Tổng quan nghiên cứu

Trong ngành xây dựng hiện đại, việc quản lý hồ sơ hoàn công sau thời gian dài vận hành thường gặp tình trạng thất lạc hoặc sai lệch đáng kể so với thực tế, đặc biệt sau thời hạn lưu trữ theo Điều 26 Nghị định 06/2021/NĐ-CP. Theo ước tính từ các báo cáo kỹ thuật ngành, có tới hơn 60% công trình công nghiệp quy mô lớn tại Việt Nam gặp khó khăn khi sửa chữa, bảo trì do dữ liệu 2D truyền thống không phản ánh chuẩn xác hiện trạng. Nhằm giải quyết triệt để vấn đề này, nghiên cứu của học viên cao học Vũ Xuân Lâm tại Trường Đại học Bách Khoa, Đại học Quốc gia Thành phố Hồ Chí Minh, hoàn thành vào tháng 01 năm 2023, đã xây dựng quy trình thực hiện dự án Scan to BIM ứng dụng công nghệ quét laser 3D hiện đại.

Mục tiêu cốt lõi của đề tài là chuẩn hóa quy trình 4 giai đoạn triển khai Scan to BIM xuyên suốt từ khâu chuẩn bị, lập kế hoạch, khảo sát thực địa đến xử lý dữ liệu và nghiệm thu bàn giao. Nghiên cứu tiên phong tích hợp tiêu chuẩn mức độ chính xác LOA theo hướng dẫn của Viện Tài liệu Xây dựng Hoa Kỳ USIBD 2016 vào quy trình kiểm soát chất lượng mô hình thông tin công trình. Phạm vi nghiên cứu thực nghiệm được tiến hành từ tháng 09 năm 2022 đến tháng 12 năm 2022 tại Khu xử lý nước và Khu xử lý nước thải thuộc dự án Nhà máy nhiệt điện Vĩnh Tân 4 Mở rộng. Kết quả nghiên cứu mang lại ý nghĩa thực tiễn to lớn khi giúp rút ngắn hơn 40% thời gian khảo sát thực địa, số hóa 100% dữ liệu tài sản hình học và phi hình học lên môi trường dữ liệu chung CDE, đồng thời tối ưu hóa chi phí quản lý vận hành cho vòng đời công trình.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu được xây dựng dựa trên khung lý thuyết mô hình hóa thông tin công trình BIM theo hướng dẫn tại Quyết định 348/QĐ-BXD của Bộ Xây dựng và tiêu chuẩn quản lý thông tin quốc tế ISO 19650. Hệ thống khái niệm nền tảng bao gồm: Yêu cầu trao đổi thông tin EIR từ chủ đầu tư, Kế hoạch thực hiện BIM sơ bộ Pre-BEP và kế hoạch chi tiết BEP, Môi trường dữ liệu chung CDE, Mức độ phát triển thông tin LOD theo chuẩn BIM Forum, cùng Mức độ chính xác LOA theo tiêu chuẩn USIBD 2016.

Tiêu chuẩn LOA được phân cấp thành 5 mức độ rõ rệt: LOA10 (dung sai 5cm đến 15cm), LOA20 (dung sai 15mm đến 5cm), LOA30 (dung sai 5mm đến 15mm), LOA40 (dung sai 1mm đến 5mm) và LOA50 (dung sai dưới 1mm). Tác giả làm rõ hai khía cạnh then chốt là Measured Accuracy (độ chính xác của trị đo quét điểm) và Represented Accuracy (độ chính xác thể hiện của mô hình 3D), đồng thời phối hợp hai phương pháp dựng hình Simple Fit và Detailed Fit để mô phỏng chính xác cấu kiện kết cấu, kiến trúc và cơ điện MEP.

Phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu sử dụng phương pháp kết hợp giữa nghiên cứu tài liệu tổng hợp và phương pháp thực nghiệm hiện trường trên tình huống nghiên cứu điển hình. Cỡ mẫu nghiên cứu bao gồm toàn bộ cụm công trình kỹ thuật với hơn 10 hạng mục phức tạp tại Khu xử lý nước và Khu xử lý nước thải Nhà máy nhiệt điện Vĩnh Tân 4 Mở rộng. Phương pháp chọn mẫu có chủ đích được áp dụng do công trình công nghiệp nhiệt điện sở hữu mật độ đường ống công nghệ, thiết bị cơ điện và giàn thép dày đặc, đồng thời tồn tại nhiều khu vực nguy hiểm hạn chế tiếp cận thủ công.

Dữ liệu sơ cấp được thu thập bằng thiết bị quét laser chuyên dụng Trimble SX12 và Trimble X7 với tốc độ quét hàng trăm nghìn điểm mỗi giây. Toàn bộ dữ liệu đám mây điểm Point Cloud được bình sai, ghép trạm và mô hình hóa thông qua các phần mềm chuyên dụng như Trimble Realworks, Trimble Business Center, Autodesk Revit, Navisworks và Autodesk BIM 360 Docs trong thời gian 14 tuần (từ tháng 09 năm 2022 đến tháng 12 năm 2022). Lý do lựa chọn phân tích dữ liệu Point Cloud kết hợp mô hình BIM là nhằm đảm bảo mức độ tin cậy thống kê 95% khi kiểm định sai lệch kích thước hình học so với thực tế công trường.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

Việc triển khai thực nghiệm quy trình Scan to BIM tại Nhà máy nhiệt điện Vĩnh Tân 4 Mở rộng đã mang lại 4 phát hiện quan trọng:

Thứ nhất, kiểm tra mô hình hoàn công As-Built so với đám mây điểm theo tiêu chuẩn LOA30 đã phát hiện giàn giá đỡ đường ống Pipe rack và dầm mái Nhà khử muối có thanh thép góc L bị lắp ngược so với thiết kế, với độ sai lệch vị trí vượt ngưỡng 15mm.

Thứ hai, đánh giá chuyển vị hệ khung thép chịu lực cho thấy hệ khung giữa của nhà xưởng bị võng cục bộ tới 46mm dưới tác động tải trọng vận hành, trong khi hệ khung đầu hồi không xuất hiện độ võng (0mm). Phát hiện này chứng minh khả năng kiểm định an toàn kết cấu vượt trội của công nghệ quét 3D mà hồ sơ 2D truyền thống không thể ghi nhận.

Thứ ba, công tác kiểm tra chất lượng thi công tại hạng mục Phòng điều khiển và nhà tủ điện phát hiện bức tường xây gạch thực tế bị lệch tâm 150mm so với bản vẽ thiết kế ban đầu. Sai lệch này làm tăng thể tích khối lượng xây trát thực tế thêm khoảng 8,5% so với bảng tiên lượng dự toán gốc.

Thứ tư, tại các hạng mục Nhà lọc than hoạt tính, Nhà khử nước và các trạm Nhà bơm 1, 2, 3 được kiểm soát theo cấp độ LOA20, quy trình đã lọc sạch 100% dữ liệu điểm nhiễu và số hóa đầy đủ các thông tin phi hình học cho hơn 50 van khóa, thiết bị đường ống phục vụ bảo trì.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân của các sai lệch bắt nguồn từ việc điều chỉnh cục bộ ngoài hiện trường trong giai đoạn thi công nhưng không được cập nhật kịp thời vào bản vẽ hoàn công, kết hợp với độ võng đàn hồi tự nhiên của kết cấu thép theo thời gian. So sánh với các nghiên cứu của Daniel Huber năm 2011 về kiểm tra khuyết tật bê tông hay Justin Reginato năm 2014 về xung đột hệ thống MEP, nghiên cứu của tác giả Vũ Xuân Lâm đã tiến bộ hơn khi hoàn thiện một khung quy trình khép kín, tích hợp chặt chẽ việc kiểm soát chất lượng LOA trên nền tảng đám mây CDE.

Dữ liệu sai lệch hình học trong nghiên cứu được trực quan hóa rất hiệu quả thông qua bảng so sánh khối lượng vật tư và biểu đồ phổ màu nhiệt Heatmap trong phần mềm Trimble Realworks. Trên biểu đồ nhiệt, các khu vực vượt dung sai thiết kế được hiển thị sắc đỏ (sai lệch trên 15mm), trong khi các khu vực đạt chuẩn hiển thị sắc xanh lá cây (dung sai từ 0mm đến 5mm). Cách biểu diễn này giúp các kỹ sư quản lý và chủ đầu tư nhận diện trực quan 100% rủi ro biến dạng mà không cần thực hiện các biện pháp đục phá kiểm tra phá hủy.

Đề xuất và khuyến nghị

Nhằm nhân rộng hiệu quả của công nghệ Scan to BIM trong thực tiễn quản lý xây dựng tại Việt Nam, luận văn đưa ra 4 giải pháp cụ thể:

  1. Thiết lập quy chuẩn Kế hoạch thực hiện BIM chuyên biệt cho công tác số hóa hiện trạng: Các chủ đầu tư và đơn vị tư vấn quản lý dự án cần chủ động ban hành biểu mẫu Pre-BEP và BEP có tích hợp ma trận phân định cấp độ chính xác LOA theo USIBD 2016 ngay từ giai đoạn mời thầu. Mục tiêu là triệt tiêu 100% các tranh chấp kỹ thuật về dung sai mô hình, thời gian thực hiện trong vòng 30 ngày kể từ khi phê duyệt chủ trương đầu tư.

  2. Đầu tư và tối ưu hóa quy trình thiết lập trạm quét 3D ngoài thực địa: Đội ngũ kỹ sư khảo sát trắc địa cần xây dựng hệ thống mốc khống chế cao tọa độ chuẩn xác trước khi quét, duy trì độ chồng lấp dữ liệu giữa các trạm quét tối thiểu từ 30% đến 40%. Biện pháp này giúp loại bỏ điểm mù, đảm bảo trị đo Measured Accuracy đạt chuẩn LOA30 với sai số dưới 5mm, triển khai liên tục trong suốt tiến độ khảo sát từ 1 đến 2 tháng của dự án.

  3. Tự động hóa công tác xử lý dữ liệu và tích hợp thông tin phi hình học lên môi trường CDE: Các doanh nghiệp xây dựng cần ứng dụng nền tảng Autodesk BIM 360 Docs kết hợp phần mềm Trimble Realworks để tự động hóa hơn 80% quy trình trích xuất đối tượng hình học và gán dữ liệu bảo trì thiết bị. Mục tiêu là rút ngắn thời gian xử lý dữ liệu đám mây điểm từ 10 ngày xuống dưới 5 ngày cho mỗi phân khu công trình.

  4. Xây dựng khung hướng dẫn kỹ thuật cấp bộ ngành về nghiệm thu mô hình As-Built: Bộ Xây dựng cùng các trường đại học chuyên ngành cần phối hợp biên soạn sổ tay hướng dẫn kiểm tra Represented Accuracy cho các dự án cải tạo công nghiệp, hướng tới mục tiêu đạt tỷ lệ trên 70% các công trình công nghiệp nhóm A áp dụng Scan to BIM vào năm 2025.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

Nghiên cứu thạc sĩ của tác giả Vũ Xuân Lâm là tài liệu chuyên sâu hữu ích dành cho 4 nhóm đối tượng trọng tâm:

Thứ nhất, Chủ đầu tư và Ban quản lý dự án công nghiệp: Tài liệu cung cấp cơ sở xây dựng yêu cầu thông tin trao đổi EIR và tiêu chuẩn kiểm soát chất lượng dữ liệu hoàn công. Use case điển hình là ứng dụng mô hình BIM As-Built để quản lý vòng đời tài sản nhà máy, giúp tiết kiệm khoảng 25% chi phí khảo sát khi triển khai cải tạo, mở rộng.

Thứ hai, Tổng thầu xây dựng và các nhà thầu cơ điện MEP: Luận văn cung cấp quy trình phối hợp nội bộ và xử lý xung đột không gian. Use case tiêu biểu là sử dụng dữ liệu Point Cloud để phát hiện trước 100% sai lệch cấu kiện trước khi lắp đặt thiết bị cơ điện, ngăn chặn rủi ro chậm tiến độ công trường từ 2 đến 4 tuần.

Thứ ba, Doanh nghiệp tư vấn khảo sát trắc địa và số hóa công trình: Đơn vị khảo sát có thể khai thác hướng dẫn thiết lập trạm quét và phương pháp ghép trạm cho dòng máy Trimble X7 và Trimble SX12, nâng cao năng suất đo đạc lên gấp 3 lần so với công nghệ đo đạc thủ công.

Thứ tư, Giảng viên, nghiên cứu sinh và học viên cao học chuyên ngành Quản lý xây dựng: Đề tài cung cấp hệ thống học thuật hoàn chỉnh kết hợp giữa tiêu chuẩn ISO 19650, USIBD 2016 và pháp lý xây dựng Việt Nam, phục vụ đắc lực cho các nghiên cứu tiếp theo về HBIM, bản sao số Digital Twin và trí tuệ nhân tạo trong xử lý hình ảnh 3D.

Câu hỏi thường gặp

Công nghệ Scan to BIM có ưu điểm gì vượt trội so với phương pháp đo vẽ hoàn công truyền thống? Phương pháp truyền thống sử dụng thước đo hoặc máy toàn đạc chỉ ghi nhận các điểm đo rời rạc và mất nhiều tuần xử lý bản vẽ 2D đơn lẻ. Scan to BIM sử dụng máy quét laser 3D ghi lại hàng triệu điểm tọa độ không gian chính xác đến từng milimet, giúp giảm hơn 40% thời gian khảo sát thực địa và tái hiện trực quan 100% hiện trạng công trình trên mô hình 3D.

Mức độ chính xác LOA theo tiêu chuẩn USIBD 2016 có ý nghĩa như thế nào trong dự án? Tiêu chuẩn LOA quy định cụ thể mức dung sai cho từng nhóm cấu kiện từ LOA10 đến LOA50, ví dụ cấp độ LOA30 cho phép dung sai từ 5mm đến 15mm. Việc quy định rõ LOA trong hợp đồng giúp các bên thống nhất tiêu chí nghiệm thu mô hình hoàn công, đảm bảo độ tin cậy của dữ liệu đo đạc đạt trên 95% và tránh phát sinh tranh chấp kỹ thuật.

Tại sao các công trình công nghiệp như nhà máy nhiệt điện lại rất cần áp dụng Scan to BIM? Nhà máy nhiệt điện có mạng lưới đường ống công nghệ phức tạp và nhiều khu vực nhiệt độ cao nguy hiểm cho con người. Thiết bị quét laser 3D cho phép thu thập dữ liệu hiện trạng từ khoảng cách an toàn trên 20 mét, đồng thời phát hiện chính xác độ võng dầm thép 46mm hoặc sai lệch tường 150mm mà phương pháp thủ công khó tiếp cận.

Mô hình BIM hoàn công As-Built được lưu trữ và chia sẻ trên nền tảng nào? Mô hình hoàn công sau khi dựng trên Autodesk Revit được tích hợp lên Môi trường dữ liệu chung CDE Autodesk BIM 360 Docs. Nền tảng điện toán đám mây này cho phép phân quyền truy cập an toàn, giúp chủ đầu tư và đơn vị vận hành tra cứu tức thì thông tin kỹ thuật của hơn 50 danh mục thiết bị, nâng cao 50% hiệu quả bảo dưỡng.

Chi phí đầu tư thiết bị quét laser 3D có gây trở ngại cho việc áp dụng công nghệ này không? Dù chi phí mua sắm thiết bị ban đầu tương đối lớn, nhưng Scan to BIM giúp rút ngắn 50% thời gian đo đạc và giảm thiểu tối đa rủi ro sửa chữa sai sót tại công trường. Doanh nghiệp có thể lựa chọn hình thức thuê thiết bị hoặc hợp tác cùng các đơn vị dịch vụ đo quét chuyên nghiệp để tối ưu hóa bài toán kinh tế cho từng dự án.

Kết luận

Luận văn thạc sĩ của tác giả Vũ Xuân Lâm đã đóng góp một công trình nghiên cứu công phu, chuẩn hóa thành công quy trình ứng dụng Scan to BIM trong ngành xây dựng Việt Nam với 5 dấu ấn trọng tâm:

  • Xây dựng hoàn chỉnh quy trình thực hiện dự án Scan to BIM gồm 4 giai đoạn logic từ tiếp nhận thông tin, lập BEP, quét hiện trường đến xuất mô hình trên CDE.
  • Tiên phong hệ thống hóa và áp dụng tiêu chuẩn mức độ chính xác LOA theo USIBD 2016 vào kiểm soát chất lượng mô hình đám mây điểm.
  • Kiểm chứng thực nghiệm thành công tại Nhà máy nhiệt điện Vĩnh Tân 4 Mở rộng, phát hiện chính xác độ võng dầm 46mm và sai lệch tường gạch 150mm.
  • Số hóa 100% hồ sơ hoàn công và tích hợp thông tin phi hình học phục vụ hiệu quả công tác quản lý vận hành công trình công nghiệp suốt vòng đời.
  • Cung cấp cẩm nang thực tiễn giá trị, thúc đẩy lộ trình chuyển đổi số ngành xây dựng hướng tới mục tiêu áp dụng BIM diện rộng vào năm 2025.

Các chủ đầu tư và doanh nghiệp xây dựng hãy chủ động áp dụng quy trình Scan to BIM này ngay trong quý tới để cắt giảm 30% chi phí bảo trì và nâng cao năng lực cạnh tranh trong kỷ nguyên số hóa xây dựng.