Đề xuất quy trình thành lập mô hình BIM hiện trạng hạ tầng kỹ thuật

1. Đặt vấn đề

Building Information Modeling (BIM) đã và đang trở thành xu hướng chủ đạo trong thiết kế, quản lý xây dựng và quy hoạch hạ tầng kỹ thuật trên toàn cầu. Với khả năng tích hợp dữ liệu đa chiều và cung cấp thông tin chi tiết theo thời gian thực, BIM không chỉ cải thiện hiệu quả quản lý mà còn hỗ trợ ra quyết định trong suốt vòng đời của công trình.

Các quốc gia phát triển như Mỹ, Anh và Singapore đã áp dụng BIM vào quản lý hạ tầng kỹ thuật với những kết quả vượt trội về tiết kiệm chi phí, nâng cao độ chính xác và tối ưu hóa bảo trì [1, 2].

Tại Việt Nam, với sự thúc đẩy của chương trình Chuyển đổi số Quốc gia, yêu cầu về số hóa và quản lý đồng bộ các hệ thống hạ tầng kỹ thuật trở nên cấp thiết.

Tuy nhiên, thực trạng quản lý hạ tầng kỹ thuật còn gặp nhiều hạn chế do phần lớn các công trình chưa được số hóa đầy đủ và dữ liệu hiện trạng thường rời rạc, dẫn đến khó khăn trong việc bảo trì và tối ưu hóa vận hành. Điều này đòi hỏi các giải pháp hiện đại, trong đó BIM đóng vai trò then chốt [3, 4]. 

Hiện nay, các cơ quan chức năng ở Việt Nam đã có những nỗ lực ban đầu trong việc áp dụng BIM, nhưng quy trình cụ thể và các hướng dẫn tích hợp công nghệ trong xây dựng mô hình BIM từ dữ liệu hiện trạng vẫn chưa được hoàn thiện, gây khó khăn cho việc triển khai thực tiễn.

Đặc biệt, chưa có các văn bản pháp lý chi tiết nào định hướng rõ ràng việc tích hợp các công nghệ khảo sát hiện đại như UAV (Unmanned Aerial Vehicle), LiDAR (Light Detection and Ranging) và GNSS (Global Navigation Satellite System) vào quy trình này.

Điều này khiến việc xây dựng mô hình BIM không chỉ mất nhiều thời gian và chi phí mà còn giảm độ chính xác và tính ứng dụng thực tế. Việc thiếu các hướng dẫn cụ thể dẫn đến khó khăn trong đồng bộ hóa công nghệ, hạn chế khả năng khai thác tiềm năng của BIM trong quản lý và bảo trì hạ tầng kỹ thuật. 

Do đó, một quy trình toàn diện và thực tiễn để chuyển đổi dữ liệu hiện trạng thành mô hình BIM là cần thiết. Quy trình này không chỉ đáp ứng yêu cầu về hiệu quả và chi phí mà còn phù hợp với định hướng chuyển đổi số trong lĩnh vực xây dựng tại Việt Nam, tạo cơ sở để hiện đại hóa và nâng cao năng lực quản lý hạ tầng kỹ thuật quốc gia.

Bài báo này nhằm:

1) Đề xuất một quy trình toàn diện để xây dựng mô hình BIM từ dữ liệu hiện trạng hạ tầng kỹ thuật;

2) Thực nghiệm tại khu giảng đường Trường Đại học GTVT, Hà Nội.

3) Đưa ra các khuyến nghị để nâng cao khả năng ứng dụng và mở rộng quy mô triển khai. 

2. Tổng quan tài liệu nghiên cứu

Mô hình BIM hiện trạng là mô hình 3D phản ánh chính xác tình trạng thực tế của công trình, từ cấu trúc đến các hệ thống kỹ thuật, giúp hỗ trợ quản lý, bảo trì và cải tạo công trình trong suốt vòng đời.

Quy trình xây dựng mô hình BIM hiện trạng đã nhận được sự quan tâm lớn trong nghiên cứu và ứng dụng thực tế, tập trung chủ yếu vào việc thu thập dữ liệu từ thực tế, xử lý và tích hợp chúng vào một mô hình BIM chính xác. Các công nghệ khảo sát hiện đại như UAV, LiDAR, GNSS đã được nghiên cứu để tối ưu hóa quy trình xây dựng mô hình BIM hiện trạng.

Nghiên cứu quốc tế cho thấy ứng dụng UAV trong xây dựng mô hình BIM hiện trạng giúp cải thiện giám sát, thu thập dữ liệu, quản lý tiến độ và chất lượng công trình [5]. 

Nghiên cứu [6] đề xuất quy trình chuyển đổi dữ liệu quét sang mô hình BIM hiện trạng, gồm khảo sát, xác định yếu tố quan trọng, quét LiDAR, xử lý đám mây điểm (Autodesk Recap) và dựng mô hình BIM (Autodesk Revit). 

Nghiên cứu [7] đề xuất quy trình tạo mô hình BIM từ bản đồ 2D (Autocad) bằng REVIT và NAVISWORK để xây dựng mô hình 3D, 4D, 5D. Kết quả cho thấy, phương pháp này giúp mô phỏng toàn bộ thiết kế, kiểm tra, trực quan hóa các bất hợp lý và xung đột kết cấu, tối ưu hóa thiết kế dự án.

Ở Việt Nam, nghiên cứu [8] chỉ ra rằng BIM trong hạ tầng kỹ thuật có đặc trưng riêng so với công trình công nghiệp và dân dụng, đồng thời thảo luận lợi ích, thách thức và đề xuất hoàn thiện khung pháp lý, tiêu chuẩn BIM.

Nghiên cứu [9] cho thấy những lợi thế trong việc kết hợp quét laser 3D tạo mô hình BIM. Việc sử dụng dữ liệu đám mây điểm từ máy quét laser có thể được tận dụng tối đa trong công tác khảo sát địa hình và từ đó tiết kiệm thời gian cũng như chi phí.

Các nghiên cứu trong nước và quốc tế chỉ ra tiềm năng lớn trong xây dựng mô hình BIM hiện trạng từ dữ liệu UAV, LiDAR và GNSS, tuy nhiên cũng chỉ ra nhiều thách thức cần được giải quyết, đặc biệt trong việc xử lý và động bộ hóa dữ liệu. Ở Việt Nam, các nghiên cứu về quy trình xây dựng mô hình BIM từ dữ liệu hiện trạng vẫn còn hạn chế.

3. Đề xuất quy trình xây dựng mô hình BIM hiện trạng hạ tầng kỹ thuật  

Để xây dựng mô hình BIM từ dữ liệu hiện trạng một cách hiệu quả và tối ưu, nghiên cứu đề xuất quy trình gồm 5 bước chính như Hình 1. Quy trình được thiết kế nhằm đảm bảo tính khoa học, khả thi và đáp ứng các yêu cầu thực tiễn trong quản lý hạ tầng kỹ thuật tại Việt Nam.

3.1. Xác định mục tiêu và phạm vi dự án

Lập kế hoạch khảo sát và thiết lập tiêu chuẩn cho dữ liệu hiện trạng cần thu thập.

3.2. Thu thập dữ liệu

- Đối với hạ tầng công trình ngầm:

Dữ liệu được thu thập từ công tác điều tra, khảo sát bản vẽ như các bản đồ chuyên đề: Bản đồ hành chính, bản đồ hiện trạng, bản đồ quy hoạch hay các bản vẽ thiết kế, bản vẽ hoàn công công trình. Ngoài ra, có thể ứng dụng công nghệ Radar xuyên đất (GPR) để phát hiện các công trình nằm sâu dưới lòng đất mà không có trên bản vẽ, kết hợp với công nghệ GNSS để đo đạc, xác định vị trí chính xác của công trình.

- Đối với công trình trên mặt đất:

Quá trình thu thập dữ liệu được thực hiện bằng các công nghệ khảo sát hiện đại để giúp giảm thời gian thu thập dữ liệu, đảm bảo độ chi tiết, chính xác cao, đáp ứng yêu cầu của mô hình BIM:

+ UAV: Sử dụng UAV để chụp ảnh từ trên cao, tạo bản đồ địa hình và mặt bằng chính xác. UAV phù hợp với các khu vực có diện tích lớn hoặc khó tiếp cận.

+ LiDAR: Ứng dụng LiDAR để quét laser, thu thập dữ liệu điểm mây (point cloud) với mật độ cao, cho phép tái hiện bề mặt các công trình và hạ tầng một cách chi tiết.

+ GNSS: Kết hợp GNSS để đo tọa độ chính xác của các điểm quan trọng, hỗ trợ định vị và đồng bộ hóa dữ liệu thu thập. 

+ Kết hợp công nghệ: Trong một số trường hợp, kết hợp UAV, LiDAR và GNSS mang lại kết quả tốt nhất, đặc biệt khi cần độ chính xác cao và mô hình chi tiết cho hạ tầng kỹ thuật phức tạp.

3.3. Xử lý dữ liệu

Sau khi thu thập, dữ liệu cần được xử lý để đảm bảo chất lượng và tính tương thích với phần mềm BIM. Các phần mềm xử lý ảnh và đám mây điểm có thể sử dụng như DJI Terra, Terrasolid hay Autodesk Recap.

* Quy trình xử lý bao gồm:

- Làm sạch dữ liệu: Loại bỏ các điểm dữ liệu nhiễu, không hợp lệ hoặc dư thừa.

- Lọc nhiễu: Sử dụng các thuật toán lọc nhiễu (ví dụ: DBSCAN, Isolation Forest) để loại bỏ các điểm bất thường trong dữ liệu point cloud hoặc sử dụng phần mềm lọc nhiễu chuyên dụng.

- Phân loại đám mây điểm thành các đối tượng khác nhau.

- Chuyển đổi định dạng: Chuyển dữ liệu từ các định dạng thô (RAW) sang định dạng tương thích như DXF, DWG hoặc IFC, sử dụng các phần mềm như AutoCAD, Revit, Civil 3D. 

- Tối ưu hóa dữ liệu: Nén và chuẩn hóa dữ liệu nhằm giảm dung lượng mà vẫn giữ nguyên độ chi tiết cần thiết.

- Chuẩn hóa hệ tọa độ: Đưa dữ liệu về hệ tọa độ thống nhất để dễ tích hợp với BIM.

3.4. Xây dựng mô hình BIM

Dữ liệu đã xử lý được nhập vào phần mềm BIM để xây dựng mô hình 3D của hạ tầng kỹ thuật:

- Xây dựng mô hình 3D: Sử dụng phần mềm như Autodesk Revit để tạo hình khối kiến trúc, kết cấu của công trình; phần mềm Civil 3D để mô phỏng cơ sở hạ tầng giao thông, hệ thống cấp thoát nước, cáp viễn thông… hoặc phần mềm ArchiCAD để thiết kế tổng hợp làm cho mô hình trở nên sống động, thẩm mỹ cao hơn, đồng thời gắn thông số kỹ thuật cho từng đối tượng

- Phân lớp dữ liệu: Dữ liệu được phân chia thành các lớp (layers) khác nhau như kết cấu, hệ thống điện, cấp thoát nước, cáp viễn thông, mạng lưới đường… để dễ dàng quản lý và chỉnh sửa; yêu cầu tuân thủ các quy định để đặt tên lớp và sử dụng mã màu để trực quan hóa đối tượng.

- Tối ưu hóa mô hình: Bổ sung các thông tin phi hình học (non-geometric data), ví dụ như vật liệu, tuổi thọ, chi phí bảo trì để nâng cao tính ứng dụng của mô hình. Đồng thời, sử dụng phần mềm Navisworks hoặc BIM 360 để phát hiện va chạm giữa các đối tượng, đặc biệt là các hạ tầng công trình ngầm, từ đó có thể điều chỉnh mô hình để giải quyết xung đột trước khi chuyển giao dự án.

3.5. Kiểm tra và đánh giá

Bước này nhằm đảm bảo tính chính xác và tính khả dụng của mô hình BIM đã xây dựng:

- Đánh giá độ chính xác: So sánh mô hình BIM với dữ liệu thực tế để kiểm tra độ chính xác hình học và phi hình học.

- Kiểm tra tính khả dụng: Đánh giá khả năng sử dụng mô hình trong các ứng dụng quản lý, bảo trì và quy hoạch.

- Hiệu chỉnh mô hình: Thực hiện các điều chỉnh cần thiết để đảm bảo mô hình đáp ứng các yêu cầu kỹ thuật và thực tiễn.

4. Thực nghiệm xây dựng mô hình Bim hiện trạng hạ tầng kỹ thuật 

Khu vực thực nghiệm là Trường Đại học GTVT, Hà Nội. Thiết bị sử dụng gồm máy quét 3D cầm tay RS10 với hiệu suất quét tối đa trong phạm vi 0,5 đến 300 m là 640.000 điểm/giây, kết hợp với máy bay không người lái DJI Matrice 300 RTK 6 cảm biến đa hướng cùng khả năng quay phim 4K ultra HD, 3840 x 2160 pixels, 30 fpt. 

Dữ liệu hạ tầng ngầm được thu thập từ quá trình điều tra, khảo sát trực tiếp ngoài thực địa kết hợp với bản vẽ hiện trạng Trường Đại học GTVT.

Các dữ liệu sau khi thu thập sẽ được xử lý và tích hợp vào mô hình BIM thông qua các công cụ phần mềm như Autodesk Revit, Civil 3D, từ đó phân lớp dữ liệu thành các layer khác nhau để thuận tiện cho công tác chỉnh sửa và quản lý.

5. Kết quả và thảo luận 

5.1. Phân tích kết quả từ việc xây dựng quy trình 

Quy trình xây dựng mô hình BIM từ dữ liệu hiện trạng được đề xuất trong bài báo đã được thử nghiệm trên các hạng mục hạ tầng kỹ thuật tại Trường Đại học GTVT, Hà Nội. Kết quả thu được từ quy trình này cho thấy những tiến bộ rõ rệt về thời gian và độ chính xác khi so với phương pháp truyền thống.

Việc sử dụng các công nghệ hiện đại như UAV, LiDAR và GNSS đã giúp thu thập dữ liệu nhanh chóng, đồng thời giảm thiểu tối đa các lỗi đo đạc và sai số do các yếu tố chủ quan trong quá trình khảo sát.

Ngoài ra, thời gian xây dựng mô hình BIM từ dữ liệu hiện trạng cũng được rút ngắn đáng kể so với phương pháp truyền thống. Việc tích hợp công nghệ UAV và LiDAR cho phép thu thập dữ liệu quy mô lớn trong thời gian ngắn, giảm thiểu công sức và chi phí khi triển khai khảo sát thực địa.

Cả quá trình từ thu thập dữ liệu đến tạo dựng mô hình BIM đã được tối ưu hóa, nhờ vào các phần mềm chuyên dụng như AutoCAD, Revit và Civil 3D, giúp chuyển đổi và tích hợp dữ liệu hiệu quả. 

Mặc dù chi phí đầu tư ban đầu cho các thiết bị UAV, LiDAR và phần mềm BIM cao, nhưng tổng chi phí cho toàn bộ quá trình khảo sát và xây dựng mô hình BIM lại thấp hơn so với phương pháp truyền thống khi tính đến chi phí nhân công, vật liệu và thời gian thi công. Việc giảm thiểu sai số và thời gian khảo sát cũng giúp giảm thiểu chi phí bảo trì lâu dài.

5.2. Đóng góp khoa học và thực tiễn

- Đóng góp khoa học: Đề xuất quy trình xây dựng mô hình BIM hiện trạng, từ các nguồn dữ liệu UAV, LiDAR, GNSS, mở ra hướng nghiên cứu mới về tự động hóa thu thập và xử lý dữ liệu.

- Đóng góp thực tiễn: Hỗ trợ công tác quản lý cơ sở dữ liệu hạ tầng kỹ thuật các công trình, giúp cho công tác bảo trì công trình hiệu quả, chi phí khảo sát và tối ưu hóa nguồn tài nguyên dữ liệu.

6. Kết luận

Nghiên cứu đã đề xuất xây dựng mô hình BIM hiện trạng hạ tầng kỹ thuật và thử nghiệm thành công mô hình này tại Trường Đại học GTVT.

Kết quả thực nghiệm chỉ ra quy trình mà nhóm tác giả đưa ra phù hợp với xây dựng mô hình BIM hiện trạng hạ tầng kỹ thuật, sử dụng các công nghệ hiện đại trong thu thập và xử lý dữ liệu đầu vào cho mô hình BIM. Mô hình BIM hiện trạng được xây dựng góp phần tối ưu hóa quản lý cơ sở dữ liệu hạ tầng kỹ thuật trong thực tiễn tại Việt Nam.

*Tít bài do Tòa soạn đặt - Mời xem file PDF tại đây

Tài liệu tham khảo
[1]. A.P. Chan, X. Ma, W. Yi, X. Zhou, F. Xiong (2018), Critical review of studies on building information modeling (BIM) in project management, Frontiers engineering management, 5 (3), 394-406.   
[2]. S.T. Matarneh, M. Danso-Amoako, S. Al-Bizri, M. Gaterell, R. Matarneh (2019), Building information modeling for facilities management: A literature review and future research directions, Journal of Building Engineering, 24, 100755.
[3]. Bộ xây dựng (2021), Quyết định số 347/QĐ-BXD ngày 02/4/2021 công bố Hướng dẫn chi tiết áp dụng Mô hình thông tin công trình (BIM) đối với công trình dân dụng và công trình hạ tầng kỹ thuật đô thị.
[4]. Thủ tướng Chính phủ (2023), Quyết định số 258/QĐ-TTg ngày 17/3/2023 phê duyệt Lộ trình áp dụng Mô hình thông tin công trình (BIM) trong hoạt động xây dựng.
[5]. Y. Vacanas, K. Themistocleous, A. Agapiou, D. Hadjimitsis (2016), The combined use of Building Information Modelling (BIM) and Unmanned Aerial Vehicle (UAV) Technologies for the 3D illustration of the progress of works in infrastructure construction projects, 4th International Conference on Remote Sensing and Geoinformation of the Environment.
[6]. V. Badenko , A. Fedotov , D. Zotov , S. Lytkin , D. Volgin , R. D. Garg , Liu Min (2019), Scan - to - BIM  methodology adapted for different application, The International Archives of the Photogrammetry Remote Sensing and Spatial Information Sciences XLII-5/W2:1-7.
[7]. M. Shewale, B. Khartode, N. Shinde, S. Sawadatkar (2023), Buiding Information Modeling (BIM) Process and Assessment methods, 405, 04011.
[8]. Lê Hoài Nam, Vũ Thị Kim Dung, Hoàng Vân Giang, Đinh Nho Cảng (2018), BIM cho các công trình hạ tầng kỹ thuật ở Việt Nam: Thực trạng, rào cản ứng dụng và giải pháp, Journal of Science and Technology in Civil Engineering (STCE) - HUCE 12(1), 53-64.
[9]. Thu Anh Nguyen, Phong Thanh Nguyen, Sy Tien Do (2020), Application of BIM and 3D Laser Scanning for Quantity Management in Construction Projects, Hindawi Advances in Civil Engineering.