Phương pháp lập kế hoạch dự án dựa trên mô hình thông tin xây dựng (BIM) để giảm chồng chéo hoạt động và tối ưu hóa chi phí thời gian

• Tác giả: Tu Anh Nguyen
• Người hướng dẫn: Assoc. Long Duc Luong
• Trường học: Ho Chi Minh City University of Technology
• Chuyên ngành: Construction Management
• Đề tài: Develop A Project Planning Method Based On Building Information Model (BIM) To Optimally Reduce Activity Overlaps And Time Cost
• Loại tài liệu: master’s thesis
• Năm xuất bản: 2023
• Địa điểm: Ho Chi Minh City

• ACKNOWLEDGEMENT
• ABSTRACT
• TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ
• AUTHOR’S COMMITMENT
• TABLE OF CONTENTS
• TABLE OF FIGURES
• TABLE OF TABLES
• LIST OF ABBREVIATIONS
• 1. CHAPTER 1: INTRODUCTION
• 1.1. General Introduction
• 1.2. Problem Statement
• 1.3. Object and Range of Study
• 1.4. Scope of the Study
• 1.5. Research Methodology
• 1.6. Structure of the Study
• 2. CHAPTER 2: LITERATURE REVIEW
• 2.1. Definitions and Concepts
• 2.2. Overlapping time impact
• 2.3. Overlapping costs and benefits
• 2.4. Overlapping Time-cost tradeoff
• 2.5. Mamdani and Sugeno Fuzzy Inference Systems
• 2.6. BIM implementation in construction planning and scheduling
• 2.7. Optimization in Construction
• 2.8. Advantages of Genetic Algorithm
• 3. CHAPTER 3: RESEARCH METHODOLOGY
• 3.1. Algorithm for Finding Overlapping Schedule in Project Activities
• 3.2. Fuzzy-Based Risk Analysis Algorithm
• 3.3. Algorithm for Optimizing Schedule Overlapping using Genetic Algorithm
• 3.4. Schedule optimization application process
• 3.5. Function and constraints utilized in the optimization of the project’s schedule
• 3.6. The process of generating an initial solution for the GA algorithms
• 3.7. Establishing the fitness function
• 3.8. Analysis of Genetic Algorithm operation
• 3.9. Tradeoff between the total cost of risk and the total overlapping duration
• 3.10. System for Optimizing Schedule Overlapping using BIM-Based Simulation
• 4. CHAPTER 4: MODEL IMPLEMENTATION AND VALIDATION
• 4.1. Case study 2 – Bloomsdale Residence
• 5. CHAPTER 5: CONCLUSION AND RECOMMENDATION
• ANNEX A: Case study 2 detail work in MS Project
• ANNEX B: Case study 2 detail project time
• ANNEX C: Case study 2 detail risk analysis
• ANNEX D: Proposed MATLAB code

I. Giới thiệu

Nghiên cứu này tập trung vào việc phát triển một phương pháp lập kế hoạch dự án dựa trên mô hình thông tin xây dựng (BIM) nhằm tối ưu hóa chi phí và giảm chồng chéo hoạt động. Sự gia tăng sử dụng BIM trong ngành xây dựng đã tạo ra nhu cầu về một hệ thống quản lý tiến độ có khả năng đưa ra quyết định tinh vi hơn. Việc chồng chéo giữa các hoạt động xây dựng có thể dẫn đến hiệu suất kém và gia tăng chi phí. Do đó, việc thiết lập một lịch trình xây dựng phù hợp là cần thiết để giảm thiểu tình trạng này. Nghiên cứu này không chỉ tìm cách xác định các hoạt động chồng chéo mà còn áp dụng lý thuyết mờ và thuật toán di truyền để tối ưu hóa các hoạt động rủi ro cao. Mục tiêu chính là phát triển một hệ thống mô phỏng lịch trình xây dựng lý tưởng nhằm cải thiện hiệu suất và giảm thiểu chi phí.

II. Tổng quan tài liệu

Tài liệu này trình bày các khái niệm và định nghĩa liên quan đến tối ưu hóa quy trình và quản lý chi phí xây dựng. Sự chồng chéo giữa các hoạt động có thể gây ra những ảnh hưởng tiêu cực đến thời gian và chi phí của dự án. Các nghiên cứu trước đây đã chỉ ra rằng việc áp dụng BIM có thể giúp cải thiện việc lập kế hoạch và quản lý tiến độ. Hệ thống BIM không chỉ giúp hình dung các hoạt động mà còn hỗ trợ trong việc ra quyết định dựa trên dữ liệu thực tế. Hơn nữa, các phương pháp như thuật toán di truyền đã được chứng minh là hiệu quả trong việc tối ưu hóa lịch trình và giảm thiểu rủi ro. Sự kết hợp giữa BIM và các phương pháp tối ưu hóa sẽ mang lại nhiều lợi ích cho việc quản lý dự án xây dựng.

III. Phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu này áp dụng một số phương pháp để xác định và tối ưu hóa sự chồng chéo hoạt động trong các dự án xây dựng. Đầu tiên, một thuật toán được phát triển để phát hiện các lịch trình chồng chéo trong các hoạt động dự án. Tiếp theo, lý thuyết mờ được áp dụng để phân tích rủi ro liên quan đến các vấn đề chồng chéo. Cuối cùng, thuật toán di truyền được sử dụng để tối ưu hóa lịch trình, giảm thiểu thời gian và chi phí. Hệ thống môi trường bốn chiều (4-D) được xây dựng trên nền tảng BIM sẽ giúp mô phỏng và phân tích hiệu quả các hoạt động chồng chéo. Quá trình này không chỉ giúp xác định các hoạt động có rủi ro cao mà còn cung cấp các giải pháp tối ưu cho việc lập kế hoạch dự án.

IV. Triển khai mô hình và xác thực

Mô hình được triển khai thông qua một nghiên cứu điển hình cụ thể. Nghiên cứu này không chỉ áp dụng lý thuyết mà còn chứng minh tính khả thi của phương pháp thông qua việc thực hiện trên một dự án thực tế. Kết quả cho thấy việc áp dụng BIM và các thuật toán tối ưu hóa đã giúp giảm thiểu đáng kể chi phí xây dựng và thời gian thực hiện dự án. Các kết quả này được so sánh với các phương pháp truyền thống để đánh giá hiệu quả của mô hình. Sự thành công của nghiên cứu này sẽ mở ra những hướng đi mới trong việc ứng dụng BIM trong quản lý dự án xây dựng, từ đó nâng cao hiệu quả và giảm thiểu rủi ro cho các dự án tương lai.

V. Kết luận và khuyến nghị

Nghiên cứu khẳng định rằng việc áp dụng phương pháp lập kế hoạch dự án dựa trên BIM không chỉ giúp tối ưu hóa chi phí mà còn giảm thiểu chồng chéo hoạt động. Những kết quả đạt được từ nghiên cứu này có thể được ứng dụng rộng rãi trong ngành xây dựng, đặc biệt là trong các dự án lớn có tính phức tạp cao. Để cải thiện hơn nữa, các nhà nghiên cứu và thực hành nên tiếp tục phát triển và điều chỉnh các công cụ và phương pháp dựa trên BIM nhằm đạt được hiệu quả cao nhất trong quản lý dự án.

Tổng quan nghiên cứu

Trong bối cảnh ngành xây dựng ngày càng ứng dụng rộng rãi công nghệ mô hình hóa thông tin công trình (BIM), nhu cầu về một hệ thống quản lý tiến độ xây dựng có khả năng đưa ra các quyết định tối ưu ngày càng tăng cao. Theo báo cáo của ngành, việc chồng chéo các hoạt động thi công trong dự án xây dựng là hiện tượng phổ biến, gây ra nhiều khó khăn trong quản lý thời gian và nguồn lực, làm giảm hiệu suất vận hành và tăng chi phí. Nghiên cứu này tập trung phát triển một phương pháp hoạch định dự án dựa trên BIM nhằm giảm thiểu tối ưu sự chồng lấn các công tác thi công và chi phí thời gian liên quan.

Mục tiêu cụ thể của luận văn là xây dựng một hệ thống mô phỏng tiến độ thi công lý tưởng, xác định các hoạt động chồng chéo, áp dụng lý thuyết mờ để đánh giá rủi ro và sử dụng thuật toán di truyền (GA) để tối ưu hóa lịch trình, giảm thiểu sự chồng lấn các hoạt động có rủi ro cao. Phạm vi nghiên cứu tập trung tại thành phố Hồ Chí Minh, Việt Nam, trong khoảng thời gian từ đầu năm 2023 đến giữa năm 2023. Kết quả nghiên cứu có ý nghĩa quan trọng trong việc nâng cao hiệu quả quản lý tiến độ, giảm thiểu chi phí và rủi ro trong các dự án xây dựng, góp phần thúc đẩy ứng dụng BIM trong thực tiễn ngành xây dựng.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Luận văn dựa trên các lý thuyết và mô hình nghiên cứu sau:

• Nguyên lý chồng lấn hoạt động (Overlapping principle): Phân loại các mối quan hệ giữa các hoạt động thi công như phụ thuộc, bán phụ thuộc, độc lập và tương hỗ, từ đó đánh giá mức độ rủi ro khi các hoạt động này chồng lấn nhau. Nghiên cứu chỉ ra rằng chồng lấn giữa các hoạt động phụ thuộc hoặc bán phụ thuộc tiềm ẩn nhiều rủi ro nhất.

• Lý thuyết mờ (Fuzzy logic): Áp dụng hệ thống suy luận mờ Mamdani để đánh giá rủi ro dựa trên các yếu tố xác suất và cường độ rủi ro của các hoạt động chồng lấn. Hệ thống này cho phép xử lý dữ liệu không chắc chắn và đánh giá chủ quan từ chuyên gia.

• Thuật toán di truyền (Genetic Algorithm - GA): Sử dụng GA để tối ưu hóa lịch trình thi công, giảm thiểu tổng thời gian chồng lấn và chi phí rủi ro. GA được lựa chọn do khả năng giải quyết các bài toán đa mục tiêu phức tạp, tìm kiếm giải pháp tối ưu trong không gian lớn.

• Mô hình hóa thông tin công trình 4D (4-D BIM): Kết hợp mô hình 3D của công trình với tiến độ thi công để trực quan hóa và mô phỏng lịch trình, hỗ trợ phân tích và ra quyết định.

Các khái niệm chính bao gồm: tỷ lệ chồng lấn lịch trình (Schedule Overlapping Ratio - SOR), phân tích rủi ro dựa trên mờ, tối ưu hóa đa mục tiêu (thời gian và chi phí), và mô phỏng tiến độ dự án.

Phương pháp nghiên cứu

Nguồn dữ liệu chính được thu thập từ các dự án xây dựng thực tế tại thành phố Hồ Chí Minh, kết hợp với các nghiên cứu trước đây và tài liệu chuyên ngành. Cỡ mẫu nghiên cứu bao gồm các hoạt động thi công trong dự án Bloomsdale Residence, với hơn 20 hoạt động được phân tích chi tiết.

Phương pháp phân tích gồm:

• Thuật toán tìm kiếm chồng lấn: Xác định các hoạt động có thời gian thi công chồng lấn dựa trên các mối quan hệ FS, SS, SF, FF giữa các hoạt động, tính toán các chỉ số ES, EF, LS, LF để xác định thời điểm bắt đầu và kết thúc sớm, muộn của từng hoạt động.

• Phân tích rủi ro bằng lý thuyết mờ: Sử dụng hệ thống Mamdani trong MATLAB để đánh giá rủi ro dựa trên xác suất và cường độ rủi ro, được định nghĩa theo tỷ lệ chồng lấn SOR và đánh giá chuyên gia.

• Tối ưu hóa lịch trình bằng GA: Áp dụng thuật toán di truyền để tìm ra lịch trình tối ưu, giảm thiểu tổng thời gian chồng lấn và chi phí rủi ro. Các tham số GA được thiết lập phù hợp với đặc thù dự án, bao gồm kích thước quần thể, xác suất lai ghép và đột biến.

• Mô phỏng 4D BIM: Tích hợp kết quả tối ưu vào mô hình BIM để trực quan hóa tiến độ thi công, hỗ trợ đánh giá và ra quyết định.

Quá trình nghiên cứu được thực hiện trong khoảng thời gian từ tháng 2 đến tháng 6 năm 2023, với việc phát triển và kiểm thử mô hình trên dự án thực tế.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

1. Xác định tỷ lệ chồng lấn lịch trình (SOR): Kết quả phân tích cho thấy có khoảng 30% các hoạt động trong dự án Bloomsdale Residence có tỷ lệ chồng lấn lịch trình vượt mức 0.2, cho thấy mức độ chồng lấn đáng kể ảnh hưởng đến tiến độ và hiệu suất thi công.

2. Đánh giá rủi ro bằng lý thuyết mờ: Qua hệ thống Mamdani, các hoạt động có SOR cao được đánh giá có mức rủi ro từ trung bình đến rất cao, với xác suất rủi ro trên 0.7 và cường độ rủi ro trên 0.6, làm tăng nguy cơ phát sinh chi phí và thời gian do phải xử lý lại công việc.

3. Tối ưu hóa lịch trình bằng GA: Thuật toán di truyền đã giảm được tổng thời gian chồng lấn xuống khoảng 25% so với lịch trình ban đầu, đồng thời giảm chi phí rủi ro ước tính khoảng 18%. Các giải pháp tối ưu được thể hiện qua Pareto front, cho phép lựa chọn cân bằng giữa thời gian và chi phí.

4. Hiệu quả mô phỏng 4D BIM: Việc tích hợp kết quả tối ưu vào mô hình BIM giúp trực quan hóa tiến độ thi công, dễ dàng nhận diện các điểm chồng lấn và điều chỉnh lịch trình kịp thời, nâng cao hiệu quả quản lý dự án.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân chính của sự chồng lấn hoạt động là do áp lực rút ngắn tiến độ và sử dụng nguồn lực hiệu quả. Tuy nhiên, chồng lấn quá mức dẫn đến tăng rủi ro về chất lượng và chi phí phát sinh do phải làm lại. Kết quả nghiên cứu phù hợp với các báo cáo ngành và các nghiên cứu trước đây về tác động tiêu cực của chồng lấn hoạt động trong xây dựng.

Việc áp dụng lý thuyết mờ giúp đánh giá rủi ro một cách linh hoạt, phù hợp với tính chất không chắc chắn và chủ quan trong quản lý dự án. Thuật toán di truyền chứng minh hiệu quả trong việc tìm kiếm giải pháp tối ưu đa mục tiêu, vượt trội hơn các phương pháp truyền thống về khả năng xử lý các bài toán phức tạp.

Mô phỏng 4D BIM không chỉ hỗ trợ trực quan mà còn giúp các bên liên quan phối hợp tốt hơn, giảm thiểu xung đột và sai sót trong thi công. Dữ liệu có thể được trình bày qua biểu đồ Pareto và bảng so sánh tỷ lệ chồng lấn trước và sau tối ưu, giúp minh bạch và dễ dàng đánh giá hiệu quả.

Đề xuất và khuyến nghị

1. Áp dụng hệ thống quản lý tiến độ dựa trên BIM và GA: Các chủ đầu tư và nhà thầu nên triển khai hệ thống mô phỏng và tối ưu tiến độ dựa trên BIM kết hợp thuật toán di truyền để giảm thiểu chồng lấn hoạt động, nâng cao hiệu quả thi công. Thời gian triển khai đề xuất trong vòng 6 tháng.

2. Đào tạo và nâng cao năng lực quản lý rủi ro: Cán bộ quản lý dự án cần được đào tạo về lý thuyết mờ và kỹ thuật đánh giá rủi ro để áp dụng hiệu quả trong việc phân tích và xử lý các tình huống chồng lấn. Chủ thể thực hiện là các trường đại học và tổ chức đào tạo chuyên ngành.

3. Tăng cường phối hợp giữa các bên liên quan: Khuyến khích các bên trong dự án (chủ đầu tư, tư vấn, nhà thầu) sử dụng mô hình 4D BIM để phối hợp chặt chẽ, giảm thiểu xung đột và điều chỉnh lịch trình kịp thời. Thời gian áp dụng liên tục trong suốt vòng đời dự án.

4. Nghiên cứu mở rộng ứng dụng thuật toán tối ưu: Các nhà nghiên cứu và chuyên gia nên tiếp tục phát triển và ứng dụng các thuật toán metaheuristic khác để tối ưu hóa đa mục tiêu trong quản lý dự án xây dựng, nâng cao tính linh hoạt và hiệu quả. Thời gian nghiên cứu đề xuất từ 1-2 năm.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

1. Chủ đầu tư và nhà thầu xây dựng: Giúp hiểu rõ về tác động của chồng lấn hoạt động đến tiến độ và chi phí, từ đó áp dụng các công cụ tối ưu để quản lý dự án hiệu quả hơn.

2. Quản lý dự án và kỹ sư xây dựng: Cung cấp phương pháp và công cụ đánh giá rủi ro, tối ưu lịch trình thi công, nâng cao năng lực quản lý tiến độ và giảm thiểu rủi ro phát sinh.

3. Các nhà nghiên cứu và sinh viên chuyên ngành quản lý xây dựng: Là tài liệu tham khảo quý giá về ứng dụng BIM, lý thuyết mờ và thuật toán di truyền trong quản lý dự án xây dựng.

4. Các tổ chức đào tạo và tư vấn xây dựng: Hỗ trợ phát triển chương trình đào tạo và tư vấn chuyên sâu về quản lý tiến độ dự án, ứng dụng công nghệ BIM và các thuật toán tối ưu.

Câu hỏi thường gặp

1. BIM giúp giảm chồng lấn hoạt động như thế nào?
   BIM cung cấp mô hình 4D tích hợp tiến độ thi công, giúp trực quan hóa các hoạt động, phát hiện sớm các điểm chồng lấn và điều chỉnh lịch trình kịp thời, từ đó giảm thiểu xung đột và rủi ro.

2. Lý thuyết mờ được áp dụng ra sao trong đánh giá rủi ro?
   Lý thuyết mờ cho phép xử lý dữ liệu không chắc chắn và chủ quan, sử dụng các hàm thành viên và quy tắc if-then để đánh giá xác suất và cường độ rủi ro dựa trên tỷ lệ chồng lấn, giúp đưa ra quyết định chính xác hơn.

3. Thuật toán di truyền có ưu điểm gì trong tối ưu lịch trình?
   GA có khả năng tìm kiếm giải pháp tối ưu trong không gian lớn, xử lý đa mục tiêu và tránh bị kẹt ở cực trị cục bộ nhờ các phép lai ghép và đột biến, phù hợp với các bài toán phức tạp trong quản lý dự án.

4. Tỷ lệ chồng lấn lịch trình (SOR) được tính như thế nào?
   SOR được tính bằng tổng thời gian chồng lấn giữa hoạt động cơ sở và các hoạt động khác chia cho tổng thời gian của hoạt động cơ sở, giúp đánh giá mức độ chồng lấn tương đối.

5. Làm thế nào để áp dụng kết quả nghiên cứu vào thực tế?
   Các bên liên quan cần triển khai hệ thống BIM tích hợp mô phỏng tiến độ, đào tạo nhân sự về lý thuyết mờ và thuật toán tối ưu, đồng thời tăng cường phối hợp để điều chỉnh lịch trình dự án hiệu quả.

Kết luận

• Phương pháp hoạch định dự án dựa trên BIM kết hợp lý thuyết mờ và thuật toán di truyền giúp giảm tối ưu sự chồng lấn hoạt động và chi phí thời gian trong xây dựng.
• Tỷ lệ chồng lấn lịch trình (SOR) là chỉ số quan trọng để đánh giá rủi ro và hiệu quả tiến độ dự án.
• Hệ thống mô phỏng 4D BIM hỗ trợ trực quan hóa và ra quyết định hiệu quả trong quản lý tiến độ.
• Thuật toán di truyền tối ưu hóa đa mục tiêu, cân bằng giữa thời gian và chi phí, nâng cao hiệu quả quản lý dự án.
• Đề xuất triển khai áp dụng phương pháp trong thực tế, đồng thời nghiên cứu mở rộng để nâng cao tính ứng dụng và hiệu quả.

Next steps: Triển khai thử nghiệm hệ thống trên các dự án thực tế, đào tạo nhân sự và phát triển các thuật toán tối ưu nâng cao.

Call-to-action: Các nhà quản lý dự án và chuyên gia xây dựng nên áp dụng phương pháp này để nâng cao hiệu quả quản lý tiến độ và giảm thiểu rủi ro trong các dự án xây dựng hiện đại.