áp dụng thuật toán đàn kiến để tối ưu thời gian và chi phí thi công xây dựng các dự án bê tông khối lớn

Nhận biết những yếu tố liên quan đến tối ưu hóa thời gian và chi phí thi công trong các dự án xây dựng kết cấu bê tông khối lớn.. Đề xuất các phương án tối ưu hóa cho cấu kết cấu bê tông

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HCM

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA TPHCM

APPLYING ANT COLONY OPTIMIZATION ALGORITHM

TO OPTIMIZING TIME AND COST OF LARGE CONCRETE

CÔNG TRÌNH ĐƯỢC HOÀN THÀNH TẠI TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA – ĐHQG – HCM

Cán bộ hướng dẫn khoa học 1: PGS.TS Phạm Vũ Hồng Sơn………

Cán bộ hướng dẫn khoa học 2: TS Chu Việt Cường ………

Cán bộ chấm nhận xét 1: PGS.TS Trần Đức Học ………… ………

Cán bộ chấm nhận xét 2: TS Đặng Thị Trang……… ………

Luận văn thạc sĩ được bảo vệ tại Trường Đại học Bách Khoa – Đại học quốc gia Thành phố Hồ Chí Minh ngày 25 tháng 01 năm 2024

Thành phần Hội đồng đánh giá luận văn thạc sĩ gồm:

1 TS Lê Hoài Long

2 PGS.TS Đỗ Tiến Sỹ

3 PGS.TS Trần Đức Học

4 TS Đặng Thị Trang

5 TS Nguyễn Hoài Nghĩa

Xác nhận của Chủ tịch Hội đồng đánh giá luận văn và Trưởng Khoa quản lý chuyên ngành sau khi luận văn đã được sửa chữa (nếu có)

KHOA KỸ THUẬT XÂY DỰNG

PGS TS Lê Anh Tuấn

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP.HCM

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM

Độc lập - Tự do - Hạnh phúc

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ

Họ tên học viên: Nguyễn Triệu Vĩ MSHV: 2170911

Ngày, tháng, năm sinh: 08/04/1994 Nơi sinh: Đắk lắk

Chuyên ngành: Quản lý xây dựng Mã số: 8580302

I TÊN ĐỀ TÀI: ÁP DỤNG THUẬT TOÁN ĐÀN KIẾN ĐỂ TỐI ƯU THỜI GIAN

VÀ CHI PHÍ THI CÔNG CÁC DỰ ÁN BÊ TÔNG KHỐI LỚN

II NHIỆM VỤ VÀ NỘI DỤNG:

1 Nhận biết những yếu tố liên quan đến tối ưu hóa thời gian và chi phí thi công

trong các dự án xây dựng kết cấu bê tông khối lớn

2 Phân tích ảnh hưởng của các yếu tố đối với quá trình đánh giá, đặt ra câu hỏi về

mức độ ảnh hưởng của chúng

3 Đề xuất các phương án tối ưu hóa cho cấu kết cấu bê tông khối lớn, có thể tập

trung vào việc giảm thời gian và chi phí trong quá trình thi công

4 Đưa ra các giải pháp được đề xuất vào thực tế để thực hiện kiểm tra và đánh giá

hiệu suất trong các dự án xây dựng thực tế

5 So sánh với các thuật toán tối ưu khác để đánh giá hiệu quả của thuật toán

III NGÀY GIAO NHIỆM VỤ: 04/09/2023

IV NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: 24/12/2023

V CÁN BỘ HƯỚNG DẪN: PGS.TS Phạm Vũ Hồng Sơn và TS Chu Việt Cường

LỜI CẢM ƠN

Bằng tất cả sự kính trọng, tôi xin gửi lời cảm ơn chân thành đến Ban Giám hiệu trường Đại học Bách Khoa Thành phố Hồ Chí Minh, cũng như đến tất cả các Thầy Cô trong Bộ Môn Thi Công và Quản lý Xây dựng, Khoa Kỹ Thuật Xây Dựng, Phòng Đào Tạo Sau Đại Học Sự hỗ trợ và tạo điều kiện tốt nhất để bản thân có thể hoàn thành luận văn cuối khóa

Thưa Thầy PGS.TS Phạm Vũ Hồng Sơn và Thầy TS Chu Việt Cường đã tận tâm

và là nguồn động viên không ngừng cho sự phát triển của tôi trong quãng thời gian làm luận văn Tôi xin chân thành bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc Không chỉ là người hướng dẫn tận tâm mà còn là nguồn động viên quan trọng, luôn khích lệ tôi vượt qua những khó khăn

và thách thức trong quá trình nghiên cứu Sự am hiểu sâu rộng và kinh nghiệm phong phú của các Thầy đã đóng góp rất nhiều cho sự thành công của luận văn cuối khóa này Không thể không kể đến sự giúp đỡ từ bạn bè, đồng nghiệp và gia đình trong suốt quá trình học tập và nghiên cứu Đó là nguồn động viên vô cùng quan trọng, giúp tôi vượt qua mọi thách thức

Cuối cùng, tôi xin chân thành tri ân tới toàn bộ những người đã đóng góp, trực tiếp hay gián tiếp, vào quá trình hoàn thành luận văn cuối khóa này Sự giúp đỡ và khích lệ của mọi người đã là động lực quan trọng, giúp tôi có được kết quả mà bản thân đang tự hào

Xin chân thành cảm ơn./

Tp.Hồ Chí Minh, ngày 24 tháng 12 năm 2023

Nguyễn Triệu Vĩ

TÓM TẮT

ÁP DỤNG THUẬT TOÁN ĐÀN KIẾN ĐỂ TỐI ƯU THỜI GIAN

VÀ CHI PHÍ THI CÔNG XÂY DỰNG CÁC DỰ ÁN BÊ TÔNG KHỐI LỚN

Nhận thức về sự quan trọng của việc tối ưu hóa quá trình thi công xây dựng và quản

lý chi phí và thời gian trong các dự án bê tông khối lớn, đề tài này tiếp cận vấn đề thông qua việc áp dụng thuật toán đàn kiến Trước những thách thức ngày càng phức tạp, nhất

là trong bối cảnh ngành xây dựng đang phát triển mạnh mẽ, nghiên cứu này nhằm mục tiêu giải quyết những vấn đề cụ thể và hứa hẹn mang lại những đóng góp quan trọng Chúng tôi sẽ tiến hành một phân tích chi tiết về các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình thi công các dự án bê tông khối lớn Bằng cách này, chúng tôi sẽ xác định những thách thức cụ thể mà ngành xây dựng đang phải đối mặt và đồng thời tìm ra những cơ hội tiềm

ẩn để cải thiện hiệu suất

Thuật toán đàn kiến sẽ được triển khai và đánh giá trên dự án mẫu để kiểm chứng tính hiệu quả của nó trong việc tối ưu hóa chi phí khi triển khai các công trình kết cấu bê tông khối lớn Chúng tôi sẽ phân tích kết quả, từ đó đưa ra các khuyến nghị và biện pháp

cụ thể nhằm tối ưu hóa quá trình thi công và quản lý chi phí một cách hiệu quả

Ngoài ra, đề tài còn đặt mục tiêu phản ánh những hệ quả chi tiết của việc áp dụng thuật toán đàn kiến trong thực tế, nhằm tạo ra một bản đồ chi tiết về các yếu tố chi phí và thời gian cần được quan tâm Kết quả từ nghiên cứu sẽ không chỉ cung cấp thông tin hữu ích cho các chuyên gia xây dựng mà còn đóng góp vào sự phát triển toàn diện của ngành công nghiệp xây dựng Chúng tôi sẽ phân tích sâu hơn về cách thuật toán đàn kiến có thể được tích hợp vào quy trình quản lý xây dựng Sự linh hoạt trong việc thí nghiệm và điều chỉnh thuật toán sẽ được đặc biệt coi trọng để đảm bảo tính ứng dụng rộng rãi và linh hoạt trong nhiều điều kiện dự án khác nhau

Kết quả cuối cùng sẽ được đánh giá không chỉ dựa trên hiệu quả về chi phí mà còn dựa trên khả năng áp dụng thực tế và tính khả thi trong ngành xây dựng Chúng tôi sẽ xem xét cách mà các nhà quản lý dự án và chuyên gia xây dựng có thể tích hợp thuật toán đàn kiến vào quy trình làm việc hàng ngày của họ để đạt được sự hiệu quả tối đa

ABSTRACT

APPLYING ANT COLONY OPTIMIZATION ALGORITHM

TO OPTIMIZE THE CONSTRUCTION OF MAS CONCRETE

Recognizing the importance of optimizing the construction process and managing costs and time in large concrete block projects, this topic approaches the issue by applying ant colony algorithms In the face of increasingly complex challenges, especially in the context of the booming construction industry, this research aims to solve specific problems and promises to make important contributions

We will conduct a detailed analysis of the factors affecting the construction process

of large concrete block projects In this way, we will identify the specific challenges the construction industry is facing while at the same time finding potential opportunities to improve efficiency

The ant colony algorithm will be deployed and evaluated on a sample project to verify its effectiveness in optimizing costs when deploying large concrete block structures We will analyze the results, thereby making specific recommendations and measures to optimize the construction process and cost management effectively

In addition, the topic also sets the goal of reflecting the detailed consequences of applying ant colony algorithms in reality, in order to create a detailed map of cost and time factors that need attention The research results will not only provide useful information for construction experts but also contribute to the comprehensive development of the construction industry We will analyze more deeply how ant colony algorithms can be integrated into the construction management process Flexibility in experimenting and adjusting algorithms will be especially emphasized to ensure wide applicability and flexibility under different project conditions

The final results will be evaluated not only on cost effectiveness but also on practical applicability and feasibility in the construction industry We will examine how project managers and construction professionals can integrate ant colony algorithms into their daily workflows to achieve maximum efficiency

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan là công trình nghiên cứu được thực hiện bởi cá nhân tôi, được hướng dẫn bởi Thầy PGS.TS Phạm Vũ Hồng Sơn và Thầy TS Chu Việt Cường Mọi số liệu trong nghiên cứu đều được trình bày một cách trung thực Các kết quả trong luận văn là đáng tin cậy Tôi xin chịu hoàn toàn trách nhiệm về nội dụng của luận văn này

Tp Hồ Chí Minh, ngày 24 tháng 12 năm 2023

Nguyễn Triệu Vĩ

MỤC LỤC

LỜI CẢM ƠN iv

TÓM TẮT v

ABSTRACT vi

LỜI CAM ĐOAN vii

MỤC LỤC viii

DANH MỤC HÌNH ẢNH x

DANH MỤC BẢNG xi

CHƯƠNG 1 ĐẶT VẤN ĐỀ 1

1.1 Lý do chọn đề tài 1

1.2 Phạm vi nghiên cứu, đối tượng, mục tiêu và giả thuyết 2

1.2.1 Phạm vi nghiên cứu 2

1.2.2 Đối tượng 2

1.2.3 Mục tiêu 2

1.2.4 Giả thuyết 3

1.3 Phương pháp nghiên cứu 3

1.4 Bố cục luận văn 4

CHƯƠNG 2 NHỮNG NGHIÊN CỨU TRƯỚC ĐÂY 6

2.1 Tổng quan các nghiên cứu về đàn kiến và tối ưu thời gian và chi phí thi công xây dựng các dự án kết cấu bê tông khối lớn 6

2.2 Đánh giá tổng quan về thuật toán ACO 10

2.3 Kết luận 11

CHƯƠNG 3 PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 12

3.1 Cơ sở lý thuyết 12

3.2 Bê tông khối lớn 13

3.2.1 Định nghĩa bê tông khối lớn 13

3.2.2 Biến thiết kế trong kết cấu bê tông khối lớn 14

3.3 Giới thiệu chi tiết về thuật toán ACO 25

3.3.1 Giới thiệu chung về thuật toán ACO 25

3.3.2 Từ kiến tự nhiên đến kiến Nhân tạo 26

3.3.3 Những ưu điểm và ứng dụng của thuật toán 30

3.3.4 Phương pháp thuật toán ACO 31

CHƯƠNG 4 THUẬT TOÁN TỐI ƯU HÓA ĐÀN KIẾN 43

4.1 Mô tả bài toán ứng dụng thuật toán ACO để tối ưu thời gian và chi phí kết cấu bê tông khối lớn 44

4.2 Mô hình thuật toán ACO 48

CHƯƠNG 5 BÀI TOÁN CỤ THỂ 52

5.1 Mô tả bài toán cụ thể 52

5.2 Xây dựng hàm chi phí cho bài toán cụ thể 54

5.2.1 Chi phí cho biến thiết kế 54

5.2.2 Điều kiện kháng nứt 𝐼𝑐𝑟 60

5.2.3 Áp dụng thuật toán ACO để tối ưu chi phí và thời gian thi công kết cấu bê tông khối lớn 62

5.2.4 So sánh thuật toán đàn kiến ACO so với thuật toán di truyền GA và các thuật toán khác 69

5.3 Kết luận 71

CHƯƠNG 6 KẾT LUẬN, GIỚ HẠN NGHIÊN CỨU VÀ KIẾN NGHỊ 72

6.1 Kết luận 72

6.2 Những hạn chế của nghiên cứu 72

6.3 Kiến nghị 73

TÀI LIỆU THAM KHẢO 74

DANH MỤC HÌNH ẢNH

Hình 1.1: Lưu đồ phương pháp nghiên cứu 4

Hình 3.1 Lưu đồ chung của thuật toán 12

Hình 3.2: Sơ đồ các bước nghiên cứu 13

Hình 3.3: sơ đồ chung của thuật toán 26

Hình 3.3: Kiểm nghiệm trên cây cầu đôi 29

Hình 3.4: Quan sát ban đầu chỉ một nhánh dài và sau 30 phút thêm nhánh ngắn 29

Hình 3.5: Thể hiện bài toán TCO theo cách tiếp cận của bài toán TSP 41

Hình 4.1 Sơ đồ thuật toán ACO 47

Hình 5.1: Đặc trưng hình học của đập và lưới phần tử hữu hạn 54

Hình 5.2: Hàm chi phí làm mát vật liệu bê tông 𝐶𝐶𝐶(𝑝𝑡) 58

Hình 5.3: Hàm 𝐶𝑃𝑂(𝑐𝑡) 59

Hình 5.4 Biểu diễn các biến thiết kế dưới dạng TSP 63

Hình 5.5: Ứng dụng Matlab để giải ACO 64

Hình 5.6 Ứng dụng Matlab để tính Cpo 65

Hình 5.7 Ứng dụng Matlab tính điều kiện nứt 67

Hình 5.9 Chỉ số nứt dựa trên tổng thể chi phí và khoảng thời gian hoàn thành 68

DANH MỤC BẢNG Bảng 0.1: Danh sách các thuật toán: xii

Bảng 0.2 Các ký tự: xiii

Bảng 2.1 Thuật toán tối ưu ACO (Ant colony optimization) dựa trên thứ tự thời gian 7

Bảng 2.2: Các công bố nghiên cứu trước đây thuộc phạm vi quốc tế 8

Bảng 2.3 : Những kết quả nghiên cứu trong nước 9

Bảng 4.1: Bảng trình bày cách ACO hoạt động 43

Bảng 5.1 Ma trận bài toán tối ưu chi phí 52

Bảng 5.2: Thành phần của 8 loại bê tông 55

Bảng 5.3: Các thông số cơ-nhiệt cho 8 loại bê tông 55

Bảng 5.4: Các chi phí thành phần nguyên liệu thô 55

Bảng 5.5: Chi phí các loại bê tông 56

Bảng 5.6: Chi phí làm mát bê tông 56

Bảng 5.7 Số lần bơm bê tông 58

Bảng 5.8: Bảng tổng hợp chi phí các biến thiết kế 𝐶𝑟𝑚, 𝐶𝑐𝑐 , 𝐶𝑝𝑜 60

Bảng 5.9 Thông số cơ lý của các loại bê tông 60

Bảng 5.10 Bảng thông số phân tích nhiệt 61

Bảng 5.11 Chọn ra các thông số đầu vào của thuật toán ACO 62

Bảng 5.12 Biến thiết kế sau khi ứng dụng ACO 67

Bảng 5.13 So sánh kết quả giữa GA và ACO 69

Bảng 5.14 So sánh kết quả giữa GWO, PSO và ACO 70

Bảng 0.1: Danh sách các thuật toán:

Ant Colony Optimization (ACO) Tối ưu hóa đàn kiến

Bat Swarm Optimization (BSA) Tối ưu hóa bầy dơi

Construction Site Layout (CSL) Bố trí mặt bằng công trường

Construction Site Layout Problem (CSLP) Vấn đề bố trí mặt bằng công trường Differential Evolution (DE) Tiến hóa vì phân

Evolutionary Algorithm (EA) Thuật toán tiến hóa

Evolutionary Programming (EP) Lập trình tiến hóa

Evolutionary Strategy (ES) Chiến lược tiến hóa

Fish Swarm Algorithm (FSA) Thuật toán bầy cá

Mixed Integer Programming (MIP) Chương trình hỗn hợp số nguyên Max-min Ant System (MMAS) Hệ thống đàn kiến Max-min

Rank-Based Ant System (RBAS) Hệ thống đàn kiến RBAS

Best-Worst Ant System(BWAS) Hệ thống đàn kiến BWAS

Non-polynomial hard (NP-hard) Bài toán khó

Particle Swarm Optimization (PSO) Tối ưu hóa bầy đàn

Quadratic Assignment Problem (QAP) Bài toán phân công bậc hai

Simulated Annealing (SA) Mô hình hóa của luyện kim

Bảng 0.2 Các ký tự:

tc Loại vật liệu bê tông [𝑅] Ma trận cản biến dạng của bê tông

pt Nhiệt độ khi đổ bê tông 𝐸 Mô dun đàn hồi của bê tông

hl Chiều cao lớp bê tông khi đổ bê

pf Tần suất giữa các lần bơm 𝛽 Hệ số giản nở nhiệt của bê tông

𝑁𝑡𝑐 Số loại bê tông dùng trong dự án 𝐼𝑐𝑟 Chỉ số nứt của cấu kiện bê tông

𝐵, 𝑊, 𝐺, 𝐴

Hàm lượng khối lượng của chất kết dính như cement, silica, tro bay và xỉ

𝑓𝑐𝑡𝑚(𝑡) Giá trị thiết kế của độ bền chịu

kéo tại thời điểm 𝑡𝑒

𝑛𝐵, 𝑛𝐺, 𝑛𝐴 Số lượng chất kết dính, nước, vật

liệu thô, phụ gia 𝑓𝑐𝑡𝑚 Cường độ kéo của bê tông tại

thời điểm 28 ngày

ngày 28

H𝑆𝑡 Tổng chiều cao của kết cấu 𝑓𝑐𝑚 Cường độ nén trung bình của

bê tông tại 28 ngày

𝑐𝑡 Tổng thời gian hoàn thành công

trình

𝑓𝑐𝑘𝑑 Cường độ thực tế của chất kết

dính

𝑉𝐶𝑜𝑛,𝑡𝑜𝑡 Tổng thể tích khối bê tông 𝜎𝑡(𝑡) Ứng suất kéo tại thời điểm 𝑡

C Tổng chi phí thi công dự án 𝑃(𝐼𝑐𝑟) Xác suất nứt do nhiệt (%)

𝑐𝑓𝑖𝑥 Tất cả các chi phí đơn vị không

thay đổi theo hl, pf, tc và pt 𝐼𝑙𝑖𝑚

Giá trị giới hạn của chỉ số nứt với xác suất nứt do nhiệt vượt 5%

𝑐𝑅𝑀(𝑡𝑐) Đơn giá lọa bê tông 𝑃𝑐 Xác suất nứt do nhiệt vượt 5%

𝑐𝑐𝑐(𝑝𝑡) Đơn giá làm mát bê tông 𝐼𝑚𝑎𝑟 −𝑤𝑡

Chỉ số nứt của cấu kiện được xác định theo hai dạng cấu kiện chính là cấu kiện dạng tường

𝑐𝑃𝑂(ℎ𝑙, 𝑝𝑓)

Đơn giá vận hành trạm bơm, thay đổi theo tổng thời gian xây dựng 𝑇𝑎

Nhiệt độ bê tông lúc đổ (°C);

𝑝 Khối lượng thể tích của bê tông 𝐷

Độ dày tối thiểu của chi tiết; độ dày tường của cấu kiện dạng tường; chiều cao của bê tông mới đổ dạng tấm và dạng cột (m);

𝐻

Tỷ lệ chiều dài (L) và chiều cao (H) của cấu kiện

𝜕𝑇 Gia tăng nhiệt độ trong thời gian 𝐸𝑅 Môdun đàn hồi của đất

𝜕𝑥, 𝑦, 𝑧 Hệ số dẫn nhiệt theo mỗi hướng

Hằng số phụ thuộc vào tuổi của

bê tông tại thời điểm t

Hệ số phụ thuộc vào loại cement

𝑁

Tỷ lệ Chất kết dính/Nước theo khối lượng

Nhiệt độ tối đa của bê tông trong

Nồng độ vết mùi

𝑇𝑎𝑑

Nhiệt độ của bê tông trong quá trình đoạn nhiệt ở tuổi t α, β Thông số ảnh hưởng đến nồng độ vết mùi

Q(𝑡) Sự tăng nhiệt độ đoạn nhiệt tại

đến

𝑊𝑐, 𝑇𝑐

Khối lượng riêng (kg/m³) và nhiệt

độ (°C) của cement β Hệ số điều chỉnh ảnh hưởng của

CHƯƠNG 1 ĐẶT VẤN ĐỀ

1.1 Lý do chọn đề tài

Lĩnh vực quản lý xây dựng, hoạt động cải tiến, nâng cao hiệu quả của quy trình thi công xây dựng và sử dụng tài nguyên là một mục tiêu quan trọng để bảo đảm hoàn thành công trình đúng kế hoạch và đáp ứng các yêu cầu kỹ thuật Các kiến trúc bê tông với khối tích lớn như đập, móng và mặt cầu có thể gặp phải hiện tượng nứt sớm do phản ứng nhiệt

và do co ngót tự phát Từ quan điểm kỹ thuật, nếu muốn tránh nứt, có thể thực hiện một

số biện pháp để giảm thiểu tác động sớm của phản ứng hidrat hóa[1, 2], bao gồm:

(a) Lựa chọn thành phần vật liệu có tốc độ hidrat hóa thấp hơn hoặc giới hạn khả năng co ngót tự phát

(b) Kiểm soát độ dày của mỗi lớp và khoảng thời gian giữa các lớp để cho phép nhiệt phân tán

(c) Giảm nhiệt độ đổ bê tông hoặc dùng hệ thống ống dẫn để làm giảm nhiệt độ Toàn bộ các biện pháp này đều có liên hệ mật thiết về khía cạnh chi phí và thời gian nên việc quyết định biện pháp nào hoặc sự kết hợp biện pháp nào là tối ưu là do kỹ sư quyết định, đồng thời cân nhắc tối thiểu các khoản phát sinh để tiết kiệm chi phí mà không gây ra nguy hiểm, đảm bảo công trình luôn vững chắc và an toàn cho người sử dụng Ví

dụ, đập Itumbiara ở Brazil, với công suất lắp đặt là 2.1 GW, yêu cầu khoảng 2 triệu 𝑚3

bê tông được làm lạnh trước khi đổ, và hàng ngàn công nhân để thi công [3] Để kiểm soát nhiệt độ bê tông trong các công trình, một phần cement trong hỗn hợp bê tông thường được thay thế bằng các vật liệu pozolan Trong khi quyết định về tỷ lệ hỗn hợp vật liệu cement sẽ xác định tốc độ phản ứng hidrat hóa, nó cũng phụ thuộc vào tương quan giữa chi phí bỏ ra và lợi ích thu được của việc pha trộn vật liệu cement

Từ các vấn đề nêu trên Đề tài này là tập trung quá trình tìm kiếm cách giúp giảm tối đa các khoản chi phí và đẩy nhanh tốc độ thực hiện công việc trong xây dựng các dự

án bê tông khối lớn thông qua việc áp dụng thuật toán đàn kiến ACO (Ant colony optimization) Kết quả của đề tài mong muốn sẽ đóng góp vào lĩnh vực quản lý xây dựng bằng cách cung cấp phương pháp để cải thiện hiệu suất, tiết kiệm tài nguyên và đảm bảo chất lượng trong quá trình xây dựng các công trình bê tông có thể tích lớn

Trong đề tài này, ứng dụng phương pháp thuật toán ACO (Ant colony optimization) , dựa trên cơ sở của tiến hóa ACO được sử dụng để mô phỏng và tìm ra phương pháp

làm giảm thiểu tối đa các khoản phí phát sinh và thời gian thực hiện trong xây dựng các công trình bê tông khối lớn Điều này được lấy ý tưởng từ cách kiến tự nhiên tìm đường tới tổ của mình, và đã được giới thiệu bởi Dorigo vào năm 1991 dưới tên gọi Ant System Hiện nay, nó đã trải qua nhiều sự biến đổi và được sử dụng rộng rãi

1.2 Phạm vi nghiên cứu, đối tượng, mục tiêu và giả thuyết

- Áp dụng thuật toán ACO vào việc tối ưu Chi phí và thời gian thi công các dự án

bê tông khối lớn

- Ứng dụng phương pháp đánh giá chỉ số nứt bê tông vào các dự án bê tông khối lớn

- Mô phỏng thuật toán bằng chương trình tin học Matlab để giải quyết vấn đề

1.2.3 Mục tiêu

Với sự phát triển của ngành kỹ thuật xây dựng thì chi phí và thời gian xây dựng đã

có sự cải thiện đáng kể Từ góc độ của Chủ đầu tư, việc hoàn thành dự án sớm giúp giảm bớt nợ tài chính và cho phép họ thu hồi vốn đầu tư nhanh chóng Ngược lại, nhà thầu có thể tiết kiệm chí phí gián tiếp và giảm thiểu nguy cơ lạm phát cũng như số lượng lao động nếu thời gian dự án được rút ngắn Do đó, quản lý dự án đặt mục tiêu đảm bảo rằng mọi hoạt động xây dựng không chỉ đúng thời gian mà còn vượt xa tiến độ đề ra, đồng thời tối

đa hóa tiết kiệm chi phí ban đầu

Bài toán tối ưu hóa giảm chi phí đồng thời tối thiểu thời gian thực hiện dự án là một trong những thách thức quan trọng nhất của quản lý Nhà quản lý dự án phải chọn lựa các nguồn tài nguyên phù hợp Thường có một mối quan hệ tướng quan giữa thời gian và chi phí, với chi phí nhỏ thì thời gian thực hiện công việc sẽ kéo dài và ngược lại Vấn đề này

là một thách thức Nhiệm vụ của nhà quản lý dự án là xem xét và đánh giá kỹ lưỡng nhiều

biện pháp khác nhau để đạt được sự cân bằng tối ưu giữa thời gian và chi phí Do đó, đề tài này sẽ chú trọng vào một số mục tiêu cốt lõi trong việc nỗ lực đưa chi phí giảm xuống thấp nhất trong thời gian ngắn nhất trong thực hiện các công trình bê tông có thể tích lớn:

1 Nghiên cứu Thuật toán đàn kiến;

2 Xây dựng Mô hình Tối ưu;

3 Tối ưu hóa Chi phí đồng thời thời gian;

4 Đảm bảo An toàn cho dự án

2 Tất cả các dữ liệu cần thiết trong ACO được xác định nhất quán

3 Giải pháp xử lý các vấn đề liên quan đến các biến thiết kế có thể được cải tiến bởi ACO

4 Việc đưa ra lựa chọn trong các nỗ lực tối ưu chi phí và thời gian ngắn có thể được thực hiện bởi ACO

1.3 Phương pháp nghiên cứu

1 Xác định các vấn đề

a Đánh giá tầm quan trọng của bài báo

b Xác định mục tiêu nghiên cứu

c Xác định phạm vi nghiên cứu

2 Đánh giá tài liệu

a Nghiên cứu khái niệm,

lý thuyết liên quan

b Xem xét các nghiên cứu trước đây

b Xác định mục tiêu nghiên cứu

c Xác định phạm vi nghiên cứu

3 Xây dựng mô hình

a Thiết lập mô hình

b Phát triễn mô hình

Hình 1.1: Lưu đồ phương pháp nghiên cứu

Đề tài này sẽ bao gồm một chuỗi các bước chi tiết để đảm bảo tính chất khoa học và hiệu quả của quá trình nghiên cứu Đầu tiên, tiến hành thu thập dữ liệu chi tiết về các dự

án bê tông khối lớn, bao gồm thông tin về kích thước, nguyên liệu sử dụng, và các yếu tố ảnh hưởng đến thời gian và chi phí thi công Sau đó, sẽ tiến hành một nghiên cứu sâu rộng

về các thuật toán đàn kiến

Tiếp theo, sẽ xây dựng một hệ thống thông tin đồng bộ để quản lý dữ liệu từ các dự

án thực tế và cung cấp cơ sở dữ liệu cho việc thử nghiệm Quá trình thử nghiệm sẽ bao gồm việc triển khai thuật toán đàn kiến trên các dự án đã chọn, với mục tiêu đánh giá khả năng dự đoán thời gian và chi phí thi công Kết quả sẽ được đánh giá so sánh với các phương pháp quản lý hiện tại để đưa ra nhận xét về tính hiệu quả của phương pháp đề xuất Cuối cùng, đề xuất các cải tiến và hướng mở rộng để tối ưu hóa ứng dụng của thuật toán đàn kiến trong lĩnh vực quản lý xây dựng, đóng góp vào sự phát triển bền vững của ngành công nghiệp xây dựng

1.4 Bố cục luận văn

CHƯƠNG 1 ĐẶT VẤN ĐỀ

1.1 Lý do chọn đề tài

1.2 Phạm vi nghiên cứu, đối tượng, mục tiêu và giả thuyết

1.3 Phương pháp nghiên cứu

1.4 Bố cục luận văn

CHƯƠNG 2 NHỮNG NGHIÊN CỨU TRƯỚC ĐÂY

2.1 Tổng quan các nghiên cứu về đàn kiến và tối ưu thời gian và chi phí thi công xây dựng các dự án kết cấu bê tông khối lớn

2.2 Đánh giá tổng quan về thuật toán ACO

3.2 Bê tông khối lớn

3.3 Giới thiệu chi tiết về thuật toán ACO

CHƯƠNG 4 THUẬT TOÁN TỐI ƯU HÓA ĐÀN KIẾN

4.1 Mô tả bài toán ứng dụng thuật toán ACO để tối ưu thời gian và chi phí kết cấu bê tông khối lớn

4.2 Mô hình thuật toán ACO

CHƯƠNG 5 BÀI TOÁN CỤ THỂ

5.1 Mô tả bài toán cụ thể

5.2 Xây dựng hàm chi phí cho bài toán cụ thể

Thuật toán ACO là một phương pháp nghiên cứu lấy cảm hứng từ việc mô phỏng các hoạt động tự nhiên của đàn kiến sống trong môi trường tự nhiên Mục tiêu chính của

nó là giải quyết và nghiên cứu các bài toán tối ưu phức tạp trong thực tế Các cá thể kiến truyền đạt thông tin trên đường đi thông qua mùi của các con kiến đi trước, được gọi là Pheromone, để để lại dấu vết trên đường đi Những đường đi với nồng độ mùi thấp hơn

sẽ bị loại bỏ, và kết quả là đàn kiến sẽ chọn con đường có khả năng trở thành đường ngắn

Mô hình mô phỏng dựa trên đàn kiến TN và áp dụng lên đàn kiến NT đã được sử dụng như một nguồn cảm hứng để phát triển thuật toán, mang lại các giải pháp gần đúng, tối

ưu hóa và phân phối kiểm soát cho các vấn đề thực tế Thuật toán ACO, lần đầu tiên được Marco Dorigo giới thiệu vào năm 1992 và còn được gọi là Hệ thống đàn kiến AS (Ant System), đã được áp dụng thành công cho bài toán người bán hàng (TSP) Dorigo, Gambardella và Sttützle đã phát triển các biến thể khác nhau của AS, bao gồm Hệ thống bầy kiến (ACS) và Max-Min Ant System (MMAS) MMAS được đánh giá là một cải tiến đáng kể đối với hệ thống AS ban đầu và được áp dụng để giải quyết bài toán người bán hàng với kết quả tối ưu Trong thập kỷ tiếp theo, các nghiên cứu tiếp tục mang lại sự đa dạng và cải tiến các biến thể và cải tiến của thuật toán ACO AntNet, một hệ thống có hướng thích nghi, được giới thiệu bởi G DiCaro và M Dorigo vào năm 1997, và Hyper Cube - ACO, đưa ra bởi C Blum, A Roli và M Dorigo vào năm 2001, đều mang lại những phương pháp tiếp cận mới cho việc giải quyết các bài toán tối ưu Các nghiên cứu gần đây tiếp tục chú trọng vào việc phát triển các biến thể và cải tiến để nâng cao hiệu suất tính toán và ứng dụng rộng rãi hơn trong các lĩnh vực cụ thể” [4]

Bảng 2.1 Thuật toán tối ưu ACO (Ant colony optimization) dựa trên thứ tự thời gian

Bảng 2.2: Các công bố nghiên cứu trước đây thuộc phạm vi quốc tế

Bảng 2.3 : Những kết quả nghiên cứu trong nước

Năm Tác giả Hướng nghiên cứu Hạn chế của nghiên cứu

Giải ACO có rất nhiều thông số ảnh hưởng đến kết quả giải thuật, vì vậy để chọn được một bộ thông số tốt nhất cho giải thuật đòi hỏi phải có thời gian thực nghiệm và phân tích giải thuật thật kỹ[6]

2012 Nguyễn Sơn

Tùng

Nghiên cứu giải thuật ACO để giải quyết các bài toán

vô cùng phức tạp

Nâng cao tốc độ của mô hình thực hiện của thuật toán thông qua cải tiến tìm kiếm địa phương và hoặc kết hợp với phần

mềm CPLEX

2012 Đỗ Đức Đông

Phương pháp tối

ưu đàn kiến và ứng dụng

Phân tích xu thế biến thiên của vết mùi trong các thuật toán ACO, trên cơ sở đó

đề xuất các quy tắc cập nhật mùi dễ sử dụng và hiệu quả hơn; Đề xuất các thuật toán giải một số bài toán thời sự.[7]

vị trí cơ sở

Giải ACO có rất nhiều thông số ảnh hưởng đến kết quả giải thuật, vì vậy để chọn được một bộ thông số tốt nhất cho giải thuật đòi hỏi phải có thời gian thực nghiệm và phân tích giải thuật thật kỹ[8]

2019 Lương Công

Luật

Tối ưu hóa bình

đồ công trường bằng thuật toán ACO

Mô hình đề xuất đã tìm ra các tập hợp lời giải tốt nhất cho bài toán tối ưu thời gian chi phí TCO Lời giải cung cấp cho các nhà lập kế hoạch và quản lý dự án một công cụ hữu hiệu để có thể rút ngắn được

Huệ Chi Thi

Ngoc Van Le,

Dung Nguyen, Hue

Chi Tran

Cải tiến thuật toán Ant Colony giải quyết bài toán người bán hàng (TSP)

Đề tài đã đề xuất được giải thuật cải tiết thuật toán Ant Colony để tìm được đường

đi ngắn hơn cho bài toán người bán hàng, xây dựng chương trình hoàn chỉnh áp dụng cho giải thuật đó Tuy nhiên các thông số ban đầu có ảnh hưởng không nhỏ đến hiệu suất của thuật toán, vì vậy để chọn được một bộ thông số tốt nhất cho giải thuật đòi hỏi phải có thời gian thực nghiệm và phân tích giải thuật thật kỹ[9]

2.2 Đánh giá tổng quan về thuật toán ACO

Nhờ kết hợp thông tin heurestic, thông tin học tăng cường và mô hı̀nh hóa các hoạt động bầy đàn của đàn kiến tự nhiên, Thuật toán ACO có các ưu điểm sau:

1) Tìm ra đường đi dựa trên các thông tin đa mục tiêu Các điểm thông tin mang tính ngẫu nhiên thì sẽ dựa vào các thông tin heuristic Miền phát hiện rộng hơn Phương pháp

tı̀m kiếm linh động và linh hoạt sẽ có tác dụng tìm ra lời giải gần như chı́nh xác, tối ưu 2) Tăng cường vết mùi, thông qua các thông tin thu thập được về vết mùi có cường

độ cao sẽ giúp cho lời giải dần dần được tối ưu, miền tı̀m kiếm thu hẹp lại dần Lời giải thu được sẽ tốt, tối ưu và chı́nh xác hơn

Chú ý

Khi thực hiện phương pháp ACO (Ant Colony Optimization), có ba nguyên nhân sẽ ảnh hưởng đến tính khả thi của bài toán

 Tạo ra biểu đồ cấu trúc phù hợp:

- Quá trình tạo ra biểu đồ cấu trúc để tìm đáp án cho vấn đề thường không khó khi thực hiện theo thứ tự tuần tự Tuy nhiên, đối mặt với các bài toán kích thước quá lớn, không gian tìm kiếm có thể trở nên rộng lớn, đòi hỏi việc sử dụng giới hạn một cách phù hợp để tối thiểu miền phát hiện cho mỗi con kiến

Chọn thông tin heuristic:

- Việc chọn thông tin heuristic quyết định độ hiệu quả của thuật toán Trong trường hợp không có thông tin heuristic, các thông số này có khả năng được xem xét gần như nhau Khi đầu, thuật toán chỉ sử dụng phương pháp tìm kiếm ngẩu nhiên, trong khi vết mùi thể hiện hướng của quá trình học tăng cường và thuật toán vẫn vận hàng được

Lựa chọn nguyên tắc cập nhật mùi:

- Lựa chọn dựa trên nguyên tắc cập nhật mùi Trong trường hợp biểu đồ cấu trúc và thông tin heuristic sẽ phụ thuộc vào từng bài toán đặc trưng, nguyên tắc cập nhật mùi là yếu tố phổ quát và thường được sử dụng để đặt tên cho thuật toán Có nhiều nguyên tắc cập nhật mùi đã được nghiên cứu và trong nghiên cứu này sẽ lựa chọn quy tắc thích hợp tùy thuộc vào mức độ ảnh hưởng của thông tin heuristic đối với quá trình tìm kiếm giải pháp

2.3 Kết luận

Phương pháp Ant Colony Optimization (ACO) là một phương pháp đã chứng minh được những ưu điểm của nó qua các thực nghiệm Sự quan tâm và phát triển liên tục của ACO từ lúc được chào đón đến nay được thể hiện qua sự đa dạng của các thuật toán Các bài toán tối ưu tổ hợp được được giải quyết thông qua các hướng tiếp cận mới từ các thuật toán này, mở ra nhiều cơ hội để giải quyết các vấn đề trong trong thực tế

Bài toán tối ưu thời gian và chi phí trong quá trình xây dựng các dự án kết cấu bê tống khối lớn là một khó khăn lớn, bao gồm nhiều bài toán nhỏ với ứng dụng thực tế cao Phương pháp ACO có khả năng giúp lựa chọn các biến thiết kế phù hợp, giảm thiểu chi phí dự án, và đồng thời đảm bảo an toàn và tiết kiệm thời gian trong quá trình thi công

Hình 3.2: Sơ đồ các bước nghiên cứu

Phương pháp áp dụng gây ra ít tổn phí nhất trong khoảng thời gian nhanh chóng nhất trong quá trình triển khai kết cấu bê tông khối lớn là một việc vô cùng quan trọng Mục tiêu của bài toán làm giảm thiểu tối đa các khoản phí phát sinh và thời lượng thực hiện thi công xây dựng các dự án các công trình bê tông có thể tích lớn là lựa chọn các nguyên nhân tác động đến nổ lực giảm thời gian và chi phí mà vẫn đảm bảo độ an toàn và chống nứt trong quá trình thi công [10]:

- Loại vật liệu ( tc);

- Nhiệt độ (pt);

- Chiều cao bơm (hl);

- Tần suất giữa các lần bơm (pf)

Việc nổ lực giảm thiểu tối đa các khoản phí phát sinh và thời gian thực hiện xây dựng phụ thuộc rất lớn vào các nhà quản lý xây dựng, các chủ đầu tư Tuy nhiên việc này lại bị ảnh hướng quá lớn vào kinh nghiệm và cảm tính Nên việc lựa chọn hợp lý các thông

số để thiết kế sẽ góp phần vào việc tối thiểu chi phí xây dựng mà vẫn đảm bảo an toàn cho kết cấu, đặc biệt là các dự án lớn

3.2 Bê tông khối lớn

3.2.1 Định nghĩa bê tông khối lớn

“Bê tông khối lớn là khối bê tông bất kỳ có kích thước đủ lớn, mà nếu không có biện pháp phòng ngừa thích hợp thì sự tích tụ nhiệt từ thủy hóa cement và các thay đổi thể tích

1 Xác định các vấn đề

a Đánh giá tầm quan trọng của bài báo

b Xác định mục tiêu nghiên cứu

c Xác định phạm vi nghiên cứu

2 Đánh giá tài liệu

a Nghiên cứu khái niệm,

lý thuyết liên quan

b Xem xét các nghiên cứu trước đây

b Xác định mục tiêu nghiên cứu

c Xác định phạm vi nghiên cứu

kèm theo có thể gây nứt bê tông Trong điều kiện khí hậu Việt Nam, khối bê tông dạng tấm có kích thước nhỏ nhất ≥ 0,8m và các dạng còn lại có kích thước nhỏ nhất ≥ 1,2m có thể được xem là khối lớn Đối với trường hợp kết cấu có dạng, hình khối đặc biệt, kết cấu không chấp nhận nứt thì có thể lấy nhỏ hơn kích thước trên, do người thiết kế xem xét quyết định trong chỉ dẫn kỹ thuật thi công.” [11]

3.2.2 Biến thiết kế trong kết cấu bê tông khối lớn

3.2.2.1 Loại bê tông (tc)

Việc lựa chọn vật liệu có liên quan trực tiếp đến sự phát triển của phản ứng hydrat hóa (sinh nhiệt, co ngót tự sinh) và đến sự phát triển các tính chất của khung như độ bền,

mô đun Young và tính chất dẻo Nói chung, hiệu suất của vật liệu càng tốt thì chi phí của

nó càng lớn Loại bê tông là một biến rời rạc

là số loại tập hợp); và hóa chất phụ gia (𝑛𝐴 là số lượng chất phụ gia)

xét và biến liên quan đến việc làm mát vật liệu là nhiệt độ bơm Biến pt nói chung là một

biến rời rạc, vì trong hầu hết các trường hợp, chi phí tương ứng với việc làm mát bê tông

sẽ không chính xác Sau đó, biến có thể được xác định bằng cách lấy các giá trị của nó từ tập hợp rời rạc bên dưới:

𝑝𝑡 ∊ { 𝑝𝑡𝑚𝑎𝑥 = 𝑝𝑡𝑚𝑖𝑛, 𝑝𝑡2… 𝑝𝑡𝑁𝑝𝑡 = 𝑝𝑡𝑚𝑎𝑥 = 𝑇𝑒𝑛𝑣} (3)

Trong đó 𝑝𝑡𝑚𝑖𝑛 là nhiệt độ đặt khả thi tối thiểu, 𝑁𝑝𝑡 là số lượng nhiệt độ đổ bê tông,

và 𝑝𝑡𝑚𝑎𝑥 = 𝑇𝑒𝑛𝑣 là nhiệt độ đổ bê tông tối đa, tương ứng với việc đổ bê tông ở nhiệt độ môi trường 𝑇𝑒𝑛𝑣

3.2.2.3 Chiều cao bơm bê tông (hl)

Biến số này ảnh hưởng đến sự phân tán nhiệt do phản ứng hydrat hóa tạo ra.“Độ dày lớp bê tông khi đổ càng nông thì sự tản nhiệt càng lớn trước khi bơm đợt tiếp theo và nhiệt

độ tối đa đạt được trong kết cấu càng thấp Mặt khác, độ dày lớp bê tông khi đổ càng cao thì càng ít mối nối ngang, thời gian xây dựng càng ngắn và chi phí càng thấp” [10] Biến

hl là rời rạc vì trong thực tế, chiều cao của lớp bê tông khi đổ thường là bội số của một chiều dài nhất định do yêu cầu xây dựng Vì các giá trị của hl bị giới hạn bởi độ cao khả

thi tối thiểu và tối đa, nên chúng ta có thể viết:

bê tông khi đổ quyết định số lượng bơm cụ thể như sau:

NL = H𝑆𝑡/ℎ𝑙 nếu H𝑆𝑡/ℎ𝑙 là phân chia chính xác

NL = int(H𝑆𝑡/ℎ𝑙) +1 nếu H𝑆𝑡/ℎ𝑙 là phân chia không chính xác (5) Trong đó 𝐻𝑆𝑡 là tổng chiều cao của kết cấu

3.2.2.4 Tần xuất bơm ( pf)

“Mức độ tản nhiệt trong khối bê tông phụ thuộc vào khoảng thời gian giữa việc xây dựng trạm bơm này và việc bơm tiếp theo Nếu khoảng thời gian này tăng lên, nhiệt độ tối đa đạt được trong bê tông sẽ thấp hơn, nhưng thời gian xây dựng sẽ dài hơn, làm tăng

chi phí Biến pf được định nghĩa ở đây là tần suất bơm, tương ứng với thời gian bơm cộng

với khoảng thời gian cho đến khi lần bơm tiếp theo” [10] Nói chung, nó cũng là một biến rời rạc, vì tần suất bơm không được thiết lập trên cơ sở của phân số ngày Nó bị giới hạn bởi tần suất bơm khả thi tối thiểu và tối đa, như sau:

𝑝𝑓 ∊ { 𝑝𝑓1 = 𝑝𝑓𝑚𝑖𝑛, 𝑝𝑓2, … , 𝑝𝑓𝑁𝑝𝑓 = 𝑝𝑓𝑚𝑎𝑥} (6) Trong đó 𝑁𝑝𝑓 là số tần suất bơm, 𝑝𝑓𝑚𝑖𝑛 và 𝑝𝑓𝑚𝑎𝑥 tương ứng là tần suất bơm tối thiểu và tối đa do nhà thầu thiết lập

“Giá trị 𝑝𝑓𝑚𝑖𝑛 không tương ứng với thời gian sự cố như được xác định trong khuôn khổ của bài toán đánh đổi chi phí thời gian xây dựng [13], nghĩa là thời lượng khả thi tối thiểu cho một hoạt động xây dựng Vì 𝑝𝑓𝑚𝑖𝑛 phụ thuộc vào thời gian của các hoạt động như chuẩn bị mối nối ngang và lắp đặt ván khuôn, nên có thể xảy ra sự cố do nhà thầu có thể chọn số lượng nhân công, thiết bị và phương pháp thi công khác nhau để giảm 𝑝𝑓𝑚𝑖𝑛 [13], việc này dẫn tới chi phí sẽ có sự thay đổi và tăng Chi phí của các hoạt động có thời lượng bao gồm trong 𝑝𝑓𝑚𝑖𝑛 được coi là hằng số trong bài toán tối ưu hóa được xử lý trong nghiên cứu này”, tức là, những chi phí này không thay đổi theo tc, pt, hl và pf

Với số lượng lần bơm và tần suất bơm có thể tính toán thời gian thi công xây dựng,

ct, có thể được tính theo công thức (7) ,cho phép lượng thời gian tối thiểu sau khi làm mát

bê tông cuối cùng để xem xét việc xây dựng đã hoàn thành

Vì hình học của kết cấu đã cho, nên hàm chi phí được thiết lập cho tổng khối lượng

cố định của bê tông 𝑝𝑐𝑜𝑛𝑠;𝑡𝑜𝑡 như sau:

𝐶

𝑝𝐶𝑜𝑛,𝑡𝑜𝑡 = 𝑐 = (𝑐𝑓𝑖𝑥+ 𝑐𝑅𝑀(𝑡𝑐) + 𝑐𝐶𝐶(𝑝𝑓) + 𝑐𝐶𝑃(𝑝𝑓, ℎ𝑙) (9)

Trong đó C là tổng chi phí; c là tổng chi phí đơn vị; 𝑐𝑓𝑖𝑥𝑒𝑑 đại diện cho tất cả các

chi phí đơn vị không thay đổi theo hl, pf, tc và pt, chẳng hạn như chi phí mua thiết bị, lắp

đặt và các chi phí không đổi khác của các hoạt động liên quan đến 𝑝𝑓𝑚𝑖𝑛; 𝑐𝑅𝑀(𝑡𝑐)là đơn giá của nguyên liệu thô, là một chức năng của loại bê tông; 𝑐𝑐𝑐(𝑝𝑡) là đơn giá làm mát bê tông, là một hàm của nhiệt độ đổ bê tông; và 𝑐𝑃𝑂(ℎ𝑙, 𝑝𝑓) là đơn giá vận hành trạm bơm, thay đổi theo tổng thời gian xây dựng, do đó phụ thuộc vào chiều cao của thang bơm và tần suất bơm Chi phí này bao gồm thuê và vận hành thiết bị, xử lý bê tông, củng cố và

đổ bê tông (ngoại trừ việc làm mát), v.v

Chi phí làm mát bê tông 𝐶𝑐𝑐 :

Đơn giá làm mát bê tông là một hàm của nhiệt độ đổ bê tông Đối với một vấn đề nhất định, đơn giá này sẽ phụ thuộc vào các yếu tố như loại tòa nhà, sự sẵn có của quy trình công nghiệp để làm mát vật liệu, nơi lắp đặt thiết bị, khối lượng bê tông, v.v Ví dụ, việc xây dựng một đập lớn có thể yêu cầu xây dựng một nhà máy nước đá gần đó để có thể dễ dàng vận chuyển nước đá đến thiết bị trộn Mặt khác, đối với việc xây dựng một tòa nhà đô thị, kỹ sư có thể có sẵn các nhà cung cấp hỗn hợp sẵn thương mại sẽ cung cấp vật liệu đã được làm lạnh sơ bộ đến nhiệt độ yêu cầu Tuy nhiên, trong cả hai trường hợp, đơn giá chi phí làm mát bê tông đều được nhà thầu biết và hàm liên quan giữa nhiệt độ đổ

bê tông với chi phí của chúng có thể được xác định Hàm này có thể có bất kỳ hình dạng

nào, nhưng nó sẽ giảm hoặc không đổi khi tăng giá trị của pt Phạm vi của nó như sau:

𝐶𝑐𝑐 ∊ [ 𝑐𝑐𝑐,𝑚𝑖𝑛 = 0, 𝑐𝑐𝑐,𝑚𝑎𝑥] (12) Trong đó chi phí tối đa 𝑐𝑐𝑐,𝑚𝑎𝑥 tương ứng với nhiệt độ đổ bê tông khả thi tối thiểu (𝑝𝑡𝑚𝑖𝑛) và chi phí tối thiểu 𝑐𝑐𝑐,𝑚𝑖𝑛=0 tương ứng với việc đổ bê tông không làm mát

3.2.2.6 Chi phí vận hành trạm bơm 𝐶𝑝𝑜 :

Đơn giá vận hành nhà máy, 𝑐𝑃𝑂(ℎ𝑙, 𝑝𝑓) được xác định là hàm của thời gian dành cho việc xây dựng toàn bộ cấu trúc:

Đối với đơn giá bê tông làm mát, hàm chi phí vận hành trạm bơm có thể có bất kỳ hình

dạng nào, nhưng nó sẽ tăng hoặc không đổi với giá trị tăng của ct

Vậy để tối ưu chi phí và thời gian thi công xây dựng kết cấu khối lớn cần chi phí của các biến thiết kế phải đạt tối thiểu 𝑓(𝑥)(𝑚𝑖𝑛)

𝑓(𝑥) = 𝐶𝑅𝑀+ 𝐶𝑝𝑜 + 𝐶𝑝𝑜 = 𝑀𝑖𝑛 (15)

Bài toán tối ưu chỉ phí của các biến thiết kế tc, pt, hl, pf là một bài toán tối ưu đơn

mục tiêu, trong đó các kết quả là không duy nhất Bài toán tối ưu chi phí thi công xây dựng các dự án kết cấu bê tông khối lớn chú trọng chủ yếu vào việc chọn lựa những phương án thích hợp nhằm đạt được mục tiêu về chi phí và thời gian cho dự án

3.2.2.7 Tổng thời gian thực hiện dự án ct :

Tổng thời gian của dự án tính toán theo các công thức sau đây :

𝑇 = 𝑐𝑡 = (𝑁𝐿 − 1) 𝑝𝑓 + 𝑝𝑓𝑚𝑖𝑛

(16) Nền tảng kiến thức khoa học liên quan đến việc lan truyền nhiệt độ và thông số thể hiện vết nứt do nhiệt

“Kết cấu bê tông khối lớn có thể tồn tại lượng nhiệt thủy hóa cement đủ lớn, gây ra

sự biến đổi quan trọng về thể tích của bê tông trong quá trình đóng rắn Sự biến đổi thể tích không đồng đều này tạo ra ứng suất kéo trong khối bê tông, và khi ứng suất này vượt quá giới hạn kéo, bê tông sẽ xuất hiện các nứt Nguyên nhân của sự biến đổi thể tích này

có thể xuất phát từ quá trình khô do mất nước, cũng như sự chênh lệch nhiệt độ ΔT giữa các phần của khối bê tông” [1, 2, 4] Do đó, việc chống nứt nhiệt cho bê tông khối lớn chủ yếu liên quan đến việc kiểm soát sự phân bố nhiệt độ và ứng suất trong khối bê tông

“Quá trình hình thành và phân phối trường nhiệt độ trong bê tông khối lớn chủ yếu phụ thuộc vào các yếu tố nội tại của bê tông cũng như các yếu tố bên ngoài liên quan đến môi trường và công nghệ thi công Những yếu tố nội tại của bê tông bao gồm: số lượng phần tử; loại hình phần tử (tam giác, chữ nhật); các thông số nhiệt của vật liệu; loại và lượng cement; các đặc tính nhiệt độ của nguyên liệu; nhiệt độ bê tông khi đổ; nhiệt dung

riêng của bê tông; tốc độ tỏa nhiệt; hình dạng và kích thước của cấu trúc; phân phối bê tông Những yếu tố bên ngoài khối bê tông liên quan đến điều kiện biên như: các tham số môi trường (nhiệt độ, độ ẩm, tốc độ gió…); phương pháp bảo dưỡng bê tông; ràng buộc nhiệt của khối bê tông với các mặt tiếp xúc (ván khuôn, nền đất); các giá trị nhiệt tại mặt thoáng của khối bê tông; hệ số trao đổi nhiệt” [1, 4] Trong việc xây dựng các công trình dân dụng và công nghiệp hiện nay, nhiều kết cấu có khối lượng lớn như dầm, sàn chuyển, đài móng nhà cao tầng, móng máy Với những kết cấu này, lượng nhiệt thủy hóa cement

là rất lớn, và sự phân bố nhiệt độ và ứng suất trong lòng khối bê tông trở nên phức tạp Tuy nhiên, xác định trường nhiệt độ và ứng suất của những kết cấu này là vô cùng khó khăn do số lượng phần tử, biến số và các thông số của điều kiện biên là khá lớn

3.2.2.8 Phương trình lý thuyết truyền nhiệt

Theo [14, 15] quá trình truyền nhiệt 03 chiều trong mối trường bất đẳng hướng được mô tả bởi phương trình:

𝑝: Khối lượng thể tích của bê tông (kg/m³);

𝐶: Tỉ nhiệt của bê tông (kcal/kg.°C);

𝜕𝑥, 𝑦, 𝑧: Hệ số dẫn nhiệt theo mỗi hướng x,y,z;

𝑞(𝑡): Nhiệt sinh ra trong một đơn vị thể tích (kcal/m³)”

Các điều kiện biên

+ Tại mặt tiếp xúc của khối bê tông với nền đất:

Trong đó:

𝑛𝑥; 𝑛𝑦; 𝑛𝑧: Cosin chỉ phương của mặt truyền nhiệt đang xét;

ℎ𝑐: Hệ sô đối lưu (kcal/m².h.°C);

𝑇∞: Nhiệt đô tại mặt đối lưu (°C)

Đặc tính lý hóa liên quan đến nhiệt độ của bê tông

“Bê tông, với tính dẫn nhiệt thấp, gây ra hiện tượng lượng nhiệt thủy hóa của cement không dễ dàng thoát ra khỏi bên ngoài, mà thay vào đó, nó tích tụ trong khối bê tông Tốc độ thoát nhiệt tăng theo tỷ lệ thuận với tỷ số diện tích bề mặt thoát nhiệt trên khối bê tông Điều này có nghĩa là đối với bê tông khối lớn, quá trình thoát nhiệt diễn ra rất chậm so với các cấu kiện bê tông thông thường Do đó, quá trình trao đổi nhiệt trong khối bê tông trong giai đoạn phản ứng thủy hóa của cement và quá trình đóng rắn của bê tông thường được coi là quá trình đoạn nhiệt” [12, 16] Theo công thức (20) và (21) trong [17], “Tại một thời điểm được xác định và trong một đơn vị thể tích nhiệt lượng phát ra và nhiệt độ được tính bằng công thức sau”

𝑞(𝑡): Nhiệt sinh ra trong một đơn vị thể tích tại thời điểm t (kcal/m³);

𝑝: Khối lượng thể tích của bê tông (kg/m³);

𝐶: Tỉ nhiệt của bê tông (kcal/kg.°C);

𝑡: Thời gian (ngày);

α: Hệ số thể hiện mức độ thủy hóa của cement;

𝐾: Nhiệt độ tối đa của bê tông trong quá trình đoạn nhiệt (°C);

𝑇𝑎𝑑: Nhiệt độ của bê tông trong quá trình đoạn nhiệt ở tuổi t ( ngày) (°C)”

“Dưới góc độ này, nếu chúng ta có thể biết giá trị của K và α, chúng ta có thể tính toán nguồn nhiệt q và từ đó biết trường nhiệt độ trong khối bê tông Tuy nhiên, quá trình tính toán K và α là rất phức tạp do nó diễn ra trong thời gian dài và phụ thuộc vào nhiều yếu tố Nghiên cứu thực nghiệm đã chỉ ra rằng giá trị của K và α phụ thuộc trực tiếp vào hàm lượng cement , loại cement được sử dụng và nhiệt độ của vữa bê tông khi đổ Với

cùng một loại cement , khi hàm lượng cement và nhiệt độ vữa bê tông khi đổ tăng lên, giá trị của K và α cũng tăng theo Do đó, để giảm nhiêt độ trong khối bê tông, chúng ta cần giảm hàm lượng cement và nhiệt độ ban đầu của vữa bê tông Tại một thời khắc t việc gia tăng nhiệt độ đoạn nhiệt (đo được trong ngày) có thể được xác định thông qua phương pháp thực nghiệm theo công thức (22) [18]

Trong đó:

𝑄∞ [1 − 𝑒−𝑟𝐴𝑇 (𝑡−𝑡0,𝑄) 𝑆𝐴𝑇

] (22) 𝑡: Tuổi bê tông (ngày);

Q(𝑡): Sự tăng nhiệt độ đoạn nhiệt tại thời điểm t (ngày) (°C);

𝑄∞ : Nhiệt độ tối đa của bê tông trong điều kiện đoản nhiệt (°C);

𝑟𝐴𝑇, 𝑠𝐴𝑇: Các thông số thể hiện tốc độ thay đổi nhiệt độ tùy theo loại cement sử dụng;

𝑡0,𝑄: Tuổi bê tông bắt đầu nâng tăng nhiệt (ngày).”

Theo[17, 19] “Tại thời điểm trộn, nhiệt độ được xác định theo bình quân

nhiệt độ của những nguyên liệu như là: nước, cement và vật liệu thô mịn”, xác

𝑇𝑚: Nhiệt độ trung bình của bê tông sau khi được trộn với các vật liệu đã làm mát (°C);

𝐶𝑠: Tỷ nhiệt của cement và cốt liệu có tính đến nước (lấy 𝐶𝑠 = 0,2);

𝑊𝑔, 𝑇𝑔: Khối lượng riêng (kg/m³) và nhiệt độ (°C) của cốt liệu;

𝑊𝑐, 𝑇𝑐: Khối lượng riêng (kg/m³) và nhiệt độ (°C) của cement;

𝑊𝑛, 𝑇𝑛: Khối lượng riêng (kg/m³) và nhiệt độ (°C) của nước.”

“Trong quá trình tính toán, nhiệt độ môi trường được xác định bằng cách sử dụng nhiêt độ trung bình ngày trong vòng 3 năm tại công trường hoặc thông qua dữ liệu quan trắc khí tượng tại khu vực thi công”[17] Ở các biên không thay đổi nhiệt độ, giá trị nhiệt

độ được chọn là nhiệt độ trung bình cố định tại mặt tiếp xúc đó “Đối với biên đối lưu, nhiệt độ sẽ phụ thuộc vào các yếu tố như loại cốp pha, thời gian tháo ván khuôn, vật liệu bảo dưỡng, phương pháp và thời gian bão dưỡng” [15]

3.2.2.9 Chỉ số nứt do nhiệt của bê tông

Trong các nghiên cứu trước đây

“Khi sự chênh lệch nhiệt độ ΔT gia tăng, ứng suất nhiệt trong khối bê tông cũng tăng lên, theo [14] sự phụ thuộc tuyến tính dựa trên mối quan hệ giữa ứng suất nhiệt và nhiệt độ trong khối bê tông: khi nhiệt độ tăng, ứng suất nhiệt trong bê tông cũng tăng theo một quy luật tuyến tính” Được thể hiện trong công thức (20):

“Trong đó:

{𝜎}: Vectơ ứng suất tại điểm khảo sát (Kgf/m²);

[𝑅]: Ma trận cản biến dạng của bê tông;

𝐸: Mô dun đàn hồi của bê tông (Kgf/m²);

{∆𝑇}: Vectơ Gradient nhiệt độ;

𝛽: Hệ số giản nở nhiệt của bê tông”

Theo công thức (20), có thể nhận ra rằng, khi chênh lệch nhiệt độ ΔT ngày càng cao, ứng suất nhiệt trong khối bế tông cũng gia tăng theo một quy luật tuyến tính Điều này đồng nghĩa với việc khả năng xảy ra nứt nhiệt trong khối bê tông sẽ tăng lên, do ứng suất nhiệt có thể vượt quá giới hạn bền kéo của bê tông Do đó, để ngăn chặn hiện tượng nứt nhiệt trong bê tông khối lớn, cần kiểm soát chênh lệch nhiệt độ ΔT trong phạm vi cho phép

Theo [18], chỉ số nứt được xác định theo công thức (21):

𝐼𝑐𝑟 =𝑓𝑐𝑡𝑚(𝑡)

Trong đó:

𝑓𝑐𝑡𝑚(𝑡): Giá trị thiết kế của độ bền chịu kéo tại thời điểm 𝑡𝑒 (Mpa);

𝜎𝑡(𝑡): Ứng suất kéo tại thời điểm 𝑡

Khi giá trị 𝐼𝑐𝑟 < 1 thì cấu kiện bê tông xuất hiện nứt Xác suất nứt xác định

theo công thức (26):

𝑃(𝐼𝑐𝑟) = [1 − exp {− ( 𝐼𝑐𝑟

“Giá trị nứt an toàn áp dụng cho các cấu kiện là 𝐼𝑐𝑟 ≥ 1,85 Khi đó, khả năng nứt

do nhiệt là ít hơn hoặc bằng 5% Trong trường hợp xác suất nứt vượt quá 5%, kết cấu có thể sẽ bị nứt cao Chỉ số ràng buộc của giá trị nứt do nhiệt tương ứng với trường hợp này được tính theo công thức (23)”:

𝐼𝑙𝑖𝑚 = 0.92

𝑃(𝐼𝑐𝑟): Xác suất nứt do nhiệt (%);

𝐼𝑐𝑟: Chỉ số nứt của cấu kiện bê tông

3.2.2.10 Quy trình xác định giá trị nứt do nhiệt của cấu kiện bê tông cốt thép trong thời gian đầu đóng rắn

Phương pháp đánh giá đơn giản:

Trong phương án này, chỉ số nứt 𝐼𝑐𝑟 được xác định theo [18] như sau:

𝑰𝒎𝒂𝒓 −𝒘𝒕 = 1,93 𝑥 10−2𝑇𝑎 − 2,8 𝑥 10−3𝐷 − 1,17 𝑥 10−2𝑄∞+1,55 𝑥 10−2𝑟𝐴𝑇𝑠𝐴𝑇+ 8,72 𝑥10−2log(𝐻𝑅) + 0,476𝑓𝑐𝑡𝑚(𝑡) − 0,165𝑙𝑜𝑔10(𝐿

𝐻)+ 0,224𝑙𝑜𝑔10(𝐸𝑐𝑚(𝑡)

𝐸𝑅 ) + 0,015

(24)

“Trong đó:

𝑇𝑎: Nhiệt độ bê tông lúc đổ (°C);

𝐷: Chiều cao tối thiểu khi đổ bê tông (m);

𝑄∞: Trong điều kiện đoạn nhiệt độ tối đa phụ thuộc vào hàm lượng cement thành phần của từng loại bê tông, ảnh hưởng đến tốc độ phản ứng và lượng nhiệt phát ra

𝑟𝐴𝑇𝑠𝐴𝑇: Các thông số thể hiện tốc độ thay đổi nhiệt độ ;

𝐻𝑅: Giá trị biểu hiện giá trị bức xạ nhiệt từ bề mặt cấu kiện (W/m².°C.ngày);

𝑓𝑐𝑡𝑚(𝑡): Giá trị thiết kế của độ bền chịu kéo tại thời điểm 𝑡𝑒 (Mpa);

𝐿

𝐻: Tỷ lệ chiều dài (L) và chiều cao (H) của cấu kiện;

𝐸𝑅: Môdun đàn hồi của đất (Mpa);

𝐸𝑐𝑚(𝑡): Môdun đàn hồi của bê tông tại thời điểm 𝑡𝑒;”

có thể được biểu diễn như sau”[17]:

(28)

“Trong đó:

𝑡: Tuổi của bê tông (ngày);𝑠: Hằng số phụ thuộc vào loại cement

= 0.2 : Cement cường độ cao đông cứng nhanh;

= 0.25 : Cement đông cứng bình thường và nhanh;

= 0.38 : Cement đông cứng chậm và tỏa nhiệt thấp

𝑓𝑐𝑡𝑚 ∶ Cường độ kéo của bê tông tại thời điểm 28 ngày (Mpa).”

Trong đó:

𝑓𝑐𝑡𝑚 = 0,3 𝑥 𝑓𝑐𝑘2/3

(29)

𝑓𝑐𝑘: Cường độ tiêu chuẩn mẫu trụ ngày 28 (Mpa)

𝐸𝑐𝑚(𝑡): Môdun đàn hồi của bê tông tại thời điểm 𝑡𝑒 (Mpa)

𝑁 : Tỷ lệ Chất kết dính/Nước theo khối lượng

3.3 Giới thiệu chi tiết về thuật toán ACO

3.3.1 Giới thiệu chung về thuật toán ACO

Thuật toán ACO, hay còn được biết đến là “Ant Colony Optimization” là một thuật toán tối ưu hóa được lấy cảm hứng từ hành vi của kiến Thuật toán này được phát triển dựa trên quan sát của đàn kiến, khi tìm kiếm thức ăn, sử dụng một hệ thống mùi để ghi lại