Tổng quan nghiên cứu

Theo ước tính, việc theo dõi và chẩn đoán sức khỏe kết cấu (Structural Health Monitoring - SHM) ngày càng trở nên quan trọng trong ngành kỹ thuật xây dựng, đặc biệt với sự phát triển nhanh chóng của các công trình dân dụng và hạ tầng. Luận văn thạc sĩ này tập trung xây dựng hệ thống tích hợp giữa SHM và mô hình thông tin công trình (Building Information Modeling - BIM) nhằm nâng cao hiệu quả chẩn đoán hư hỏng kết cấu dầm. Vấn đề nghiên cứu xuất phát từ nhu cầu tự động hóa, trực quan hóa và nâng cao độ chính xác trong việc phát hiện vị trí và mức độ hư hỏng kết cấu, đồng thời quản lý dữ liệu lớn phát sinh trong quá trình giám sát. Mục tiêu cụ thể là phát triển hệ thống tích hợp SHM-BIM sử dụng phương pháp chẩn đoán hai bước: xác định vị trí hư hỏng dựa trên hiệu độ cong của dạng dao động và đánh giá mức độ hư hỏng bằng thuật toán mạng nơ-ron nhân tạo (ANNs). Nghiên cứu áp dụng trên các mô hình dầm thép và bê tông cốt thép trong công trình thực tế tại TP. Hồ Chí Minh, với phạm vi thời gian từ tháng 01 đến tháng 06 năm 2024. Ý nghĩa của nghiên cứu được thể hiện qua việc cải thiện độ chính xác chẩn đoán với các chỉ số A, B, C lần lượt đo lường độ chính xác vùng hư hỏng, vùng không hư hỏng và tổng thể, đồng thời hỗ trợ quản lý dữ liệu và bảo trì công trình hiệu quả hơn thông qua BIM Server.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Luận văn dựa trên hai lý thuyết chính: phương pháp chẩn đoán hư hỏng kết cấu dựa vào hiệu độ cong của dạng dao động và mạng nơ-ron nhân tạo (ANNs). Phương pháp hiệu độ cong sử dụng đạo hàm bậc hai của vector chuyển vị dạng dao động để phát hiện sự thay đổi trong cấu trúc kết cấu, từ đó xác định vị trí hư hỏng. Các chỉ số đánh giá độ chính xác chẩn đoán gồm A (độ chính xác vùng hư hỏng), B (độ chính xác vùng không hư hỏng) và C (độ chính xác tổng thể) được áp dụng để đánh giá kết quả. Mạng nơ-ron nhân tạo được xây dựng với cấu trúc nhiều lớp, sử dụng các đặc trưng dạng dao động làm dữ liệu đầu vào để dự đoán mức độ hư hỏng tại các vị trí đã xác định. BIM được sử dụng như một nền tảng quản lý và trực quan hóa dữ liệu, cho phép mô hình hóa 3D kết cấu, tự động cập nhật dữ liệu dao động và kết quả chẩn đoán lên BIM Server, hỗ trợ việc theo dõi và bảo trì công trình.

Phương pháp nghiên cứu

Nguồn dữ liệu chính là các mô hình BIM được xây dựng bằng phần mềm Revit và mô phỏng dao động bằng phần mềm Robot Structural Analysis Professional (RSAP). Dữ liệu dao động được xuất tự động từ BIM sang RSAP để phân tích, sau đó kết quả được cập nhật lại lên BIM Server. Phương pháp phân tích gồm hai bước: đầu tiên, xác định vị trí hư hỏng dựa trên hiệu độ cong dạng dao động; tiếp theo, đánh giá mức độ hư hỏng bằng mạng nơ-ron nhân tạo. Cỡ mẫu nghiên cứu bao gồm các trường hợp hư hỏng mô phỏng trên dầm thép đơn giản và dầm bê tông cốt thép trong công trình nhà cao tầng thực tế tại TP. Hồ Chí Minh. Phương pháp chọn mẫu là mô phỏng các trường hợp hư hỏng với mức giảm độ cứng chống uốn khác nhau. Timeline nghiên cứu kéo dài từ tháng 01 đến tháng 06 năm 2024, bao gồm các giai đoạn xây dựng mô hình, thu thập và xử lý dữ liệu, huấn luyện mạng nơ-ron, và đánh giá kết quả.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Độ chính xác chẩn đoán vị trí hư hỏng: Phương pháp hiệu độ cong dạng dao động đạt độ chính xác vùng hư hỏng (chỉ số A) trung bình trên 80% khi áp dụng ngưỡng hư hỏng Z0 = 50% Zmax, cho thấy khả năng xác định vị trí hư hỏng rất cao. Độ chính xác vùng không hư hỏng (chỉ số B) cũng đạt trên 85%, góp phần nâng cao độ tin cậy tổng thể (chỉ số C) trên 83%.

  2. Hiệu quả mạng nơ-ron nhân tạo trong đánh giá mức độ hư hỏng: Mạng ANNs được huấn luyện với dữ liệu dạng dao động mô phỏng cho kết quả dự đoán mức độ hư hỏng với sai số trung bình bình phương (MSE) thấp, giúp cải thiện đáng kể độ chính xác so với phương pháp truyền thống.

  3. Tích hợp SHM và BIM nâng cao hiệu quả quản lý dữ liệu: Việc cập nhật tự động dữ liệu dao động và kết quả chẩn đoán lên BIM Server giúp giảm thiểu sai sót nhập liệu, tăng tốc độ truy cập và trực quan hóa thông tin qua mô hình 3D, biểu đồ và hình ảnh.

  4. Ứng dụng thực tế trên công trình nhà cao tầng: Hệ thống được áp dụng thành công trên mô hình dầm bê tông cốt thép trong công trình Chung cư Phú Điền, với kết quả chẩn đoán tương tự các mô hình dầm đơn giản, chứng minh tính khả thi và hiệu quả trong môi trường thực tế.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân của độ chính xác cao trong chẩn đoán vị trí hư hỏng là do phương pháp hiệu độ cong dạng dao động tận dụng được sự nhạy cảm của đạo hàm bậc hai trong phát hiện biến đổi cấu trúc. So với các nghiên cứu trước đây, việc kết hợp mạng nơ-ron nhân tạo giúp đánh giá mức độ hư hỏng chi tiết hơn, giảm thiểu sai số do nhiễu và biến đổi môi trường. Việc tích hợp BIM không chỉ hỗ trợ quản lý dữ liệu mà còn tạo điều kiện cho việc trực quan hóa và ra quyết định bảo trì nhanh chóng, phù hợp với xu hướng chuyển đổi số trong xây dựng. Dữ liệu có thể được trình bày qua biểu đồ hiệu độ cong dạng dao động, bảng chỉ số chẩn đoán và mô hình 3D trên BIM Server, giúp các bên liên quan dễ dàng theo dõi và đánh giá tình trạng kết cấu.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Triển khai hệ thống SHM-BIM trên quy mô rộng: Khuyến nghị các chủ đầu tư và đơn vị quản lý công trình áp dụng hệ thống tích hợp SHM và BIM cho các công trình lớn nhằm nâng cao hiệu quả giám sát và bảo trì, với mục tiêu giảm thiểu rủi ro hư hỏng trong vòng 1-2 năm tới.

  2. Đào tạo và nâng cao năng lực kỹ thuật: Tổ chức các khóa đào tạo chuyên sâu về công nghệ SHM, BIM và mạng nơ-ron nhân tạo cho kỹ sư và quản lý dự án, nhằm đảm bảo vận hành hệ thống hiệu quả, dự kiến thực hiện trong 6 tháng đầu năm 2025.

  3. Phát triển phần mềm tích hợp nâng cao: Đề xuất nghiên cứu và phát triển các công cụ phần mềm tích hợp tự động hơn, hỗ trợ xử lý dữ liệu lớn và trực quan hóa đa chiều, nhằm tối ưu hóa quy trình chẩn đoán và bảo trì, với lộ trình 2 năm.

  4. Tăng cường hợp tác nghiên cứu và ứng dụng: Khuyến khích các trường đại học, viện nghiên cứu và doanh nghiệp xây dựng phối hợp phát triển các giải pháp SHM-BIM, mở rộng phạm vi ứng dụng sang các loại kết cấu khác như cầu, nhà công nghiệp, nhằm nâng cao tính ứng dụng thực tiễn.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Kỹ sư xây dựng và quản lý công trình: Hỗ trợ nâng cao kỹ năng chẩn đoán hư hỏng kết cấu, quản lý dữ liệu và lập kế hoạch bảo trì dựa trên công nghệ SHM và BIM.

  2. Nhà nghiên cứu và sinh viên ngành kỹ thuật xây dựng: Cung cấp cơ sở lý thuyết và phương pháp thực nghiệm về tích hợp SHM và BIM, mạng nơ-ron nhân tạo trong chẩn đoán kết cấu.

  3. Chủ đầu tư và quản lý dự án: Giúp hiểu rõ lợi ích của việc áp dụng công nghệ số trong giám sát và bảo trì công trình, từ đó đưa ra quyết định đầu tư hợp lý.

  4. Nhà phát triển phần mềm và công nghệ xây dựng: Tham khảo để phát triển các giải pháp phần mềm tích hợp SHM-BIM, nâng cao tính tự động hóa và trực quan hóa trong quản lý công trình.

Câu hỏi thường gặp

  1. SHM là gì và tại sao cần tích hợp với BIM?
    SHM là hệ thống theo dõi và chẩn đoán sức khỏe kết cấu nhằm phát hiện hư hỏng kịp thời. Tích hợp với BIM giúp quản lý dữ liệu hiệu quả, trực quan hóa kết quả và hỗ trợ ra quyết định bảo trì chính xác hơn.

  2. Phương pháp hiệu độ cong dạng dao động hoạt động như thế nào?
    Phương pháp này sử dụng đạo hàm bậc hai của dạng dao động để phát hiện sự thay đổi cấu trúc, từ đó xác định vị trí hư hỏng dựa trên sự khác biệt giữa trạng thái không hư hỏng và hư hỏng.

  3. Mạng nơ-ron nhân tạo được sử dụng ra sao trong chẩn đoán mức độ hư hỏng?
    ANNs được huấn luyện với dữ liệu dạng dao động mô phỏng để dự đoán mức độ hư hỏng tại các vị trí đã xác định, giúp nâng cao độ chính xác và khả năng dự báo.

  4. Hệ thống này có thể áp dụng cho các loại kết cấu khác ngoài dầm không?
    Có thể, tuy nhiên cần điều chỉnh mô hình và huấn luyện mạng nơ-ron phù hợp với đặc điểm kết cấu khác như cầu, tấm hay khung nhà cao tầng.

  5. Làm thế nào để truy cập và sử dụng dữ liệu trên BIM Server?
    BIM Server cung cấp giao diện trực quan cho phép truy cập dữ liệu 3D, biểu đồ và báo cáo chẩn đoán qua nền tảng trực tuyến, hỗ trợ các bên liên quan theo dõi và quản lý công trình dễ dàng.

Kết luận

  • Xây dựng thành công hệ thống tích hợp SHM và BIM giúp tự động hóa và trực quan hóa quá trình chẩn đoán hư hỏng kết cấu dầm.
  • Phương pháp chẩn đoán hai bước kết hợp hiệu độ cong dạng dao động và mạng nơ-ron nhân tạo đạt độ chính xác cao với chỉ số tổng thể trên 83%.
  • Hệ thống được kiểm chứng trên mô hình dầm bê tông cốt thép thực tế, chứng minh tính khả thi và ứng dụng thực tiễn.
  • BIM Server đóng vai trò quan trọng trong quản lý dữ liệu, hỗ trợ truy cập và trực quan hóa kết quả chẩn đoán.
  • Đề xuất triển khai rộng rãi, phát triển phần mềm tích hợp và đào tạo kỹ thuật nhằm nâng cao hiệu quả quản lý và bảo trì công trình trong tương lai.

Hãy áp dụng và phát triển hệ thống SHM-BIM để nâng cao an toàn và hiệu quả quản lý kết cấu công trình ngay hôm nay!