Mô hình số kỹ thuật cho cầu đúc sẵn sử dụng trong thiết kế định hướng chế tạo và lắp dựng

Nghiên cứu này xem xét tác dụng của chuyển đổi số, một xu hướng sử dụng mô hình kỹ thuật số kết hợp với các tri thức khác trong các dự án xây dựng đối với vấn đề này. Mô hình số kỹ thuật (Digital Engineering Model - DEM) cho cầu sử dụng cấu kiện đúc sẵn đã được nghiên cứu đề xuất để kết nối các dòng chảy kỹ thuật từ mô hình kỹ thuật số cho thiết kế, đến mô hình số cho chế tạo và lắp dựng.

Tạp chí Khoa học Cơng nghệ Xây dựng, ĐHXDHN, 2021, 15 (7V): 167–180 MƠ HÌNH SỐ KỸ THUẬT CHO CẦU ĐÚC SẴN SỬ DỤNG TRONG THIẾT KẾ ĐỊNH HƯỚNG CHẾ TẠO VÀ LẮP DỰNG Nguyễn Duy Cươnga , Chang-su Shima , Nguyễn Thế Quânb,∗ a Khoa Kỹ thuật xây dựng Môi trường, Trường Đại học Tổng hợp Chung Ang, Hàn Quốc b Khoa Kinh tế & Quản lý Xây dựng, Trường Đại học Xây dựng Hà Nội, 55 đường Giải Phóng, quận Hai Bà Trưng, Hà Nội, Việt Nam Nhận ngày 26/3/2021, Sửa xong 21/9/2021, Chấp nhận đăng 14/10/2021 Tóm tắt Xây dựng cầu sử dụng cấu kiện đúc sẵn xu hướng công nghệ chủ đạo để nâng cao suất, chất lượng hiệu sử dụng chi phí Từ giai đoạn thiết giai đoạn sản xuất lắp dựng, việc chuyển giao thông tin theo cấu kiện đúc sẵn thách thức kỹ thuật lớn hiệu ứng silo cản trở việc trao đổi thông tin giai đoạn Nghiên cứu xem xét tác dụng chuyển đổi số, xu hướng sử dụng mơ hình kỹ thuật số kết hợp với tri thức khác dự án xây dựng vấn đề Mô hình số kỹ thuật (Digital Engineering Model - DEM) cho cầu sử dụng cấu kiện đúc sẵn nghiên cứu đề xuất để kết nối dòng chảy kỹ thuật từ mơ hình kỹ thuật số cho thiết kế, đến mơ hình số cho chế tạo lắp dựng Để minh họa, báo trình bày kết thử nghiệm áp dụng Phương pháp Thiết kế định hướng Chế tạo Lắp dựng (Design for Manufacturing and Assembly - DfMA) BIM (Building Information Modelling) cho giai đoạn thiết kế cầu sử dụng cấu kiện đúc sẵn, cho trụ cầu tiền chế Kết thử nghiệm chứng minh mơ hình giúp tăng tính hiệu việc phối hợp giao tiếp bên hữu quan dự án Từ khố: mơ hình thơng tin cơng trình (BIM); mơ hình số kỹ thuật (DEM); thiết kế cho chế tạo (DfM); thiết kế cho lắp dựng (DfA); phương pháp thiết kế định hướng chế tạo lắp dựng (DfMA) DIGITAL ENGINEERING MODEL FOR PREFABRICATED BRIDGES WITH DESIGN FOR MANUFACTURING AND ASSEMBLY Abstract Prefabricated bridge construction is the key trend technology to improve productivity, quality and cost efficiency From design process to fabrication and assembly, information delivery for the prefabricated members is essential technical challenge because of the silos effects which prevent the information exchange between phases Digital transformation by combining domain knowledge with digital modeling has become increasingly significant in construction projects In this paper, digital engineering model (DEM) for prefabricated bridge are proposed to connect engineering workflow from digital design model, digital fabrication and digital assembly model For piloting, Design for Manufacturing and Assembly (DfMA) concept and Building Information Modelling technology are adopted for the design process of a prefabricated pier The findings confirm the increased effective coordination and communication among participants Keywords: Building Information Modelling (BIM); Digital Engineering Model (DEM); Design for Manufacturing (DfM); Design for Assembly (DfA); Design for Manufacturing and Assembly (DfMA) https://doi.org/10.31814/stce.huce(nuce)2021-15(7V)-15 © 2021 Trường Đại học Xây dựng Hà Nội (ĐHXDHN) ∗ Tác giả đại diện Địa e-mail: quannt@nuce.edu.vn (Quân, N T.) 167 Cương, N D., cs / Tạp chí Khoa học Cơng nghệ Xây dựng Đặt vấn đề Trong nhiều công nghệ xây dựng áp dụng việc xây dựng cầu, việc sử dụng cấu kiện đúc sẵn cơng nghệ chứng minh có nhiều ưu điểm Ưu điểm điển hình cơng nghệ đúc sẵn Ezy cộng tổng kết lại thành ba nhóm lớn tổ chức, tài chính, mơi trường, chi tiết thành nhóm nhỏ [1]: ưu điểm lãnh đạo lập kế hoạch, ưu điểm thiết kế xây dựng, ưu điểm suất - tài chính, ưu điểm văn hóa, mơi trường, an tồn lao động Các ưu điểm bật bao gồm đảm bảo chất lượng, giảm chi phí, thời gian lắp dựng nhanh an tồn so với việc thi cơng đổ chỗ Các ưu điểm mang lại hiệu cao việc nâng cao suất, rút ngắn thời gian thi cơng, nâng cao chất lượng cơng trình so với cách làm truyền thống Tuy vậy, công nghệ đúc sẵn có số nhược điểm Việc sử dụng cấu kiện đúc sẵn bị giới hạn kích thước, khó khăn việc kiểm sốt sai số chế tạo lắp dựng công trường vận chuyển Nó địi hỏi phải quản lý liên tục u cầu đặt cấu kiện, cơng trình, yêu cầu sai lỗi sản xuất thấp, chi phí (kể chi phí đầu tư ban đầu chi phí thiết kế) tăng lên, khó sử dụng cơng nghệ thơng tin địa điểm phân tán, đa dạng mỹ thuật, tăng ảnh hưởng tiêu cực đến môi trường việc sản xuất lắp dựng sử dụng nhiều máy móc thiết bị lớn, tăng mức độ an toàn phải làm việc với kết cấu lớn, rủi ro sai lỗi, khuyết tật cấu kiện mối nối lớn [1] Về mặt kỹ thuật, nhiều nhược điểm số đưa đến yêu cầu quản lý liên tục để đảm bảo thông tin chuyển giao xuyên suốt từ trình thiết kế, qua giai đoạn sản xuất lắp dựng Tuy nhiên, hiệu ứng silo (việc chun mơn hóa dẫn đến hạn chế hợp tác chia sẻ thông tin), thông tin kỹ thuật cịn thiếu tính liền mạch xun suốt trình thiết kế, sản xuất lắp dựng cấu kiện đúc sẵn, chúng thường bị mát giảm độ xác q trình trao đổi thơng tin qua giai đoạn triển khai Có nhiều nghiên cứu tiến hành để giải hạn chế đề cập việc sử dụng công nghệ đúc sẵn Đã có số nghiên cứu tập trung vào phát triển công nghệ liên kết ứng xử tổng thể cấu kiện cầu sau lắp ghép [2–6] Có số nghiên cứu khác thực để khống chế độ xác hình học cấu kiện, nhân tố có vai trị quan trọng q trình kiểm sốt sai số lắp ghép [7, 8] Tuy nhiên, thực tiễn việc sử dụng công nghệ đúc sẵn chưa giải hạn chế trao đổi, đảm bảo thông tin liền mạch suốt trình Phương pháp Thiết kế định hướng Chế tạo Lắp dựng (Design for Manufacturing and Assembly - DfMA) phương pháp tập trung vào việc thiết kế để tăng tính thuận tiện cho chế tạo lắp dựng cho cấu kiện đúc sẵn, ví dụ cấu kiện cầu bê tơng cốt thép [9] Phương pháp DfMA trọng đến việc tạo tảng hỗ trợ để tích hợp tối đa thơng tin kỹ thuật từ giai đoạn thiết kế sang giai đoạn sản xuất, chế tạo lắp dựng cấu kiện đúc sẵn, nhằm giảm thiểu việc thông tin đảm bảo độ xác xun suốt Từ đó, để triển khai DfMA có hiệu quả, cần sử dụng mơ hình kỹ thuật số làm nơi tích hợp thơng tin kỹ thuật số hóa lưu trữ chúng sở liệu trung tâm, quản lý tập trung sử dụng xuyên suốt vòng đời dự án Gần đây, BIM giới thiệu phát triển, ứng dụng rộng rãi ngành xây dựng giới, giới thiệu tiếp cận Việt Nam [10] Với ưu điểm mình, BIM trở thành cơng nghệ tảng để tạo điều kiện phát triển việc áp dụng phương pháp DfMA [11] Mơ hình số kỹ thuật (Digital Engineering Model - DEM, dịch đầy đủ “mô hình kỹ thuật kỹ thuật số” hay “mơ hình kỹ thuật số hố”, gọi tắt “mơ hình số kỹ thuật” để tránh lặp từ) mơ hình kỹ thuật số hóa xây dựng tảng mơ hình BIM để hạn chế nhược điểm loại mơ hình, đặc biệt vấn đề việc số hóa, cập nhật chia sẻ, chuyển giao thông tin bên hữu quan giai đoạn trình thiết kế, sản xuất, lắp dựng đề xuất sử dụng 168 Cương, N D., cs / Tạp chí Khoa học Công nghệ Xây dựng DfMA Dựa vào tảng công nghệ BIM phương pháp DfMA, báo đề xuất ý tưởng lý thuyết mơ hình số kỹ thuật DEM cho cấu kiện cầu bê tông cốt thép đúc sẵn Kết nghiên cứu minh họa trường hợp thí điểm sử dụng DEM trụ cầu bê tông cốt thép đúc sẵn Hàn Quốc Tổng quan phương pháp thiết kế định hướng chế tạo lắp dựng Thiết kế định hướng Chế tạo Lắp dựng, hay gọi Thiết kế cho Chế tạo Lắp dựng (DfMA), lúc đầu phần mềm Công ty Boothroyd Dewhurst Inc đóng Ireland phát triển vào năm 1980 để phân tích khả chế tạo thiết kế khí [12] Sau đó, phát triển thành tư việc triển khai dự án, bao gồm dự án xây dựng Đây khái niệm tổng hợp, kết hợp từ hai khái niệm thiết kế: thiết kế cho chế tạo (DfM Design for Manufacturing) thiết kế cho lắp dựng (DfA - Design for Assembly) [9] DfM thiết kế nhằm đảm bảo dễ dàng cho việc chế tạo, sản xuất thành phần mà sử dụng để lắp dựng/lắp ráp thành sản phẩm cuối cùng, DfA thiết kế sản phẩm định hướng việc lắp dựng/lắp ráp dễ dàng [13] Thiết kế cho lắp dựng (DfA) cần xem xét trước nhằm mục đích tìm giải pháp đơn giản hóa cấu kiện để đáp ứng yêu cầu dễ thi cơng Thiết kế cho lắp dựng địi hỏi có phương án tối ưu hóa chi phí lắp dựng vật liệu kèm để xem xét tốn cách đầy đủ Sau đó, tư Thiết kế cho chế tạo (DfM) cần áp dụng nhằm giảm chi phí chế tạo cấu kiện tiêu chuẩn hóa cấu kiện để phục vụ việc sản xuất lắp dựng Một cách tổng hợp, DfMA giúp phân tích, đánh giá phương án thiết kế góc độ lắp dựng sản xuất/chế tạo Nhờ có DfMA, sản phẩm đơn giản hóa, có độ tin cậy cao hơn, chi phí thấp giai đoạn lắp dựng sản xuất Việc giảm thiểu số lượng thành phần đưa lắp dựng đưa đến hiệu ứng “quả cầu tuyết” việc giảm chi phí, ví dụ chi phí cắt giảm kéo theo thực vẽ tài liệu quy cách kỹ thuật, giảm chi phí làm việc với nhà cung cấp chi phí lưu kho [9] Tuy nhiên, việc triển khai sản xuất xây dựng theo hướng tiền chế sử dụng cách tiếp cận DfMA phải giải vấn đề nảy sinh chất việc chuyên mơn hóa Thứ nhất, khơng có tham gia người làm công tác chế tạo trình thiết kế, dẫn đến hậu sản phẩm thiết kế chưa thực thuận tiện cho công tác sản xuất/chế tạo Thứ hai, hiệu ứng silo, hậu việc chun mơn hóa sâu xuất làm hạn chế q trình trao đổi thơng tin, khiến thông tin không thông suốt Các yêu cầu, quy tắc, rủi ro nảy sinh giải pháp phòng tránh lắp dựng mà đơn vị sản xuất nhận thức thông qua việc phân tích q trình lắp ghép, ví dụ thơng qua mơ khơng truyền đạt đầy đủ hiệu đến đơn vị sản xuất đơn vị lắp ghép Các giải pháp để giải tăng cường hợp tác bên, tăng cường làm việc nhóm, mời chuyên gia lắp dựng tham gia góp ý giai đoạn thiết kế, đơn vị sản xuất/chế tạo tổ chức đào tạo để đảm bảo đơn vị lắp dựng nắm bắt tất yêu cầu, quy tắc cách thức tiến hành lắp dựng theo thiết kế họ đạt hiệu mong muốn [13] Kỹ thuật số hóa (Digital Engineering - viết tắt DE), kỹ thuật giới thiệu Kostopoulos vào năm 1975 [14], lúc đầu, phát triển cho ngành điện tử Mục đích DE tạo chuỗi liệu thơng tin liền mạch suốt vịng đời sản phẩm DE ứng dụng cho DfMA thơng qua việc sử dụng mơ hình số 3D dựng lên từ thiết kế, tích hợp tối đa thông tin kỹ thuật để hỗ trợ việc chuyển giao thông tin từ giai đoạn thiết kế sang giai đoạn sản xuất, chế tạo lắp dựng cấu kiện đúc sẵn [11] Tuy nhiên, ứng dụng chưa giải 169 Cương, N D., cs / Tạp chí Khoa học Cơng nghệ Xây dựng triệt để vấn đề tạo điều kiện dễ dàng để chuyên gia giai đoạn sau tham gia ý kiến, chia sẻ kinh nghiệm giai đoạn trước Có thể nói, dù sử dụng DE, DfMA thiếu vắng giải pháp hiệu để giải triệt để vấn đề trao đổi quản lý thông tin, tri thức Gần đây, ngành xây dựng nước giới tiếp cận áp dụng Mơ hình thơng tin cơng trình (BIM) Với ưu điểm mình, Mơ hình BIM sử dụng loại mơ hình DE tiên tiến hỗ trợ hoạt động DfMA Thông tin mua sắm, kỹ thuật sản xuất, vận chuyển, lắp dựng, kiểm tra đánh giá liên kết tích hợp vào mơ hình BIM để tạo mơ hình giàu liệu (Data-rich model) [15] Sử dụng BIM, mơ hình kỹ thuật số thành phần DfMA dựng tảng BIM kết hợp tốt với mục đích hợp lý hóa quy trình sản xuất lắp dựng Ngồi ra, tính ưu việt sẵn có BIM khả kiểm tra xung đột, mơ q trình lắp dựng công trường để phát vấn đề an tồn, v.v khai thác để nâng cao hiệu cách tiếp cận DfMA ngành xây dựng [16, 17] DfMA dựa tảng BIM nghiên cứu thử nghiệm áp dụng rộng rãi xây dựng mơ đun hóa xây dựng tiền chế cơng trình nhà cửa, Singapore [18], Úc, Vương quốc Anh [19], Malaysia [20] v.v Tuy nhiên, việc khảo sát sở liệu công bố khoa học Scopus, Google Scholar cho thấy, chưa có kết nghiên cứu công bố rộng rãi việc sử dụng DfMA dựa tảng BIM cho công trình cầu Mặt khác, việc sử dụng BIM dự án xây dựng nói chung sử dụng phương pháp DfMA nói riêng cịn vấn đề tồn cần khắc phục, tồn lớn mơ hình BIM phát triển vào giai đoạn riêng dự án, nên gây hạn chế khả tương tác trao đổi thơng tin mơ hình giai đoạn khác [21] Việc nhà thầu đơn vị thiết kế dùng phầm mềm BIM khác cho cơng việc gây mát thông tin chuyển giao, nguyên nhân không đảm bảo khả tương tác mơ hình (interoperability) ngun nhân gây tồn nói Do đó, nghiên cứu đề xuất sử dụng Mơ hình số kỹ thuật (Digital Engineering Model – DEM) giải pháp tiên tiến hơn, tích hợp ưu điểm hạn chế nhược điểm việc sử dụng DE BIM cách tiếp cận DfMA, áp dụng cho công trình cầu Đề xuất Mơ hình số kỹ thuật (DEM) Mơ hình số kỹ thuật (DEM) đề xuất sử dụng nghiên cứu mơ hình DE phát triển tảng BIM có cải tiến (Hình 1) Nó kế thừa đặc tính DE tạo chuỗi liệu thông tin liền mạch suốt vòng đời sản phẩm DEM tập trung vào phát triển hệ thống tích hợp tồn diện tồn vịng đời dự án, có cải tiến Mơ hình BIM việc đảm bảo khả tương tác trao đổi thông tin giai đoạn dự án DEM trở thành môi trường kỹ thuật số tạo với mục tiêu tăng cường tính hợp tác, nơi tất bên hữu quan dự án cung cấp thông tin vào dự án, thông tin lưu trữ sở liệu chung có tính hệ thống liên kết mơ hình Do đó, DEM mở mơi trường mở để chia sẻ thông tin, mô chi tiết tạo tảng cho việc hợp tác toàn diện dự án từ thiết kế, chế tạo, lắp đặt đến giai đoạn hoạt động bảo trì Hình thể tổng thể hai cấp độ phát triển DEM Cấp DEM bao gồm mơ hình thiết kế kỹ thuật số, mơ hình chế tạo kỹ thuật số mơ hình lắp dựng kỹ thuật số Từ thuyết minh tính tốn kết cấu, thơng tin hình học vật liệu trích xuất lưu trữ định dạng trao đổi thông tin BCF (BIM Collaboration Format) bảng tính Excel tệp tin XML (Extensible Markup Language) sở liệu chung DEM Mơ hình BIM tạo phương pháp mơ hình tham số (Prametric Modelling) Phương pháp liên kết tham số hình học với thuật 170 Cương, N D., cs / Tạp chí Khoa học Cơng nghệ Xây dựng Hình Cấp độ phát triển mơ hình số kỹ thuật DEM tốn cơng cụ BIM để tạo mơ hình Khi xuất thay đổi thiết kế, tham số hình học điều chỉnh mơ hình BIM tự động cập nhập dựa thuật tốn kết nối mơ hình sở liệu Các nguyên lý thiết kế DfMA cần tích hợp thuật tốn mơ hình hóa Từ mơ hình thiết kế kỹ thuật số chứa thơng tin hình học, thơng tin vật liệu, phương pháp lắp dựng sai số cho phép cho trình sản xuất lắp dựng Mơ hình thiết kế kỹ thuật số đồng với mơ hình chế tạo kỹ thuật số Với mục tiêu nâng cao suất, tăng tính tự động hóa, giảm thiểu chi phí chế tạo cấu kiện có tính thẩm mỹ cao, công nghệ in bê tông 3D sử dụng để in ván khuôn bê tông cố định cho cấu kiện nghiên cứu áp dụng Trong sở liệu chung, từ thơng tin hình học vật liệu từ mơ hình thiết kế, tham số cho q trình in bê tơng tính tốn đường dẫn in, chiều rộng độ dày lớp in bê tông, thời gian in cấp phối vật liệu Mơ hình thiết kế sử dụng để tính tốn tham số in Mơ hình kỹ thuật số lắp dựng chứa đựng hướng dẫn cho công tác lắp ghép tiêu chuẩn sai số lắp ghép tính hợp vào mơ hình sở liệu chung Tiêu chuẩn sai số lắp ghép cho cấu kiện cầu đúc sẵn đề xuất Culmo cs [7] đánh giá mô hình mơ q trình lắp dựng Tất thơng tin từ mơ hình thiết kế, chế tạo lắp dựng chuyển đến sở liệu chung để đảm bảo tính liền mạch thơng tin Mơ hình số kỹ thuật song sinh (Digital Twin Model) sử dụng để theo dõi trình làm việc cấu kiện thiết lập cho DEM cấp Cấu kiện lắp cảm biến để theo dõi số trình cấu kiện làm việc Dữ liệu thu từ cảm biến sử dụng để phát triển mô 171 Cương, N D., cs / Tạp chí Khoa học Cơng nghệ Xây dựng hình kỹ thuật số song sinh Quá trình làm việc cấu kiện giai đoạn vận hành lưu trữ số hóa hệ thống bảo trì Dựa vào kết theo dõi trình hoạt động, cần rút phản hồi để cải tiến mô hình thiết kế thực Tại cấp DEM, liệu lớn trình hoạt động cần số hóa phân tích Thử nghiệm Mơ hình số kỹ thuật cho trụ cầu bê tơng cốt thép đúc sẵn 4.1 Tổng quan mơ hình Q trình phát triển mơ hình số kỹ thuật DEM cấp cho trụ cầu bê tơng cốt thép trình bày Hình DEM cấp phát triển bao gồm mơ hình tham số BIM dựa ngun lý thiết kế DfMA, mơ hình chế tạo kỹ thuật số mơ hình lắp dựng kỹ thuật số Cơ sở liệu chung thiết lập để lưu trữ, liên kết phân tích liệu xuyên suốt trình từ thiết kế, chế tạo đến lắp dựng Trong giai đoạn thiết kế, mức độ phát triển mô hình LOD (Level of Development) mơ hình chế tạo thiết lập mức tối thiểu LOD400, để đảm bảo có đủ thơng tin phục vụ giai đoạn sản xuất lắp dựng Mơ hình tham số BIM định hướng DfMA khởi tạo để chuyển sang mơ hình chế tạo Những thơng tin nhà cung ứng cấu kiện, phương án vận chuyển, giới hạn công trường sai số lắp dựng tính hợp vào mơ hình chế tạo Hình Mơ hình số kỹ thuật cấp cho trụ cầu 4.2 Mơ hình thiết kế tham số định hướng DfMA Mơ hình số thiết kế định hướng DfMA mơ hình trung tâm việc thiết lập mơ hình DEM Mơ hình thiết lập dựa tảng mơ hình tham số BIM thỏa mãn điều kiện cho lắp dựng DfA cho sản xuất DfM Hình diễn tả quy trình hình thành mơ hình thiết kế tham số định hướng DfMA Bước bước thiết lập tham số thiết kế cho DfA DfM Các tham số xem xét để đảm bảo phù hợp cho lắp dựng chế tạo, thông tin tham số cần phân tích tích hợp mơ hình BIM Bước 172 Tạp chí Khoa học Cơng nghệ Xây dựng, NUCE 2021 p-ISSN 2615-9058; e-ISSN 2734-9489 Cương, N D., cs / Tạp chí Khoa học Cơng nghệ Xây dựng 251 252 253 254 255 256 257 258 259 260 261 262 263 264 265 HìnhHình 3: Quy trình thiết thamsốsốđịnh định hướng DfMA Quy trình thiếtlập lậpmơ mơ hình hình tham hướng DfMA 4.3 Mơ hình số thiết theo, cần thiết lập sở liệu tham số cho việc dựng mơ hình với tham số phân loại theo mức độ LOD từ 200-400 Hoạt động lắp dựng phân tích để làm rõ yêu cầu cần thỏa mãn Sử dụng công nghệ in 3D, thân trụ cầu thiết kế đảm bảo yêu cầu thẩm mỹ Một hệ tọa độ điểm quan trắc cần thiết lập để hình thành đường chỉnh mơ hình phục vụ Cơnglắpnghệ 3Dkiện cho Giới phéphạn chếsai tạosốcác hình hình do,mơ dohình có việc dựngincấu lắp cấu dựngkiện theocótrục x, y,dáng z tíchhọc hợptựvào để thể mơ giúp giải tư dựng thiết cấu hìnhkiện khốivớibêtham tơngsốthơng thường hạnlập, chếbước tiếp kỹ qphóng trình lắp Sau kế khỏi mơ hình lắp dựng đượcdo thiết theo phân tích tham số cho yêu cầu chế tạo DfM Tham số chế tạo thiết lập dựa điều kiện thuật đúc sẵn Hình thể mơ hình thiết kế thẩm mỹ thân trụ cầu có kiến trúc xoắn sản xuất cấuhợp kiệnnày, Mô hình BIM thỏa mãnmà cáccơng thamnghệ số điều kiện DfMsửsẽdụng đượcđể sử Trong trường trụnhà cầumáy không in trực tiếp, in 3D dụng cho việc chế tạo cấu kiện Mơ hình BIM sử dụng để tính tốn vật liệu chế tạo in ván khn cho trụ cầu Các tham số thiết kế cần tính tốn cho việc sử dụng diện tích ván khn, khối lượng bê tơng cốt thép Mơ hình thân trụ cầu sử dụng để thiết lập công in máy 3D nhô Kết độmô cong vàsốmức độ phức tạpgiao hìnhcho học liệunghệ in cho in góc bê tơng cuốilớp cùngin,các hình chuyển cácGóc bên nhơthầu giữađểcác lớphiện in thiết khoảng (-15,15) đạt sử chất in tốt nhà thực chế tạo Mơkếhình số thiết kế, chế tạo vàđộ lắpđểdựng dụng cholượng việc mô Sử dụng phương pháp hình sốkết giúp nhà kế tạo phương án kiểm sốt sai số qmơ trình lắp tham dựng quảcho củathiết mơ hình thiết kế với mức độ phức tạp khác Thuật toán thiết lập để kiểm soát giới hạn tham số in ràng buộc để tạo mơ hình có 173 thể in Mơ hình in 3D cỡ nhỏ sử dụng máy in Formlabs3 sử dụng để kiểm tra khuyết tật hình học, phương pháp lắp dựng Cương, N D., cs / Tạp chí Khoa học Cơng nghệ Xây dựng 4.3 Mơ hình số thiết kế Sử dụng công nghệ in 3D, thân trụ cầu thiết kế đảm bảo yêu cầu thẩm mỹ Công nghệ in 3D cho phép chế tạo cấu kiện có hình dáng hình học tự do, giúp giải phóng tư thiết kế khỏi hình khối bê tơng thơng thường hạn chế kỹ thuật đúc sẵn Hình thể mơ hình thiết kế thẩm mỹ thân trụ cầu có kiến trúc xoắn Trong trường hợp này, trụ cầu không in trực tiếp, mà công nghệ in 3D sử dụng để in ván khuôn cho trụ cầu Các tham số thiết kế cần tính tốn cho việc sử dụng cơng nghệ in 3D góc nhơ lớp in, độ cong mức độ phức tạp hình học Góc nhơ lớp in thiết kế khoảng (−15, 15) độ để đạt chất lượng in tốt Sử dụng phương pháp mơ hình tham số giúp cho nhà thiết kế tạo phương án thiết kế với mức độ phức tạp khác Thuật toán thiết lập để kiểm soát giới hạn tham số in ràng buộc để tạo mơ hình in Mơ hình in 3D cỡ nhỏ sử dụng máy in Formlabs3 sử dụng để kiểm tra khuyết tật hình học, phương pháp lắp dựng Hình Mơ hình số thiết kế Hình diễn giải q trình khởi tạo mơ hình tham số BIM cho DfMA sử dụng phần mềm mơ hình tham số Grasshopper Rhino Mơ hình tham số sử dụng kết hợp tham số thiết kế đầu vào thuật tốn dựng dựng mơ hình Cơ sở liệu tham số thiết kế phần quan trọng mô hình 174 Cương, N D., cs / Tạp chí Khoa học Công nghệ Xây dựng DEM Quy tắc đặt tên cho tham số thống sử dụng xuyên suốt trình thiết sản xuất lắp dựng Tham số đến từ thuyết minh tính tốn Các ràng buộc thuật tốn mơ hình khoảng cách tối thiểu, tối đa cốt thép, lớp bê tông bảo vệ, sai số cho phép, tham số cho việc chế tạo dựng Các thuật tốn xây dựng cho mơ hình móng, thân, mũ trụ cầu với kết cấu chi tiết cốt thép, cáp ống cáp Thuật tốn mơ hình lập trình ngun lý mơ hình hướng đối tượng Tất cấu kiện có tham số thiết kế, ràng buộc quan hệ – phụ Khi thay đổi giá trị tham số tham số khác tự động thay đổi dựa ràng buộc định nghĩa trước thuật toán Những liệu tham số sử dụng cho việc tính tốn khối lượng tạo vẽ chi tiết 2D Hình Mơ hình tham số BIM cho thân trụ cầu 4.4 Mơ hình số chế tạo Mơ hình số chế tạo cho móng, thân mũ trụ cầu phát triển tảng mơ hình tham số BIM, cho phép tính tốn khối lượng vật liệu bê tơng, cốt thép ván khn Mơ hình 3D thép chuyển trực tiếp đến máy gia công thép dựa tảng công nghệ sản xuất hỗ trợ máy tính CAM (Computer-Aided Manufacturing) Thân trụ cầu chế tạo công nghệ in bê tông 3D sử dụng máy in giàn trục để tạo nên lớp ván khuôn bê tơng vĩnh cửu Sau đó, người ta đặt lồng thép, ống cáp tiến hành đổ bê tơng Mơ hình số thiết kế thân trụ cầu được sử dụng để tính tốn tham số cho q trình in bê tơng Hình trình bày q trình tính tốn, mô tạo liệu in cho việc vận hành máy in bê tông Đường dẫn in tính tốn thiết lập dựa vào chiều dày độ rộng lớp in Q trình in mơ dựa vào đường dẫn in tốc độ in Dựa vào tham số in, mã G-Code khởi tạo cho việc vận hành máy in Mẫu in cỡ nhỏ cho ván khuôn bê tông thực với độ dày lớp in 20 mm, chiều rộng 50mm sử dụng vịi phun với đường kính 40 mm Sử dụng công nghệ in bê tông 3D giúp giảm thời gian chi phí sản xuất, so với việc sử dụng ván khn định hình truyền thống Đồng thời chế tạo cấu kiện có hình khối phức tạp, có tính thẩm mỹ cao 175 Cương, N D., cs / Tạp chí Khoa học Cơng nghệ Xây dựng Hình Q trình mơ in bê tơng 3D cho thân trụ cầu Hình trình bày trình khởi tạo G-Code cho máy in bê tông Grasshopper G-code liệu tập hợp tọa độ điểm (x, y, z) không gian sử dụng để xác định vị trí di chuyển cho vịi in từ đường dẫn in Dựa vào tham số tốc độ in, tọa độ điểm thiết lập đường dẫn in Vịi Hình Q trình khởi tạo G-code cho máy in 176 Cương, N D., cs / Tạp chí Khoa học Cơng nghệ Xây dựng in di chuyển đến ví trí bắt đầu chuyển động đến điểm đường dẫn in Lớp in kết thúc vòi in di chuyển vị trí điểm bắt đầu, sau vòi in di chuyển lên lớp in Đường dẫn in có vai trị quan trọng việc định hình hình dáng mơ hình in Chiều dày lớp in, tốc độ in, thời gian in tham số cần thiết lập, tình tốn cho q trình in từ mơ hình số thiết kế 4.5 Mơ hình số mơ lắp dựng (Digital preassembly model) Mơ hình số lắp dựng sử dụng cho việc mơ trước q trình lắp dựng dựa biện pháp lắp dựng sai số lắp dựng cho phép Hình thể tổng quan quy trình sử dụng mơ hình số cho kiểm sốt sai số lắp dựng Từ mơ hình số chế tạo với sai số hình học q trình sản xuất, mơ hình cập nhập chuyển sang mơ hình số mơ trình lắp dựng Sai số trình lắp dựng tính tốn dựa vào độ lệch tọa độ điểm kết nối quan trắc liên kết với tọa độ điểm theo mơ hình số thiết kế Hình Quy trình sử dụng mơ hình số cho kiểm sốt sai số lắp dựng Đường chỉnh lắp dựng thiết lập dựa vào tọa độ điểm liên kết trọng tâm liệu cho mơ hình số mơ lắp dựng (Hình 9) Điểm quan trắc lắp dựng xác định trọng tâm cấu kiện Việc lắp dựng trụ cầu yêu cầu chặt chẽ sai số theo chiều cao (trục Z) Sai số lắp dựng cho phép thiết lập sau: sai số trục x y không 15 mm trục Z 10 mm Đường chỉnh theo theo giới hạn sai số lắp dựng thiết lập dựa tọa độ điểm lắp dựng với sai số cho phép Sai số lắp dựng thực tế tính tốn dựa vào độ lệch tọa độ điểm chỉnh mơ hình số với tọa độ điểm đo công trường Hình 10 trình bày phương pháp kiểm tra sai số việc đặt ống cáp Sai số tính tốn mơ hình thiết kế chế tạo đo từ trọng tâm cấu kiện đến vị trí ống cáp xác định mặt tiếp giáp hai cấu kiện Trong q trình lắp dựng, u cầu khơng có khe hở khớp nối cấu kiện để tránh việc cáp bị ăn mịn Mơ hình số thiết kế khớp nối phát triển Hình 10 Sau khớp nối sản xuất từ máy in 3D Chất lượng khớp nối ống dẫn với sai số lắp dựng yếu tố định độ bền trụ cầu lắp ghép 177 Cương, N D., cs / Tạp chí Khoa học Cơng nghệ Xây dựng Hình Tính tốn sai số lắp dựng sử dụng mơ hình số Hình 10 Phương pháp tính tốn sai số lắp dựng cáp dự ứng lực 178 Cương, N D., cs / Tạp chí Khoa học Công nghệ Xây dựng Kết luận Bài báo làm rõ cần thiết mơ hình số kỹ thuật DEM cho phát triển công nghệ thi công cầu sử dụng cấu kiện đúc sẵn bối cảnh yêu cầu chuyển đổi số ngành xây dựng ngày trở nên cấp thiết Khái niệm chế vận hành DEM, kết nghiên cứu này, tạo sở lý thuyết để làm tảng cho nghiên cứu tương lai nhằm phát triển phần mềm hỗ trợ quản lý thơng tin kỹ thuật cho tồn vịng đời cơng trình từ thiết kế, chế tạo, lắp dựng, hoạt động bảo trì Mơ hình đề xuất triển khai thực tế trường hợp cụ thể có phạm vi nhỏ Để đẩy nhanh nỗ lực phát triển công nghệ chế tạo cấu kiện đúc sẵn lắp ghép, mơ hình thiết kế tham số định hướng chế tạo lắp dựng DfMA với công nghệ in 3D nghiên cứu áp dụng thực tiễn Bài báo trình bày kết nghiên cứu giai đoạn đầu dự án nghiên cứu mơ hình số kỹ thuật DEM cho cầu sử dụng cấu kiện đúc sẵn Các mơ hình kỹ thuật số cho q trình thiết kế, chế tạo, lắp dựng cho trụ cầu nghiên cứu phát triển thử nghiệm Kết nghiên cứu chứng tỏ hiệu việc tích hợp thông tin kỹ thuật cho sản xuất lắp dựng vào mơ hình DEM Tính kết nối bên hữu quan dự án cải thiện nhờ vào việc thiết lập mơ hình trung tâm trao đổi thơng tin mơ hình thiết kế tham số định hướng DfMA Những thông tin thiết kế, sản xuất lắp dựng tích hợp vào mơ hình trung tâm này, sử dụng để trao đổi thông tin nhà thầu Kết thử nghiệm khả quan, cho thấy mơ hình nghiên cứu áp dụng để hỗ trợ việc thi công/xây dựng cầu nhanh (accelerated bridge construction - ABC) Tuy nhiên việc áp dụng mơ hình DEM cịn tồn hạn chế việc đồng kỹ thuật công nghệ BIM chủ đầu tư, đơn vị thiết kế nhà thầu thi cơng lắp dựng Mơ hình u cầu tham gia đơn vị thi công lắp dựng, nhà thầu chế tạo đơn vị thiết kế từ giai đoạn đầu dự án Vấn đề nhiều hạn chế dự án đầu tư xây dựng Việt Nam Nghiên cứu cần triển khai ứng dụng mơ hình phạm vi rộng với thử nghiệm thực tế, kể Việt Nam, để đánh giá tồn diện ưu, nhược điểm mơ hình Từ làm tiền đề cho nghiên cứu khả thi mặt kinh tế, tài chính, từ đưa giải pháp vào thực tiễn đảm bảo hiệu cao Lời cảm ơn Nghiên cứu tài trợ Bộ đất đai, sở hạ tầng giao thông vận tải Hàn Quốc dự án nghiên cứu có mã số No.21SMIP-A158708-02 Tài liệu tham khảo [1] Ezy, M., Saghatforoush, E., Abbasianjahromi, H (2018) An investigation of advantages and disadvantages of off-site manufacturing: a meta-synthesis International Journal of Project Organisation and Management, 10(4):307 [2] Koem, C., Shim, C.-S., Park, S.-J (2016) Seismic performance of prefabricated bridge columns with combination of continuous mild reinforcements and partially unbonded tendons Smart structures and systems, 17(4):541–557 [3] Shim, C S., Chung, C.-H., Kim, H H (2008) Experimental evaluation of seismic performance of precast segmental bridge piers with a circular solid section Engineering Structures, 30(12):3782–3792 [4] Shim, C.-S., Chung, C.-H., Kim, I.-K., Kim, Y.-J (2010) Development and Application of Precast Decks for Composite Bridges Structural Engineering International, 20(2):126–133 179 Cương, N D., cs / Tạp chí Khoa học Cơng nghệ Xây dựng [5] Shim, C., Lee, S., Park, S., Koem, C (2017) Experiments on prefabricated segmental bridge piers with continuous longitudinal reinforcing bars Engineering Structures, 132:671–683 [6] Shim, C.-S., Dang, S N., Park, S (2018) Three-Dimensional Information Delivery for Design and Construction of Prefabricated Bridge Piers Structural Engineering International, 28(1):6–12 [7] Culmo, M P., Halling, M W., Maguire, M., Mertz, D (2017) Recommended guidelines for prefabricated bridge elements and systems tolerances and recommended guidelines for dynamic effects for bridge systems No NCHRP Project 12-98 [8] Culmo, M P., Marsh, L., Stanton, J (2018) Recommended AASHTO Guide Specifications for ABC Design and Construction Transportation Research Board [9] Boothroyd, G., Dewhurst, P., Knight, W A (2010) Product Design for Manufacture and Assembly CRC Press [10] Quân, N T., Tâm, T V (2018) Thiết kế chương trình dạy học cho khóa đào tạo giảng viên nguồn bim Việt Nam Tạp chí Khoa học Cơng nghệ Xây dựng (KHCNXD)-ĐHXDHN, 12(1):3–10 [11] BCA (2016) BIM for DfMA (Design for Manufacturing and Assembly) Essential Guide Building and Construction Authority (BCA) Singapore: Singapore [12] Boothroyd, G., Knight, W (1993) Design for assembly IEEE Spectrum, 30(9):53–55 [13] Molloy, O., Tilley, S., Warman, E (1998) Design for Manufacturing and Assembly Springer US [14] Kostopoulos, G K (1975) Digital engineering Wiley, New York [15] Wasim, M., Serra, P V., Ngo, T D (2020) Design for manufacturing and assembly for sustainable, quick and cost-effective prefabricated construction – a review International Journal of Construction Management, 1–9 [16] Shim, C.-S., Lee, K.-M., Kang, L S., Hwang, J., Kim, Y (2012) Three-Dimensional Information ModelBased Bridge Engineering in Korea Structural Engineering International, 22(1):8–13 [17] Lee, K M., Lee, Y B., Shim, C S., Park, K L (2012) Bridge information models for construction of a concrete box-girder bridge Structure and Infrastructure Engineering, 8(7):687–703 [18] Gao, S., Low, S P., Nair, K (2018) Design for manufacturing and assembly (DfMA): a preliminary study of factors influencing its adoption in Singapore Architectural Engineering and Design Management, 14 (6):440–456 [19] Arashpour, M., Miletic, M., Williams, N., Fang, Y (2018) Design for Manufacture and Assembly in OffSite Construction: Advanced Production of Modular Fac¸ade Systems Proceedings of the International Symposium on Automation and Robotics in Construction, International Association for Automation and Robotics in Construction (IAARC) [20] Tik, L B., Jhun, K K., Tatt, S L., Lin, A F., Min, T S (2019) Design for manufacturing and assembly (DfMA) for Malaysia construction industry Malaysian Construction Research Journal (MCRJ), 190 [21] Hosseini, M R., Jupp, J., Papadonikolaki, E., Mumford, T., Joske, W., Nikmehr, B (2020) Position paper: digital engineering and building information modelling in Australia Smart and Sustainable Built Environment 180 ... điểm sử dụng DEM trụ cầu bê tông cốt thép đúc sẵn Hàn Quốc Tổng quan phương pháp thiết kế định hướng chế tạo lắp dựng Thiết kế định hướng Chế tạo Lắp dựng, hay gọi Thiết kế cho Chế tạo Lắp dựng. .. thực chế tạo Mơk? ?hình số thiết kế, chế tạo và? ?ộ lắp? ?? ?dựng dụng cholượng việc mơ Sử dụng phương pháp hình sốkết giúp nhà kế tạo phương án kiểm sốt sai số qmơ trình lắp tham dựng qu? ?cho củathiết... lắp Sau kế khỏi mơ hình lắp dựng đượcdo thiết theo phân tích tham số cho yêu cầu chế tạo DfM Tham số chế tạo thiết lập dựa điều kiện thuật đúc sẵn Hình thể mơ hình thiết kế thẩm mỹ thân trụ cầu