Bim và computational design

Với sự bùng nổ của công nghệ thông tin, mọi thứ đang thay đổi với ngành xây dựng từng ngày (cải thiện sản phẩm xây dựng, tự động hóa với máy móc chính xác cao, tiết kiệm tài nguyên, năng lượng….). Hai xu hướng công nghệ BIM (Building Information Modeling) và Thiết kế tính toán (Computation Design) đang là hai xu hướng quan trọng, tác động mạnh mẽ tới các dự án xây dựng. Quá trình phát triển của hai xu hướng này gần đây đang xích lại gần nhau, để đem đến những phát triển vượt bậc chưa từng có trong ngành xây dựng.

BIM hướng đến việc hệ thống hóa toàn bộ quá trình thông tin cho một dự án, cải thiện toàn bộ vòng đời của dự án xây dựng từ khi lên ý tưởng thiết kế đến phá hủy công trình. Nhìn chung, tất cả mọi hoạt động xây dựng được số hóa với BIM, tài sản vật lý hiện hữu song hành cùng “tài sản” số hóa. Computational Design ra đời tiếp nối nhu cầu sáng tạo không có giới hạn, tạo lập các cấu trúc xây dựng phức tạp, đột phá về vật liệu, tạo ra các giải pháp thiết kế vượt trội dựa vào khả năng của phương tiện điện toán và các nguyên lý trong ngành điện toán để xử lý các khối lượng thông tin lớn.

Từ khi bê tông xuất hiện, nó đóng vai trò chủ đạo căn bản cho mọi dự án xây dựng. KTS Le Corbusier là người đặt nền tảng kiến trúc cho thời đại của công nghiệp xây dựng bê tông là người đặt nền tảng kiến trúc cho thời đại của công nghiệp xây dựng với bê tông, đại đa số các công trình được xây dựng với các thành tố cơ bản, lưới trục, dầm, cột, sàn, tường ngăn bao che. Khi BIM xuất hiện, nó giúp cho việc quản lý tổ chức thông tin của các thành tố cơ bản trên, nhằm cải thiện các quá trình của dự án xây dựng. Các công cụ BIM tool cho việc xây dựng và khai thác mô hình trên máy tính cũng xoay quanh các thành tố này với các phần mềm định nghĩa các thông tin liên quan đến dầm, tường, sàn, cột, cầu thang, lan can… Với nhu cầu phát triển và sáng tạo không có giới hạn, các thành tố xây dựng truyền thống là không đủ cho ngành xây dựng đương đại. Nhu cầu về sáng tạo không gian kiến trúc phức tạp, giàu thẩm mỹ cùng với yêu cầu về đo lường, trình diễn, tối ưu hóa không gian theo yêu cầu nào đó, luôn là đòi hỏi của xã hội và của chính những con người đang hoạt động trong ngành xây dựng.

Các thiết kế kiến trúc phức tạp đương đại các văn phòng kiến trúc danh tiếng như Zaha Hadid, Norman Forster, Remkoolhass…, luôn đem lại những thách thức cho quá trình xây dựng cũng như quá trình hệ thống hóa thông tin cho dự án xây dựng. Nhiều dự án xây dựng không gian được hình thành bởi một tổ hợp cấu trúc xây dựng, khó có thể phân biệt rõ ràng đâu là dầm, đâu là cột, đâu là sàn. Các công cụ BIM căn bản, bộc lộ những khó khăn nhất định cho việc hình thành các tài liệu số hóa.

Computational Design xuất hiện và ngày một gắn kết với BIM để tạo ra các dữ liệu xây dựng, biến các sáng tạo vượt trội trong thiết kế trở thành các thực thể xây dựng hiện hữu. Khái niệm về bản vẽ, phương tiện truyền tải thông tin truyền thống từ thiết kế đến xây dựng là không đủ với xây dựng hiện đại. Quản lý dự án với các công cụ số cũng cần dữ liệu, dữ liệu đó phải được tổ chức phân loại, BIM và Computational Design bắt đầu gặp nhau từ đây.

Cấu trúc đá tự đúng vững không cần vật liệu liên kết của nhóm nghiên cứu ETH Zurich – Block Research Group
Các hướng nghiên cứu của Computational Design
Computational Design vẫn đang được nghiên cứu tại nhiều trường đại học danh tiếng trên thế giới. Các hướng tiếp cận có thể khác nhau, nhưng về cơ bản đều liên quan đến việc đưa máy móc tự động hóa tham gia nhiều hơn vào quá trình xây dựng. Các cấu trúc xây dựng vượt trội đột phá về hình khối, giải pháp bao che được thực hiện với độ chính xác cao nhờ vào sức mạnh của điện toán.

Các hướng nghiên cứu chính hiện nay theo chuyên gia về Computational Design Nguyễn Phước Long (Viện IDC – Đại học Stuttgart) cung cấp như sau:

  1. Hình khối phức tạp nhưng vẫn tuân theo nguyên lý hình học căn bản, đảm bảo làm rõ khả năng kết cấu, chế tạo và thi công hiện tại

Dự án Laga Exipition Pavilion (2012) của viện IDC đại học Stuttgart, sử dụng Robot để chế tạo sẵn các tấm gỗ sau đó lắp ghép theo truyền thống tại công trường, tạo ra một cấu trúc xây dựng bao phủ một không gian rộng, tỷ số vật liệu vỏ gỗ trên không gian chỉ bằng ¼ tỷ số của vỏ trứng với không gian mà nó bao phủ. Toàn bộ cấu trúc được tính toán tối ưu với sức mạnh của điện toán.

  1. Sử dụng các vật liệu thi công thông thường nhưng áp dụng phương pháp thiết kế và thi công mới, để tạo ra các cấu trúc xây dựng vượt trội chưa từng có.
  2. Sử dụng vật liệu mới và các phương tiện thiết kế thi công mới

Dự án ICD/ITKE Research Pavilion 2014-2015 lấy cảm hứng từ nhện nước trong tự nhiên, một cấu trúc bằng bong bóng nhựa được bơm căng, sau đó sử dụng robot phía trong được lập trình thi công các sợi carbon chịu lực để tạo ra lớp vỏ bao che. Dự án chinh phục thách thức sử dụng vật liệu mới, khó tính toán được khả năng tạo hình khi vật liệu đông kết (thời gian định hình của một đoạn sợi carbon khoảng 1h đồng hồ kể từ khi được robot dệt trên lớp vỏ được thổi khí). Vật liệu hao hụt để xây dựng cấu trúc gần như bằng 0 với dự án này, loại bỏ hoàn toàn yếu tố cốt pha định hình.

Dự án ICD/ITKE Research Pavilion 2016-2017, chinh phục thách thức sử dụng vật liệu mới tạo ra cấu trúc vươn conson khẩu độ lớn, nằm ngoài cả tầm với của cánh tay robot. Nhóm dự án đã thực hiện lập trình để hai robot kéo căng và dệt các sợi carbon ở hai đầu, các sợi carbon này được vận chuyển phối hợp qua lại bằng một robot bay (drone). Ba cỗ máy được lập trình để tạo ra một cấu trúc mỏng nhưng có khả năng vượt nhịp và chịu lực phi thường..

Các hướng áp dụng Computational Design trong các dự án thực tế, kết hợp với BIM.

  1. Xử lý các hình khối kiến trúc tự do, phối hợp với các BIM tool truyền thống để tạo ra tài liệu xây dựng hoàn chỉnh theo xu hướng BIM.

Các công cụ quan trọng để tiếp cận Computational Design là các phần mềm Visual program (lập trình trực quan) đại diện là hai phần mềm Grasshoper và Dynamo, một phần mềm được viết thêm từ phần mềm dựng 3D, Rhino, một phần mềm mới được phát triển thêm để phối hợp với Revit. Người thiết kế tạo ra các cấu trúc kiến trúc tự do thông qua visual program, sau đó sử dụng các Plugin chuyên dụng trích xuất ra các thông tin hình học chủ chốt, cuối cùng tái thiết lập mô hình trong các phần mềm tạo lập mô hình BIM, từ đó thiết lập tài liệu theo khuynh hướng BIM

  1. Tối ưu hóa (Optimization) các thiết kế được định hình

Đây là một xu hướng áp dụng Computational Design khá quan trọng trong thực tế. Người thiết kế đặt các điều kiện và thiết lập các quá trình logic tính toán, phần mềm sẽ tìm ra các giải pháp tối ưu theo điều kiện một cách nhanh chóng để người thiết kế lựa chọn.

  1. Form-Finding: Tìm kiếm giải pháp bằng phương pháp gián tiếp.

Trong lĩnh vực nghiên cứu Computational Design, tin vui là Việt Nam có những chuyên gia xuất sắc được thế giới biết đến. KTS Nguyễn Phước Long là một trong những người như vậy, anh đang công tác tại viện IDC thuộc Đại học Stuttgart, là tác giả của Dyna Shape, phần mềm lập trình trực quan được mở rộng từ phần mềm Dynamo.

Dyna Shape cho phép tìm kiếm, mô phỏng các hình dáng kiến trúc khả dụng, thông qua các nguyên lý toán học, vật lý cơ bản, phương pháp đã được các KTS như Antoni Gaudi áp dụng từ thế kỷ 19.

Dự án thực tế của văn phòng Zaha Hadid khi áp dụng công cụ này để tìm kiếm hình dáng và giải pháp tối ưu cho mái kính của công trình.


Các ví dụ về phương pháp này được mô phỏng trực quan trên phần mềm, mô phỏng các hình khối phát sinh khi áp dụng các quy luật toán học và vật lý, như kéo căng một vài điểm tạo các vùng lõm trên một bề mặt. Các mô phỏng chính xác và hoàn hảo đúng với các quy luật vật lý trong tự nhiên.
Dyna Shape được mở rộng từ Dynamo nên có thể dễ dàng phối hợp với Revit để tạo ra dữ liệu xây dựng theo khuynh hướng BIM cho các cấu trúc kiến trúc có hình học phức tạp

  1. Design Exploration & Generative Design: Khám phá rất nhiều các giải pháp cho một bài toán thiết kế
  2. Một hướng áp dụng quan trọng của Computational Design trong thực tế là khám phá trực quan nhiều giải pháp thiết kế cho một vấn đề cần giải quyết.

Ví dụ về việc tận dụng năng lực điện toán, để có thể đề xuất rất nhiều giải pháp sắp xếp mặt bằng, với các modun kiến trúc được chuẩn hóa. Mỗi phương án tạo ra được tính điểm và tạo ra đồ thị so sánh các mức độ ưu tiên mà phương án đó nhắm đến.

Thay lời kết


Ngành công nghiệp xây dựng đang có những đột phá quan trọng nhờ sự hỗ trợ của máy tính. Sự thay đổi đến từ mọi khía cạnh, thiết kế, thi công, chế tạo sẵn, vận hành công trình, một thực tế đang đặt ra “Dữ liệu (Data) thiết lập mọi vấn đề xây dựng trong thời gian tới”.

Các công cụ lập trình trực quan (visual program) ra đời thay đổi cách làm việc của các KTS, kỹ sư trong tương lai gần. Chuyên môn về nghề nghiệp được lập trình cá thể hóa ứng với mỗi giải pháp cụ thể trong từng dự án cụ thể. Ranh giới nghề nghiệp giữa các chuyên ngành khác nhau trong xây dựng sẽ không rõ ràng, các vùng giao thoa công việc chuyên môn sẽ nhiều hơn, đòi hỏi kỹ năng và kiến thức nhiều hơn nữa trong tương lai.

Các thiết kế kiến trúc có hình dạng đột phá có thể hiện thực hóa dễ dàng hơn, với các tiến bộ của khoa học máy tính. Tối ưu hóa về không gian, vật liệu, năng lượng và giải pháp xây dựng là hướng đi quan trọng với kiến trúc xây dựng. Sự dễ dàng trong tạo hình kiến trúc trên máy tính, cũng dễ dẫn đến các thiết kế chỉ nhắm đến việc thỏa mãn thị giác cho các không gian kiến trúc, mà quên đi các vấn đề cốt lõi của nghề nghiệp. Kiến trúc được hình thành bởi “không gian cấu trúc và bao che” nhưng cần nhất phải giải quyết cụ thể một nhu cầu nào đó về công năng với sự hỗ trợ của công nghệ, chứ không chỉ có mỗi hình ảnh thị giác.

Đối tượng trung tâm trong các dự án xây dựng sẽ là dữ liệu – “Data”, các thiết kế được chứng minh kiểm nghiệm với sức mạnh điện toán trước khi được thi công thực tế. Ra quyết định dựa trên kinh nghiệm và trải nghiệm nghề nghiệp sẽ ít rủi ro hơn, khi có thêm sự hỗ trợ tính toán chứng thực của khoa học máy tính.

Trả lời

Email của bạn sẽ không được hiển thị công khai. Các trường bắt buộc được đánh dấu *