Tổng quan nghiên cứu

Ngành xây dựng Việt Nam ghi nhận tốc độ tăng trưởng ấn tượng từ 8% đến 8,5% với tỷ lệ đô thị hóa đạt 41,7%, thúc đẩy nhu cầu diện tích nhà ở bình quân đạt mức 25,5 m² sàn/người. Đi cùng với sự phát triển này, thị trường vật liệu hoàn thiện chứng kiến sản lượng sản xuất gạch ốp lát đạt 471,5 triệu m² và mức tiêu thụ chạm mốc 459 triệu m², tăng trưởng 16,2% theo thống kê ngành. Tuy nhiên, quy trình sản xuất gạch men nung ở nhiệt độ cao gây ra áp lực môi trường nặng nề khi phát thải lượng nước thải chứa hàm lượng chất rắn lơ lửng từ 4500 mg/l đến 5000 mg/l, nhu cầu oxy hóa học COD từ 200 mg/l đến 250 mg/l và BOD từ 5 mg/l đến 200 mg/l. Trong khi Quyết định số 1329/QĐ-BXD quy định định mức hao hụt gạch trong thi công là 0%, thực tế tại các công trình cao tầng lại ghi nhận tỷ lệ hao hụt vật liệu dao động phổ biến từ 10% đến 15%.

Vấn đề cốt lõi xuất phát từ việc thiết kế mặt bằng lát gạch truyền thống trên bản vẽ 2D phụ thuộc nhiều vào kinh nghiệm chủ quan của kỹ sư, chưa tính toán tối ưu mối liên hệ giữa kích thước phòng và kích thước gạch sản xuất. Mục tiêu cụ thể của nghiên cứu là xây dựng quy trình tự động hóa tích hợp thuật toán trí tuệ nhân tạo và mô hình thông tin công trình BIM nhằm tối ưu hóa việc sắp xếp, xác định tọa độ cắt gạch chuẩn xác. Phạm vi nghiên cứu tập trung vào các dự án chung cư cao tầng tại Thành phố Hồ Chí Minh trong giai đoạn từ tháng 09/2023 đến tháng 12/2023. Giải pháp đề xuất mang lại ý nghĩa thực tiễn to lớn khi giúp giảm tỷ lệ hao hụt gạch lát từ 7% đến 14%, tiết kiệm hàng trăm triệu đồng chi phí vật tư và giảm thiểu đáng kể khối lượng phế thải xây dựng ra môi trường.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu được xây dựng dựa trên sự kết hợp giữa lý thuyết sản xuất tinh gọn Lean Construction và lý thuyết tối ưu hóa đa mục tiêu Pareto. Trong xây dựng, lãng phí vật liệu được phân chia thành 8 nhóm điển hình, trong đó việc gia công các hình dạng không tạo ra giá trị gia tăng làm gia tăng chi phí thực hiện dự án trung bình khoảng 5,75%. Vận dụng nguyên lý thiết kế tham số Parametric Design và mô hình hóa thông tin công trình BIM theo tiêu chuẩn quốc tế ISO 19650, nghiên cứu số hóa toàn bộ dữ liệu hình học sàn và cấu kiện hoàn thiện để chuẩn bị cho quá trình tối ưu hóa.

Các khái niệm chính được áp dụng xuyên suốt bao gồm bài toán đóng gói thùng hai chiều (Two-Dimensional Bin Packing Problem), thuật toán xếp gạch Nesting, và thuật toán tiến hóa sức mạnh Pareto 2 (Strength Pareto Evolutionary Algorithm 2 - SPEA-2). Thuật toán Nesting giải quyết việc sắp xếp các mẩu gạch cắt có kích thước không đồng đều vào các viên gạch nguyên bản. Trong khi đó, SPEA-2 đóng vai trò tìm kiếm các điểm tọa độ xuất phát tối ưu của lưới gạch nhằm cân bằng giữa yếu tố thẩm mỹ kiến trúc, tối thiểu hóa tổng số viên gạch cần mua và giảm chiều dài đường cắt, hướng tới mục tiêu giảm lượng phát thải vật liệu đến 40%.

Phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu sử dụng nguồn dữ liệu hình học không gian thực tế được trích xuất trực tiếp từ tệp mô hình BIM thiết kế trên phần mềm Autodesk Revit của các dự án chung cư cao tầng tại Thành phố Hồ Chí Minh. Dữ liệu này được liên kết động sang môi trường thiết kế tham số Rhino-Grasshopper thông qua các bộ chuyển đổi dữ liệu chuyên dụng. Phương pháp phân tích định lượng dựa trên việc lập trình thuật toán tiến hóa đa mục tiêu SPEA-2 kết hợp cùng công cụ tối ưu hóa Octopus. Lý do lựa chọn phương pháp này là vì bài toán bố trí gạch trên mặt bằng sàn phức tạp có không gian tìm kiếm phi tuyến lớn với nhiều ràng buộc kỹ thuật; các phương pháp giải tích hoặc lập trình tuyến tính cổ điển không thể xử lý đồng thời nhiều hàm mục tiêu mâu thuẫn trong thời gian ngắn.

Cỡ mẫu nghiên cứu bao gồm 4 trường hợp thực nghiệm điển hình: 1 mặt bằng sàn phòng khách căn hộ đơn lẻ và 3 mặt bằng sàn tầng điển hình quy mô lớn tại Tháp A, Tháp B và Tháp C. Phương pháp chọn mẫu là chọn mẫu có chủ đích (purposive sampling), đại diện cho các biên dạng sàn thực tế với 2 quy cách gạch ốp lát phổ biến nhất hiện nay là gạch hình vuông kích thước 600x600 mm, 800x800 mm và gạch chữ nhật kích thước 300x600 mm. Thời gian triển khai nghiên cứu và chạy mô phỏng thực nghiệm kéo dài trong 16 tuần. Quy mô quần thể ban đầu được thiết lập từ 50 đến 100 cá thể, trải qua 50 thế hệ tiến hóa lặp để chọn lọc tập nghiệm Pareto tối ưu trong thời gian xử lý ấn tượng chỉ từ 5 đến 20 giây cho mỗi mặt bằng.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

Quá trình kiểm nghiệm mô hình thuật toán tối ưu tích hợp BIM trên các mặt bằng thực nghiệm đã mang lại những phát hiện then chốt sau:

  • Tỷ lệ hao hụt gạch lát sàn giảm mạnh từ 7% đến 14% trên toàn bộ các công trình thử nghiệm so với phương án thiết kế shopdrawing thủ công trước đây, đưa mức hao hụt thực tế tiệm cận gần mức định mức thiết kế lý thuyết.
  • Tổng số lượng viên gạch nguyên bản cần cung ứng cho mỗi tầng điển hình giảm từ 3% đến 6%, giúp nhà thầu tiết kiệm trực tiếp từ 45 đến 120 viên gạch trên mỗi mặt sàn xây dựng quy mô 500 m² đến 1200 m².
  • Tổng chiều dài các đường cắt gạch gia công giảm từ 15% đến 28%, tương đương với việc giảm hàng chục mét cắt gạch trên mỗi căn hộ, giúp hạ thấp nguy cơ nứt vỡ cạnh men và tiết kiệm đáng kể chi phí nhân công gia công.
  • Tỷ lệ tận dụng lại các mẩu gạch thừa cắt ra từ các phòng lớn để sử dụng cho các vị trí chân tường hoặc phòng nhỏ liền kề đạt trên 65% diện tích gạch cắt, nhờ vào sơ đồ đánh số thứ tự định danh tự động của thuật toán Nesting.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân chính giúp mô hình đạt được hiệu quả vượt trội là nhờ khả năng quét tự động toàn bộ tọa độ điểm xuất phát của lưới gạch trên hệ trục hai chiều. Thuật toán SPEA-2 không chỉ tìm ra vị trí đặt viên gạch đầu tiên chuẩn xác mà còn tự động tính toán bù trừ bề rộng ron gạch từ 1,5 mm đến 3 mm theo đúng tiêu chuẩn kỹ thuật. Kết quả này hoàn toàn tương đồng và phát triển sâu hơn các phát hiện từ một nghiên cứu gần đây trong ngành khi ứng dụng thiết kế tham số giúp giảm 14,46% phế thải gạch và rút ngắn thời gian tính toán từ 17,3 giây xuống 5 giây.

Trong thực tế ứng dụng, toàn bộ tập hợp kết quả tối ưu được trực quan hóa rõ nét thông qua biểu đồ không gian 3 chiều biểu diễn mặt cong Pareto (Pareto Front), thể hiện sự tương quan mật thiết giữa 3 trục mục tiêu: Tổng số gạch sử dụng, Chiều dài đường cắt và Tỷ lệ hao hụt. Đồng thời, hệ thống tự động xuất bảng dữ liệu so sánh chi tiết giữa phương án cũ và phương án mới cho từng khối tháp (Tháp A, Tháp B, Tháp C), đi kèm sơ đồ cắt - xếp gạch 2D chi tiết có gắn nhãn kích thước từng viên cắt. Điều này giúp các bên liên quan dễ dàng đối soát khối lượng, loại bỏ hoàn toàn các phán đoán định tính trên công trường.

Đề xuất và khuyến nghị

Dựa trên kết quả nghiên cứu thực nghiệm, các giải pháp mang tính ứng dụng cao được đề xuất nhằm chuyển đổi quy trình quản lý vật tư ốp lát trong ngành xây dựng:

  • Tích hợp module thuật toán tối ưu Nesting - SPEA-2 vào quy trình lập bản vẽ shopdrawing tại phòng BIM của các tổng thầu xây dựng trong vòng 3 đến 6 tháng tới, đặt mục tiêu cắt giảm ít nhất 10% chi phí hao hụt vật liệu gạch lát trên các dự án nhà cao tầng mới.
  • Chuẩn hóa quy trình xuất sơ đồ cắt - xếp gạch tự động và in mã định danh kích thước gạch bàn giao cho đội ngũ thi công tại hiện trường, thực hiện trong giai đoạn chuẩn bị thi công từ 1 đến 2 tháng trước khi triển khai ốp lát, nhằm rút ngắn thời gian định vị viên gạch xuống dưới 15 phút cho mỗi phân khu phòng.
  • Thiết lập hệ thống cơ sở dữ liệu số liên thông giữa phòng thiết kế kiến trúc và bộ phận mua sắm vật tư theo chu kỳ định kỳ 6 tháng một lần, nhằm đồng bộ hóa kích thước khoang phòng với kích thước gạch sản xuất công nghiệp, nâng tỷ lệ tái sử dụng gạch thừa lên trên 70% giữa các zone và tầng tháp.
  • Đề xuất Ban Quản lý dự án và các cơ quan quản lý nhà nước như Bộ Xây dựng cập nhật hướng dẫn định mức hao hụt vật liệu thực tế dựa trên ứng dụng công nghệ số trong năm tài chính tiếp theo, hướng tới mục tiêu kéo giảm chi phí lãng phí vật liệu xây dựng toàn dự án từ mức trung bình 5,75% xuống dưới 2,5%.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

Nội dung và sản phẩm ứng dụng của luận văn là tài liệu tham khảo giá trị cho 4 nhóm đối tượng chính:

  • Kỹ sư Shopdrawing và Chuyên viên Quản lý BIM: Giúp nắm bắt quy trình tự động hóa thiết kế mặt bằng lát gạch, tạo lập sơ đồ cắt gạch tự động trong chưa đầy 30 giây thay vì mất hàng giờ thao tác thủ công trên bản vẽ 2D AutoCAD.
  • Chỉ huy trưởng và Kỹ sư Giám sát thi công hoàn thiện: Cung cấp công cụ kiểm soát chính xác số lượng gạch cần cấp cho từng tầng, giám sát chặt chẽ tỷ lệ hao hụt thực tế dưới mức 3%, hạn chế tình trạng đặt hàng thừa hoặc thiếu gây chậm tiến độ.
  • Chủ đầu tư và Ban Quản lý Dự án: Cung cấp giải pháp kỹ thuật tối ưu hóa chi phí gói thầu hoàn thiện từ 5% đến 8%, đồng thời đáp ứng các tiêu chuẩn công trình xanh thông qua việc giảm thiểu rác thải rắn xây dựng.
  • Giảng viên, Nhà nghiên cứu và Học viên cao học: Đóng vai trò là tài liệu học thuật chuyên sâu về việc ứng dụng thuật toán tiến hóa đa mục tiêu SPEA-2 kết hợp mô hình BIM tham số, mở ra hướng nghiên cứu mở rộng cho các loại vật liệu hoàn thiện dạng tấm khác.

Câu hỏi thường gặp

Thuật toán SPEA-2 mang lại ưu thế gì vượt trội so với phương pháp bố trí gạch truyền thống?

Thuật toán SPEA-2 tự động tìm kiếm không gian nghiệm Pareto tối ưu, giải quyết đồng thời 3 hàm mục tiêu gồm giảm tổng số gạch, giảm chiều dài đường cắt và giảm tỷ lệ hao hụt. Trong thực tế, thuật toán giúp giảm hao hụt gạch từ 7% đến 14% so với việc bố trí thủ công 2D vốn phụ thuộc hoàn toàn vào cảm tính của kỹ sư.

Quy trình tích hợp giữa mô hình Autodesk Revit và công cụ Rhino-Grasshopper diễn ra như thế nào?

Dữ liệu hình học biên dạng sàn và thông số kích thước gạch được trích xuất trực tiếp từ mô hình Revit sang Grasshopper. Tại đây, thuật toán Nesting và công cụ Octopus thực hiện tính toán tiến hóa đa mục tiêu và chuyển đổi ngược lại mô hình BIM dưới dạng bản vẽ shopdrawing 3D hoàn chỉnh chỉ trong vòng 5 đến 20 giây.

Mô hình đề xuất có thể áp dụng linh hoạt cho các loại gạch có hình dạng và kích thước khác nhau không?

Mô hình hoàn toàn có khả năng tùy biến cao. Nghiên cứu đã kiểm chứng thành công trên cả gạch hình vuông kích thước 600x600 mm, 800x800 mm tại Tháp A, Tháp B và gạch hình chữ nhật 300x600 mm tại Tháp C, đồng thời hỗ trợ tốt cho các mặt bằng có biên dạng zíc-zắc hoặc đường cong phức tạp.

Việc áp dụng giải pháp này có làm phát sinh chi phí đầu tư công nghệ lớn cho nhà thầu không?

Chi phí đầu tư công nghệ là không đáng kể do giải pháp tận dụng trực tiếp nền tảng phần mềm Revit sẵn có tại các doanh nghiệp kết hợp cùng các công cụ mã nguồn mở trên Rhino-Grasshopper. Khoản chi phí tiết kiệm được từ việc giảm 7% đến 14% lượng gạch hao hụt giúp doanh nghiệp thu hồi vốn ngay từ dự án đầu tiên.

Nghiên cứu có đáp ứng đúng các quy định pháp luật và định mức xây dựng hiện hành tại Việt Nam không?

Nghiên cứu tuân thủ nghiêm ngặt Luật Xây dựng 2014, Nghị định số 09/2021/NĐ-CP về quản lý vật liệu xây dựng, Quyết định số 1329/QĐ-BXD về định mức hao hụt vật tư và bám sát lộ trình áp dụng mô hình thông tin công trình theo Quyết định số 258/QĐ-BXD của Bộ Xây dựng.

Kết luận

  • Xây dựng thành công quy trình tự động hóa tích hợp mô hình thông tin công trình BIM (Revit) với thuật toán tiến hóa đa mục tiêu SPEA-2 và thuật toán Nesting trên nền tảng Rhino-Grasshopper.
  • Chứng minh tính hiệu quả vượt trội khi cắt giảm tỷ lệ hao hụt gạch lát từ 7% đến 14% qua các trường hợp kiểm nghiệm thực tế tại các khối tháp chung cư cao tầng.
  • Tự động hóa hoàn toàn khâu lập bản vẽ shopdrawing và sơ đồ cắt gạch chi tiết với tốc độ xử lý nhanh chóng chỉ từ 5 đến 20 giây cho mỗi mặt bằng tầng điển hình.
  • Cung cấp giải pháp quản lý vật liệu số hóa chính xác, giúp tận dụng trên 65% diện tích các mảnh gạch cắt thừa và giảm từ 15% đến 28% tổng chiều dài đường cắt gia công.
  • Đóng góp thiết thực vào lộ trình chuyển đổi số ngành xây dựng Việt Nam theo Quyết định số 258/QĐ-BXD, hướng tới mục tiêu xây dựng công trình xanh và phát triển bền vững.

Đóng góp chính của luận văn là đã giải quyết triệt để điểm nghẽn giữa khâu thiết kế và thi công hoàn thiện, chuyển đổi công tác bố trí gạch lát từ thủ công sang tự động hóa thông minh. Kế hoạch nghiên cứu tiếp theo trong vòng 12 tháng tới sẽ mở rộng thuật toán cho bài toán ốp tường theo phương đứng và các loại gạch có hoa văn phức tạp. Các doanh nghiệp xây dựng, đơn vị tư vấn thiết kế và nhà thầu thi công hãy chủ động tiếp cận, thử nghiệm và áp dụng ngay giải pháp công nghệ tiên tiến này để nâng cao năng lực cạnh tranh và tối ưu hóa hiệu quả kinh tế cho dự án.