Tổng quan nghiên cứu

Thị trường xây dựng công nghiệp tại khu vực Đông Nam Á đang chứng kiến sự bùng nổ mạnh mẽ của mô hình nhà thép tiền chế nhờ ưu điểm vượt trội về khả năng chịu lực, tính linh hoạt kiến trúc và rút ngắn tiến độ thi công. Nhu cầu tiêu thụ thép của khu vực ASEAN-6 duy trì tốc độ tăng trưởng bình quân 9,6% mỗi năm trong giai đoạn 2009–2014 đạt 65 triệu tấn, tiếp tục tăng trên 10% mỗi năm trong giai đoạn 2015–2019 và đạt quy mô hơn 90 triệu tấn. Riêng tại thị trường Indonesia, tốc độ tăng trưởng đạt mức 11% trong hai năm 2018–2019 từ làn sóng dịch chuyển sản xuất công nghiệp. Tuy nhiên, chi phí logistics và quản lý chuỗi cung ứng xây dựng tại Việt Nam hiện chiếm tới 25% GDP, cao hơn rất nhiều so với mức 10% đến 13% GDP tại các quốc gia phát triển như Nhật Bản và Hoa Kỳ.

Thực tế thi công lắp dựng khung kết cấu thép tại các dự án nhà xưởng công nghiệp thường xuyên đối mặt với tình trạng lãng phí nguồn lực, xung đột thiết kế, chậm bàn giao mặt bằng và thời gian chờ máy móc thiết bị kéo dài. Nghiên cứu này được thực hiện nhằm mục tiêu xác định có hệ thống các nhân tố cốt lõi ảnh hưởng trực tiếp đến năng suất lao động trong chuỗi cung ứng và lắp dựng hệ khung kết cấu thép, đồng thời xây dựng mô hình mô phỏng sự kiện rời rạc để tìm ra phương án bố trí tài nguyên tối ưu về chi phí và tiến độ.

Nghiên cứu được triển khai thực nghiệm trên dự án nhà máy sản xuất giày dép quy mô cấp 2 tại xã Đông Hà, huyện Đức Linh, tỉnh Bình Thuận với tổng diện tích khu đất 154.408 m2 và diện tích sàn xây dựng nhà xưởng 73.138 m2. Kết quả của luận văn mang lại giá trị thực tiễn to lớn, cung cấp công cụ định lượng khoa học giúp các nhà thầu thi công cắt giảm chi phí ca máy, rút ngắn từ 15% đến 28% thời gian lắp dựng và nâng cao năng lực cạnh tranh trong phân khúc xây dựng công nghiệp nhẹ.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Khung lý thuyết của đề tài được xây dựng dựa trên ba trụ cột học thuật chính trong quản trị xây dựng hiện đại:

  • Lý thuyết quản trị năng suất lao động xây dựng: Dựa trên khái niệm của Từ điển Kinh tế học Hiện đại MIT và Từ điển Oxford, năng suất được xác định là tỷ số giữa đầu ra thực tế trên một đơn vị đầu vào nguồn lực (lao động, thiết bị, vốn). Việc gia tăng năng suất đòi hỏi phải triệt tiêu các thời gian nhàn rỗi phi sản xuất trong dây chuyền thao tác của công nhân và thiết bị nâng hạ.
  • Lý thuyết quản trị chuỗi cung ứng tổng thể (SCM): Theo chuẩn mực của Hội đồng các chuyên gia quản trị chuỗi cung ứng (CSCMP), chuỗi cung ứng kết cấu thép là chu trình tích hợp khép kín gồm: lập kế hoạch vật tư, sản xuất gia công tại nhà máy, vận chuyển đường dài, lưu kho bãi công trường và lắp dựng tại vị trí định vị.
  • Lý thuyết mô phỏng sự kiện rời rạc (Discrete Event Simulation - DES): Ứng dụng hệ thống mô phỏng Stroboscope và công cụ mô hình hóa trực quan EzStrobe do Giáo sư Julio César Martínez phát triển năm 1996. Lý thuyết này sử dụng Sơ đồ chu kỳ hoạt động (Activity Cycle Diagrams - ACD) để lượng hóa sự tương tác giữa các nguồn tài nguyên hữu hạn theo thời gian ngẫu nhiên.

Các khái niệm then chốt xuyên suốt đề tài bao gồm: nhà thép tiền chế (Pre-engineered Buildings - PEB), công nghệ mô hình hóa thông tin công trình (BIM), bản vẽ gia công chi tiết (Shopdrawing), nút tài nguyên hàng đợi (Queue), công tác kết hợp có điều kiện (Combi Activity) và công tác thông thường (Normal Activity).

Phương pháp nghiên cứu

Quy trình nghiên cứu kết hợp chặt chẽ giữa phân tích định lượng thống kê và thực nghiệm mô phỏng số hóa theo các bước:

  • Nguồn dữ liệu và thiết kế mẫu: Dữ liệu định tính và định lượng được thu thập qua hai giai đoạn. Giai đoạn một tiến hành khảo sát diện rộng bằng biểu mẫu Google Forms dựa trên thang đo Likert 5 mức độ (từ 1 - Không ảnh hưởng đến 5 - Ảnh hưởng rất nhiều). Cỡ mẫu khảo sát tuân thủ nguyên tắc lấy mẫu gấp 5 lần số biến quan sát theo tiêu chuẩn phương pháp luận của Hoàng Trọng và Chu Nguyễn Mộng Ngọc cho 27 biến sơ bộ. Mẫu được chọn theo phương pháp thuận tiện phi xác suất, hướng trực tiếp đến các giám đốc dự án, chỉ huy trưởng và kỹ sư có trên 10 năm kinh nghiệm thuộc các doanh nghiệp kết cấu thép hàng đầu như Công ty Cổ phần Cơ khí Xây dựng Thương mại Đại Dũng và Công ty Cổ phần Xây dựng BMB. Giai đoạn hai tiến hành bấm giờ quan sát trực tiếp chu kỳ thao tác lắp dựng tại công trường dự án nhà xưởng 73.138 m2 tại Bình Thuận.
  • Phương pháp phân tích dữ liệu: Sử dụng phần mềm SPSS để phân tích thống kê mô tả, kiểm định độ tin cậy thang đo Cronbach’s Alpha (yêu cầu hệ số lớn hơn 0,70 và tương quan biến - tổng lớn hơn 0,30) và tính giá trị trung bình Mean để xếp hạng các nhân tố ảnh hưởng.
  • Xây dựng mô hình mô phỏng: Dữ liệu thời gian thao tác được xử lý thống kê bằng công cụ Batch Fit trong phần mềm Crystal Ball nhằm xác định chính xác quy luật phân phối xác suất (Beta, Normal, Triangular). Sau đó, mô hình mạng EzStrobe được thiết lập trên Microsoft Visio để mô phỏng sự kiện rời rạc các công đoạn lắp cột, dầm, giằng và xà gồ.
  • Timeline nghiên cứu: Đề tài được triển khai thực hiện và hoàn thành trong giai đoạn từ ngày 05/09/2022 đến ngày 18/12/2022.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

Phân tích dữ liệu khảo sát 27 nhân tố ban đầu trên phần mềm SPSS cho thấy toàn bộ các thang đo thuộc 5 nhóm (Thiết kế, Chuẩn bị, Thi công, Quản lý và Yếu tố khác) đều đạt độ tin cậy Cronbach’s Alpha vượt chuẩn từ 0,70 đến trên 0,80. Dựa trên giá trị trung bình Mean, nghiên cứu đã sàng lọc và xác định được 8 nhân tố cốt lõi có ảnh hưởng chi phối đến năng suất lắp dựng kết cấu thép:

  1. Năng lực sản xuất kết cấu thép của nhà máy gia công (Mã CB3 - Mean = 4,07): Xếp vị trí thứ nhất, phản ánh tốc độ và quy mô chế tạo phôi thép quyết định trực tiếp đến nhịp độ cấp hàng cho công trường.
  2. Kỹ năng tay nghề của công nhân (Mã TC4 - Mean = 4,03): Xếp vị trí thứ hai, quyết định tốc độ căn chỉnh bulong, cân chỉnh độ thẳng đứng và độ an toàn khi làm việc trên cao.
  3. Mặt bằng thi công (Mã TC1 - Mean = 4,02) và Bản vẽ biện pháp thi công (Mã TK4 - Mean = 4,02): Đồng xếp hạng ba, phản ánh điều kiện di chuyển của cẩu Kato và tính khả thi của phương án tổ chức lắp ghép.
  4. Số lượng tổ đội thi công (Mã TC3 - Mean = 3,98): Giữ vai trò then chốt trong việc phân bổ nhân lực đồng bộ theo tầm với của cần trục.
  5. Áp dụng BIM vào kiểm tra và xử lý xung đột thiết kế (Mã TK3 - Mean = 3,94): Giúp giảm thiểu tối đa các lỗi hình học giữa chi tiết thép và cấu kiện hạ tầng trước khi xuất xưởng.
  6. Cung ứng vật tư để sản xuất gia công (Mã CB2 - Mean = 3,93) và Hợp đồng thi công không rõ ràng (Mã CB1 - Mean = 3,93): Đảm bảo tính ổn định của dòng vật tư thép tấm và cơ chế thanh toán liên tục giữa chủ đầu tư và nhà thầu.

Khi đưa quy trình lắp dựng thực tế gồm 5 bước (móc cáp, cẩu cấu kiện, căn chỉnh cố định bulong, giằng liên kết, tháo cáp) vào mô hình EzStrobe, nghiên cứu phát hiện điểm nghẽn lớn nhất nằm ở hàng đợi giằng - xà gồ sẵn sàng (ký hiệu GXGSANSANG). Khi số lượng công nhân gá lắp giằng (tổ CN3) chỉ có 2 người, cần cẩu Kato phải chờ đợi trung bình hơn 35% tổng thời gian một chu kỳ. Khi tiến hành tăng dần số lượng công nhân CN3 lên 4, 6, 8, 10 và 12 người, thời gian hoàn thành gói kết cấu giảm mạnh. Đồng thời, phương án mở rộng chia mặt bằng thành 2 Zone độc lập và huy động 4 cần cẩu Kato hoạt động đồng thời đã giúp tăng năng suất tổng thể lên hơn 45% so với mô hình ban đầu.

Thảo luận kết quả

Các phát hiện chỉ ra rằng năng suất thi công kết cấu thép không chỉ phụ thuộc vào kỹ thuật tại hiện trường mà chịu sự chi phối mang tính chuỗi từ khâu gia công chế tạo tại nhà xưởng đến phương pháp điều phối tài nguyên lắp dựng. Việc chậm trễ vật tư từ nhà máy (Mean 4,07) sẽ ngay lập tức gây ra hiện tượng đứt gãy dây chuyền, khiến chi phí thuê cẩu chuyên dụng bị lãng phí nghiêm trọng.

Kết quả mô phỏng EzStrobe trong đề tài hoàn toàn tương đồng với các nghiên cứu của Wisoot Jiradamkerng về lắp đặt cấu kiện đúc sẵn và nghiên cứu bố trí mặt bằng động của nhóm tác giả Sarah Abou Dargham. Sự kết hợp giữa việc tối ưu hóa nhân lực tổ đội gá lắp và phân chia mặt bằng thi công hợp lý chính là chìa khóa để triệt tiêu thời gian hàng đợi. Dữ liệu mô phỏng trong luận văn có thể được biểu diễn trực quan thông qua biểu đồ biến thiên chi phí - thời gian tương ứng với từng quy mô nhân sự và bảng cân đối số lượng ca máy Kato, cung cấp cơ sở tin cậy giúp các nhà quản lý dự án đưa ra quyết định tối ưu.

Đề xuất và khuyến nghị

Dựa trên kết quả định lượng, nghiên cứu đề xuất 4 nhóm giải pháp chiến lược nhằm nâng cao toàn diện năng suất lắp dựng khung kết cấu thép và hiệu quả chuỗi cung ứng:

  • Chuẩn hóa kế hoạch cung ứng và cam kết năng lực gia công nhà máy: Thiết lập phụ lục tiến độ cung ứng chi tiết kèm điều khoản thưởng phạt rõ ràng trong hợp đồng gia công kết cấu thép. Mục tiêu hướng tới giảm 100% thời gian chờ đợi cấu kiện tại công trường; hoàn thành ký kết và rà soát năng lực nhà xưởng trước 30 ngày so với mốc khởi công lắp dựng; thực hiện bởi Giám đốc dự án và Phòng Cung ứng - Đấu thầu.
  • Ứng dụng bắt buộc mô hình BIM 3D thẩm tra bản vẽ Shopdrawing: Triển khai công nghệ BIM 3D để quét và xử lý 100% các điểm xung đột giữa hệ kết cấu thép, bu lông móng và hệ thống cơ điện (MEP). Mục tiêu hoàn thành phê duyệt bản vẽ biện pháp thi công trước ngày gia công đại trà ít nhất 15 ngày; thực hiện bởi Bộ phận Thiết kế Shopdrawing phối hợp với Tư vấn Giám sát.
  • Tái cấu trúc và tối ưu hóa tổ đội công nhân theo mô hình EzStrobe: Tăng cường biên chế tổ lắp giằng - xà gồ (CN3) từ mức 2 công nhân hiện hữu lên 6 đến 8 công nhân lành nghề cho mỗi mũi thi công cẩu Kato. Target nhằm giải phóng ngay lập tức nút nghẽn tại hàng chờ GXGSANSANG, giảm 25% thời gian chờ của cần trục; Chỉ huy trưởng công trường chịu trách nhiệm điều phối hàng ngày.
  • Phân vùng mặt bằng thi công song song (Multi-Zone): Đối với các nhà xưởng diện tích lớn trên 70.000 m2, tiến hành chia mặt bằng thành 2 phân khu (Zone 1 và Zone 2) biệt lập, huy động đồng bộ 4 cần cẩu Kato trọng tải từ 25 đến 50 tấn hoạt động độc lập. Mục tiêu rút ngắn 35% tổng tiến độ lắp ghép khung thép; triển khai trong vòng 07 ngày trước khi đưa thiết bị cơ giới vào công trường bởi Phòng Kỹ thuật Thi công.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

Luận văn là tài liệu tham khảo chuyên sâu và hữu ích cho 4 nhóm đối tượng chính:

  • Ban lãnh đạo và Giám đốc điều hành các doanh nghiệp kết cấu thép: Nắm bắt phương pháp hoạch định chuỗi cung ứng đồng bộ giữa công suất nhà máy gia công và tiến độ thi công ngoài hiện trường, giúp cắt giảm chi phí logistics từ mức trung bình 25% xuống ngưỡng tối ưu.
  • Chỉ huy trưởng và Kỹ sư quản lý thi công công trình công nghiệp: Ứng dụng quy trình lắp đặt chuẩn hóa 5 bước cho hệ cột, dầm, giằng xà gồ và phương pháp điều chỉnh định mức tổ đội nhân công nhằm triệt tiêu lãng phí ca máy cẩu Kato.
  • Kỹ sư thiết kế Shopdrawing và Chuyên viên BIM: Tiếp cận phương pháp kiểm soát xung đột hình học 3D, nâng cao chất lượng hồ sơ thiết kế biện pháp thi công và hạn chế tối đa các sửa đổi phát sinh ngoài hiện trường.
  • Học viên cao học và Nhà nghiên cứu chuyên ngành Quản lý xây dựng: Tham khảo mô hình nghiên cứu kết hợp giữa khảo sát định lượng SPSS (Cronbach’s Alpha, Mean) và công cụ mô phỏng sự kiện rời rạc EzStrobe / Stroboscope để phát triển các đề tài mở rộng trong ngành xây dựng.

Câu hỏi thường gặp

  • Mô phỏng sự kiện rời rạc EzStrobe đem lại ưu thế vượt trội gì so với phương pháp lập tiến độ truyền thống Gantt hay CPM? Khác với biểu đồ Gantt hay sơ đồ mạng CPM vốn chỉ giả định thời gian cố định, EzStrobe mô phỏng chính xác sự tương tác ngẫu nhiên của các tài nguyên hữu hạn (cần cẩu, thợ lắp giằng, mặt bằng) thông qua các hàm phân phối xác suất, giúp phát hiện chính xác các nút thắt cổ chai và thời gian chờ đợi lãng phí.
  • Tại sao năng lực gia công của nhà máy lại là nhân tố có điểm đánh giá tác động cao nhất (Mean = 4,07)? Trong thi công nhà thép tiền chế, toàn bộ cấu kiện cột và dầm được sản xuất gia công sẵn tại nhà máy. Nếu nhà máy thiếu nguyên liệu thép tấm hoặc công suất cắt hàn không đáp ứng, công trường sẽ lập tức bị gián đoạn, làm phát sinh chi phí phạt chậm tiến độ và chi phí chờ máy móc.
  • Ứng dụng BIM giúp giảm thiểu chi phí phát sinh trong thi công kết cấu thép như thế nào? Mô hình BIM 3D cho phép kiểm tra trước 100% các xung đột không gian giữa cấu kiện thép, hệ giằng, bu lông neo móng và hệ thống đường ống kỹ thuật. Điều này giúp bộ phận thiết kế chỉnh sửa trực tiếp trên bản vẽ Shopdrawing, tránh hoàn toàn việc phải cắt hàn sửa chữa phức tạp trên cao tại công trường.
  • Khi nào nhà thầu nên áp dụng phương án phân chia 2 Zone và tăng cường 4 cần cẩu Kato? Phương án này đặc biệt hiệu quả đối với các dự án nhà công nghiệp quy mô lớn từ 70.000 m2 sàn trở lên, có mặt bằng thi công thông thoáng và đường nội bộ hoàn chỉnh, cho phép nhiều mũi cẩu hoạt động độc lập nhằm đáp ứng yêu cầu bàn giao gấp từ chủ đầu tư.
  • Làm cách nào để thu thập dữ liệu thời gian đưa vào phần mềm EzStrobe đảm bảo tính chuẩn xác? Kỹ sư nghiên cứu sử dụng phương pháp bấm giờ trực tiếp từng chu kỳ thao tác thực tế tại công trình (móc cáp, nâng cẩu, căn chỉnh bulong, gá xà gồ) với cỡ mẫu lặp lại nhiều lần, sau đó sử dụng công cụ Batch Fit trong phần mềm Crystal Ball để kiểm định dạng phân phối xác suất phù hợp trước khi nhập vào mô hình.

Kết luận

Nghiên cứu đã hoàn thành xuất sắc các mục tiêu đề ra với những đóng góp nổi bật:

  • Xác lập cơ sở dữ liệu định lượng khoa học với 8 nhân tố trọng yếu chi phối trực tiếp đến năng suất lắp dựng khung thép trong xây dựng nhà xưởng công nghiệp.
  • Chứng minh tính hiệu quả vượt trội của công cụ mô phỏng EzStrobe trong việc tái cấu trúc dòng tài nguyên và triệt tiêu điểm nghẽn hàng đợi GXGSANSANG.
  • Định lượng hóa hiệu quả tối ưu: Tăng nhân sự tổ đội lắp giằng CN3 lên 6–8 người giúp cắt giảm 15% đến 28% thời gian thi công gói kết cấu thép.
  • Đề xuất mô hình phối hợp 2 Zone với 4 cẩu Kato giúp nâng cao hơn 45% năng suất tổng thể cho các công trình công nghiệp quy mô lớn trên 70.000 m2.
  • Cung cấp khung hướng dẫn thực hành hoàn chỉnh từ chuẩn hóa hợp đồng chuỗi cung ứng, ứng dụng BIM 3D đến điều phối hiện trường.

Trong giai đoạn tiếp theo từ năm 2024 đến năm 2025, hướng nghiên cứu sẽ mở rộng việc tích hợp mô phỏng thời gian thực (Real-time Simulation) với công nghệ cảm biến IoT và cập nhật tiến độ tự động trên nền tảng đám mây. Các doanh nghiệp và nhà thầu xây dựng công nghiệp hãy nhanh chóng áp dụng giải pháp mô phỏng EzStrobe và khung quản trị chuỗi cung ứng của đề tài để bứt phá năng suất và tối ưu hóa chi phí cho các dự án sắp tới!