Tổng quan nghiên cứu

Trong quản lý dự án xây dựng hiện đại, việc giải quyết bài toán cân bằng giữa thời gian, chi phí và chất lượng luôn là mục tiêu hàng đầu của các nhà quản trị. Tuy nhiên, khi quy mô công trình ngày càng lớn và phức tạp, các yếu tố rủi ro phát sinh trong quá trình thi công có thể phá vỡ hoàn toàn kế hoạch ban đầu. Theo thống kê từ Viện Công nghiệp Xây dựng Hoa Kỳ, chi phí tổn thất do sự cố và công tác làm lại hàng năm vượt mức 15 tỷ USD, chiếm khoảng 10% tổng chi phí dự án và lên đến 25% giá trị hợp đồng. Tại Việt Nam, các dự án nhà cao tầng có tầng hầm sâu thường đối mặt với nguy cơ sạt lở, lún nứt công trình lân cận và chậm tiến độ do điều kiện địa chất phức tạp.

Luận văn thạc sĩ chuyên ngành Quản lý Xây dựng của học viên Dương Nguyễn Thế Anh dưới sự hướng dẫn khoa học của Tiến sĩ Nguyễn Thanh Phong tại Trường Đại học Bách khoa – ĐHQG TP.HCM đã tập trung giải quyết triệt để vấn đề này. Đề tài nghiên cứu ứng dụng thuật toán tiến hóa vi phân đa mục tiêu nhằm tối ưu hóa đồng thời ba thông số cốt lõi: thời gian thi công, chi phí thực hiện và chỉ số an toàn rủi ro. Nghiên cứu được triển khai trong giai đoạn từ tháng 02/2020 đến tháng 09/2020, lấy trường hợp nghiên cứu điển hình là công trình Chung cư N02-T2 Ngoại Giao Đoàn tại Hà Nội do Tập đoàn Xây dựng Hòa Bình làm tổng thầu. Dự án có quy mô 21 tầng nổi, 2 tầng hầm, tổng diện tích sàn 30.000 m2 với 132 căn hộ.

Ý nghĩa thực tiễn của công trình là xây dựng một công cụ hỗ trợ ra quyết định tự động chỉ qua một lần mô phỏng duy nhất. Kết quả nghiên cứu giúp các nhà quản lý dự án giảm thiểu hơn 15% nguy cơ rủi ro thi công phần ngầm, đồng thời tiết kiệm từ 5% đến 8% tổng ngân sách phát sinh so với các phương pháp lập tiến độ truyền thống.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu được xây dựng dựa trên tiêu chuẩn quản lý rủi ro quốc tế ISO 31000 và khung kiến thức quản lý dự án của Viện Quản lý Dự án Hoa Kỳ (PMI). Theo đó, rủi ro xây dựng được định nghĩa là sự kiện không chắc chắn mang tác động tiêu cực đến tiến độ, ngân sách hoặc chất lượng công trình. Nghiên cứu tích hợp lý thuyết tối ưu hóa đa mục tiêu kết hợp khái niệm tập nghiệm không bị chi phối Pareto nhằm giải quyết đồng thời 3 hàm mục tiêu độc lập: cực tiểu hóa tổng thời gian thực hiện trên đường găng, cực tiểu hóa tổng chi phí bao gồm chi phí trực tiếp cùng chi phí gián tiếp, và cực tiểu hóa tổng giá trị rủi ro tích lũy của toàn bộ dự án.

Khái niệm đánh đổi thời gian - chi phí - rủi ro được mô hình hóa toán học chặt chẽ. Mức độ rủi ro của từng công tác được lượng hóa dựa trên tỷ lệ phần trăm phân bổ đều theo số lượng nguyên nhân tiềm ẩn. Điển hình như hạng mục lắp dựng hệ thống giàn giáo ván khuôn chịu lực có 11 nguyên nhân gây mất ổn định kết cấu, tương ứng với trọng số rủi ro 9,09% cho mỗi nguyên nhân. Khi nhà thầu áp dụng đầy đủ 8 biện pháp kiểm soát kỹ thuật theo quy trình, mức độ rủi ro tồn dư của công việc sẽ giảm xuống còn khoảng 27,27%.

Phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu kết hợp phương pháp nghiên cứu định tính và mô phỏng số học định lượng. Về nguồn dữ liệu sơ cấp, tác giả áp dụng phương pháp chọn mẫu chuyên gia có chủ đích với cỡ mẫu gồm 25 chuyên gia đầu ngành có trên 10 năm kinh nghiệm quản lý thi công từ 3 tập đoàn xây dựng và bất động sản lớn tại Việt Nam là Tập đoàn Xây dựng Hòa Bình, Tập đoàn Novaland và Tập đoàn Hưng Thịnh. Mẫu nghiên cứu đã nhận diện và đánh giá chi tiết 22 nhóm rủi ro trọng yếu trong giai đoạn thi công phần ngầm cao tầng.

Lý do lựa chọn thuật toán tiến hóa vi phân đa mục tiêu thay vì thuật toán di truyền cổ điển hay thuật toán bầy đàn là vì thuật toán này có tốc độ hội tụ nhanh, cấu trúc tính toán đơn giản và khả năng tìm kiếm toàn cục mạnh mẽ, tránh bị rơi vào các điểm cực trị cục bộ. Không gian tìm kiếm được thiết lập với kích thước quần thể gồm 100 cá thể, biên độ đột biến F trong khoảng 0,5, xác suất lai ghép Cr đạt 0,8 và số thế hệ lặp tối đa là 500 chu kỳ. Toàn bộ quy trình khảo sát, mô hình hóa và mô phỏng nghiệm số được hoàn thành trọn vẹn trong khoảng thời gian 8 tháng nghiên cứu năm 2020.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

Quá trình mô phỏng thuật toán tiến hóa vi phân đa mục tiêu trên dữ liệu thực tế của dự án Chung cư N02-T2 Ngoại Giao Đoàn đã đem lại những kết quả định lượng cụ thể:

Thứ nhất, thuật toán đã thiết lập thành công tập hợp hơn 30 giải pháp tối ưu không bị chi phối trên mặt cong Pareto chỉ sau 1 lần mô phỏng tự động, giúp rút ngắn hơn 75% thời gian tính toán và so sánh phương án so với quy trình lập hồ sơ thủ công.

Thứ hai, ở kịch bản ưu tiên rút ngắn tiến độ thi công, mô hình đã tối ưu hóa việc chuyển đổi biện pháp thi công sang công nghệ Semi-Topdown, giúp giảm 16,5% tổng thời gian hoàn thành phần hầm (giảm từ 180 ngày theo kế hoạch ban đầu xuống còn 150 ngày).

Thứ ba, ở kịch bản cân bằng chi phí và an toàn, phương án tối ưu giúp tiết kiệm 8,2% tổng chi phí xây dựng trực tiếp và chi phí gián tiếp, đồng thời giữ chỉ số rủi ro tổng thể của giai đoạn kết cấu ngầm ở mức kiểm soát an toàn dưới 25%, thấp hơn 45% so với mức rủi ro tiềm ẩn khi áp dụng phương pháp đào mở không có giải pháp phụ trợ.

Thứ tư, nghiên cứu phát hiện quy luật đánh đổi phi tuyến tính: việc bổ sung từ 3% đến 5% ngân sách cho các thiết bị quan trắc và biện pháp an toàn kỹ thuật giúp loại bỏ đến 60% các sự cố nghiêm trọng như trồi đất hố móng hoặc nứt vách tường vây.

Thảo luận kết quả

Các kết quả tối ưu hóa đa chiều có thể được trình bày trực quan thông qua biểu đồ phân tán không gian 3 chiều với 3 trục tọa độ biểu thị thời gian, chi phí và mức độ rủi ro. Mặt cong Pareto thể hiện rõ ranh giới đánh đổi giữa việc đẩy nhanh tiến độ và nguy cơ phát sinh sự cố. Dữ liệu này được đối chiếu chi tiết trong bảng phân tích lựa chọn phương án thi công, cho thấy giải pháp Semi-Topdown tạo ra điểm giao hòa tối ưu giữa chi phí xây lắp hợp lý, thời gian thi công ngắn và rủi ro địa chất chấp nhận được, hoàn toàn phù hợp với kế hoạch huy động vốn bán hàng của chủ đầu tư.

So với các nghiên cứu trước đây sử dụng thuật toán tối ưu hóa đàn kiến hoặc phương pháp trọng số thích ứng MAWA, thuật toán tiến hóa vi phân đa mục tiêu mang lại sự phân bố nghiệm đồng đều hơn trên toàn bộ biên giới Pareto và cải thiện độ chính xác phân bổ nguồn lực lên khoảng 20% đến 30%. Điều này chứng minh thuật toán có độ tin cậy vượt trội trong việc giải quyết các ràng buộc chồng lấn công tác thực tế trên công trường.

Đề xuất và khuyến nghị

Dựa trên kết quả nghiên cứu và thực nghiệm công trình, các giải pháp mang tính hành động cao được đề xuất cụ thể như sau:

Thứ nhất, tích hợp thuật toán tiến hóa vi phân đa mục tiêu vào quy trình lập kế hoạch đấu thầu và điều hành dự án. Ban giám đốc và phòng kỹ thuật các nhà thầu thi công cần số hóa 100% cơ sở dữ liệu định mức năng suất, đơn giá vật tư và chỉ số rủi ro lịch sử, hoàn thiện quy trình chuyển đổi số trong vòng 6 tháng.

Thứ hai, chuẩn hóa quy trình kiểm soát 22 nhóm rủi ro thi công phần ngầm. Ban chỉ huy công trường phải thực hiện kiểm tra định kỳ nghiêm ngặt tối thiểu 8 trên 11 tiêu chí an toàn của hệ thống giàn giáo coppha sàn và duy trì tần suất đo đạc quan trắc biến dạng hố đào 14 ngày một lần nhằm giữ tỷ lệ rủi ro công tác luôn dưới 30%.

Thứ ba, thiết lập quỹ dự phòng rủi ro chủ động ở mức từ 5% đến 7% tổng dự toán gói thầu kết cấu ngầm. Chủ đầu tư và các đơn vị tư vấn quản lý dự án cần đưa điều khoản chia sẻ chi phí quản trị rủi ro vào hợp đồng kinh tế nhằm tạo cơ chế linh hoạt khi xử lý các phát sinh địa chất.

Thứ tư, tổ chức đào tạo nâng cao năng lực cho đội ngũ kỹ sư kế hoạch và chỉ huy trưởng. Doanh nghiệp cần triển khai các khóa huấn luyện chuyên sâu định kỳ 3 tháng một lần về kỹ năng ứng dụng phần mềm toán tối ưu kết hợp cùng các công cụ quản lý dự án chuyên nghiệp.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

Luận văn thạc sĩ này là tài liệu tham khảo học thuật và cẩm nang ứng dụng chuyên sâu dành cho 4 nhóm đối tượng chính:

Nhóm thứ nhất là Chủ đầu tư và các Nhà phát triển dự án bất động sản: Giúp nắm bắt phương pháp kiểm soát tiến độ hoàn thành nắp hầm để đảm bảo 100% điều kiện ký hợp đồng mua bán theo quy định của Luật Kinh doanh bất động sản, đồng thời tối ưu hóa dòng tiền đầu tư.

Nhóm thứ hai là Ban điều hành các Tổng thầu xây dựng: Cung cấp cơ sở khoa học để lựa chọn chính xác biện pháp thi công giữa Top-down, Semi-Topdown và đào mở, giúp giảm tới 15% chi phí máy móc thiết bị và hạn chế triệt để các tai nạn lao động trên công trường.

Nhóm thứ ba là Kỹ sư lập hồ sơ thầu và Kỹ sư kế hoạch: Cung cấp giải thuật định lượng hóa các biến số rủi ro vào sơ đồ mạng tiến độ, nâng cao tỷ lệ trúng thầu và tăng độ chính xác của bảng tiến độ thi công lên hơn 20% so với phương pháp phán đoán cảm tính.

Nhóm thứ tư là Giảng viên, Nghiên cứu sinh và Học viên cao học chuyên ngành Quản lý Xây dựng: Cung cấp tài liệu tham khảo toàn diện về ứng dụng giải thuật Metaheuristic giải quyết bài toán tối ưu đa mục tiêu trong thực tiễn ngành xây dựng.

Câu hỏi thường gặp

Thuật toán tiến hóa vi phân đa mục tiêu giải quyết bài toán thời gian, chi phí và rủi ro như thế nào? Mô hình sử dụng các toán tử đột biến và lai ghép véc-tơ cá thể để tìm kiếm đồng thời các phương án thi công tối ưu. Thay vì chỉ tìm một nghiệm duy nhất, thuật toán tạo ra tập hợp hơn 30 phương án tối ưu Pareto, cho phép nhà quản lý dễ dàng lựa chọn kịch bản phù hợp nhất với nguồn lực dự án.

Tại sao yếu tố rủi ro lại được đưa vào làm hàm mục tiêu độc lập trong mô hình? Trong thực tế thi công, việc rút ngắn 10% đến 20% tiến độ thường làm gia tăng áp lực thiết bị và nhân lực, kéo theo nguy cơ tai nạn lao động hoặc sập cốp pha. Đưa rủi ro thành hàm mục tiêu riêng biệt giúp lượng hóa và khống chế nguy cơ thiệt hại lên tới 25% giá trị hợp đồng nếu sự cố xảy ra.

Công thức lượng hóa rủi ro trong nghiên cứu được tính toán cụ thể ra sao? Rủi ro được tính theo tỷ lệ phân bổ đều dựa trên số lượng nguyên nhân gây sự cố trong từng công tác. Ví dụ công tác giàn giáo có 11 nguyên nhân mất an toàn, tương đương mỗi nguyên nhân chiếm 9,09%. Mức rủi ro tồn dư của công việc sẽ được định lượng từ 0% đến 100% tùy thuộc vào số lượng biện pháp kiểm soát kỹ thuật mà nhà thầu triển khai.

Dự án Chung cư N02-T2 Ngoại Giao Đoàn có quy mô như thế nào để thử nghiệm mô hình? Công trình N02-T2 Ngoại Giao Đoàn có quy mô 21 tầng nổi, 2 tầng hầm và tổng diện tích sàn xây dựng 30.000 m2. Dữ liệu thực tế về các gói thầu thi công phần ngầm của nhà thầu Hòa Bình là nguồn thông số chuẩn xác để kiểm chứng hiệu quả và tính ổn định của thuật toán tiến hóa vi phân.

Doanh nghiệp xây dựng cần chuẩn bị những gì để áp dụng mô hình toán này vào thực tế? Doanh nghiệp cần chuẩn hóa hệ thống định mức chi phí nội bộ, xây dựng danh mục kiểm soát 22 nhóm rủi ro hiện trường và đào tạo kỹ sư sử dụng công cụ mô phỏng. Quá trình áp dụng thường kéo dài từ 3 đến 6 tháng để hoàn thiện và mang lại mức tăng năng suất điều hành trên 20%.

Kết luận

  • Luận văn đã ứng dụng thành công thuật toán tiến hóa vi phân đa mục tiêu để giải quyết bài toán tối ưu hóa đồng thời thời gian, chi phí và rủi ro trong thi công xây dựng.
  • Nghiên cứu đã xây dựng hoàn chỉnh khung lượng hóa 22 nhóm rủi ro thực tế của giai đoạn thi công kết cấu ngầm công trình cao tầng.
  • Kết quả thực nghiệm tại dự án 21 tầng N02-T2 Ngoại Giao Đoàn chứng minh mô hình giúp rút ngắn 16,5% tiến độ và tiết kiệm 8,2% tổng chi phí xây dựng.
  • Mô hình cung cấp tập nghiệm Pareto đa chiều giúp các nhà quản lý dự án chuyển dịch từ phương thức ứng phó rủi ro bị động sang quản trị rủi ro chủ động một cách khoa học.
  • Các doanh nghiệp xây dựng nên lập kế hoạch trong vòng 12 tháng tới để số hóa quy trình quản lý rủi ro và tích hợp thuật toán tối ưu hóa vào hệ thống điều hành nhằm đảm bảo 100% mục tiêu an toàn và hiệu quả tài chính. Hãy chủ động liên hệ các đơn vị nghiên cứu học thuật để tiếp nhận chuyển giao công nghệ tối ưu hóa ngay hôm nay.