Xây dựng hệ thống thông tin tích hợp cho ngnh xây dựng TS. ngô đăng quang Bộ môn Tự động hoá TK Cầu đờng - ĐH GTVT Tóm tắt: Công nghệ CAD (máy tính hỗ trợ thiết kế) đang ngy cng trở nên phổ biến trong ngnh xây dựng. Nhiều phần mềm đã đợc áp dụng có kết quả để hỗ trợ các giai đoạn riêng rẽ của công tác thiết kế. Tuy nhiên, hiện nay vẫn cha có một giải pháp CAD hon chỉnh hỗ trợ một cách trọn vẹn các công đoạn ny. Việc trao đổi thông tin giữa các công đoạn thiết kế vẫn cha đợc thực hiện một cách tự động. Nhiều quá trình, do đó, vẫn phải đợc thực hiện lặp đi lặp lại một cách không cần thiết. Bi báo ny giới thiệu một phơng pháp xây dựng một môi trờng tính toán tích hợp cho các hệ thống CAD hỗ trợ các quá trình thiết kế. Abstract: Computer Aided Design (CAD) becomes more and more popular in practices of civil engineering. Many software products were applied successfully for support the distinct design procedures, such as drawing, structure analyze, project management, etc. A complete CAD solution for all tasks of structure design is nevertheless currently not given. The informations of design procedures cannot be exchanged automatically. Many tasks shall be therefore repeated unnecessarily. This article introduces an approach for building an integrated computing environment for CAD systems supporting all procedures of structure design. 1. Đặt vấn đề Việc ứng dụng các tiến bộ của công nghệ thông tin để giải quyết các nhiệm vụ của ngành xây dựng đã đợc tiến hành từ rất sớm và đã mang lại nhiều kết quả đáng kể. Nhiều hệ thống phần mềm phục vụ cho các công tác khác nhau của ngành xây dựng nh thiết kế - CAD (Computer Aided Design), sản xuất - CAM (Computer Aided Manufacturing) và quản lý công trình - CAFM (Computer Aided Facility Management) đã liên tục đợc phát triển và sử dụng ngày càng rộng rãi trong ngành xây dựng. Với các hệ thống phần mềm này, một phần công tác thiết kế và quản lý trong ngành xây dựng đã đợc thực hiện tự động hoá với các cải thiện rõ rệt về thời gian và chất lợng sản phẩm. Tuy nhiên, việc phát triển và sử dụng các hệ thống phần mềm máy tính trong ngành xây dựng hiện nay, theo nghĩa các hệ thống công cụ hoàn chỉnh, nhìn chung vẫn đang ở mức độ thấp. Hầu hết ngời thiết kế vẫn dùng các hệ thống CAD làm công cụ để vẽ (Computer Aided Drawing) hơn là công cụ để thiết kế (Computer Aided Design). Đối với họ, các phần mềm nh hệ thống thiết kế đồ hoạ và hệ thống tính toán kết cấu làm việc hoàn toàn độc lập với nhau và việc cung cấp dữ liệu cho các hệ thống riêng biệt này phải đợc tiến hành lặp đi lặp lại nhiều lần. Sản phẩm của quá trình thiết kế thờng là các bản vẽ hoặc bản tính mang tính chất tĩnh, việc sửa đổi ở một bộ phận nhất định của công trình dẫn đến việc phải thực hiện lại một cách không cần thiết quá trình thiết kế từ đầu. Do đó, việc kết nối các hệ thống công cụ khác nhau thành một hệ thống thống nhất và hoàn chỉnh (tích hợp) để giải quyết trọn vẹn một lớp bài toán nhất định đang là một yêu cầu cấp thiết trong việc nghiên cứu và phát triển phần mềm xây dựng. Các hệ thống này phải đảm bảo sao cho sản phẩm của quá trình thiết kế là các mô hình sống của công trình xây dựng. Các bản vẽ cấu tạo, các bản tính hoặc các báo cáo về công trình, về bản chất, chỉ là các dạng xuất (output) của các mô hình này. Các mô hình công trình này sẽ tồn tại suốt quá trình thiết kế, thi công và sử dụng công trình để hỗ trợ cho các công tác kỹ thuật tơng ứng ở từng giai đoạn. Các hệ thống phần mềm CAD, CAM hoặc CAFM hiện đại, nói chung, là các hệ thống mở, chúng cho phép ngời dùng có thể mở rộng và, trong những mức độ nhất định, sửa đổi các tính năng của chúng. Một ví dụ điển hình ở đây là hệ thống phần mềm AutoCAD của hãng AutoDesk, bên cạnh các tập hợp lệnh cho phép ngời dùng làm việc trực tiếp, hệ thống này còn cung cấp một loạt các th viện phần mềm mở nh AutoLisp, ObjectARX v.v. Thông qua các th viện này, ngời lập trình hoặc ngời sử dụng có thể đọc thông tin của các đối tợng của bản vẽ AutoCAD và chuyển giao chúng cho các hệ thống phần mềm khác, ví dụ, cho hệ thống tính toán kết cấu. Việc chuyển giao thông tin giữa các quá trình thiết kế, do đó, có thể đợc thực hiện một cách tự động. 2. Khái niệm về mô hình v hệ thống tích hợp Mô hình tích hợp là mô hình có khả năng lu trữ và phản ánh đợc các thông tin nhiều mặt và đa dạng của các đối tợng. Mô hình tích hợp là cơ sở logic cho việc xây dựng các hệ thống phần mềm tích hợp. Hệ thống phần mềm tích hợp là hệ thống mà trong đó các phần mềm phục vụ cho các mục đích khác nhau đợc kết nối lại trong một môi trờng thông tin thống nhất để, qua đó, chúng có thể làm việc trực tiếp đợc với nhau hoặc dữ liệu của chúng đợc chuyển giao một cách tự động. Trong ngành xây dựng, một công trình đợc bắt đầu bằng công tác thiết kế (bao gồm thiết kế kiến trúc, thiết kế kỹ thuật và thiết kế thi công) tiếp theo là quá trình xây dựng và cuối cùng là quá trình duy trì và sử dụng công trình đó. Để hỗ trợ cho công tác kỹ thuật trong các giai đoạn này, các hệ thống chơng trình máy tính cùng các mô hình tơng ứng đợc sử dụng, ví dụ, hệ thống phần mềm hỗ trợ khảo sát địa hình, thiết kế kiến trúc, thiết kế kết cấu, quản lý và điều khiển dự án cũng nh quản lý công trình khi sử dụng (hình 1). Để tạo nên môi trờng thông tin chung cho các hệ thống này, một hệ thống quản lý đối tợng trung gian đóng vai trò cầu nối thông tin giữa các phần mềm khác nhau kể trên cần phải đợc xây dựng (hình 2). Trong hệ thống trung gian này, các chuẩn thông tin cũng nh các phuơng thức trao đổi thông tin đợc định nghĩa và xây dựng. Chuẩn thông tin và phuơng thức trao đổi thông tin, về mặt bản chất, là các quy ớc chung của các bên tham gia vào một qúa trình. Chuẩn thông tin quy định cách định nghĩa và xây dựng các đối tợng của các hệ thống khác nhau để chúng có thể trao đổi đợc với nhau. Hiện nay tồn tại nhiều phơng pháp xây dựng các chuẩn thông tin và ph ơng thức trao đổi thông tin giữa các hệ thống khác nhau nh dùng ngôn ngữ đặc tả EXPRESS (ISO 10303-11) và STEP (ISO 10303-225) hoặc xây dựng các đối tợng nhị phân (binary objects), ngôn ngữ đánh dấu mở rộng XML (Exchangble Markup Language) v.v Phổ biến nhất và hiệu quả nhất hiện nay là phơng pháp dùng ngôn ngữ đánh dấu mở rộng XML vì chúng cho phép các hệ thống có thể trao đổi thông tin với nhau trong môi trờng Internet và không phụ thuộc vào hệ điều hành, nơi mà hệ thống đang làm việc. Hệ thống tích hợp, về nguyên tắc, phải là một hệ thống mở để đảm bảo tính dễ nâng cấp và mở rộng trong quá trình sử dụng. Vì lý do này, các hệ thống tích hợp thờng đợc xây dựng theo phơng pháp hớng đối tợng. Hình 1. Máy tính hỗ trợ các giai đoạn kỹ thuật xây dựng. Thiết kế kiến trúc Thiết kế kết cấu Thiết kế thi công Tổ chức thi công Quản lý công trình Máy tính hỗ trợ thiết kế Kiến trúc (CAAD) Máy tính hỗ trợ lập quy hoạch (CAP, GIS) Thiết k ế Tiền kỹ thuật Máy tính hỗ trợ thiết kế (CAD) Máy tính hỗ trợ quản lý dự án (CAPM) Máy tính hỗ trợ quản lý công tr ì nh (CAFM) Hệ thống quản lý đối t ợ n g Phần mềm hỗ trợ Kiến trúc (CAAD) Phần mềm hỗ trợ Thiết kế (CAD) Phần mềm hỗ trợ Quản lý, Tổ chức thi công Phần mềm hỗ trợ Quản lý Công trình (CAFM) Hình 2. Cấu trúc của hệ thống tích hợp cho ngnh xây dựng. 3. Xây dựng hệ thống thông tin tích hợp cho các công trình xây dựng 3.1. Xây dựng các chuẩn thông tin Chuẩn thông tin là một vấn đề cực kỳ quan trọng, nếu không nói là quan trọng nhất, trong việc xây dựng các mô hình công trình tích hợp. Chỉ khi có các chuẩn thông tin, dữ liệu của các hệ thống và các quá trình riêng biệt mới có thể trao đổi đợc với nhau một cách đầy đủ và chính xác. Chuẩn thông tin cần phản ánh nội dung thông tin cần trao đổi cũng nh dạng thức của chúng. Ví dụ, chuẩn thông tin về các mối nối giữa các cấu kiện bê tông cốt thép cần phản ánh đợc các dạng cấu tạo (liên kết bê tông, cốt thép), giả thiết tính toán (khớp, đàn hồi hay cứng tuyệt đối), các biện pháp thi công cũng nh các h hỏng hay xảy ra đối với chúng trong quá trình sử dụng. Khi xây dựng một dạng liên kết mới để đa và th viện thiết kế, các thông tin kể trên của liên kết cần phải đợc xác định. 3.2. Xây dựng các th viện đối tợng Một đối tợng đợc hiểu là một sự mô phỏng hoặc khái quát hoá một vật thể hoặc khái niệm trong thực tế. Cũng nh trong thực tế, các đối tợng trong các mô hình cũng chứa các thuộc tính và các hành vi. Nhờ các thuộc tính và hành vi này mà các đối tợng đợc phân biệt với nhau. Ví dụ, các thuộc tính của dầm bê tông cốt thép bao gồm: các thông số hình học: chiều dài dầm, chiều cao và chiều rộng mặt cắt v.v , các thông số vật liệu: mác bê tông, loại cốt thép các thông cơ học: liên kết hai đầu dầm, độ cứng v.v Các hành vi của dầm có thể là sự truyền lực đến các bộ phận khác khi có lực tác dụng lên nó, biến dạng v.v Các thuộc tính và hành vi này sẽ đợc dùng một cách khác nhau vào các ứng dụng khác nhau, ví dụ, chơng trình đồ hoạ sẽ căn cứ vào các kích thớc hình học các cấu kiện để thể hiện chúng ra bản vẽ thiết kế, cũng chính các thuộc tính hình học này sẽ đợc dùng để tính độ cứng và trọng lợng bản thân trong chơng trình tính toán tĩnh học hoặc dùng để tính toán khối lợng vật liệu và ván khuôn trong chơng trình tính toán thi công và quản lý dự án (hình 3). Các đối tợng cũng nh các thuộc tính của chúng cần phải đợc xây dựng trên cơ sở cân nhắc đến các hệ thống phần mềm sẽ đợc sử dụng. Nói chung cần phải xây dựng một chơng trình có khả năng dịch một đối tợng của chơng trình này sang đối tợng của chơng trình khác, ví dụ từ đối tợng của AutoCAD (chơng trình đồ họa) sang đối tợng của SAP (chơng trình tính kết cấu) và ngợc lại. Việc thiết kế, nh vậy, là việc xây dựng một mô hình công trình bao gồm các đối tợng đã đợc xây dựng sẵn bởi ngời thiết kế hệ thống (trong th viện đối tợng) hoặc do ngời thiết kế tự xây dựng bổ sung thêm. Nh đã trình bày ở phần trên, mô hình công trình này sẽ tồn tại song song với các giai đoạn của công trình thật để hỗ trợ cho các công tác kỹ thuật liên quan đến nó. 3.3. Xây dựng và kết nối các hệ thống phần mềm Hiện nay đang tồn tại một số lợng khá lớn các phần mềm chuyên dụng có khả năng kết nối tốt và hỗ trợ các khả mở rộng theo các ý muốn của ngời sử dụng. Trên cơ sở các th viện mở rộng của các phần mềm này, ngời dùng có thể tự xây dựng các th viện đối tợng của mình cũng nh kết nối với các phần mềm khác. Việc xây dựng hệ thống tích hợp cho ngành xây dựng có thể bắt đầu từ hệ thống phần mềm AutoCAD của hãng AutoDesk. Đây là một hệ thống đồ hoạ mạnh, hỗ trợ nhiều dạng thông tin đã đợc tiêu chuẩn hoá nh DXF, DWG. Đặc biệt hệ thống này có phần th viện mở rộng hớng đối tợng ObjectARX. Bằng công cụ phát triển phần mềm Visual C++ của Microsoft ngời dùng hoặc ngời phát triển hệ thống có thể xây dựng nên th viện đối tợng của mình. Ngoài ra AutoCAD còn hỗ trợ các phơng thức trao đổi thông tin khác nh thông qua Automation-Technology (công nghệ cho phép một phần mềm hoặc một đối tợng sử dụng dữ liệu của các đối tợng từ một hệ thông khác), OCX (công nghệ cho phép nhúng các đối tợng của một phần mềm vào môi trờng của một phần mềm khác) v.v Các phần mềm ứng dụng khác có thể là các chơng trình sẵn có nh SAP (chơng trình tính kết cấu của hãng CSI), MS-Project (Chơng trình quản lý dự án của Microsoft), MS-Office (Hệ thống chơng trình xử lý và quản lý tài liệu của Microsoft), speedikon-FM (chơng trình quản lý công trình xây dựng của hãng speedikonFM). Hầu hết các hệ thống chơng trình này đều có thể nối với nhau thông qua các giao diện OCX hoặc Automation-Server. Thuộc tính đối tợng B H L Beton Cốt thép 220 330 3600 M300 CT5 Tính toán - thiết k ế Kết cấu Mô hình đối tợng Bản vẽ thiết kế Tổ chức thi công Sử dụng và quản lý công trình Hình 3 . Mô hình tích hợp hớng đối tợng. 4. Kết luận Để hỗ trợ giải quyết nhiều vấn đề kỹ thuật đa dạng và phức tạp trong ngành xây dựng, một số lợng lớn các hệ thống phần mềm chuyên dụng và đa dụng đã đợc phát triển và ứng dụng có hiệu quả. Do đặc thù của ngành xây dựng, cho đến hiện nay, hầu hết các hệ thống này đợc phát triển và sử dụng tơng đối riêng rẽ. Trong thực tế, các quá trình xây dựng có quan hệ chặt chẽ với nhau. Thông tin đầu ra của một quá trình thờng là thông tin đầu vào của một quá trình khác. Nhu cầu xây dựng và phát triển một hệ thống công cụ hoàn chỉnh để đảm bảo cho việc trao đổi thông tin giữa các quá trình đó một cách thông suốt đang đợc đặt ra cấp bách. Việc kết nối các hệ thống phần mềm sẵn có thành một hệ thống tích hợp đợc thực hiện thông qua một hệ thống mô hình hớng đối tợng tích hợp. Trong mô hình này, các thông tin về từng cấu kiện của công trình sẽ đợc lu trữ dới dạng các đối tợng và sẽ đợc dùng vào các hệ thống khác nhau tuỳ theo yêu cầu của chúng. Thông qua hệ thống này, các công trình xây dựng sẽ đợc mô tả một cách đầy đủ và chính xác hơn. Ngoài ra, thông qua hệ thống này, các thông tin cần thiết giữa các quá trình có thể đợc chuyển giao một cách tự động. Tài liệu tham khảo [1] S. Pfennigschmidt, P. Kolbe, P. J. Pahl. Integration von Datenmodellen - Eine Methodik zum Produktdatenaustausch (Tích hợp mô hình dữ liệu - Một phơng pháp trao đổi thông tin). IKM - Weimar. 1997. [2] U. Schneider. Standardisierung der Kommunikation als Integrationsansatz fuer das Bauwesen (Chuẩn hoá việc trao đổi thông tin nh là một giải pháp tích hợp cho ngành xây dựng). IKM - Weimar. 1997. [3] U. Rueppel. Objektorientiertes Management von Produktmodellen der Tragwerksplanung (Quản lý các mô hình kết cấu chịu lực bằng phơng pháp hớng đối tợng). Luận án tiến sỹ. Đại học tổng hợp kỹ thuật Darmstadt. 1994. [4] Autodesk. AutoCAD Reference Manual R14. 1997Ă . Hình 2. Cấu trúc của hệ thống tích hợp cho ngnh xây dựng. 3. Xây dựng hệ thống thông tin tích hợp cho các công trình xây dựng 3.1. Xây dựng các chuẩn thông tin Chuẩn thông tin là một vấn đề. ánh đợc các thông tin nhiều mặt và đa dạng của các đối tợng. Mô hình tích hợp là cơ sở logic cho việc xây dựng các hệ thống phần mềm tích hợp. Hệ thống phần mềm tích hợp là hệ thống mà trong. Xây dựng hệ thống thông tin tích hợp cho ngnh xây dựng TS. ngô đăng quang Bộ môn Tự động hoá TK Cầu đờng - ĐH GTVT Tóm tắt: Công nghệ CAD (máy tính hỗ trợ thiết