Tổng quan nghiên cứu

Gạch lát sàn là vật liệu xây dựng phổ biến, đóng vai trò quan trọng trong trang trí và hoàn thiện không gian sống. Năm 2022, sản lượng sản xuất gạch ốp lát tại Việt Nam đạt khoảng 471,5 triệu mét vuông, tăng 8,39% so với năm trước, trong khi sản lượng tiêu thụ đạt khoảng 459 triệu mét vuông, tăng 16,2%[2]. Tuy nhiên, quá trình sản xuất gạch tiêu tốn nhiều năng lượng nhiệt và gây ra các tác động tiêu cực đến môi trường, như hàm lượng BOD dao động từ 5mg/l đến 200mg/l và COD từ 200mg/l đến 250mg/l, ảnh hưởng gián tiếp đến nguồn nước và sức khỏe con người[3].

Trong thi công xây dựng, giai đoạn triển khai bản vẽ shopdrawing ốp lát là bước then chốt để giảm thiểu lãng phí gạch. Mặc dù có sự hỗ trợ của công nghệ, công tác này vẫn còn nhiều thủ công và chủ yếu tập trung vào bố trí gạch, chưa tối ưu hóa việc cắt và sử dụng gạch thừa. Các nhà thiết kế thường ưu tiên yếu tố thẩm mỹ hơn là chi phí và hao hụt vật liệu[6].

Mục tiêu nghiên cứu là áp dụng thuật toán trí tuệ nhân tạo kết hợp mô hình Thông tin Công trình (BIM) để tối ưu hóa việc cắt và bố trí gạch lát, giảm hao hụt vật liệu trong các công trình xây dựng cao tầng tại TP. Hồ Chí Minh. Phạm vi nghiên cứu tập trung vào các công trình tòa nhà cao tầng, sử dụng dữ liệu BIM trên nền tảng Revit liên kết với Rhino-Grasshopper, áp dụng thuật toán Nesting và thuật toán tiến hóa đa mục tiêu. Nghiên cứu nhằm giảm tỷ lệ hao hụt gạch từ 7% đến 14% so với phương pháp truyền thống, đồng thời nâng cao hiệu quả quản lý vật liệu và giảm chi phí xây dựng. Kết quả nghiên cứu có ý nghĩa quan trọng trong việc thúc đẩy phát triển bền vững ngành xây dựng, giảm thiểu tác động môi trường và nâng cao năng lực cạnh tranh của các nhà thầu.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu dựa trên hai lý thuyết và mô hình chính:

  1. Lý thuyết quản lý lãng phí vật liệu trong xây dựng: Lãng phí vật liệu được phân loại thành các nhóm như sản xuất quá mức, sai sót thi công, tồn kho, vận chuyển, chờ đợi, chuyển động không cần thiết, quy trình không hợp lý và năng lực nhân viên không được sử dụng hiệu quả[28]. Việc quản lý vật liệu hiệu quả giúp giảm thiểu hao hụt, tiết kiệm chi phí và bảo vệ môi trường.

  2. Mô hình Thông tin Công trình (BIM): BIM là mô hình kỹ thuật số thể hiện các tính chất vật lý và chức năng của công trình, hỗ trợ quản lý thông tin trong suốt vòng đời dự án từ thiết kế đến vận hành[11][12][13]. BIM giúp trực quan hóa, phối hợp, quản lý thay đổi, ước lượng chi phí, phát hiện xung đột và tối ưu tiến độ thi công. Tại Việt Nam, BIM được khuyến khích áp dụng rộng rãi với các quyết định và kế hoạch chuyển đổi số ngành xây dựng từ năm 2015 đến 2023.

  3. Thuật toán tiến hóa đa mục tiêu (SPEA-2): Thuật toán này được sử dụng để giải bài toán tối ưu đa mục tiêu trong việc bố trí và cắt gạch, nhằm giảm tỷ lệ hao hụt, tối thiểu hóa số lần cắt và đảm bảo tính thẩm mỹ. Thuật toán tiến hóa giúp tìm kiếm các giải pháp tối ưu trong không gian lớn với nhiều ràng buộc kỹ thuật.

  4. Thuật toán Nesting và bài toán đóng gói hai chiều (Two-Dimensional Bin Packing Problem): Đây là bài toán sắp xếp các hình dạng (gạch lát) trên một mặt phẳng (sàn nhà) sao cho diện tích thừa bị cắt giảm tối đa. Thuật toán Nesting giúp xác định vị trí và hướng đặt viên gạch để tận dụng tối đa vật liệu.

Các khái niệm chính bao gồm: hao hụt vật liệu, shopdrawing, thuật toán tiến hóa, mô hình BIM, tối ưu đa mục tiêu, và thuật toán Nesting.

Phương pháp nghiên cứu

Nguồn dữ liệu chính được thu thập từ các công trình xây dựng cao tầng tại TP. Hồ Chí Minh, sử dụng mô hình BIM trên nền tảng Revit và Rhino-Grasshopper. Cỡ mẫu nghiên cứu gồm các mặt bằng sàn điển hình của các tòa nhà chung cư, khách sạn với diện tích và hình dạng đa dạng.

Phương pháp phân tích bao gồm:

  • Lập trình thuật toán tiến hóa SPEA-2 để tối ưu đa mục tiêu, bao gồm giảm tỷ lệ hao hụt gạch, giảm số lần cắt và đảm bảo tính thẩm mỹ.
  • Áp dụng thuật toán Nesting để xác định vị trí cắt và bố trí gạch trên mặt bằng sàn.
  • Tích hợp dữ liệu BIM để tự động trích xuất kích thước, hình dạng mặt bằng và thông tin vật liệu.
  • So sánh kết quả với phương pháp truyền thống dựa trên bản vẽ shopdrawing thủ công và các công trình điển hình trước đó.

Timeline nghiên cứu kéo dài từ tháng 9/2023 đến tháng 12/2023, bao gồm các bước: thu thập dữ liệu, phát triển thuật toán, lập trình và kiểm nghiệm, đánh giá kết quả và hoàn thiện luận văn.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Giảm tỷ lệ hao hụt gạch lát từ 7% đến 14% so với phương pháp truyền thống. Kết quả này được xác định qua các case study trên các mặt bằng sàn điển hình của các tòa nhà cao tầng tại TP. Hồ Chí Minh, cho thấy sự cải thiện rõ rệt trong việc tận dụng vật liệu.

  2. Giảm số lượng viên gạch cần cắt và số lần cắt: Thuật toán tiến hóa và Nesting giúp xác định vị trí viên gạch đầu tiên và các viên gạch thừa một cách tối ưu, giảm số lượng viên gạch cắt không cần thiết, từ đó giảm chi phí và thời gian thi công.

  3. Tăng hiệu quả quản lý vật liệu và cập nhật nhanh chóng các thay đổi trong quá trình thi công: Việc tích hợp BIM cho phép tự động hóa trích xuất dữ liệu và cập nhật bản vẽ shopdrawing, giúp kỹ sư giảm khối lượng công việc thủ công và tăng độ chính xác.

  4. Đảm bảo các yêu cầu kỹ thuật và thẩm mỹ: Thuật toán tối ưu đa mục tiêu cân bằng giữa giảm hao hụt và giữ nguyên tính thẩm mỹ của công trình, đáp ứng các tiêu chuẩn kỹ thuật và yêu cầu của chủ đầu tư.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân chính của việc giảm hao hụt là do thuật toán tiến hóa SPEA-2 kết hợp với thuật toán Nesting cho phép tìm kiếm giải pháp tối ưu trong không gian lớn với nhiều ràng buộc kỹ thuật và thẩm mỹ. Việc sử dụng BIM giúp tự động hóa quá trình trích xuất dữ liệu và cập nhật bản vẽ, giảm sai sót do thủ công.

So sánh với các nghiên cứu trước đây, kết quả của luận văn cho thấy tỷ lệ hao hụt giảm đáng kể hơn mức trung bình ngành (10%-15%)[6], đồng thời rút ngắn thời gian tính toán từ khoảng 17 giây xuống còn 5 giây cho mỗi phương án. Điều này chứng tỏ tính khả thi và hiệu quả của phương pháp đề xuất.

Dữ liệu có thể được trình bày qua biểu đồ so sánh tỷ lệ hao hụt giữa phương pháp truyền thống và phương pháp mới trên các mặt bằng sàn khác nhau, cũng như bảng tổng hợp số lượng viên gạch cắt và không cắt. Các biểu đồ này minh họa rõ ràng sự cải thiện về hiệu quả sử dụng vật liệu và tiết kiệm chi phí.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Áp dụng rộng rãi thuật toán tiến hóa tích hợp BIM trong công tác lập bản vẽ shopdrawing: Các nhà thầu xây dựng nên triển khai công nghệ này để giảm hao hụt vật liệu, tiết kiệm chi phí và nâng cao hiệu quả thi công. Thời gian thực hiện đề xuất trong vòng 6-12 tháng.

  2. Đào tạo kỹ sư và nhân viên kỹ thuật về BIM và thuật toán tối ưu hóa: Tổ chức các khóa đào tạo chuyên sâu nhằm nâng cao năng lực sử dụng công nghệ mới, đảm bảo áp dụng hiệu quả trong thực tế. Chủ thể thực hiện là các trường đại học, trung tâm đào tạo và doanh nghiệp xây dựng.

  3. Phát triển phần mềm hỗ trợ tích hợp thuật toán tối ưu với BIM: Đầu tư nghiên cứu và phát triển các công cụ phần mềm thân thiện, dễ sử dụng, giúp tự động hóa quy trình thiết kế và kiểm soát hao hụt vật liệu. Thời gian phát triển dự kiến 12-18 tháng.

  4. Khuyến khích chính sách và quy định hỗ trợ áp dụng công nghệ mới trong xây dựng: Các cơ quan quản lý nhà nước cần ban hành các chính sách, tiêu chuẩn kỹ thuật và hướng dẫn áp dụng BIM và thuật toán tối ưu nhằm thúc đẩy chuyển đổi số ngành xây dựng. Chủ thể thực hiện là Bộ Xây dựng và các cơ quan liên quan.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Các nhà thầu xây dựng và tổng thầu thi công: Giúp nâng cao hiệu quả quản lý vật liệu, giảm chi phí hao hụt và tăng tính cạnh tranh trong đấu thầu.

  2. Kỹ sư thiết kế và lập bản vẽ shopdrawing: Cung cấp phương pháp và công cụ hỗ trợ tự động hóa công tác thiết kế, giảm khối lượng công việc thủ công và tăng độ chính xác.

  3. Các nhà quản lý dự án xây dựng: Hỗ trợ kiểm soát chi phí, tiến độ và chất lượng công trình thông qua việc giảm lãng phí vật liệu và tối ưu hóa quy trình thi công.

  4. Các nhà nghiên cứu và giảng viên trong lĩnh vực quản lý xây dựng và công nghệ xây dựng: Là tài liệu tham khảo về ứng dụng thuật toán tiến hóa và BIM trong quản lý vật liệu xây dựng, mở ra hướng nghiên cứu mới về phát triển công nghệ xây dựng bền vững.

Câu hỏi thường gặp

  1. Thuật toán tiến hóa SPEA-2 là gì và tại sao được chọn?
    Thuật toán SPEA-2 là một thuật toán tiến hóa đa mục tiêu giúp tìm kiếm các giải pháp tối ưu trong không gian lớn với nhiều ràng buộc. Nó được chọn vì khả năng cân bằng giữa các mục tiêu như giảm hao hụt, giảm số lần cắt và đảm bảo thẩm mỹ, đồng thời cho kết quả nhanh và chính xác.

  2. Mô hình BIM hỗ trợ gì trong việc giảm hao hụt gạch lát?
    BIM cung cấp mô hình kỹ thuật số chi tiết, giúp tự động trích xuất kích thước, hình dạng mặt bằng và thông tin vật liệu. Điều này giúp cập nhật nhanh bản vẽ shopdrawing, giảm sai sót và tăng hiệu quả quản lý vật liệu.

  3. Phương pháp này có thể áp dụng cho các loại gạch khác nhau không?
    Phương pháp có thể điều chỉnh để áp dụng cho các loại gạch có kích thước và hình dạng khác nhau, bao gồm gạch vuông, chữ nhật và các loại gạch đặc biệt, nhờ tính linh hoạt của thuật toán và mô hình BIM.

  4. Kết quả giảm hao hụt có thể đạt được trong thực tế là bao nhiêu?
    Theo nghiên cứu, tỷ lệ hao hụt gạch lát giảm từ 7% đến 14% so với phương pháp truyền thống, tùy thuộc vào hình dạng mặt bằng và loại gạch sử dụng.

  5. Làm thế nào để triển khai phương pháp này trong doanh nghiệp xây dựng?
    Doanh nghiệp cần đầu tư vào đào tạo nhân sự về BIM và thuật toán tối ưu, phát triển hoặc mua phần mềm hỗ trợ, đồng thời tích hợp quy trình làm việc mới vào công tác thiết kế và thi công. Việc này giúp nâng cao hiệu quả và giảm chi phí trong dài hạn.

Kết luận

  • Luận văn đã đề xuất thành công phương pháp áp dụng thuật toán trí tuệ nhân tạo kết hợp mô hình BIM để giảm hao hụt gạch lát trong các công trình xây dựng cao tầng tại TP. Hồ Chí Minh.
  • Kết quả nghiên cứu cho thấy tỷ lệ hao hụt giảm từ 7% đến 14%, đồng thời giảm số lần cắt và tăng hiệu quả quản lý vật liệu.
  • Phương pháp tích hợp thuật toán tiến hóa SPEA-2 và thuật toán Nesting trên nền tảng BIM giúp tự động hóa quy trình lập bản vẽ shopdrawing, giảm khối lượng công việc thủ công và sai sót.
  • Đề xuất các giải pháp đào tạo, phát triển phần mềm và chính sách hỗ trợ nhằm thúc đẩy ứng dụng rộng rãi công nghệ mới trong ngành xây dựng.
  • Các bước tiếp theo bao gồm mở rộng phạm vi áp dụng cho các loại vật liệu khác, phát triển công cụ phần mềm thân thiện và nghiên cứu tối ưu hóa đa mục tiêu nâng cao.

Hành động khuyến nghị: Các nhà thầu, kỹ sư và quản lý dự án nên nghiên cứu và áp dụng phương pháp này để nâng cao hiệu quả thi công, giảm chi phí và góp phần phát triển ngành xây dựng bền vững.