn phần mố đang thi công................................................................ 60 Hình 3.50: Giai đoạn phần mố phía An Mỹ đã hoàn thành và thi công các trụ cầu .....61 Hình 3.51: Giai đoạn phần mố, trụ cầu đã hoàn thành và đang thi công lao lắp dầm...61 Hình 3.52: Giai đoạn phần mố, trụ cầu, dầm đã hoàn thành và phần bản mặt cầu đang thi công .......................................................................................................................... 62 Hình 3.53: Giai đoạn hoàn thiện phần bản mặt cầu ......................................................62 Hình 3.54: Mô phỏng quá trình lao lắp dầm cầu ........................................................... 63 Hình 3.55: Lồng ghép quá trình lao lắp dầm vào tiến độ thi công tổng thể cầu ...........63 1 MỞ ĐẦU 1. Lý do chọn đề tài Những năm gần đây, nhờ sự phát triển nhanh chóng về khoa học và công nghệ, nhiều công nghệ mới đã đƣợc phát triển và ứng dụng vào trong ngành Xây dựng trên thế giới. Những công nghệ mới này, ở các mức độ khác nhau, đã giúp tăng năng suất lao động, tính hiệu quả của công việc, giảm lãng phí trong xây dựng. Trong số đó, Mô hình thông tin công trình (Building Information Modeling, viết tắt là BIM) đƣợc ngành xây dựng của nhiều quốc gia và các học giả hàng đầu đánh giá đang và sẽ là công nghệ chủ đạo trong nhiều thập niên sắp tới. BIM là quá trình tạo lập và sử dụng mô hình thông tin trong các khâu thiết kế, xây dựng, vận hành và bảo trì của công trình. BIM không bó hẹp theo cách hiểu đơn thuần là tạo ra bản phối cảnh ba chiều của công trình sau khi thiết kế xong. Thực tế, với vai trò là một cơ sở dữ liệu bao trùm toàn vòng đời của công trình BIM chứa các mối liên hệ logic về mặt không gian, kích thƣớc, số lƣợng, vật liệu các bộ phận của công trình. Cùng 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, chi phí vận hành bảo trì. Khả năng hợp nhất thông tin từ tất cả các công đoạn làm BIM ngày càng trở thành xu hƣớng tất yếu của ngành xây dựng để tối ƣu hoá việc thiết kế, thi công, vận hành và bảo trì công trình. Qua thực tiễn nhiều năm áp dụng ở nhiều quốc gia, BIM đã đƣợc xem nhƣ là một công cụ hiệu quả trong việc quản lý và chia sẻ thông tin giữa chủ đầu tƣ, kiến trúc sƣ, kỹ sƣ tƣ vấn, nhà cung ứng và nhà thầu xây lắp. Sử dụng BIM để quản lý và chia sẻ thông tin về công trình giúp tăng cƣờng sự cộng tác, phối hợp giữa các thành viên của dự án, giúp đƣa ra các phƣơng án thiết kế và biện pháp thi công tối ƣu và phù hợp với yêu cầu của Chủ đầu tƣ ngay trong giai đoạn thiết kế. Tại Việt Nam, hiện nay BIM chủ yếu đƣợc triển khai áp dụng cho các công trình kiến trúc, dân dụng; trong lĩnh vực giao thông chƣa đƣợc phổ biến. Dù nhiều chủ đầu tƣ nhận thức đƣợc hiệu quả của việc áp dụng BIM, đặc biệt là việc tiết kiệm chi phí trong thi công và trong vận hành nhƣng do một số rào cản nhƣ chi phí đào tạo và chi phí đầu tƣ ban đầu cho BIM khá cao dẫn đến việc áp dụng công nghệ BIM còn hạn chế. Các lợi ích điển hình của công nghệ BIM có thể kể đến nhƣ: - Nhanh chóng đƣa ra nhiều phƣơng án thiết kế để phân tích lựa chọn phƣơng án tối ƣu; - Phát hiện ra các sai sót thiết kế và các bất cập của biện pháp thi công để có giải pháp trƣớc khi tiến hành thi công ngoài công trƣờng. - Khả năng cung cấp dữ liệu nhanh chóng để kiểm tra khối lƣợng dự toán, giúp tự động hoá các công việc đo bóc khối lƣợng và lập dự toán; 2 - Xây dựng kế hoạch bảo trì công trình và tính toán chi phí vòng đời công trình phục vụ đánh giá hiệu quả đầu tƣ của dự án; - Giúp xây dựng mô hình và bản vẽ hoàn công một cách chính xác; Xuất phát từ những lý do nêu trên, tác giả lựa chọn đề tài này nhằm đáp ứng nhu cầu thực tế, giúp tìm hƣớng giải quyết đƣợc các vấn đề lãng phí, năng suất thấp và thiếu hiệu quả đang tồn tại phổ biến hiện nay trong lĩnh vực thiết kế, xây dựng và quản lý công trình. 2. Mục tiêu nghiên cứu 2.1. Mục tiêu tổng quát - Thực trạng triển khai công nghệ BIM tại các dự án trong nƣớc cho đến thời điểm hiện tại và đánh giá sự phù hợp của các giải pháp BIM khi áp dụng vào thực tiễn thiết kế, xây dựng và quản lý tiến độ thi công tại Việt Nam. - Áp dụng BIM một cách chi tiết cho công trình cầu từ khâu thiết kế lập dự án đến quản lý tiến độ thi công nhằm tạo ra một sản phẩm thiết kế trong bối cảnh thực từ đó giúp tối ƣu hóa việc thiết kế, thi công, vận hành và bảo trì công trình cầu. 2.2. Mục tiêu cụ thể - Nghiên cứu ứng dụng phần mềm Infraworks, 3ds Max, Civil 3D để thiết kế ý tƣởng, đề xuất phƣơng án thiết kế công trình cầu. - Nghiên cứu ứng dụng các phần mềm Revit, Navisworks cho giai đoạn thiết kế chi tiết, bản vẽ, phối hợp, quản lý thi công công trình cầu. 3. Đối tƣợng và phạm vi nghiên cứu 3.1. Đối tượng nghiên cứu - Công nghệ BIM trong xây dựng. - Thực trạng triển khai công nghệ BIM tại các dự án trong nƣớc. - Các ứng dụng của công nghệ BIM áp dụng vào thực tiễn thiết kế, xây dựng, đo bóc tiên lƣợng và quản lý tiến độ thi công công trình cầu. - Cầu Nguyễn Hoàng, thuộc công trình xây dựng đƣờng chiến lƣợc – xây dựng đƣờng Điện Biên Phủ, thành phố Tam Kỳ, tỉnh Quảng Nam. 3.2. Phạm vi nghiên cứu - Tập trung nghiên cứu việc áp dụng BIM trong thiết kế, xây dựng và vận hành công trình xây dựng. - Sử dụng một số công cụ của công nghệ BIM ứng dụng cho công trình cầu: các phần mềm Infraworks, Civil 3D, Revit, Navisworks, 3ds Max. 4. Phƣơng pháp nghiên cứu - Sử dụng các phƣơng pháp nghiên cứu tổng hợp - phân tích, đánh giá các lợi ích và trở ngại khi triển khai BIM tại Việt Nam. 3 - Dựa trên những nghiên cứu, ứng dụng BIM của các nƣớc trên thế giới, áp dụng vào điều kiện Việt Nam. - Lý thuyết kết hợp thực hành phần mềm, mô hình công trình cầu thực tế. 4 CHƢƠNG I TỔNG QUAN VỀ ỨNG DỤNG CÔNG NGHỆ BIM TRONG XÂY DỰNG 1.1. GIỚI THIỆU VỀ CÔNG NGHỆ BIM 1.1.1. Định nghĩa BIM Những năm đầu của thập kỷ 70, một công nghệ mới với thuật ngữ là Building Information Modeling/Model (BIM) đã xuất hiện trong ngành công nghiệp xây dựng, đó là công nghệ sử dụng mô hình ba chiều (3D) để tạo ra, phân tích và truyền đạt thông tin của công trình: - Building: Công trình - Information: Thông tin + Hình học: Các kích thƣớc dài, rộng, cao, khoảng cách giữa các cấu kiện công trình + Phi hình học: thông tin về đặc tính sản phẩm, thông số kỹ thuật. - Modeling: Mô hình, sử dụng các phần mềm (BIM Tools) để tạo lập các mô hình thông tin. Tất cả các dữ liệu liên quan đến mô hình công trình đều đƣợc lƣu trữ tại CDE (Common Data Environment) – môi trƣờng trao đổi dữ liệu chung, nên các thành phần tham gia xây dựng sẽ dùng dữ liệu này cho các giai đoạn từ thiết kế, thi công, hoàn công và giúp quản lý công trình tốt hơn (Facility Management). Hình 1.1. Mô hình BIM Hiện nay có nhiều định nghĩa về BIM khác nhau trên thế giới, trong phạm vi đề tài, có thể đơn cử ra 2 hƣớng định nghĩa đƣợc nhiều độc giả chấp nhận: 5 - Mô hình thông tin công trình (Building Information Model) “một mô hình ảo 3D thông minh của công trình đƣợc xây dựng trên nền tảng kỹ thuật số bằng cách chứa toàn bộ dữ liệu công trình vào một định dạng thông minh có thể đƣợc sử dụng để phát triển việc tối ƣu hóa việc xem xét các phƣơng án thiết kế công trình, qua đó giảm rủi ro và tăng giá trị trƣớc khi quyết định lựa chọn một phƣơng án”; “một công cụ diễn họa và phối hợp trong ngành xây dựng và tránh các lỗi sai và bỏ sót”; hoặc là “một thể hiện kỹ thuật số của tất cả các đặc điểm về mặt vật lý và công năng của công trình, nhƣ vậy nó đƣợc dùng nhƣ một nguồn chia sẻ thông tin về công trình để làm cở sở cho việc ra quyết định trong vòng đời công trình kể từ lúc lên ý tƣởng”. - Mô hình hóa thông tin công trình (Building Information Modeling) là “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”; Hình 1.2: Tiến trình BIM Khi nói về BIM nhiều ngƣời 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 ba chiều trình bày phối cảnh của công trình sau khi công trình đã đƣợc thiết kế xong. BIM không đơn thuần chỉ là một mô hình 3D! 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. Phần mềm đơn giản chỉ là cơ cấu để tiến trình BIM đƣợc thực hiện. BIM chứa đựng những thay đổi mang tính cách mạng trong việc thông tin của công trình xây dựng đƣợc tạo ra, thể hiện, và sau này đƣợc sử dụng trong quá trình xây dựng. Do hợp nhất đƣợc thông tin từ tất cả các khía cạnh của quá trình xây dựng công 6 trình nên BIM có thể làm tăng hiệu quả sử dụng và tính sẵn có của các thông tin này lên gấp nhiều lần. Điều tiến bộ của BIM so với các công nghệ cũ là thay vì sử dụng các thiết kế 2D, BIM sử dụng công nghệ 3D (chiều dài, rộng, cao). Từ phối cảnh ba chiều (3D) của công trình và các yếu tố khác tích hợp thêm tạo ra các phiên bản 4D BIM, 5D BIM, 6D BIM và 7D BIM,..., trong đó: - 4D BIM đƣợc hiểu là tích hợp thêm các yếu tố về thời gian, tiến độ của công trình vào Mô hình 3D. 4D BIM cho phép ngƣời sử dụng tích hợp các yếu tố hình học của cấu kiện công trình với các nhiệm vụ về tiến độ thi công để lập tiến độ, kế hoạch thi công và kế hoạch cung ứng các nguồn lực cho việc thi công công trình. - 5D BIM đƣợc hiểu là tích hợp thêm các yếu tố về hao phí, chi phí vào Mô hình 3D. 5D BIM đƣợc sử dụng để quản lý, kiểm soát chi phí và xây dựng kế hoạch vốn cho công trình. - 6D BIM đƣợc hiểu là tích hợp thêm các thông số về năng lƣợng trong và ngoài công trình. Nhờ đó, mức độ sử dụng năng lƣợng trong công trình đƣợc tính toán và có thể nhanh chóng đƣa ra các giải pháp thiết kế toàn diện và tối ƣu về năng lƣợng cho công trình. - 7D BIM đƣợc hiểu là đƣợc tích hợp thêm các thông tin về các hệ thống thiết bị trong công trình với mức độ chi tiết cao và đƣợc sử dụng trong việc quản trị thiết bị và bảo dƣỡng hệ thống, bảo dƣỡng thiết bị công trình trong quá trình vận hành sử dụng. 1.1.2. Quá trình hình thành và phát triển Phƣơng pháp thiết kế và xây dựng truyền thống chủ yếu dựa vào các bản vẽ 2D (đƣợc vẽ thủ công hoặc với sự trợ giúp của máy vi tính) trong đó, việc quản lý, phối hợp và chuyển giao dữ liệu rất phân tán. Cách làm này thƣờng là nguyên nhân gây ra và bỏ sót nhiều lỗi thiết kế và các vấn đề không lƣờng trƣớc đƣợc trƣớc khi đƣa ra thi công làm phát sinh chi phí, gây chậm tiến độ và làm nảy sinh các vấn đề về pháp lý và trách nhiệm giữa các bên có liên quan trong một dự án. Thêm vào đó, do không đƣợc lên kế hoạch một cách đồng bộ nên tổ chức các công việc ngoài công trƣờng thƣờng có sự chồng chéo, dẫn đến năng suất lao động thấp và thời gian chờ đợi, lãng phí lớn. Nhiều biện pháp đã đƣợc đƣa ra nhằm giải quyết các vấn đề trên nhƣ lƣu trữ, quản lý và chia sẻ trực tuyến các hồ sơ tài liệu, bản vẽ… của dự án hay sử dụng các công cụ hỗ trợ 3D để tăng tính trực quan. Tuy nhiên, những phƣơng pháp này chỉ cải thiện phần nào đƣợc việc trao đổi thông tin và không giải quyết đƣợc triệt để vấn đề do những tồn tại bắt nguồn từ những hạn chế của hồ sơ trên giấy và sự không tƣơng thích giữa các hệ thống với nhau. Quá trình thiết kế bao gồm nhiều giai đoạn với sự phối hợp giữa các bộ môn nhƣ kiến trúc, kết cấu, hệ thống cơ điện dựa trên những nhiệm vụ và mục tiêu thiết kế để đƣa ra hồ sơ thiết kế cuối cùng chứa thông số kỹ thuật chi tiết. Tuy nhiên trên thực tế 7 các hồ sơ thƣờng không đạt đƣợc mức độ chính xác đồng bộ nhƣ mong muốn, đồng thời việc thay đổi thiết kế diễn ra khá thƣờng xuyên. Không những thế, việc bóc khối lƣợng phụ thuộc vào dữ liệu thống kê còn sai sót do cách làm thủ công, thiếu thông tin nên phụ thuộc nhiều vào khả năng và kinh nghiệm trong công tác bóc tách khối lƣợng, lập dự toán phục vụ đấu thầu. Từ đó, việc triển khai biện pháp thi công, bản vẽ chi tiết chế tạo sẵn phục vụ thi công gặp nhiều vƣớng mắc. Điều này thƣờng dẫn tới hậu quả lớn về mặt chi phí hoặc tiến độ do các vƣớng mắc nảy sinh ngoài công trƣờng và tính minh bạch trong quản lý dự án. Lý do BIM đƣợc đƣa ra ở thời điểm hiện tại rất đơn giản - đó là do sự tiến hóa của công nghệ. Từ thời kỳ các bản vẽ của kiến trúc sƣ trên giấy, đến thời kỷ nguyên của CAD (Computer Aided Design) với bảng vẽ điện tử chính xác và dễ hiệu chỉnh hơn. Và sau đó, nhờ vào sự tăng trƣởng sức mạnh của phần cứng và đồ họa máy tính; việc áp dụng các nguyên lý 20-80, nguyên lý lợi ích tăng thêm, nguyên lý tạo lập một lần dùng nhiều lần của thời đại công nghệ thông tin đã tạo điều kiện cho sự phát triển của công nghệ BIM. Phần mềm đã có thể mô phỏng lại từng chi tiết nhỏ nhất của công trình bằng hình họa 3D với độ chính xác cao, kết hợp với quy trình BIM để đƣa ra những mô hình thông tin đầy đủ để hỗ trợ tối đa cho tất cả các công đoạn phát triển một dự án xây dựng Với BIM; một khi các thông tin đƣợc thiết lập chính xác, dƣới sự ràng buộc của các mô hình tham số, một khi chúng ta thay đổi bất cứ đối tƣợng nào, bất cứ lúc nào thì cũng sẽ cập nhật thay đổi với các đối tƣợng khác trong toàn dự án. Từ đó các thông tin đƣợc thiết lập chính xác và việc xây dựng sẽ trở nên nhanh hơn, tiết kiệm thời gian hơn, chi phí thấp hơn. Đó chính là lý do tại sao BIM đang trở thành một xu hƣớng mới và gần nhƣ là tiêu chuẩn bắt buộc trong ngành xây dựng trên toàn thế giới. Công nghệ mang hơi hƣớng của BIM đã đƣợc phát triển từ những năm 1980 với việc sử dụng công nghệ thông tin hỗ trợ thiết kế, xây dựng công trình. Có hai xu hƣớng thể hiện thiết kế gồm có: Bằng những đƣờng nét hoặc bằng đối tƣợng. Tại thời điểm ban đầu khi nền tảng phần cứng chƣa đáp ứng đƣợc, xu hƣớng thể hiện bằng đƣờng nét chiếm ƣu thế trong công tác hỗ trợ thiết kế các công trình xây dựng vì nó cho phép hiển thị và xử lý nhanh hơn. Xu hƣớng này đã kéo theo sự phát triển và chiếm ƣu thế tuyệt đối của các giải pháp nhƣ AutoCAD, Cadkey, MicroStation. Các giải pháp đó vẫn đƣợc dùng phổ biến tới tận ngày nay. Tuy không chiếm ƣu thế nhƣng xu hƣớng còn lại vẫn phát triển và dần trở nên phổ biến hơn vào cuối những năm 90 do sự phát triển mạnh mẽ của công nghệ thông tin và đã hỗ trợ rất tốt cho các nhà máy công nghiệp để sản xuất các cấu kiện chế tạo sẵn. Với ƣu thế thể hiện đối tƣợng với các thông tin đa dạng (hình dạng, thuộc tính và các tham số khác về chức năng, các thuộc tính hình học, phi hình học và mối liên hệ của nó tới các đối tƣợng khác), xu hƣớng hỗ trợ thiết kế với các giải pháp BIM đang ngày càng đƣợc đẩy mạnh ứng dụng 8 trong ngành xây dựng ngày nay nhằm giúp các bên liên quan trong dự án đầu tƣ xây dựng công trình tăng cƣờng sự phối hợp với nhau để giảm thiểu những sai sót và bất cập mà cách làm truyền thống không thể giải quyết triệt để đƣợc. 1.2. TÌNH HÌNH ỨNG DỤNG CÔNG NGHỆ BIM TRÊN THẾ GIỚI VÀ TẠI VIỆT NAM 1.2.1. Tình hình ứng dụng công nghệ BIM ở các nƣớc trên thế giới Hiện tại, BIM đã áp dụng bắt buộc tại nhiều nƣớc trên thế giới ở các cấp độ khác nhau. BIM đã chứng minh cho các chủ đầu tƣ thấy họ có thể đặt các mục tiêu cụ thể, rõ ràng hơn trong giai đoạn thiết kế và thi công đối với các đơn vị tƣ vấn và nhà thầu. Hình 1.3: Ứng dụng công nghệ BIM ở các nước trên thế giới Nhiều nghiên cứu đã chỉ ra rằng việc ứng dụng BIM ở Bắc Mỹ đã tăng vụt nhanh chóng từ 28% đến 71% từ giữa năm 2007 đến năm 2012. Việc áp dụng của các nhà thầu là 74% đã vƣợt qua cả kiến trúc sƣ 70% tại Bắc Mỹ, và đây là đối tƣợng cho thấy sự phát triển rất nhanh dẫn đầu quá trình cách mạng hóa BIM và định hình các giá trị. Cùng với đó, số lƣợng chủ đầu tƣ yêu cầu sử dụng BIM tại trên 60% dự án mình quản lý tăng từ 18% năm 2009 lên 44% năm 2012. Có thể thấy BIM đã đƣợc áp dụng ở mức độ rộng rãi và tích cực vì những lợi ích mà nó mang lại. Tại Châu Âu, các quốc gia Bắc Âu là các nƣớc dẫn đầu trong ứng dụng BIM dựa trên truyền thống áp dụng công nghệ thông tin vào tất cả các ngành. Đặc biệt, các nƣớc nhƣ Na Uy, Phần Lan đã yêu cầu sử dụng BIM cho các dự án đầu tƣ công từ những năm 2007. Bên cạnh đó, Vƣơng quốc Anh là một điển hình trong việc nhà nƣớc dẫn dắt và khuyến khích ứng dụng BIM cho các công trình của các cơ quan nhà nƣớc là chủ đầu tƣ với tỷ lệ tăng dần trong thời gian gần đây. Bên cạnh đó, Hà Lan, Đan Mạch cũng đã yêu cầu ứng dụng BIM trong khu vực đầu tƣ công và Pháp, Đức cũng đang xây dựng tiêu chuẩn và lộ trình áp dụng BIM cho 9 nƣớc mình . Liên bang Nga cũng là một nƣớc triển khai BIM mạnh mẽ với sự chỉ đạo trực tiếp từ chính phủ. Hiện tại, nhiều cơ quan chính phủ cấp liên bang cũng nhƣ cấp thành phố của Liên bang Nga đã bắt đầu triển khai áp dụng BIM nhƣ: Bộ Xây dựng, Cơ quan thẩm định và cấp phép, Hiệp hội các kỹ sƣ thiết kế, Hiệp hội nhà thầu, Chính quyền thành phố Mátxcơva... Tại Châu Úc, Australia đã ứng dụng BIM vào trong việc bảo trì công trình nhà hát Opera ở Sydney. Tại cuộc điều tra về năng suất trong xây dựng công trình hạ tầng công cộng năm 2014 cho thấy việc bắt buộc áp dụng BIM có thể mang lại lợi ích lớn. Ngoài ra, Úc đang tiếp tục điều tra và đánh giá về giá trị mang lại của việc đẩy mạnh áp dụng BIM. Singapore là quốc gia thành công nhất trong việc ứng dụng BIM khi có tiêu chuẩn quốc gia và lộ trình ứng dụng BIM rõ ràng. Chính phủ Singapore thành lập Ban chỉ đạo BIM bao gồm bộ phận hƣớng dẫn thực hiện BIM, bộ phận pháp lý và hợp đồng, Hiệp hội các nhà quản lý BIM. Ban chỉ đạo này có nhiệm vụ phát triển những tiêu chuẩn và các nguồn lực hỗ trợ BIM để tạo điều kiện hợp tác sử dụng BIM. Đồng thời tƣ vấn những lĩnh vực cần thiết có thể tiến hành BIM hiệu quả ở cấp độ công ty, dự án hay cả nền công nghiệp. Tháng 5 năm 2012, cùng với Bộ Xây dựng và Công nghiệp, Ban chỉ đạo BIM Singapore đã công bố tiêu chuẩn BIM của Singapore là căn cứ hƣớng dẫn ứng dụng BIM và chỉ rõ vai trò, trách nhiệm của các bên tham gia khi ứng dụng BIM ở các giai đoạn của dự án. Tháng 8 năm 2013, phiên bản 2 của bộ tiêu chuẩn BIM của Singapore đã đƣợc công bố thay thế cho phiên bản 1. Ngoài ra, Singapore còn thúc đẩy các hoạt động học thuật nhƣ tổ chức nhiều các hội thảo về BIM, đƣa các phần mềm BIM vào giảng dạy, tổ chức các cuộc thi cho sinh viên, có các chƣơng trình thực tập và đề cƣơng tốt nghiệp về BIM ở các trƣờng: Đại học kỹ thuật Singapore, Đại học kỹ thuật Nanyang, Đại học SIM, Đại học Temasek… Singapore cũng thúc đẩy các hoạt động đào tạo nghề nhƣ cấp chứng chỉ kỹ năng BIM, chứng nhận BIM Manager…Đến nay có hơn 3.500 chuyên gia đƣợc đào tạo các chứng chỉ về BIM bao gồm cả sinh viên và đối tƣợng khác. Tại Trung Quốc, dự án đầu tiên sử dụng BIM đƣợc hoàn thành vào năm 2008 là sân vận động Tổ Chim ở Bắc Kinh. Viện nghiên cứu tiêu chuẩn công trình Trung Quốc (China Institute of Building Standard Design and Research) phối hợp với Tập đoàn đƣờng sắt, BuidingSMART China, CAPOL đã đẩy mạnh việc áp dụng BIM cho các công trình phức tạp, quy mô lớn nhƣ các tháp cao tầng (tháp trung tâm Thƣợng Hải), đƣờng sắt cao tốc (tuyến Bắc Kinh – Thƣợng Hải) nhằm giúp quản lý chất lƣợng công trình tốt hơn và tiết kiệm chi phí. Hồng Kông hiện là một trong những đặc khu đi đầu về áp dụng BIM cho các công trình nhà ở, đƣờng sắt, cảng hàng không, các tòa nhà chính phủ từ lập kế hoạch đến thiết kế.... Hồng Kông đang đẩy mạnh hơn việc áp dụng BIM cũng nhƣ triển khai