Trên thực tế, BIM là tập hợp các công nghệ và quy trình cần thiết để cải thiện kết quả của các giai đoạn khác nhau trong toàn bộ vòng đời công trình xây dựng, bao gồm các giai đoạn quy hoạch, thiết kế, thi công, vận hành khai thác, bảo dưỡng kỹ thuật, phá dỡ hoặc chuyển đổi sang mục đích khác.
Việc ứng dụng những quy trình và công nghệ BIM đối với các nhu cầu cụ thể của ngành xây dựng là xu hướng cơ bản và được kích thích mạnh mẽ bởi sự cần thiết đạt được những kết quả thiết kế - thi công tốt nhất. Theo các khảo sát của Công ty McGraw-Hill Construction, ứng dụng BIM tại Mỹ đã tăng từ 17% (năm 2007) lên 71% (năm 2012). Giai đoạn 2009 - 2012, ứng dụng BIM trong các doanh nghiệp xây dựng đã tăng tới hơn 50%; trong giới nhà thầu xây dựng 74%, chủ công trình 67%; kiến trúc sư 67%.
Tại Anh, các nghiên cứu được tiến hành trong năm 2012 - 2013 với sự tham gia của hơn 1.350 nhà chuyên môn trong các lĩnh vực kiến trúc, xây dựng và thiết kế cho thấy: 39% trong số đó đã sử dụng BIM, và 71% nhất trí với việc coi BIM là “thông tin thiết kế trong tương lai”.
Tại Na Uy, từ năm 2010, tất cả các dự án xây dựng có sự tham gia của nhà nước đều bắt buộc ứng dụng BIM (trên cơ sở các định dạng mở IPC/IFD). Tại Đan Mạch, nhiều cơ quan chính phủ đã yêu cầu ứng dụng BIM trong các dự án xây dựng. Các cơ quan Chính phủ Phần Lan chịu trách nhiệm về lĩnh vực xây dựng yêu cầu ứng dụng BIM phù hợp tiêu chuẩn IPC trong các dự án từ năm 2007. Kể từ năm 2014, chính quyền Hong Kong đã yêu cầu ứng dụng BIM trong tất cả các dự án xây dựng mới. Từ năm 2016, Hàn Quốc coi BIM là điều kiện bắt buộc đối với các dự án xây dựng trị giá từ 50 triệu USD trở lên, và đối với tất cả các dự án theo đơn đặt hàng của Chính phủ.
Tại Singapore, một trong các mục tiêu của chiến lược quốc gia là hiện thực hóa hệ thống khảo sát và lập phương án xây dựng nhanh nhất thế giới. Năm 2008, để thực hiện mục tiêu này, Bộ Xây dựng & Công trình Singapore (Building & Construction Authority) kết hợp với tất cả các bên liên quan đã thực hiện hệ thống điện tử khảo sát xây dựng trên cơ sở BIM (e - submission) đầu tiên trên thế giới. Các nhà thiết kế chỉ được trình các mô hình số kiến trúc, mô hình số kết cấu và mô hình số kỹ thuật để khảo sát và phê duyệt, trong đó có đầy đủ thông tin cần thiết để xác định mức độ phù hợp với yêu cầu. Cho tới năm 2013, hơn 200 nghìn dự án xây dựng lớn đã được e - submission thông qua. Từ năm 2010, BCA bắt đầu thực hiện lộ trình tới năm 2015 có 80% sản phẩm ngành xây dựng cần ứng dụng BIM. Lộ trình này là một phần của kế hoạch của Chính phủ Singapore nhằm gia tăng sản phẩm của ngành Xây dựng lên 25% trong vòng 10 năm tiếp theo.
Chính phủ Anh dự kiến ở giai đoạn đầu sẽ giảm 20% giá thành xây dựng, ở các giai đoạn tiếp theo sẽ giảm 33%. Để đạt được các chỉ tiêu này, rất nhiều sáng kiến đã được áp dụng, một trong số đó là yêu cầu ứng dụng Level 2 BIM đối với tất cả các dự án xây dựng của nhà nước kể từ năm 2016.
Horizontal BIM, Heavy BIM, VDC, civil infor-mation modeling, BIM on its side hoặc BIM for intrastructure - đó là các thuật ngữ được sử dụng trong lĩnh vực xây dựng liên quan tới công nghệ số và các quy trình vận dụng trong các dự án hạ tầng (hạ tầng cấp thoát nước, cầu đường giao thông, sân bay, công viên...). Để phân biệt rõ với các công trình/tòa nhà, một thuật ngữ nữa được sử dụng, đó là “vertical BIM”.
Cũng theo các nghiên cứu của McGraw-Hill Construction, BIM mang lại lợi ích lớn cho các dự án xây dựng hạ tầng của thế giới nói chung. Năm 2009, chỉ có 16% chủ sở hữu các dự án hạ tầng ứng dụng BIM, thì tới năm 2013 con số này đã tăng lên tới 52%.
Trên thế giới, việc ứng dụng BIM trong các dự án hạ tầng bị ngưng lại khoảng 3 năm do “vertical BIM”; song xu hướng phát triển mức độ sử dụng BIM tăng nhanh hơn trên thị trường “horizontal” so với “verticar"
Sức mạnh tiềm tàng của công nghệ BIM
Trong vòng 200 năm qua, đô thị hóa đã diễn ra với tốc độ chóng mặt, và có tác động sâu sắc nhất tới cuộc sống con người so với mọi hiện tượng khác trong đời sống xã hội. Quá trình này kích thích các nguồn đầu tư lớn cho sự phát triển hạ tầng đô thị cũng như các hệ thống hạ tầng khác. Đó chính là sự bảo đảm vòng đời của các công trình và hạ tầng đi kèm, bao gồm cả thiết kế, thi công xây dựng và những quy trình khác.
Theo McGraw-Hill, từ năm 2013 tới 2030, ước tính cần hơn 57 nghìn tỷ USD đầu tư cho các dự án hạ tầng để phù hợp với mức độ tăng trưởng GDP trên toàn thế giới theo kế hoạch. Tức là vượt 60% so với chi phí cho hạ tầng trong 18 năm trở lại đây.
Thực trạng không gian xung quanh, sự quan ngại đối với các hiện tượng thiên nhiên đưa tới việc cần có những thay đổi tích cực trong việc xây dựng, khai thác sử dụng và bảo dưỡng hạ tầng của thế giới. Hơn nữa, ngày nay, đã có các yêu cầu từ các cơ quan quốc gia và quốc tế như: 20 - 20 - 20 Energy Efficiency Objective được Liên minh châu Âu (EU) thông qua, và nhiều yêu cầu khác về tiết kiệm năng lượng, phát thải khí nhà kính và việc xác định tính phù hợp của các dự án xây dựng với những yêu cầu đó rất cần thiết.
Các tòa nhà/công trình tiêu thụ xấp xỉ 40% năng lượng của thế giới, và sản sinh gần một phần ba tổng lượng CO2 trên Trái đất. Trên thực tế, các số liệu thống kê của từng thành phố còn lớn hơn nhiều.
Chính phủ nhiều quốc gia đã rất nỗ lực để có thể điều tiết tình hình của các thành phố. CHLB Đức đã nghiên cứu các tiêu chuẩn mới cho vật liệu cách nhiệt trong xây dựng nhằm ứng dụng (bắt buộc) trong tất cả các dự án xây dựng từ nay cho tới năm 2050, mục đích là giảm 20% nhu cầu tiêu thụ năng lượng để sưởi ấm cho tới năm 2020, và giảm đến 80% cho tới năm 2050.
Trong 7 nghìn tỷ USD được đầu tư hàng năm cho xây dựng trong thời gian gần đây, chỉ có 10% được dành cho các dự án “xanh”. Các nhà phân tích quốc tế dự báo, trong bối cảnh ngày càng xuất hiện nhiều nguy cơ từ môi trường xung quanh, con số này cần được tăng lên tới 75% vào năm 2020.
Liên quan tới sự gia tăng nhu cầu tài chính cho các chương trình xã hội, Chính phủ nhiều nước cần cắt giảm vốn đầu tư cho xây dựng cơ bản và thực hiện các dự án hạ tầng. Kết quả là khi thực hiện các dự án, Chính phủ sẽ hướng tới các nhà đầu tư tư nhân nhằm khắc phục sự chênh lệch đó. Tuy nhiên, việc thu hút vốn tư nhân đòi hỏi những bảo lãnh nhất định về việc hoàn vốn cũng như mức lợi nhuận nhất định từ các dự án.
Tại nhiều nước trong đó có các nước EU, Mỹ, Nhật Bản và Hàn Quốc, công suất xây dựng đã giảm mạnh trong vài thập kỷ vừa qua. Theo McKinsey, điều này có ảnh hưởng nhiều nhất tới việc hoàn vốn và thu lợi nhuận của các dự án hạ tầng, khiến phân khúc này trở nên kém hấp dẫn đối với các nhà đầu tư tư nhân.
Việc thiếu nguồn nhân lực có trình độ, cũng như xu thế chung là lực lượng lao động đang bị già hóa tại nhiều quốc gia có nền kinh tế phát triển khiến nhu cầu nâng cao công suất xây dựng thông qua ứng dụng các giải pháp công nghệ tiên tiến (mà BIM là một trong số đó) trở nên cấp thiết. Ví dụ cụ thể là CHLB Đức: Các chuyên gia tính toán do thiếu hụt khoảng 400 nghìn kỹ sư có trình độ của ngành xây dựng, tốc độ tăng trưởng GDP của đất nước này đã giảm đi bình quân 1% mỗi năm trong vòng 5 năm gần đây.
Như vậy đã có đủ cơ sở để tiến hành những cải cách hợp lý trong ngành xây dựng thế giới, với điểm nhấn là cải thiện công suất ngành. Nhiều chuyên gia cho rằng: Tăng vốn đầu tư phát triển công nghệ sẽ trở thành yếu tố then chốt trong chiến lược bảo đảm sự phát triển và những cải tổ cần thiết hệ thống hạ tầng thế giới. Các nhà đầu tư tư nhân hoăc chủ sở hữu cần biết rõ vốn đầu tư sẽ được hoàn lại như thế nào, công cụ nào có thể được sử dụng để quản lý các giai đoạn khác nhau, và những chuyên gia như thế nào họ cần có cho mỗi giai đoạn. Việc ứng dụng các công nghệ cải tiến trong từng giai đoạn xây dựng đã được nghiên cứu rất nhiều trên thê giới.
Ngành xây dựng “biến hình” nhờ các công nghệ ITC
Sự kết hợp của công nghệ BIM và GIS - những nhân tố ITC cơ bản trong các giải pháp xây dựng - chính là nền tảng để phát triển xu hướng mô hình số các công trình xây dựng. Trong BIM và GIS có sự kết hợp các xu hướng công nghệ khác nhau như mô hình 3D, mô hình thiết kế định hướng, xây dựng và phân tích các dạng bề mặt khác nhau, thu thập dữ liệu khách quan về công trình xây dựng thông qua scan laze (LiDAR), trực quan không gian 3D. Các công nghệ này - trong những phương thức kết hợp khác nhau - thường được sử dụng để cải thiện từng giai đoạn trong vòng đời công trình xây dựng. Qua đó, các lĩnh vực ứng dụng công nghệ BIM và GIS cũng được xác định. Nhiều Tập đoàn, doanh nghiệp đã trở thành tên tuổi lớn trong việc ứng dụng mô hình 3D để kiểm tra chất lượng thiết kế, phát hiện sai sót, mô hình các thông số, và trực quan hóa các giải pháp thiết kế trong từng giai đoạn thiết kế; mô hình 4D (thời gian + 3D) và mô hình 5D (giá thành + thời gian + 3D) để kiểm tra tiến trình thực hiện các công việc trong giai đoạn thi công xây dựng. Trong các tên tuổi lớn có Parsons-Brinckerhott và chi nhánh Baltour Beatty.
Qua hàng loạt dự án do Parsons thực hiện, có thể thấy một trong những ưu điểm nổi bật nhất của việc ứng dụng tổ hợp công nghệ BIM-GIS là cải thiện rõ rệt sự tương tác giữa tất cả các bên liên quan, đặc biệt với những cá nhân có trách nhiệm thông qua quyết định song không có sự chuẩn bị cần thiết về mặt kỹ thuật.
Có thể lấy việc xây đường cao tốc làm ví dụ. Parsons- Brinckerhott sử dụng các công nghệ “trò chơi” trước khi việc thi công thực tế được bắt đầu. Như vậy, công chúng có thể đi qua tuyến đường trong môi trường ảo từ khi đường còn chưa hoàn thiện, và có được những hình dung chi tiết về những con đường tạm, đường vòng sẽ rất cần thiết khi việc thi công bắt đầu.
Một ví dụ khác: ARCADIS Netherlands là Tập đoàn công nghệ Hà Lan thường được mời vào các dự án tích hợp thông tin không gian địa lý (GIS) ở giai đoạn thiết kế đối với các dự án hạ tầng giao thông lớn, vận tải công cộng chất lượng cao. Trong quá trình thực hiện dự án, sự kết hợp giữa thiết kế không gian địa lý và thiết kế kỹ thuật trên cùng một cơ sở dữ liệu sẽ cho phép có một bản sao đối với từng yếu tố dữ liệu khi các nhóm làm việc sử dụng chung những yếu tố đó.
Giải pháp tích hợp giúp đơn giản hóa sự tương tác và nâng cao chất lượng thiết kế. Điều này cũng cho phép ứng dụng phân tích tự động các phương án thiết kế, từ đó giảm bớt thời gian cho quy trình thiết kế. ARCADIS phân biệt rõ các quy trình thương mại và vai trò của công nghệ không gian địa lý trong vòng đời xây dựng, trong đó có giai đoạn thiết kế/chuẩn bị, quản lý tài sản/bảo dưỡng, và quản lý trên cơ sở as-build.
Bên cạnh đó, có một số vấn đề cần lưu ý khi kết hợp các giải pháp GIS và BIM: Đo đạc địa hình khác nhau: GIS sử dụng các điểm, tuyến và các đa giác; CAD/BIM sử dụng spline, đường cong tham số...; Các định dạng của dữ liệu và tiêu chuẩn: GIS sử dụng các file GML và CityGML; CAD/BIM sử dụng các file DWG, DGN, RVT và IFC.
Những công trình sử dụng năng lượng tiết kiệm hiệu quả và Green BIM
Những nước có nền kinh tế phát triển như các nước EU, Mỹ và Nhật Bản đã thông qua chương trình bắt buộc về các công trình năng lượng thấp (near- zero energy). Chương trình bao gồm giảm thiểu lượng năng lượng cần tiêu thụ cũng như lượng nhiệt do công trình phát thải và các dạng “năng lượng” khác (nước, khí đốt, chất thải).
Tại các nước EU, theo EPBD (Energy Performance of Building Directive), tới năm 2018 tất cả các công trình công cần được thiết kế theo tiêu chuẩn near- zero energy. Tới năm 2020, yêu cầu này sẽ được phổ biến cho mọi công trình được thiết kế.
Tại Mỹ, theo Energy Independence & Security Act 2007, tất cả các tòa nhà/công trình trong Liên bang tới năm 2030 cần được thiết kế theo tiêu chuẩn near- zero energy.
Các yêu cầu tương tự dự kiến cũng sẽ được áp dụng tại Nhật trong thời gian tới.
Sáng kiến quan trọng khác tại nhiều thành phố là quản lý việc sử dụng điện năng. Ví dụ tại Ontario, nhà điều hành yêu cầu các công ty điện giảm nhu cầu điện giờ cao điểm xuống 6%, và giảm tổng mức tiêu thụ xuống 5% vào năm 2014. Để đạt được các chỉ số này, các công ty điện đã triển khai chương trình áp dụng các yêu cầu và tiêu chuẩn bảo đảm giảm nhu cầu tiêu thụ điện tới ngưỡng cần thiết vào thực tế thiết kế các công trình.
BIM & GIS là nguồn dữ liệu then chốt để mô hình hóa và phân tích hiệu quả năng lượng của các công trình. Nhiều công ty sử dụng các biện pháp phân tích hiệu quả tiết kiệm năng lượng để đảm bảo cho các kỹ sư và kiến trúc sư những dữ liệu cần thiết nhằm tối ưu hóa nhu cầu tiêu thụ năng lượng của tòa nhà/công trình đang được thiết kế.
Bước đầu tiên trên lộ trình mô hình hóa và phân tích hiệu quả năng lượng là hiện thực hóa mô hình BIM. Tương ứng, việc phân tích hiệu quả năng lượng của công trình đòi hỏi các dữ liệu thực trạng địa lý, các dữ liệu về các công trình và hạ tầng xung quanh, các dữ liệu khác về thực trạng môi trường xung quanh. Công ty 3D Energy của Canada đã tính toán rằng việc ứng dụng BIM & GIS trong thiết kế các công trình và tính toán hiệu quả năng lượng của các công trình đó sẽ cho phép giảm tới hơn 40% chi phí điện năng.
Các giải pháp trên đây được thống nhất và cùng được “định dạng” bằng thuật ngữ GreenBIM, và có xu hướng phát triển mạnh mẽ trong những năm gần đây.
Mô hình hóa môi trường đô thị trong khuôn khổ “thành phố thông minh”
Ngày càng có nhiều thành phố trên thế giới bắt đầu nhận thức khả năng thực tế mà việc ứng dụng tổng hợp các công nghệ thông tin hiện đại (trong đó có BIM & GIS), các mô hình mạng lưới thông minh dành cho hệ thống điện, nước, kênh ngòi, liên lạc viễn thông, giao thông... mang lại. Các thành phố cạnh tranh với nhau trong vấn đề “ai xanh hơn”. Điều này đã trở nên cấp bách khi thuật ngữ “căn bệnh đô thị” phổ biến rộng rãi, cùng với mức tăng nhanh các chi phí dành cho y tế và chăm sóc sức khỏe người dân, khi số dân “di cư" tới các “thành phố thông minh” trong thời đại kinh tế số gia tăng, đồng nghĩa với việc họ cần đối diện với các hệ lụy khác của sự tiến bộ.
Kết quả thực tế của sáng kiến mô hình hóa môi trường đô thị của “thành phố thông minh” là việc xây dựng khung (framework) để triển khai các dự án mới (trong đó những ưu điểm ứng dụng BIM & GIS được công khai thành các lợi ích thấy rõ đối với các cơ quan chính quyền đô thị, bao gồm cả lợi ích về mặt kinh tế).
Kết luận
Hiện nay tại Nga, hàng trăm doanh nghiệp đã công bố về việc bắt đầu ứng dụng BIM, và số doanh nghiệp ứng dụng công nghệ GIS còn nhiều hơn nữa. Tuy nhiên, một phần đáng kể trong đó thuộc về vertical BIM (về lĩnh vực này, Nga đang lặp lại xu hướng của thế giới). Cũng như nhiều quốc gia khác, Nga cần nhanh chóng tìm cho mình lối thoát khỏi cuộc khủng hoảng xây dựng, và tính toán thận trọng vốn đầu tư của mình cho các xu hướng khác nhau. Kinh nghiệm thế giới có thể hỗ trợ Nga rất nhiều trong việc thông qua các giải pháp đúng đắn; và các tiêu chuẩn quốc tế về BIM vẫn đang được thảo luận rộng rãi tại Nga.
Mọi dự án xây dựng công trình tổng thể trong thế kỷ XXI đều đòi hỏi sự chú ý cao độ tới từng chi tiết. Nhiều năm liền, các nhà xây dựng chuyên nghiệp đã tìm tòi những chi tiết này trong hàng đống giấy tờ văn bản. Làn sóng công nghệ ITC lướt qua mọi lĩnh vực trong đời sống kinh tế - xã hội, trong đó có lĩnh vực xây dựng, giúp đơn giản hóa đồng thời thúc đẩy mạnh mẽ các quy trình xây dựng bằng các phương pháp mô hình số công trình, cần hiểu rõ rằng: Để ứng dụng thành công BIM như một công cụ ITC, công nghệ này cần được phối hợp đồng bộ giữa các doanh nghiệp xây dựng và các đối tác thương mại, các đồng nghiệp và các khách hàng của các doanh nghiệp đó./.
Nguồn: Tạp chí Open Information Technologies số 5/2016
ND: Lệ Minh