Xây dựng 4.0

Kỹ thuật được số hóa và Mô hình thông tin công trình

Kỹ thuật được số hóa và Mô hình thông tin công trình

Mô hình hóa thông tin công trình (Building Information Modelling - viết tắt là BIM, thường đi cùng khái niệm Mô hình thông tin công trình - Building Information Modelling, cũng được viết tắt là BIM) gần đây đã trở thành một xu thế trong ngành xây dựng, thể hiện sự thay đổi để giải quyết các vấn đề tồn tại về năng suất, hiệu quả, an toàn của ngành.

Mô hình thông tin công trình (Building Information Modelling - BIM) đã có những tác dụng nhất định trong việc tích hợp con người, quy trình và thông tin trong suốt vòng đời của các tài sản. Thực tế, BIM đã được chứng minh rộng rãi là mang lại rất nhiều lợi ích cho các dự án đầu tư xây dựng và cả các bên liên quan trong toàn bộ quá trình đầu tư xây dựng, nhưng gần đây, bắt đầu có một số nghiên cứu xem xét các hạn chế của BIM như về năng lực quản lý, công nghệ và cộng tác khi triển khai các hoạt động và cả ở cấp độ dự án và cao hơn.

Kỹ thuật được số hóa (Digital Engineering - viết tắt là DE) gần đây được nghiên cứu như một giải pháp thay thế cho BIM. DE chú trọng vào tạo ra một dòng dữ liệu liền mạch thông qua việc đảm bảo khả năng tương tác giữa các hệ thống không đồng nhất, quản lý các thông tin được tích hợp trong đó, tạo điều kiện dễ dàng cho việc sử dụng thông tin và trao đổi dữ liệu trong suốt vòng đời sản phẩm, và hướng tới các giá trị kinh doanh và kế hoạch chiến lược cho các cấp độ chương trình và danh mục đầu tư.

Hiện nay, trên thế giới có nhiều quan niệm khác nhau về DE, trong đó, nổi bật lên là trường phái coi DE là sự phát triển cao hơn của BIM. Bài báo này làm rõ định nghĩa, các lĩnh vực hoạt động, cách thức và lý do tại sao DE và BIM được liên kết với nhau, cũng như xem xét mối liên quan giữa chúng và các khái niệm rộng hơn mới nổi gần đây.

1. Đặt vấn đề

Mô hình hóa thông tin công trình (Building Information Modelling - viết tắt là BIM, thường đi cùng khái niệm Mô hình thông tin công trình - Building Information Modelling, cũng được viết tắt là BIM) gần đây đã trở thành một xu thế trong ngành xây dựng, thể hiện sự thay đổi để giải quyết các vấn đề tồn tại về năng suất, hiệu quả, an toàn của ngành [39]. BIM đã có những tác dụng nhất định trong việc tích hợp con người, quy trình và thông tin trong suốt vòng đời của các tài sản được xây dựng [18], giảm thiểu các tác dụng tiêu cực do sự phân mảnh của ngành xây dựng [39].

Như nhiều chuyên gia đã đánh giá, việc xây dựng và vận hành công trình xây dựng đòi hỏi đảm bảo các bên có liên quan chính như khách hàng/nhà phát triển dự án, các nhà tư vấn, nhà thầu, đơn vị cung cấp và người quản lý vận hành cơ sở vật chất/tài sản phải có quyền truy cập đầy đủ và kịp thời các dữ liệu và thông tin về các quá trình triển khai hoạt động đầu tư xây dựng và vận hành tài sản được tạo ra [17]; do đó, BIM đã và đang được áp dụng như một giải pháp để thỏa mãn yêu cầu này.

Chính vì lý do việc ứng dụng BIM được định hướng để quản lý thông tin dự án, nên BIM còn được hiểu là quản lý thông tin công trình (Building Information Management) [37]. Trên thế giới, ở một số quốc gia, đã có các đơn vị đạt đến BIM cấp độ 2 như Vương quốc Anh, Úc hay Malaysia, thậm chí đạt đến cấp độ 3, là cấp độ cao nhất được nhận thức hiện nay, như ở Vương quốc Anh hay Úc [30]. 

Dù BIM đã được chứng minh rộng rãi là mang lại rất nhiều lợi ích cho các dự án đầu tư xây dựng [4] và cả các đơn vị tham gia vào quá trình đầu tư xây dựng, vận hành, sử dụng công trình [11], nhưng gần đây, bắt đầu có một số nghiên cứu xem xét các hạn chế của BIM. Cụ thể, các hạn chế về năng lực quản lý, công nghệ và cộng tác khi triển khai các hoạt động và cả ở cấp độ dự án đã được chỉ ra [16]. Khi xem xét BIM một cách lý tưởng, các mô hình BIM giàu dữ liệu sẽ mang lại các lợi ích to lớn cho các bên liên quan của dự án, tuy nhiên, các bên gặp rất nhiều khó khăn để khai thác được các dữ liệu này do các công nghệ và cấu trúc dữ liệu để khai thác được thực tế chứng minh là rất khó triển khai [23].

Ngoài ra, các vấn đề khác cũng được phát hiện là nhược điểm của BIM khiến động lực áp dụng BIM giảm đi, bao gồm: khả năng tương tác và làm việc hợp tác khó khăn, đòi hỏi dữ liệu có cấu trúc khi đưa vào trao đổi, rào cản và khó khăn khi mở rộng cho toàn bộ chuỗi cung ứng và sự bất tiện khi tích hợp với các công nghệ khác [25]. Do đó, gần đây, người ta bắt đầu nghiên cứu để ứng dụng rộng rãi Kỹ thuật được số hóa (Digital Engineering - viết tắt là DE) như một giải pháp thay thế cho BIM [23].

Hiện nay trên thế giới có nhiều quan niệm khác nhau về DE. Một số tác giả coi DE chính là BIM nhưng dưới một tên gọi khác [29]. Việc coi chúng là những khái niệm cùng tồn tại hoặc thậm chí là cạnh tranh cũng rất phổ biến. Tuy nhiên, gần đây, các nghiên cứu thiên về hướng coi DE là một cách tiếp cận toàn diện hơn khi so sánh với BIM, có khả năng giải quyết những thiếu sót của BIM [16].

Bài báo này xem xét DE trong mối quan hệ so sánh với BIM nhằm mục đích làm rõ định nghĩa, các lĩnh vực của chúng, cách thức và lý do tại sao hai thứ này được liên kết với nhau, cũng như xem xét mối liên quan giữa chúng và các khái niệm rộng hơn mới nổi gần đây. Việc làm rõ các định nghĩa về các công nghệ kỹ thuật số mới nổi và chính thức hóa chúng sẽ tạo ra cơ sở khoa học cho việc ứng dụng chúng trong thực tiễn được hiệu quả hơn. 

2. Tổng quan về BIM

BIM sử dụng một cách tiếp cận hướng đến đối tượng gồm việc tạo lập, quản lý sử dụng thông tin hình học (geometric) của đối tượng - như các kích thước và trọng lượng - và thông tin phi hình học (non-geometric) - như dữ liệu về vật liệu và chi phí. BIM hỗ trợ trực quan hóa dữ liệu, quản lý thông tin và tài liệu, trí thông minh tích hợp sẵn, phân tích và mô phỏng và quản lý quy trình làm việc [20].

Khả năng quản lý tài liệu và thông tin đã được hợp nhất và phát triển cùng các ứng dụng BIM, bởi thông tin được nhúng, thêm vào hoặc liên kết với các mô hình đối tượng mà trong mô hình đó có chứa tất cả các dạng dữ liệu hình học và phi hình học [17]. Càng ngày, các ứng dụng BIM đang trở thành kho lưu trữ giá trị với việc tích hợp các lĩnh vực kiến thức từ các bên khác nhau có liên quan đến dự án và chuỗi cung ứng của họ [12].

Do tập trung vào việc trao đổi dữ liệu được cấu trúc trên toàn bộ chuỗi cung ứng, nên BIM được định nghĩa như “một công cụ để quản lý chính xác thông tin công trình xây dựng trong suốt vòng đời của nó” [38]. BIM cũng được coi là “một quy trình kinh doanh để tạo và tận dụng dữ liệu công trình xây dựng cho thiết kế, xây dựng và vận hành tài sản trong suốt vòng đời của nó.

BIM cho phép tất cả các bên liên quan có thể truy cập tới cùng một thông tin tại cùng thời điểm thông qua khả năng tương tác giữa các nền tảng công nghệ” [28]. Tổ công tác BIM của Vương quốc Anh (BIM Task Group) gọi BIM là “sự cộng tác tạo ra giá trị thông qua toàn bộ vòng đời của một tài sản, được củng cố bằng việc tạo ra, đối chiếu và trao đổi các mô hình 3D được chia sẻ và dữ liệu thông minh, có cấu trúc được gắn liền với chúng” [33].

Về mặt khái niệm, BIM có thể được sử dụng trong tất cả các giai đoạn của vòng đời của một tài sản; tuy nhiên, trên thực tế việc sử dụng BIM ngoài giai đoạn thiết kế và xây dựng là không nhiều [17], đặc biệt là ở các nước đi sau như Việt Nam [27], BIM chủ yếu được sử dụng trong giai đoạn chuyển giao dự án để hoàn thành các mục tiêu cấp dự án đã được thiết lập [36]. Trên thực tế, BIM đã phát triển như một tập hợp các quy trình và công cụ, không phải là một phương pháp quản lý.

Việc tiết kiệm được chi phí và thời gian ở các dự án là những điểm hấp dẫn của BIM, khi mà BIM không được thiết kế để tăng lợi nhuận, phát triển kinh doanh và cải thiện mối quan hệ giữa chủ đầu tư và khách hàng [2]. Sự phức tạp về tổ chức và kỹ thuật xã hội khiến các khả năng của BIM không thể được công nhận ngoài các thiết lập của dự án [24]. Để tăng khả năng của BIM, cần sử dụng thêm các công nghệ kỹ thuật số khác, từ đó đặt ra yêu cầu tích hợp BIM với các công nghệ, phương pháp và nhân tố khác [7]. Sự cần thiết phải tái phát minh lại BIM đã dẫn đến sự xuất hiện của DE, như sẽ được bàn luận ở các mục tiếp theo.

3. Khái niệm Kỹ thuật được số hóa (Digital Engineering)

Thuật ngữ Kỹ thuật được số hóa (Digital Engineering - DE, còn gọi là Kỹ thuật số kỹ thuật) lần đầu tiên được giới thiệu bởi Kostopoulos vào năm 1975 [22]. Lúc đầu, DE được phát triển cho ngành điện tử. Các ứng dụng trong tương lai của DE được dự đoán từ năm 1975 bao gồm việc “phát triển các khái niệm và hệ thống kỹ thuật số” và quản lý vòng đời sản phẩm (Product LifeCycle Management - PLM) trong lĩnh vực sản xuất. Mục tiêu của DE là tạo ra một dòng dữ liệu liền mạch thông qua việc đảm bảo khả năng tương tác giữa các hệ thống không đồng nhất, quản lý các thông tin được tích hợp trong đó, tạo điều kiện dễ dàng cho việc sử dụng thông tin và trao đổi dữ liệu trong suốt vòng đời sản phẩm [19]. 

Khái niệm DE cũng có mối quan hệ chặt chẽ với khái niệm “kỹ thuật” (engineering). Khía cạnh “kỹ thuật” là đề cập đến việc sử dụng các nguyên tắc khoa học để thiết kế và xây dựng các tài sản và sản phẩm nhân tạo khác nhau cả trong lĩnh vực sản xuất, ví dụ: máy móc, xe cộ, hoặc trong môi trường xây dựng - như cầu, hầm, đường sá và các tòa nhà. Theo xu thế phát triển, chuyên môn kỹ thuật phải gắn kết với dữ liệu, có sự hỗ trợ của máy tính để khai thác dữ liệu nhằm nâng cao hiệu quả các ứng dụng thực tiễn [3].

Điều này đòi hỏi phải chuyển đổi kỹ thuật sang dạng kỹ thuật số, sử dụng các tiến bộ công nghệ để triển khai các hoạt động tiếp cận tích hợp hỗ trợ được các hoạt động theo cả vòng đời và phát triển văn hóa của các bên liên quan để làm việc hiệu quả hơn [60]. Về cốt lõi, DE đòi hỏi các chuyển đổi kỹ thuật số triệt để, đưa đến các thành phần kỹ thuật số (digital components - DC, có thể gọi tắt là “các thành phần số”), như được minh họa trong Hình 1.

Hình 1. Các thành phần chính của DE (Nguồn: [36], [19])

Hệ thống kỹ thuật và các thành phần của nó, như các quy trình, thiết bị, sản phẩm, bộ phận, chức năng, dịch vụ... có liên quan phải được thể hiện dưới dạng các thành phần số (DC) như ở Hình 1. Từ đó, cần có được chiến lược phù hợp để tạo ra các thành phần số này để có thể duy trì, chia sẻ, tích hợp và sử dụng các DC liên bộ môn, vượt qua ranh giới của các tổ chức và các giai đoạn của vòng đời của hệ thống kỹ thuật, với sự hỗ trợ của một cơ sở hạ tầng tri thức đáng tin cậy - gọi là Nguồn chân lý xác thực (authoritative source of truth - viết tắt là AST hoặc ASoT). AST cần được tạo ra và vận hành để cung cấp nơi lưu trữ và cổng truy cập vào các thành phần số, dữ liệu đã được tiêu chuẩn hóa và các sản phẩm nhân tạo kỹ thuật số khác, những thứ mà theo truyền thống thường bị phân lập trong ranh giới của các tổ chức hoặc các bộ môn [19]. AST quản lý một tập hợp các mô hình được tiêu chuẩn hóa, cho phép các hoạt động kỹ thuật cộng tác và ra quyết định giữa các bộ môn và các tổ chức khác nhau trong vòng đời của hệ thống. AST cũng hỗ trợ nắm bắt và quản lý lịch sử phát triển của mô hình thông qua vòng đời kỹ thuật số để bảo trì hệ thống kỹ thuật [19].

Rõ ràng là khái niệm DE có sự tương đồng với các hệ thống trong ngành xây dựng, từ đó có khả năng áp dụng tốt cho ngành này. Ngành Xây dựng được đặc trưng bởi các đặc điểm về bản chất dựa trên kiến thức chuyên sâu, sự phổ biến của các tổ chức và đội nhóm có thể hoạt động trong môi trường ảo, môi trường làm việc không tập trung và chuỗi cung ứng phân tán [31].

Những đặc điểm cố hữu này làm phát sinh một loạt các vấn đề ảnh hưởng bất lợi đến ngành: thông tin liên lạc không hiệu quả; thông tin không nhất quán, mất dữ liệu, các thành viên trong nhóm hoặc các bên thường làm việc trên các mô hình khác nhau, dẫn đến việc dữ liệu không liên kết được với nhau và không được tổ chức một cách phù hợp cho các mục đích đã định [21, 25]. Với những vấn đề nảy sinh này thì việc sử dụng DE là có thể giải quyết được.

Các khái niệm, phương pháp và công nghệ DE đã bắt đầu có tác dụng đối với ngành xây dựng; chúng đang góp phần tạo ra những thay đổi trong các nền tảng về quản lý dữ liệu, thông tin và tri thức trong toàn bộ vòng đời của tài sản xây dựng. Chúng cũng đang thay đổi cách mà các doanh nghiệp trong ngành xây dựng tiếp cận với các quy trình kinh doanh. Các kiến thức, cơ sở lý luận, các công nghệ DE và các yêu cầu đặt ra để đưa DE ứng dụng có hiệu quả cho ngành xây dựng đã và đang được giới thiệu trong các nghiên cứu gần đây của giới học thuật [12, 16], cũng như trong các hoạt động của cộng đồng xây dựng, ngành công nghiệp xây dựng [15, 23] và một số chính phủ trên thế giới [35].

Trong một nỗ lực đưa ứng dụng của DE vào ngành Xây dựng, một số nhà nghiên cứu đã phát triển khái niệm DEM (Digital Engineering Model - DEM, dịch đầy đủ là “mô hình kỹ thuật kỹ thuật số” hay “mô hình kỹ thuật được số hoá”, gọi tắt là “mô hình số kỹ thuật” để tránh lặp từ) [26]. DEM chú trọng vào mô hình là sản phẩm của DE, đây là một mô hình hợp tác đa nền tảng sử dụng một cơ sở dữ liệu trung tâm, là nơi các mô hình kỹ thuật số được tích hợp các thông tin kỹ thuật đã được số hóa và lưu trữ trên một cơ sở dữ liệu trung tâm, tập trung, được sử dụng xuyên suốt vòng đời dự án. DEM tạo ra môi trường mở để chia sẻ thông tin, mô phỏng chi tiết và tạo ra một nền tảng cho việc hợp tác toàn diện cho các bên trong dự án từ thiết kế, chế tạo, lắp đặt đến giai đoạn hoạt động và bảo trì. Từ đó đưa đến khả năng hỗ trợ nâng cao năng suất, đảm bảo tính chính xác cho quá trình trao đổi thông tin, cải thiện khả năng dự đoán và ra quyết định [26].

Bảng 1. So sánh DE và BIM. Nguồn: nhóm tác giả tổng hợp và phát triển từ [16], [34], [1]

Tuy nhiên, việc phát triển và ứng dụng DE cũng có rất nhiều thách thức. Bảng 1 trình bày 8 thách thức chính đối với vấn đề này. Các thách thức điển hình bao gồm: các vấn đề về Dữ liệu lớn (Big Data), việc lựa chọn tiêu chuẩn hóa tập trung hay tiêu chuẩn hóa tiến hóa phân tán, cơ chế tin cậy tập trung hay phân tán, việc cân bằng quyền truy cập và kiểm soát trong Nguồn chân lý xác thực (AST), đảm bảo tính toàn vẹn về điện toán khoa học (Scientific computing integrity - SCI) của các mô hình kỹ thuật số, đảm bảo tính tái lập và tính tái tạo và những khó khăn thực tế trong việc sản xuất bản sao kỹ thuật số của sản phẩm, cũng như thực tế lực lượng lao động không đủ kiến thức để triển khai và ứng dụng DE [19].

4. So sánh DE và BIM

Do DE là một khái niệm mới, và cũng có nhiều điểm tương đồng với BIM như sẽ được bàn luận kỹ hơn ở dưới, nên những năm trước đây, nhiều nhà nghiên cứu và các chuyên gia trong ngành không phân biệt DE và BIM, và sử dụng hai thuật ngữ này thay thế cho nhau [14, 29]. Tuy nhiên, gần đây, xuất hiện các xu thế coi DE là phiên bản phát triển hơn của BIM [10], hay BIM có thể hỗ trợ DE để có ứng dụng hiệu quả hơn trong vòng đời của dự án [15], coi BIM là phần tử của DE cho các giai đoạn thiết kế và xây dựng, từ đó xác định BIM là một tập hợp con của hệ sinh thái DE rộng lớn hơn.

Khi khái niệm DE được đề xuất là “kết quả của sự kết hợp giữa BIM, Internet of Things (IoT) và dữ liệu lớn” [8], càng khẳng định DE là một khái niệm rộng hơn BIM. Nghiên cứu này ủng hộ quan điểm DE và BIM là hai khái niệm khác nhau.

Theo các xu thế nghiên cứu và thực hành gần đây, DE và BIM có sự tương đồng ở chỗ hai cách tiếp cận đều cùng dựa trên các nền tảng sau [16]:

- Giao tiếp và trao đổi thông tin mở

- Hợp tác ra quyết định

- Sự tham gia và đóng góp sớm của tất cả các bên liên quan

- Các quy trình tích hợp

- Dữ liệu và thông tin trong toàn bộ chuỗi cung ứng xây dựng

Bảng 1 trình bày kết quả so sánh sự khác nhau giữa BIM và DE theo sáu khía cạnh cơ bản khác nhau.

Như các kết quả nghiên cứu gần đây cho thấy, BIM chủ yếu liên quan đến mô hình hóa thông tin, gắn với cấp độ dự án, trong khi DE chú trọng đến việc đạt được mức độ mong muốn trong việc tích hợp hệ thống và quan điểm kinh doanh mang tính chiến lược. DE dựa trên một tập hợp các phương pháp luận đa năng để cung cấp thông tin cho việc ra quyết định chiến lược, không chỉ trong các dự án, là cấp độ mà BIM cũng thực hiện được, mà còn trên các cấp độ chương trình và danh mục đầu tư (xem Hình 2). 

BIM thường được liên kết với thiết bị/công nghệ đầu cuối (front-end) và việc triển khai các dự án, trong khi DE có ứng dụng trải suốt toàn bộ vòng đời dự án, bao gồm cả vận hành và bảo trì. Đồng thời, BIM được thiết kế chủ yếu để mô hình hóa và biểu diễn thông tin trong các dự án, thay vì vậy, DE tập trung vào phân tích dữ liệu để đưa ra các quyết định đúng đắn ở cấp chiến lược. Không giống như BIM, DE được coi là một khái niệm kinh doanh tổng thể; nó bao gồm cả phương pháp tiếp cận kinh doanh và một tập hợp các bộ công cụ kỹ thuật để vận dụng các phương pháp khoa học vào việc xử lý các tập dữ liệu lớn để giải quyết các vấn đề nảy sinh.

Những phương pháp luận này có nguồn gốc từ nhiều lĩnh vực và chuyên môn khác nhau, trong đó có cả phương pháp luận của BIM - lưu ý rằng phương pháp luận của BIM chủ yếu chỉ giới hạn trong các hoạt động xây dựng. Do đó, các “hệ thống” kỹ thuật là công cụ tạo ra nền tảng để thực hiện được DE, các hệ thống này đóng vai trò là các cổng chứa dữ liệu về sản phẩm [12], và có vai trò hỗ trợ các quy trình thiết kế và sản xuất hợp tác, hỗ trợ việc sử dụng, thực hiện truy xuất nguồn gốc và quản lý thông tin trong toàn bộ doanh nghiệp; và cho tất cả các bên tham gia vào việc tạo ra và vận hành các cơ sở vật chất [16].

Bản sao số thể hiện ứng dụng lý tưởng của BIM trong một dự án, trong đó nếu triển khai DE ở cấp độ cao nhất trong ứng dụng này sẽ dẫn đến việc triển khai Công nghiệp 4.0 [19], là cấp độ mà các hệ thống vật lý-ảo (cyber-physical systems) được tích hợp vào một hệ thống sản xuất và nền kinh tế mới. Danh sách các công nghệ và phương pháp luận cần được tích hợp với BIM để tạo ra DE phụ thuộc vào yêu cầu của các hệ thống được sử dụng đến triển khai Công nghiệp 4.0. Một số công nghệ điển hình có thể kể đến là [5]:

- Công nghệ in bồi đắp (còn gọi là in 3D – additive manufacturing)

- Tích hợp hệ thống (Integrated System)

- Mô phỏng (Simulation)

- Dữ liệu lớn và phân tích (Big Data and Analytics)

- Điện toán đám mây (Cloud Computing)

- Hệ thống vật lý - ảo (Cyber – Physical System)

- An ninh mạng (Cybersecurity)

- Robot cộng tác (Collaborative Robotics)

- Thực tế ảo tăng cường (Augmented Reality)

Hình 2. BIM, DE và một số khái niệm cơ bản khác (Nguồn: [16])

Nhiều công nghệ trong số trên đã và đang được triển khai rộng rãi trong các ngành sản xuất, chế tạo. Hình 2 có thể tham khảo để nhận dạng các công nghệ được đề xuất trong ngành Công nghiệp 4.0 nói trên trong ngữ cảnh của ngành xây dựng.

Trong ngữ cảnh của ngành xây dựng, việc áp dụng DE có nghĩa là thông tin liên quan đến các khía cạnh vật lý của công trình xây dựng và không gian tính toán ảo được đồng bộ hóa cao. Việc này cho phép nâng cao mức độ kiểm soát, giám sát, minh bạch và mang lại hiệu quả hoàn toàn mới cho quá trình xây dựng. Trong DE, có hai mạng song song được liên kết: mạng vật lý gồm các công cụ được kết nối với nhau liên quan đến các công nghệ khác nhau (xem Hình 2) và mạng không gian mạng gồm các bộ điều khiển thông minh và các liên kết trao đổi thông tin giữa chúng.

Khi xem xét DE như là BIM được tích hợp các công nghệ, BIM sẽ trở thành thành phần lõi của DE [13], tạo ra môi trường dữ liệu chung (Common Data Environment - CDE) để các công nghệ khác truy xuất và trao đổi thông tin (xem Hình 3).

Hình 3. Một ví dụ DE với BIM là thành phần lõi tích hợp các công nghệ (Nguồn: điều chỉnh từ [13])

Nói cách khác, BIM cung cấp thông tin cho DE để phân tích dữ liệu thông qua các liên kết vật lý của DE. Khả năng này tạo ra các điều kiện thuận lợi cho việc chuyển giao kiến thức từ các ngành khác sang ngành xây dựng, ví dụ kiến thức từ các ngành sản xuất và khoa học máy tính, nơi các công nghệ kỹ thuật số đã được phát triển, thử nghiệm và phổ biến. Việc chuyển sự chú ý từ BIM sang DE là một bước tiến để đẩy mạnh số hóa hơn nữa trong ngành xây dựng và cho phép các tri thức từ các ngành bên ngoài tham gia góp phần định hình tương lai của ngành xây dựng, như một bước tiến tới việc áp dụng Công nghiệp 4.0 trong xây dựng [16].

5. Xu thế sử dụng DE hiện nay ở một số quốc gia

Ở Mỹ, nhận thức được các vấn đề đã xuất hiện trong các quy trình kỹ thuật và mua sắm truyền thống, chẳng hạn như việc phát triển các hệ thống phức tạp dựa trên quy trình kỹ thuật tuyến tính, dòng thông tin được dịch chuyển dựa trên việc sử dụng nhiều tài liệu và kênh khác nhau, sự thích ứng kém của các hệ thống trong môi trường hoạt động thay đổi nhanh chóng và không chắc chắn… Bộ Quốc phòng Mỹ đã công bố Chiến lược Kỹ thuật số Kỹ thuật (Digital Engineering Strategy - DES). Chiến lược này nhằm mục đích phát triển các doanh nghiệp kỹ thuật số để nhanh chóng ứng dụng được các tiến bộ công nghệ thông qua việc sử dụng các phiên bản kỹ thuật số của các hệ thống chính thống, tăng khả năng hoạt động xuyên tổ chức và theo suốt vòng đời.

Các hệ thống này sử dụng “Nguồn chân lý xác thực” làm nền tảng trung tâm và kho lưu trữ để cộng tác, giao tiếp và chia sẻ dữ liệu và mô hình. Chiến lược này thể hiện một tầm nhìn xa về “chuyển đổi thực tiễn kỹ thuật sang kỹ thuật số và kết hợp các đổi mới công nghệ để tạo ra phương pháp tiếp cận tích hợp dựa trên mô hình và kỹ thuật số”. Theo định hướng này, cần các nghiên cứu kết hợp công nghệ kỹ thuật số vào kỹ thuật hệ thống (SE) để đáp ứng nhu cầu mới từ thế giới đang chuyển đổi số.

Các nghiên cứu này đang hội tụ thành một lĩnh vực mới nổi - kỹ thuật hệ thống kỹ thuật số - nhằm phát triển kiến thức và công nghệ để hỗ trợ triển khai việc số hóa kỹ thuật. Các công nghệ tiên tiến, đột phá được tích hợp vào DE có thể kể đến là Internet vạn vật (IoT), các hệ thống vật lý-ảo thông minh (smart cyber-physical systems), dữ liệu lớn (big data), trí thông minh nhân tạo (Artificial Intelligence - AI), máy học (Machine Leanring - ML), rô bốt, thực tế ảo (virtual reality - VR), thực tế ảo tăng cường (augmented reality - AR), bản sao số (digital twin), in 3D, chân lý số (digital trust), và chuỗi khối (blockchain) [19].

Ở Úc, để giải quyết các vấn đề nghiêm trọng trong các dự án cơ sở hạ tầng có quy mô đầu tư lớn, vào tháng 11 năm 2016, Hội đồng Cơ sở hạ tầng và Giao thông đã thông qua Nguyên tắc Chính sách Kỹ thuật Số Quốc gia. Cơ quan quản lý giao thông vận tải của bang New South Wales (TfNSW) đã đóng vai trò tiên phong thúc đẩy việc áp dụng DE ở Úc, đã phát triển một cách tiếp cận cho việc triển khai DE nhất quán cho toàn quốc gia cho cơ sở hạ tầng giao thông, nhằm tối đa hóa chất lượng và hiệu quả trong việc triển khai các dự án giao thông. Từ đó, các tổ công tác ở một số bang được thành lập và khung thực hiện DE (DE framework) đã được phát hành (đến nay đã có phiên bản thứ ba năm 2019) [16].

Ở Vương quốc Anh, từ 2008, BIM vẫn đang trong một hành trình phát triển ứng dụng sâu và rộng, đặc biệt là trong 5 năm qua với dấu mốc là việc thành lập Trung tâm Kỹ thuật số Anh (Centre for Digital Built Britain - CDBB) năm 2015, thay thế cho Tổ công tác BIM (BIM Task Group) (Hình 4). Nhận thấy tiềm năng của BIM trong việc tạo ra hiệu quả trong suốt vòng đời của dự án, BIM ở Vương quốc Anh đã phát triển thành một mô hình lớn hơn nhiều so với truyền thống - sử dụng công nghệ để thiết kế và quản lý quá trình xây dựng, tạo cơ sở cho vận hành, bảo trì.

Hình 4: Dòng thời gian BIM [nguồn: [32]]

Sự thay đổi đang hướng tới "quản lý" thông tin thay vì "mô hình hóa" và hướng tới liên kết các công nghệ khác của Công nghiệp 4.0 như Internet vạn vật (IoT), dữ liệu lớn (big data), trí thông minh nhân tạo (Artificial Intelligence - AI), máy học (Machine Leanring – ML), ... Các tài liệu ISO gồm tiêu chuẩn BS EN ISO 19650-3, BS EN ISO 19650-5 dự kiến thay thế PAS 1192-3: 2014, PAS 1192-5: 2015, đã công nhận giá trị tiềm năng của thông tin; ít chú trọng hơn vào mô hình và chú trọng hơn vào quản lý thông tin, liên kết việc quản lý thông tin về việc cung cấp tài sản với việc vận hành và bảo trì tài sản đó [30]. 

CDBB ra đời với tầm nhìn về cấp độ tiếp theo của BIM sâu rộng hơn so với bản chất hạn chế tiềm tàng của các định nghĩa trước đó vì nó đề xuất thay thế thuật ngữ BIM cấp độ 3 (BIM level 3) và các định nghĩa liên quan bằng thuật ngữ Kỹ thuật số toàn Anh quốc (Digital Built Britain - DBB) trong Kế hoạch chiến lược Kỹ thuật số ở Anh (Digital Built Britain Strategy Plan). DBB nhấn mạnh vào luồng dữ liệu và tiềm năng của nó để hỗ trợ cộng tác. Luồng thông tin từ dưới lên (bottom-up), từ các dự án nhỏ lẻ qua các giai đoạn thiết kế và xây dựng, vận hành, đánh giá hiệu suất của tài sản, ... cung cấp thông tin cho các danh mục đầu tư và lớn hơn nữa như cấp độ cả thành phố, cả xã hội và nền kinh tế.

Từ đó, có thể đưa ra những “quyết định thông minh” dựa trên tổng chi phí (TOTEX) chứ không phải vốn (CAPEX) và chi tiêu hoạt động (OPEX) được xử lý độc lập. Cách tiếp cận này sẽ đòi hỏi phải xem xét lại các quy trình thiết kế, mua sắm, xây dựng và vận hành tài sản. Dữ liệu đòi hỏi phải dễ dàng truy cập trong cả ba giai đoạn này thông qua các cổng dữ liệu mở, một hệ sinh thái hợp tác để có thể phân tích dữ liệu đầy đủ, đưa ra các kết quả về: các mô hình mua sắm và/hoặc kinh doanh mới; đo lường hiệu suất thực tế so với mức hiệu suất được thiết kế thông qua cảm biến được gắn vào và Internet vạn vật (IoT); kết hợp AI, học máy, in 3D và bản sao số (Digital twin); ứng dụng các hợp đồng blockchain/thông minh, giảm sự kém hiệu quả bằng cách loại bỏ các bên trung gian [30]. Có thể nói, ở Vương quốc Anh, sự phát triển của BIM đang hướng tới DE.

Ở Hàn Quốc, nhiều nghiên cứu đã chỉ ra rằng, từ giai đoạn thiết kế đến các giai đoạn sản xuất và lắp dựng, việc chuyển giao thông tin là một thách thức kỹ thuật lớn do hiệu ứng silo cản trở việc trao đổi thông tin giữa các giai đoạn. Trong ngành xây dựng, đặc biệt là với các cấu kiện sản xuất tiền chế, tồn tại những hạn chế lớn như phải quản lý liên tục các yêu cầu đặt ra đối với cấu kiện, công trình, yêu cầu sai lỗi sản xuất thấp, chi phí (kể cả chi phí đầu tư ban đầu và chi phí thiết kế) tăng lên, khó sử dụng công nghệ thông tin do địa điểm phân tán, kém đa dạng về mỹ thuật, tăng ảnh hưởng tiêu cực đến môi trường do việc sản xuất và lắp dựng sử dụng nhiều máy móc thiết bị lớn, tăng mức độ mất an toàn do phải làm việc với kết cấu lớn, rủi ro về sai lỗi, khuyết tật của cấu kiện và mối nối lớn [9].

DE đã được đề xuất sử dụng dưới dạng mô hình số kỹ thuật (Digital Engineering Model - DEM), được phát triển từ mô hình BIM, 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. Các mô hình này không chỉ được dùng để thiết kế kỹ thuật, mà còn hỗ trợ giải quyết vấn đề mỹ thuật. Một ứng dụng DEM đã được đề xuất cho Phương pháp thiết kế định hướng chế tạo và lắp dựng (Design for Manufacturing and Assembly - DfMA).

Ở nghiên cứu này, DEM được sử dụng để liên kết các hoạt động DfMA hạ nguồn (các hoạt động ở giai đoạn sau của quá trình thiết kế, chẳng hạn như mua sắm vật tư, chế tạo, vận chuyển, lắp dựng) với các hoạt động thượng nguồn (như lên ý tưởng, thẩm định phương án và thiết kế sơ bộ) để hạn chế được các nhược điểm trong việc số hóa, cập nhật và chia sẻ, chuyển giao thông tin của các bên hữu quan tại từng giai đoạn trong quá trình thiết kế, sản xuất, lắp dựng [26].

Ở Việt Nam, ngành xây dựng đang diễn ra số hóa mạnh mẽ với sự bùng nổ về BIM. Chính phủ Việt Nam vào ngày 02/4/2021 mới đây đã công bố Hướng dẫn chung và Hướng dẫn chi tiết áp dụng Mô hình thông tin công trình (BIM) để định hướng việc áp dụng BIM trong ngành xây dựng tại Việt Nam. Các ứng dụng BIM được sử dụng phổ biến trong các dự án ở Việt Nam như tạo lập mô hình thiết kế 3D, phát hiện và xử lý xung đột thiết kế bằng mô hình 3D liên bộ môn, lập và kiểm soát tiến độ, bóc tách khối lượng và dự toán chi phí, ...

Trình độ áp dụng BIM ở Việt Nam, phản ánh từ thực tế, có thể nhận xét rằng vẫn còn chưa cao, tập trung chủ yếu vào các ứng dụng BIM cơ bản. Việc áp dụng BIM tập trung chủ yếu là các doanh nghiệp có vốn đầu tư nước ngoài hoặc các doanh nghiệp tư nhân trong các dự án sử dụng vốn ngoài vốn nhà nước [6]. Phần lớn các bên liên quan khác của dự án đều chỉ tiếp cận BIM và số hóa ở mức cơ bản, tập trung vào việc mô hình hóa/mô hình hơn là việc tạo lập, quản lý các thông tin được tích hợp trong đó, tạo điều kiện cho việc sử dụng thông tin và trao đổi dữ liệu trong suốt vòng đời sản phẩm. Từ thực tế đó, có thể nhận xét một cách định tính rằng ngành xây dựng Việt Nam hầu như chưa tiếp cận với DE. Tuy nhiên, bằng việc tận dụng các thành tựu BIM của các quốc gia tiên tiến, tư tưởng về DE cũng dần hình thành ở một số đơn vị, nhất là bộ phận nghiên cứu và phát triển.v

6. Kết luận

Dù mang lại những lợi ích nhất định cho các dự án đầu tư xây dựng và cho các bên hữu quan của dự án, BIM bắt đầu tỏ ra có nhiều hạn chế. Do đó, trên thế giới, người ta bắt đầu triển khai các ứng dụng DE, vốn đã được áp dụng cho các ngành khác, như một giải pháp thay thế, phát triển hơn của BIM cho các dự án đầu tư xây dựng. Trong ngữ cảnh của ngành xây dựng, DE đảm bảo thông tin liên quan đến các khía cạnh vật lý của công trình xây dựng và không gian tính toán ảo được đồng bộ hóa cao, từ đó nâng cao mức độ kiểm soát, giám sát, minh bạch và mang lại hiệu quả hoàn toàn mới cho quá trình xây dựng.

BIM sẽ trở thành thành phần lõi của DE, tạo ra môi trường dữ liệu chung (Common Data Environment - CDE) để tích hợp các công nghệ số và thiết bị ngoại vi. Khả năng này tạo ra các điều kiện thuận lợi cho việc chuyển giao kiến thức từ các ngành khác sang ngành xây dựng, ví dụ kiến thức từ các ngành sản xuất và khoa học máy tính, nơi các công nghệ kỹ thuật số đã được phát triển, thử nghiệm và phổ biến. Việc chuyển sự chú ý từ BIM sang DE là một bước tiến để đẩy mạnh số hóa hơn nữa trong ngành xây dựng và cho phép các tri thức từ các ngành bên ngoài tham gia góp phần định hình tương lai của ngành xây dựng, như một bước tiến tới việc áp dụng Công nghiệp 4.0 trong xây dựng.

Nhiều quốc gia đã có những ứng dụng ban đầu của DE trong ngành xây dựng, như Mỹ, Vương quốc Anh và Hàn Quốc, đặc biệt là Úc, đã xây dựng được khung thực hiện DE. Là một nước đi sau, Việt Nam cần đi tắt đón đầu trong việc nghiên cứu triển khai DE để tạo được hiệu quả toàn diện hơn trong công cuộc số hóa ngành xây dựng.

Lời cảm ơn

Nhóm tác giả xin chân thành gửi lời cảm ơn tới nhóm các nhà nghiên cứu M Reza Hosseini (Trường Kiến trúc và Môi trường Xây dựng, Đại học Tổng hợp Deakin, Geelong, Úc), Julie Jupp (Trường Đào tạo cán bộ chuyên nghiệp và lãnh đạo, Đại học Tổng hợp Công nghệ Sydney, Úc), Eleni Papadonikolaki (Trường Quản lý dự án và Xây dựng Bartlett, Đại học Tổng hợp College London, London, Vương quốc Anh), Tim Mumford (Cục Đổi mới, Công nghiệp và Năng suất, Cơ sở hạ tầng Australia, Canberra, Úc), Will Joske (Đại học Tổng hợp Công nghệ Swinburne, Melbourne, Úc) và Bahareh Nikmehr (Trường Kiến trúc và Môi trường Xây dựng, Đại học Tổng hợp Deakin, Geelong, Úc).

 

Tài liệu tham khảo:

1. Babalola, Ayotunde và các cộng sự. (2021), "A bibliometric review of advances in building information modeling (BIM) research", Journal of Engineering, Design and Technology.

2. Bhatija, Vinita P, Thomas, Nithin và Dawood, Nashwan (2017), "A preliminary approach towards integrating knowledge management with building information modeling (K BIM) for the construction industry", International Journal of Innovation, Management and Technology. 8(1), tr. 64-70.

3. Bone, Mary A và các cộng sự. (2019), "Transforming systems engineering through digital engineering", The Journal of Defense Modeling and Simulation. 16(4), tr. 339-355.

4. Bryde, David, Broquetas, Martí và Volm, Jürgen Marc (2013), "The project benefits of building information modelling (BIM)", International journal of project management. 31(7), tr. 971-980.

5. Dalmarco, Gustavo và các cộng sự. (2019), "Providing industry 4.0 technologies: The case of a production technology cluster", The journal of high technology management research. 30(2), tr. 100355.

6. Dao, Thuy-Ninh, Chen, Po-Han và Nguyen, The-Quan (2020), "Critical Success Factors and a Contractual Framework for Construction Projects Adopting Building Information Modeling in Vietnam", International Journal of Civil Engineering.

7. Ding, Zhikun và các cộng sự. (2019), "A digital construction framework integrating building information modeling and reverse engineering technologies for renovation projects", Automation in Construction. 102, tr. 45-58.

8. Duc, Phillipe (2018), From the BIM bang to digital engineering, Egis Group, Online, truy cập ngày 4 tháng 3-2021, tại trang web https://www.egis-group.com/perspectives/digital-transition/bim-bang-digital-engineering.

9. Ezy, Mahnaz, Saghatforoush, Ehsan và Abbasianjahromi, Hamidreza (2018), "An investigation of advantages and disadvantages of off-site manufacturing: a meta-synthesis", International Journal of Project Organisation and Management. 10(4), tr. 307-332.

10. Foster, Jack (2019), Digital Engineering Series: Part 3 - Jenny Tseng - Willow, chủ biên, LinkedIn Corporation, Online.

11. Georgiadou, Maria Christina (2019), "An overview of benefits and challenges of building information modelling (BIM) adoption in UK residential projects", Construction Innovation.

12. Golizadeh, Hamed và các cộng sự. (2018), "Digital engineering potential in addressing causes of construction accidents", Automation in Construction. 95, tr. 284-295.

13. Hampson, Keith và Shemery, Ammar (2018), Digitally Engineering the Future – Opportunities for VicRoads, Sustainable Built Environment National Research Centre (SBEnrc), Online.

14. Hardcastle, Ian và Hubert, Sean (2014), Digital Engineering (BIM) - Enhancing Construction Practises to Realise Greater Efficiencies in Delivery, Engineers Australia, Online, truy cập ngày 5 tháng 4-2021, tại trang web https://www.engineersaustralia.org.au/Event/digital-engineering-bim-enhancing-construction-practises-realise-greater-efficiencies.

15. HKIE (2019), From BIM to digital engineering - Construction Plus Asia, BCI Asia Constr. Inf. Ltd, truy cập ngày 4 tháng 3-năm 2021, tại trang web https://www.constructionplusasia.com/hk/from-bim-to-digital-engineering/.

16. Hosseini, M Reza và các cộng sự. (2020), "Position paper: digital engineering and building information modelling in Australia", Smart and Sustainable Built Environment.

17. Hosseini, M Reza và các cộng sự. (2018), "Integrating BIM into facility management: Typology matrix of information handover requirements", International Journal of Building Pathology and Adaptation.

18. Hosseini, Reza và các cộng sự. (2012), Approaches of implementing ICT technologies within the construction industry, Australasian journal of construction economics and building-conference series, tr. 1-12.

19. Huang, Jingwei và các cộng sự. (2020), "Towards digital engineering: the advent of digital systems engineering", International Journal of System of Systems Engineering. 10(3), tr. 234-261.

20. Jupp, Julie R và Singh, Vishal (2014), Similar concepts, distinct solutions, common problems: learning from PLM and BIM deployment, IFIP International Conference on Product Lifecycle Management, Springer, tr. 31-40.

21. Jupp, Julie R và Singh, Vishal (2016), "A PLM perspective of BIM research initiatives", Int. J. Prod. Lifecycle Manage. 9, tr. 180-197.

22. Kostopoulos, George K (1975), Digital engineering, Wiley, New York, New York.

23. Krebs, Andrew (2018), BIM is dead. Long live digital engineering, CIBSE Journal, chủ biên, cibsejournal.com.

24. Love, Peter ED và Matthews, Jane (2019), "The ‘how’of benefits management for digital technology: From engineering to asset management", Automation in Construction. 107, tr. 102930.

25. Mignone, Gerard và các cộng sự. (2016), "Enhancing collaboration in BIM-based construction networks through organisational discontinuity theory: a case study of the new Royal Adelaide Hospital", Architectural Engineering and Design Management. 12(5), tr. 333-352.

26. Nguyễn Duy Cương, Chang-su Shim và Nguyễn Thế Quân (2021 (chờ đăng)), "Mô hình số kỹ thuật cho cầu đúc sẵn sử dụng trong thiết kế định hướng chế tạo và lắp dựng", Tạp chí Khoa học Công nghệ Xây dựng, Đại học Xây dựng.

27. Nguyen, The-Quan, Luu, Quang-Phuong và Ngo, Van-Yen (2020), "Application of BIM in design conflict detection: a case study of Vietnam", IOP Conference Series: Materials Science and Engineering. 869, tr. 022038.

28. NIBS (2015), National BIM Standard - United States® Version 3 - Terms and Definitions National Institute of Building Sciences, Online, truy cập ngày 4 tháng 3-2021, tại trang web https://www.nationalbimstandard.org/nbims-us 

29. Northwood, Christopher (2013), Digital engineering, NBS Enterprises Ltd, https://www.thenbs.com/, truy cập ngày 4 tháng 3-năm 2021, tại trang web https://www.thenbs.com/knowledge/digital-engineering.

30. Othman, Idris và các cộng sự. (2021), "The level of building information modelling (BIM) implementation in Malaysia", Ain Shams Engineering Journal. 12(1), tr. 455-463.

31. Rezgui, Yacine, Hopfe, Christina J và Vorakulpipat, Chalee (2010), "Generations of knowledge management in the architecture, engineering and construction industry: An evolutionary perspective", Advanced Engineering Informatics. 24(2), tr. 219-228.

32. RICS (2020), The future of BIM: Digital transformation in the UK construction and infrastructure sector, The Royal Institution of Chartered Surveyors (RICS), Online.

33. Sawhney, Anil, Khanzode, A và Tiwari, Saurabh (2017), "Building information modelling for project managers", Londres/UK: Royal Institution of Chartered Surveyors (RICS).

34. Shehzad, Hafiz Muhammad Faisal và các cộng sự. (2021), "The role of interoperability dimensions in building information modelling", Computers in Industry. 129, tr. 103444.

35. Shemery, Ammar và Hampson, Keith (2019), Developing uptake of digital engineering through industry-led research into practice approach, WEC2019: World Engineers Convention 2019, Engineers Australia, tr. 259.

36. The Defense Department (2018), Digital Engineering Strategy, Online.

37. Turk, Žiga (2016), "Ten questions concerning building information modelling", Building and Environment. 107, tr. 274-284.

38. Volk, Rebekka, Stengel, Julian và Schultmann, Frank (2014), "Building Information Modeling (BIM) for existing buildings - Literature review and future needs", Automation in construction. 38, tr. 109-127.

39. Wang, Xiangyu và Chong, Heap-Yih (2015), "Setting new trends of integrated Building Information Modelling (BIM) for construction industry", Construction Innovation.

Ý kiến của bạn

Chủ đề bạn có thể quan tâm