BIM áp dụng trong thiết kế FEED dự án xây dựng

Trong bối cảnh các dự án xây dựng ngày càng phức tạp và quy mô lớn, đặc biệt là lĩnh vực hạ tầng giao thông và năng lượng, vai trò của giai đoạn thiết kế kỹ thuật tổng thể (Front-End Engineering Design - FEED) trở nên then chốt nhằm xác định phạm vi, tính khả thi và kiểm soát rủi ro từ sớm. Việc ứng dụng Building Information Modeling (BIM) vào giai đoạn FEED không chỉ giúp trực quan hóa và tối ưu hoá các phương án thiết kế tổng thể, mà còn hỗ trợ hiệu quả trong phân tích khả thi, lập dự toán sơ bộ, đánh giá tác động môi trường và tăng cường phối hợp giữa các bên liên quan. Bài viết ngắn này tổng hợp các ứng dụng, công cụ và ví dụ thực tiễn từ những dự án tiêu biểu, nhằm làm rõ cách thức BIM đang nâng tầm giai đoạn FEED và mở ra các hướng ứng dụng mới cho tương lai ngành Xây dựng.

FEED là giai đoạn thiết kế cơ sở, được thực hiện sau thiết kế ý tưởng nhằm xác định phạm vi, yêu cầu kỹ thuật và ước tính chi phí sơ bộ của dự án. Kết quả FEED là bộ hồ sơ nền tảng để lập hồ sơ mời thầu EPC hoặc triển khai thiết kế chi tiết, giúp giảm thiểu rủi ro thay đổi khi thi công. Với các dự án lớn như Metro hay đường sắt cao tốc, FEED có thể kéo dài khoảng 01 năm và đòi hỏi sự phối hợp chặt chẽ giữa chủ đầu tư và tư vấn thiết kế.

Trong chuỗi quy trình xây dựng, FEED đóng vai trò nền tảng định hình cấu trúc tổng thể, từ phương án kỹ thuật chủ đạo, sơ đồ mặt bằng đến phân tích rủi ro và tuân thủ quy chuẩn. Khi thực hiện tốt, FEED giúp giảm bất định về kỹ thuật và tài chính, đồng thời tối ưu hiệu quả vận hành dự án.

Sự tham gia của BIM vào FEED ngày càng quan trọng nhờ khả năng xây dựng mô hình 3D tích hợp đa ngành, tạo ra một nguồn dữ liệu thống nhất cho tất cả các bên liên quan. Khác với phương pháp 2D truyền thống, BIM giúp phát hiện sớm xung đột kỹ thuật, nâng cao hiệu quả phối hợp và trực quan hóa các phương án thiết kế. Nhiều nghiên cứu đã chứng minh rằng việc áp dụng BIM trong FEED giúp tối ưu quy trình làm việc, giảm sai sót và tăng khả năng kiểm soát chi phí dự án.

Khác với giai đoạn thiết kế chi tiết hoặc thi công, BIM trong FEED tập trung vào mô phỏng tổng thể, đánh giá tính khả thi và tối ưu hoá phương án thiết kế. Theo đường cong MacLeamy, khả năng ảnh hưởng đến chi phí dự án là lớn nhất ở giai đoạn đầu, BIM chính là công cụ hỗ trợ tối ưu hóa quyết định thiết kế khi chi phí thay đổi còn thấp.

Bên cạnh đó, BIM còn đóng vai trò quan trọng trong việc truyền thông và phối hợp giữa các bên không chuyên môn. Mô hình 3D trực quan giúp chủ đầu tư, cơ quan quản lý và cộng đồng dễ dàng hiểu và đóng góp ý kiến cho phương án thiết kế. Ví dụ, dự án HS2 (Anh) đã ghi nhận BIM như “ngôn ngữ chung” giúp hàng trăm kỹ sư từ nhiều quốc gia phối hợp hiệu quả trong một dự án hạ tầng phức tạp. (Hình 1)

Trong giai đoạn FEED của các dự án lớn, BIM được ứng dụng vào nhiều khía cạnh quan trọng nhằm nâng cao chất lượng thiết kế sơ bộ và hỗ trợ ra quyết định. Những ứng dụng chính bao gồm:

1. Hình dung và lựa chọn phương án thiết kế tổng thể: BIM giúp tạo mô hình 3D trực quan ngay từ sớm, hỗ trợ nhóm dự án và chủ đầu tư hình dung rõ cấu hình công trình trong không gian thực. Các mô hình 3D, ảnh render và hoạt cảnh cho phép so sánh sinh động các phương án thiết kế (ví dụ: tuyến đường sắt, bố trí nhà ga), từ đó thảo luận và lựa chọn giải pháp tối ưu dựa trên tiêu chí kỹ thuật và thẩm mỹ.

Ở các dự án Metro, BIM giúp mô phỏng các phương án bố trí nhà ga ngầm, đường hầm và trình bày trực quan qua video, hỗ trợ các bên liên quan hiểu rõ thiết kế. Công cụ như Autodesk InfraWorks còn hỗ trợ tạo storyboard và video bay mô phỏng, rất hữu ích cho việc trình bày với cộng đồng hoặc lãnh đạo.

2. Phân tích khả thi và mô hình sơ bộ (conceptual modeling): Nhờ tích hợp dữ liệu đa ngành, BIM hỗ trợ nghiên cứu khả thi toàn diện ngay từ đầu. Mô hình kỹ thuật số duy nhất cho phép nhóm dự án phân tích đồng thời các yếu tố kỹ thuật, kinh tế và vận hành. Ví dụ, kỹ sư dễ dàng tính toán khối lượng vật tư, công suất thiết bị, trong khi chuyên gia tài chính lập dự toán từ dữ liệu mô hình. BIM giúp tập hợp và phân tích đồng bộ các yếu tố kỹ thuật, pháp lý, tài chính và môi trường.

Ngoài ra, mô phỏng kỹ thuật sơ bộ (như phân tích kết cấu hoặc kiểm tra tĩnh không) giúp phát hiện sớm vấn đề tiềm ẩn, từ đó điều chỉnh thiết kế kịp thời. Nhờ vậy, báo cáo khả thi dự án trở nên đáng tin cậy, hỗ trợ chủ đầu tư ra quyết định chính xác.

3. Đánh giá tác động môi trường và điều kiện hiện trường: BIM cho phép tích hợp các yếu tố hiện trường và môi trường vào mô hình để đánh giá tác động toàn diện. Dữ liệu địa hình, hiện trạng hạ tầng hoặc yếu tố môi trường (hướng gió, tiếng ồn, nắng) được nhập vào mô hình giúp phân tích thiết kế trong bối cảnh thực tế. Ví dụ, đánh giá ánh sáng, tiếng ồn tàu Metro, hay thoát nước tuyến cao tốc có thể được thực hiện ngay từ giai đoạn sơ bộ. Các công cụ mô phỏng môi trường hỗ trợ tối ưu hóa phương án thiết kế từ đầu nhằm đảm bảo bền vững.

BIM cũng hỗ trợ lập đánh giá tác động môi trường sơ bộ bằng cách chồng mô hình dự án lên bản đồ hiện trạng để xác định diện tích chiếm đất và tác động đến cộng đồng. Phát hiện sớm các vấn đề giúp dự án kịp thời điều chỉnh phương án, giảm rủi ro khi phê duyệt. (Hình 2)

4. Dự báo chi phí sơ bộ (5D BIM): BIM mở rộng từ mô hình 3D sang quản lý chi phí, được gọi là 5D BIM. Thông tin khối lượng vật liệu và chủng loại từ mô hình BIM giúp ước tính chi phí chính xác hơn thay vì dựa vào kinh nghiệm. Khối lượng đất đào, bê tông, thép… được trích xuất trực tiếp từ mô hình và liên kết với đơn giá. Điều này giảm thiểu sai sót nhập liệu thủ công và giúp tự động cập nhật chi phí khi thiết kế thay đổi.

Ngoài ra, kết nối mô hình với phần mềm dự toán cho phép phân tích tác động tài chính của các phương án thiết kế khác nhau. Ví dụ, dễ dàng so sánh nhanh chi phí giữa dầm thép và bê tông. BIM 5D cũng hỗ trợ lập dự toán vòng đời sơ bộ, bao gồm chi phí vận hành và bảo trì. Nghiên cứu cho thấy BIM giúp giảm 50% thay đổi thiết kế và tiết kiệm 75% nguồn lực dự toán nhờ tự động hóa. Nhờ đó, chủ đầu tư có thể kiểm soát ngân sách và ra quyết định đầu tư hiệu quả ngay từ đầu.

5. Hỗ trợ truyền thông và phối hợp giữa các bên liên quan: FEED thường đòi hỏi sự tham gia góp ý của nhiều bên, từ chủ đầu tư, tư vấn thiết kế, đơn vị vận hành đến cơ quan quản lý. BIM trở thành cầu nối giúp cải thiện giao tiếp giữa các bên. Thông qua mô hình tập trung, mọi người có thể truy cập thông tin, đưa ý kiến và phối hợp hiệu quả. Ví dụ, chủ đầu tư góp ý về công năng, đơn vị vận hành đánh giá khả năng bảo trì, còn tư vấn giám sát xem xét tính tuân thủ.

Các công cụ BIM còn hỗ trợ họp thiết kế ảo, giúp mọi người quan sát mô hình và thảo luận trực quan. Việc tiếp nhận phản hồi dễ dàng hơn khi các bên có thể chỉ ra vấn đề ngay trên mô hình 3D. Đồng thời, công cụ như BIM Collaboration Format (BCF) giúp số hóa việc ghi nhận và xử lý ý kiến, giảm hiểu lầm và tạo sự đồng thuận trước khi chuyển sang thiết kế chi tiết.

6. Liên kết dữ liệu GIS và dữ liệu khảo sát địa hình: Một ứng dụng quan trọng khác là tích hợp dữ liệu GIS và khảo sát địa hình nhằm đảm bảo thiết kế phù hợp hiện trường. BIM-GIS kết hợp cho phép mô hình công trình hiển thị đúng vị trí địa lý, giúp nhóm thiết kế đánh giá dự án trong bối cảnh thực tế. Ví dụ, mô hình tuyến Metro hoặc cao tốc được lồng lên bản đồ thành phố giúp xác định rõ tuyến đường đi qua các khu vực nào, địa hình ra sao.

Theo báo cáo từ Geospatial World và Autodesk, tích hợp BIM-GIS giúp giảm rủi ro và bất định khi thiết kế hạ tầng phức tạp. Ngoài ra, dữ liệu khảo sát từ laser scan hoặc drone được nhập vào mô hình BIM tạo bề mặt địa hình chính xác, giúp đồng bộ với thiết kế sơ bộ và tránh sai sót khi chuyển sang thiết kế chi tiết. Nhờ đó, phương án đề xuất luôn hài hòa với bối cảnh thực tế, đồng thời hỗ trợ ra quyết định thiết kế phù hợp và bền vững hơn. (Hình 3)

Để triển khai hiệu quả BIM trong giai đoạn FEED, nhiều công cụ chuyên dụng được sử dụng tùy theo loại dự án. Với nhà ga hoặc tòa nhà, Autodesk Revit hỗ trợ mô hình hóa kiến trúc và kết cấu sơ bộ (LOD 200-300), tạo nền tảng cho bố trí không gian và kiểm tra xung đột hệ thống.

Trong khi đó, các dự án hạ tầng giao thông sử dụng kết hợp Autodesk InfraWorks và Civil 3D. InfraWorks cho phép phác thảo ý tưởng tuyến nhanh trên nền dữ liệu GIS và địa hình, thử nghiệm các phương án tuyến đường, cầu hoặc nút giao. Sau khi chọn được phương án sơ bộ, mô hình được chuyển sang Civil 3D để phát triển thiết kế kỹ thuật chi tiết hơn. Ví dụ, dự án HS2 (Anh) đã áp dụng cách tiếp cận này để mô hình hoá hướng tuyến bao gồm cả hầm, cầu và đường đào.

Song song, các công cụ phối hợp như Navisworks hoặc Solibri giúp tổng hợp mô hình từ nhiều nguồn để kiểm tra va chạm và lập mô phỏng tiến độ 4D. Điển hình như dự án Crossrail (Anh) đã sử dụng kết hợp Navisworks và môi trường dữ liệu chung (CDE) để mô phỏng thi công lắp đặt MEP phức tạp, hỗ trợ đánh giá tiến độ và ngăn ngừa xung đột ngay từ sớm.

Một yếu tố quan trọng khác là xây dựng CDE và sử dụng dữ liệu mở (openBIM). CDE giúp quản lý và chia sẻ mô hình FEED giữa các bên trong suốt vòng đời dự án. Ví dụ, Crossrail đã duy trì một CDE làm “nguồn sự thật duy nhất” trong hơn 10 năm.

Đồng thời, định dạng IFC (Industry Foundation Classes) được sử dụng để đảm bảo tính tương thích giữa các phần mềm, giúp các nhà thầu dễ dàng tiếp nhận và phát triển mô hình từ giai đoạn FEED. Dự án Hinkley Point C (Anh) áp dụng chiến lược openBIM triệt để với IFC để quản lý hàng triệu thanh thép và cấu kiện, đồng thời phục vụ dự báo ngân sách và nguồn lực linh hoạt.

Ngoài IFC, các tiêu chuẩn mở khác như BCF và COBie cũng được tích hợp nhằm đảm bảo tính bền vững và minh bạch dữ liệu. Điều này giúp mô hình FEED duy trì giá trị lâu dài, hỗ trợ liên tục từ thiết kế chi tiết đến thi công và vận hành. Nhờ kết hợp đa dạng công cụ BIM và chiến lược dữ liệu mở, các dự án có thể đồng thời đảm bảo sáng tạo thiết kế, đồng bộ thông tin và quản trị hiệu quả cho các giai đoạn tiếp theo. (Hình 4)

Để minh họa cụ thể, sau đây là một số dự án quy mô lớn quốc tế đã ứng dụng BIM thành công ngay từ giai đoạn FEED, qua đó mang lại những lợi ích rõ rệt:

1. Dự án Metro: Sydney Metro Northwest (Australia) - dự án đường sắt đô thị tự động đầu tiên của Australia và là một phần của hệ thống Sydney Metro - đã ứng dụng BIM sâu rộng trong thiết kế FEED và thiết kế sơ bộ các nhà ga và tuyến Metro. Đây là dự án giao thông lớn nhất của Australia, gồm 13 nhà ga và 36 km đường ray mới, khởi công giai đoạn đầu năm 2013.

Ngay từ giai đoạn lập thiết kế cơ sở, liên danh thiết kế đã sử dụng Autodesk Revit để tạo mô hình kiến trúc, kết cấu cho các nhà ga và Navisworks để kiểm tra phối hợp MEP, kết hợp với công cụ quản lý dữ liệu chuyên dụng (dRofus) nhằm theo dõi yêu cầu phòng ốc và trang thiết bị. BIM giúp đồng bộ hóa thiết kế của hàng trăm cấu kiện nhà ga và hầm ngầm, đảm bảo tuân thủ các nguyên tắc thiết kế đặt ra (tiêu chuẩn nhà ga tự động không người lái, an toàn phòng cháy...).

Nhờ mô hình 3D trực quan, chủ đầu tư và chính quyền bang New South Wales dễ dàng xem xét phương án bố trí nhà ga, vị trí cửa lên xuống và tác động đô thị của tuyến Metro - điều này đã đẩy nhanh quá trình phê duyệt do các bên đều hiểu rõ thiết kế đề xuất.

Kết quả là dự án Sydney Metro Northwest đã được khởi công đúng kế hoạch, mở cửa cho hành khách vào năm 2019 với chất lượng xây dựng đúng như mô hình BIM đã thể hiện. Thành công này thúc đẩy Sydney Metro tiếp tục áp dụng BIM cho các giai đoạn sau và cho các tuyến Metro tiếp theo (City & Southwest), biến BIM trở thành chuẩn mực cho thiết kế hạ tầng giao thông tại Australia.

2. Dự án mở rộng tuyến Metro Fornebubanen tại Oslo, Na Uy, cũng là một ví dụ điển hình về việc ứng dụng BIM trong giai đoạn thiết kế FEED cho một dự án hạ tầng giao thông quy mô lớn. Với tổng chiều dài 8,2 km, bao gồm 6 nhà ga và ngân sách xây dựng hơn 1,6 tỷ EURO, Dự án này đã triển khai một CDE dựa trên nền tảng BIM 360 và phương pháp OpenBIM để đảm bảo hợp tác hiệu quả giữa 29 công ty và hơn 500 thành viên tham gia.

Trong giai đoạn FEED, BIM được sử dụng để phát triển các mô hình 3D tích hợp, liên kết trực tiếp với thông tin về khối lượng, yêu cầu thương mại, đánh giá khí thải CO₂, phân tích công nghệ và dữ liệu vận hành và bảo trì. Các mô hình này được kết hợp thành nhiều mô hình phối hợp để đại diện cho toàn bộ dự án số hóa một cách toàn diện và đa ngành.

Quy trình thiết kế đồng thời (Integrated Concurrent Engineering - ICE), kiểm tra thiết kế, lập hồ sơ mời thầu và tài liệu thi công đều dựa trên các mô hình thông tin kỹ thuật số 3D của dự án, cho phép đánh giá và truyền thông kỹ thuật hiệu quả trong toàn bộ vòng đời dự án. (Hình 5)

3. Dự án Đường sắt tốc độ cao: High Speed 2 (HS2) - Vương quốc Anh, là dự án đường sắt cao tốc lớn nhất châu Âu, kết nối London với Birmingham và sau đó mở rộng tới Manchester, Leeds. Ngay từ giai đoạn thiết kế sơ bộ (FEED) của Phase 1, chủ đầu tư HS2 Ltd đã đưa ra các yêu cầu BIM bắt buộc đối với tất cả đơn vị thiết kế và nhà thầu, tuân theo tiêu chuẩn BIM Anh (PAS 1192, nay là ISO 19650).

Liên danh thiết kế và thi công đoạn tuyến SCS (Skanska-Costain-STRABAG) đã tham gia vào quá trình FEED mở rộng, phối hợp cùng tư vấn để hoàn thiện thiết kế khái niệm cho 26 km đường sắt (bao gồm 20 km hầm) trong vòng 14 tháng. Nhờ chiến lược “BIM đồng bộ” với CDE và bộ công cụ thiết kế mở (Civil 3D, OpenRail, Revit, v.v.), nhóm dự án đa quốc gia (hơn 550 nhân sự từ 6 công ty) đã làm việc hiệu quả như một thể thống nhất - BIM trở thành “ngôn ngữ chung” cho đội ngũ đa văn hóa.

Lợi ích cụ thể ở giai đoạn FEED của HS2 rất ấn tượng: Việc sử dụng mô hình chung giúp giảm 20% thời gian duyệt thiết kế, tiết kiệm khoảng 500 ngàn bảng Anh; dữ liệu số có cấu trúc trong mô hình cho phép trích xuất khối lượng và dự toán tự động, giúp giảm 50% thay đổi thiết kế so với cách làm truyền thống và sử dụng ít hơn 75% nhân lực dự toán, tương đương tiết kiệm 300 ngàn bảng Anh. Chất lượng dữ liệu dự án cũng được nâng cao rõ rệt, độ chính xác dữ liệu đạt 98%, so với mức ~40% ở các dự án trước đó không áp dụng quy trình BIM chặt chẽ.

Nhờ BIM, HS2 đã tạo ra một “bản thiết kế số” (digital blueprint) mẫu mực cho ngành hạ tầng, đến mức đại diện Dự án tuyên bố đây sẽ là hình mẫu cho các dự án tương lai trong ngành giao thông. Trải nghiệm từ HS2 cho thấy, BIM trong FEED không chỉ dừng ở việc cải thiện thiết kế, mà còn tác động tích cực đến văn hóa làm việc và hiệu quả chung của dự án quy mô mega.

Tương lai, BIM trong FEED sẽ phát triển mạnh mẽ nhờ các công nghệ tiên tiến. Digital Twin giúp mô hình FEED trở thành bản sao số sống động, kết nối dữ liệu vận hành để thử nghiệm và tối ưu thiết kế ngay từ sơ bộ, như mô phỏng lưu lượng hành khách cho tuyến Metro. AI hỗ trợ phân tích thiết kế tạo sinh (generative design), dự đoán rủi ro và gợi ý phương án tối ưu, đóng vai trò như “trợ lý thông minh” cho kiến trúc sư và kỹ sư. Robot và thiết bị không người lái sẽ tận dụng mô hình BIM FEED để thi công tự động, ví dụ robot khoan MEP đọc trực tiếp dữ liệu BIM hay drone khảo sát hiện trạng cập nhật thẳng vào mô hình.

Ngoài ra, việc tích hợp dữ liệu mở sẽ giúp các mô hình này duy trì giá trị trong suốt vòng đời dự án. Tất cả xu hướng này hứa hẹn biến BIM trong FEED thành hạt nhân số hóa, kết nối chặt chẽ thiết kế với thi công và vận hành trong kỷ nguyên xây dựng thông minh.

Tài liệu tham khảo:

1. Adejugbe, A. & Adejugbe, C. (2014). BIM and Project Execution. International Journal of Engineering Research and Development, 10(8), 25-34.

2. BIM Leaders Ltd. (2025). Front-End Engineering Design (FEED) – FAQs. BIM Leaders. (bim-ae.com).

3. Bimage Consulting. (2025, January 17). How Does BIM Improve Collaboration Among Project Stakeholders? Bimage Blog. How BIM Improves Collaboration with Stakeholders.

4. Autodesk. (2021). How to collaborate on a Metro megaproject using BIM 360 and OpenBIM. Autodesk University. https://www.autodesk.com/autodesk-university/article/How-Collaborate-Metro-Megaproject-Using-BIM-360-and-OpenBIM-2021.

5. Chiyoda Corporation. (n.d.). FEED (Front End Engineering Design). Chiyoda Project Lifecycle Engineering. (FEED (Front End Engineering Design) CHIYODA CORPORATION).

6. Crossrail Ltd. (2018). Crossrail Project: Application of BIM (Building Information Modelling) and Lessons Learned. Crossrail Learning Legacy, Technical Paper (Crossrail Project: Application of BIM (Building Information Modelling) and Lessons Learned - Crossrail Learning Legacy).

7. Elete, T. Y., Nwulu, E. O., Erhueh, O. V., Aano, O. A., & Aderamo, A. T. (2024). Impact of Front End and Detailed Design Engineering on Project Delivery Timelines and Operational Efficiency in the Energy Sector. International Journal of Engineering Research and Development, 20(11), 932-950.

8. Geospatial World & Autodesk. (2021). GIS and BIM Integration: A High-Level Global Report. Geospatial World Reports.

9. Jack, L. (2024, January 22). How robots are taking BIM to the next level. The National Robotarium - News. (How robots are taking BIM to the next level - The National Robotarium).

10. Miyamoto, M. (2013, October). BIM Workflow for Roads and Highways. Ideate Inc. Blog (BIM Workflow for Roads and Highways | Ideate Inc).

11. Pinnacle Infotech. (2023). The Role of BIM in Construction Feasibility Study. Pinnacle Blog (BIM in Construction Feasibility Study: Unlock Project Potential).

12. TechInformed. (2023, August 1). Hinkley Point C: Constructing nuclear power on a digital platform. TechInformed - Case Study/Feature (Hinkley Point C: Constructing nuclear power on a digital platform).