Xác định vị trí cẩu tháp trong công trường xây dựng dựa trên nền tảng bim

Mục đích của bài báo này là phát triển một phương pháp tích hợp, kết hợp với mô hình hóa thông tin xây dựng BIM và thuật toán di truyền đa mục tiêu và phân loại không trội NSGA-II để tự

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

-

NGÔ XUÂN VĨNH

XÁC ĐỊNH VỊ TRÍ CẨU THÁP TRONG CÔNG TRƯỜNG XÂY DỰNG

DỰA TRÊN NỀN TẢNG BIM

Chuyên ngành: Quản Lý Xây Dựng

Mã số: 60580302

LUẬN VĂN THẠC SĨ

TP HỒ CHÍ MINH, tháng 01 năm 2019

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA –ĐHQG -HCM Cán bộ hướng dẫn khoa học : PGS TS Phạm Hồng Luân

Thành phần Hội đồng đánh giá luận văn thạc sĩ gồm:

1 PGS TS Lương Đức Long – Chủ tịch hội đồng

2 TS Trần Đức Học – Thư ký

3 TS Nguyễn Anh Thư – Cán bộ phản biện 1

4 TS Đặng Thị Trang – Cán bộ phản biện 2

5 TS Đỗ Tiến Sỹ – Uỷ viên

Xác nhận của Chủ tịch Hội đồng đánh giá LV và Trưởng Khoa quản lý chuyên ngành sau khi luận văn đã được sửa chữa (nếu có)

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ

Ngày, tháng, năm sinh: 23/07/1993 Nơi sinh: Long An

I TÊN ĐỀ TÀI: Xác định vị trí cẩu tháp trong công trường xây dựng dựa trên nền tảng BIM NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG:

Phân tích các vị trí có thể đặt cẩu tháp trong công trường

Sử dụng ngôn ngữ lập trình thị giác Dynamo-BIM để đánh giá chính xác khả năng vận chuyển của cẩu tháp tại từng vị trí trong công trường

Ứng dụng thuật toán di truyền đa mục tiêu NSGA-II tìm ra vị trí cẩu tháp tối ưu cho cả 2 yếu tố: yếu tố kỹ thuật (đáp ứng đầy đủ mọi yêu cầu vận chuyển cấu kiện, vật tư…) và yếu tố thời gian (giảm thiểu tiến độ thi công)

So sánh kết quả của từng phương án bố trí cẩu tháp, đưa ra lựa chọn phù hợp về số lượng cẩu tháp phục vụ công trình và dự đoán tiến độ thi công công trình

II NGÀY GIAO NHIỆM VỤ : 15/01/2018

III NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: 02/12/2018

IV.CÁN BỘ HƯỚNG DẪN: Phó Giáo sư, Tiến sĩ PHẠM HỒNG LUÂN

Tp HCM, ngày 02 tháng 12 năm 2018

TRƯỞNG KHOA

LỜI CÁM ƠN

Đầu tiên, tôi xin bày tỏ lòng biết ơn chân thành đến PGS.TS Phạm Hồng Luân đã tận tình hướng dẫn, truyền đạt kiến thức, kinh nghiệm cho tôi trong suốt thời gian thực hiện luận văn Xin chân thành cảm ơn quý thầy cô Khoa Kỹ thuật Xây dựng, đặc biệt là các thầy cô thuộc ngành Quản lý xây dựng đã tận tình hỗ trợ và truyền đạt kiến thức cho tôi trong suốt quá trình học tập tại trường

Xin cảm ơn các bạn bè, đồng nghiệp tại cơ quan nơi tôi công tác đã truyền đạt kinh nghiệm thực tế và tạo điều kiện tốt nhất cho tôi trong quá trình thực hiện luận văn Cảm ơn cộng đồng kiến trúc sư, kỹ sư thuộc diễn đàn https://forum.dynamobim.com đã giúp đỡ tôi rất nhiều trong quá trình nghiên cứu

Cuối cùng, xin cảm ơn cha mẹ tôi đã hết lòng tạo điều kiện cho tôi trong suốt quá trình học tập và thực hiện luận văn

TP Hồ Chí Minh, ngày 02 tháng 12 năm 2018

và phức tạp Vấn đề thực tế này làm cho việc tìm vị trí cẩu tháp được giải quyết tùy thuộc vào kinh nghiệm của các nhà thiết kế, phương pháp chỉ là bằng cách giả định và thông qua thử và sai

Mục đích của bài báo này là phát triển một phương pháp tích hợp, kết hợp với mô hình hóa thông tin xây dựng (BIM) và thuật toán di truyền đa mục tiêu và phân loại không trội (NSGA-II) để tự động tạo ra một sơ đồ bố trí cần cẩu tháp tối ưu Thứ nhất, BIM được sử dụng để cung cấp đầu vào cho mô hình toán học Sau đó, NSGA-II được sử dụng để xác định vị trí tối ưu của cần cẩu tháp và điểm cung cấp thông qua chương trình Dynamo BIM Cuối cùng, sơ đồ bố trí cần cẩu tháp tối ưu sẽ được hiển thị và đánh giá thông qua mô phỏng dựa trên BIM

ABSTRACT

Site layout planning is a complicated problem due to the existence of a vast number of interrelated planning constraints In particular, tower crane is an important component of temporary site layout facilities in most construction projects Determining the position of tower cranes is an essential task of layout planning that can reduce conflicts between groups

of tower cranes, which is the content of this study The tower crane layout planning on site depends on many relevant factors, including site constraints, shape and size of the buildings, crane type, and construction site layout… These factors vary from one project to another, resulting to a variety of complex strategies and approaches of site layout This fact makes the crane position problem impractical to be solved depending on experience of

practitioners

The purpose of this paper is to develop an integrated approach which combines Building Information Modelling (BIM) and A Fast and Elitist Multiobjective Genetic Algorithm (NSGA-II) to automatically generate an optimal tower crane layout plan Firstly, BIM is utilised to provide inputs for the mathematical model Then the NSGA-II is used to

determine the optimal locations of tower cranes and supply points through Dynamo BIM program Finally, the optimal tower crane layout scheme will be visualised and evaluated through BIM-based simulation

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu do chính tôi thực hiện Các số liệu, kết quả phân tích trong luận văn là hoàn toàn trung thực và chưa từng được ai công bố trong bất

kỳ công trình nghiên cứu nào trước đây

TP Hồ Chí Minh, ngày 02 tháng 12 năm 2018

Ngô Xuân Vĩnh

MỤC LỤC

1 ĐẶT VẤN ĐỀ 12

1.1 Giới thiệu chung 12

1.2 Xác định vấn đề nghiên cứu 13

Lý do hình thành nghiên cứu 13

Xác định vấn đề nghiên cứu 14

1.3 Sự cần thiết của nghiên cứu này 14

1.4 Mục tiêu nghiên cứu 14

1.5 Phạm vi nghiên cứu 15

1.6 Đối tượng nghiên cứu 15

2 TỔNG QUAN 16

2.1 Các nghiên cứu trước đây có liên quan đến đề tài 16

2.2 Phân tích một số công trình nghiên cứu trước đó 16

2.3 Tổng hợp thông tin lựa chọn cẩu tháp trong công trình xây dựng 21

Thông số cơ bản của cẩu tháp 21

Tổng hợp các loại cẩu tháp phổ biến hiện nay 21

Vị trí đặt cẩu tháp 26

Một số mâu thuẫn giữa tính năng kỹ thuật cẩu tháp với nhu cầu thi công và cách giải quyết 27

2.4 Phân tích, đánh giá lựa chọn xe cẩu và cẩu tháp 29

Phân tích dựa trên chức năng sử dụng 29

Phân tích dựa trên chi phí thực tế 30

Sự chênh lệnh chi phí thuê của các loại cẩu tháp 32

2.5 Kết cấu bê tông lắp ghép, kết cấu thép, khuynh hướng cho tương lai 33

2.6 Ứng dụng Dynamo cho dự án BIM trong giai đoạn lập kế hoạch 33

Giới thiệu 33

Tổng quan về Dynamo 34

3 PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 37

3.1 Quy trình thực hiệnnghiên cứu 37

3.2 Quy trình bố trí cẩu tháp tự động dựa trên nền tảng BIM 38

Trình tự nghiên cứu tổng quát 38

Quy trình bố trí cẩu tháp tự động dựa trên nền tảng BIM 39

3.3 Thuật toán di truyền trong tìm kiếm vị trí tối ưu cho cẩu tháp 40

Khái niệm cơ bản 40

Giới thiệu về Optimo 40

3.4 Tính toán thời gian nâng hạ cho cẩu tháp 45

Cơ sở lý thuyết tính toán 45

3.5 Công cụ nghiên cứu 48

4 ÁP DỤNG THUẬT TOÁN NGHIÊN CỨU VÀO MÔ HÌNH CỤ THỂ 49

4.1 Giới thiệu tổng quan công trình 49

4.2 Các điều kiện ràng buộc khi áp dụng mô hình 50

4.3 Thông số đầu vào mô hình 51

Phần dữ liệu đầu vào mô hình 51

Phần khởi tạo 52

4.4 Mô tả phương pháp phân tích vị trí 54

Phân loại thang đánh giá kết quả nâng (Lift status) 56

Thông số đầu vào cẩu tháp được tổng hợp đưa vào trong mô hình 57

Đánh giá kết quả thông qua điểm số nâng (Lift score) 57

Hiện thị kết quả ra Revit 58

4.5 Trường hợp 1: Xác định vị trí tối ưu cho cẩu tháp đơn 62

Phương pháp 1: Kết hợp yếu tố thời gian với các vị trí đã xác định để tìm vị trí tối ưu 62

Phương pháp 2: Tối ưu vị trí cẩu tháp sử dụng thuật toán NSGA-II tính toán cho

hàm đa mục tiêu 67

4.6 Trường hợp 2: Bố trí tối ưu cho hai cẩu tháp 68

Phuơng pháp 1: Kết hợp yếu tố thời gian với các vị trí đã xác định để tìm vị trí tối ưu 69

Phương pháp 2: Tối ưu vị trí cẩu tháp sử dụng thuật toán NSGA-II tính toán cho hàm đa mục tiêu 77

Xác định vị trí tối ưu cho cẩu tháp với nhiều điểm cung 80

4.7 Trường hợp 3: Bố trí tối ưu cho 3 cẩu tháp 82

Phân tích yếu tố thời gian cho 3 cẩu tháp cùng làm việc 84

Trình tự tính toán kết hợp thời gian hoạt động của 3 cẩu tháp 85

4.8 Tổng hợp phân tích lựa chọn kết quả bố trí cẩu tháp 87

Phân tích vị trí tối ưu cho một cẩu tháp 87

Phân tích vị trí tối ưu cho 2 cẩu tháp 90

Kết luận 97

5 KẾT LUẬN 98

5.1 Kết luận 98

Đóng góp nghiên cứu về mặt thực tiễn 98

Về mô phỏng ứng dụng công nghệ BIM kết hợp Dynamo 98

6 TÀI LIỆU THAM KHẢO 100

DANH MỤC HÌNH ẢNH

CHƯƠNG 2: TỔNG QUAN

Hình 2-1 Mô hình mô phỏng đặc biệt SPS của Mohamed Al-Hussein và công sự 19

Hình 2-1 Cẩu tháp MCR160 21

Hình 2-3 Cẩu tháp Mci85A 22

Hình 2-4 Cẩu tháp MC175B 23

Hình 2-5 Cẩu tháp MCT205 25

Hình 2.6 Cẩu tháp QTZ 7030 26

Hình 2 7 Biểu đồ so sánh chi phí thuể cẩu tháp MCi85a và xe cẩu 50t 30

Hình 2 8 Biểu đồ so sánh chi phí thuể cẩu tháp MC205B và xe cẩu 50t 31

Hình 2 9 Biểu đồ so sánh chi phí thuể cẩu tháp QTZ7030B-16 và xe cẩu 50t 31

Hình 2 10 Biểu đồ so sánh chi phí thuê cẩu tháp MCI85A, MC205B, QTZ 7030B-16 32

Hình 2-11 Biểu đồ so sánh chênh lệch giá thuê cẩu tháp MCI85A, MC205B, QTZ 7030B-16 32

Hi ̀nh 2-12 Giao diện Dynamo 34

Hình 2-13 Mô tả mối quan hệ giữa các nút 35

Hình 2-14 Sử dụng Dynamo để phân tích mối quan hệ giữa khối dáng và âm thanh trong công trình 36

CHƯƠNG 3: PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU Hình 3-1 Quy trình nghiên cứu luận văn 37

Hình 3-2 Quy trình thực hiện tổng quát trên Dynamo – BIM 38

Hình 3-3 Sơ đồ hệ thống bố trí tự động trên nền tảng BIM 39

Hình 3-4 Sơ đồ làm việc thuật toán NSGA-II 41

Hình 3-5 Sơ đồ thuật toán Optimo trong Dynamo 42

Hình 3-6 Thông số đầu vào thuật toán GA 42

Hình 3-7 Bước tính toán, chạy vòng lặp 43

Hình 3-8 Toạ độ các điểm cung và điểm cầu 45

Hình 3-9 Biểu đồ vận tốc nâng của móc cẩu theo khối lượng nâng (MC175B) 47

CHƯƠNG 4: ÁP DỤNG THUẬT TOÁN NGHIÊN CỨU VÀO MÔ HÌNH CỤ THỂ Hi ̀nh 4-1 Phối cảnh công trường - bố trí cẩu tháp 49

Hình 4-2 Mặt bằng bố trí công trường 49

Hình 4-3 Các bước thu thập phần tử tham gia vận chuyển 51

Hình 4-4 Các thông số đầu vào mô hình 52

Hình 4-5 Thông số cẩu tháp 52

Hình 4-6 Xác định toạ độ cho các cấu kiện 53

Hình 4-7 Xác định khối lượng cấu kiện 53

Hình 4-8 Toạ độ điểm cung 54

Hi ̀nh 4-9 Bộ phân tích dữ liệu đầu vào để đưa ra điểm đánh giá 55

Hi ̀nh 4-10 Sơ đồ phân tích điểm số nâng và thời gian vận hành của cẩu tháp 56

Hi ̀nh 4-11 Thang số đánh giá này dùng để thể hiện màu sắc các cấu kiện trên Revit 56

Hi ̀nh 1-12 Điểm số nâng được viết bằng Code Block trong Dynamo 57

Hình 4-13 Với việc sử dụng bộ lọc trong Revit, phần mềm có thể nhóm các phần tử dựa trên giá trị của thông số “Lift status”, “Lift time”, “Assign task” 59

Hi ̀nh 4-14 Tạo bộ lọc cho “Lift time”, “Assign task” và “Lift status” ứng với 4 trạng thái & cài đặt hiển thị màu cho từng “Lift status” 61

Hi ̀nh 4-15 Ảnh minh họa kết quả hiển thị màu 61

Hình 4-16 Tổng quan phương pháp 1 cho một cẩu tháp 62

Hình 4-17 Nhóm nút tính toán thời gian cho các vị trí đặt cẩu tháp riêng lẻ 62

Hình 4-18 Bộ lọc giá trị “Filtercrane”dùng cho trường hợp 1 cẩu tháp 63

Hình 4-19 Nút tính toán thời gian hoạt động cho một cẩu tháp 63

Hình 4-20 Vận tốc đầu vào: vận tốc xe con, vận tốc nâng / hạ khi có tải, vận tốc nâng / hạ khi không có tải, vận tốc quay quanh trục thân cẩu 64

Hình 4-21 Nút thu thập số liệu vận tốc (cẩu tháp MCT205) 64

Hình 4-22 Kiểm tra các phần tử nằm trong hay ngoài tầm với của cẩu tháp 65

Hình 4-23 Kiểm tra khả năng nâng tải của cẩu tháp tại vị trí cấu kiện đang xét 65

Hình 4-24 Kiểm tra khả năng nâng tải ứng với tầm với nhất định 65

Hình 4-25 Tổng quan các bước tính toán trạng thái nâng “Lift status” 65

Hình 4-26 Tổng quan các bước tính toán thời gian cho từng cấu kiện 65

Hình 4-27 Nhóm nút tính toán thời gian cho cẩu tháp đơn 66

Hình 4-28 Nhóm nút thực hiện gán thời gian “Lift time” cho từng cấu kiện Revit 66

Hình 4-29 Kết quả hiện thị thời gian cho từng cấu kiện 66

Hình 4-30 Tổng quan phương pháp 5 67

Hình 4-31 Phân tích vị trí cẩu tháp 67

Hình 4-32 Nút phân tích thời gian hoạt động 67

Hình 4-33 Chuỗi nút triển khai phân tích thời gian cho một cẩu tháp 68

Hình 4-34 Hình ảnh minh hoạ bố trí 2 cẩu tháp trong công trường 69

Hình 4-35 Tổng quan phương pháp 1 69

Hình 4-36 Bộ truy xuất toạ độ bố trí cẩu tháp 70

Hình 4-37 Chi tiết xử lý của bộ lọc toạ độ “FilterDoubleCrane” dùng cho trường hợp 2 cẩu tháp 70

Hình 4-38 Bộ tính toán thời gian “Tinh toan thoi gian hoat dong cho 2 cau thap” 71

Hình 4-39 Tổng quan về bộ xử lý thời gian, tính toán thời gian cho 2 cẩu tháp 71

Hình 4-40 Vùng làm việc của 2 cẩu tháp 72

Hình 4-41 Chuỗi xử lý tách thời gian của từng cẩu tháp là T1, T2, T3, T4 73

Hình 4-42 Nhóm nút thực hiện gán thời gian “Lift time” cho từng cấu kiện trong Revit 73

Hình 4-43 Tạo Filter trong Revit 74

Hình 4-44 Kết quả hiện thị thời gian cho từng cấu kiện được tích hợp vào bảng Properties của Revit 75

Hình 4-45 Nút tính toán thời gian và gán các tác vụ lên từng cấu kiện nâng 75

Hình 4-46 Nhóm nút thực hiện gán các tạc vụ của từng cẩu tháp lên mỗi cấu kiện 76

Hình 4-47 Tạo Filter “Assign task” trong Revit 76

Hình 4-48 Kết quả hiển thị nhiệm vụ cho từng cấu kiện, trong hình vị trí cấu kiện được gán cho cẩu tháp số 2 77

Hình 4-49 Tổng quan phương pháp 2 77

Hình 4-50 Chuỗi phân tích vị trí cẩu tháp 78

Hình 4-51 Hàm mục tiêu số 2 78

Hình 4-52 Chuỗi nút triển khai hàm mục tiêu thời gian cho hai cẩu tháp 79

Hình 4-53 Nút tính toán thời gian hoạt động cho 2 cẩu tháp 79

Hình 4-54 Hàm mục tiêu số 3 79

Hình 4-55 Chuỗi nút triển khai hàm mục tiêu khoảng cách cho hai cẩu tháp 80

Hình 4-56 Tăng số lượng xe tải 80

Hình 4-57 Tổng cộng 5 hàm đa mục tiêu bao gồm 2 hàm mục tiêu đáp ứng tải trọng nâng và 2 hàm mục tiêu đáp ứng thời gian vận hành bên cạnh đó còn 1 hàm mục tiêu đảm bảo khoảng cách an toàn giữa 2 cẩu 81

Hình 4-58 Tổng quan phương pháp bố trí cho 3 cẩu tháp 82

Hình 4-59 Dữ liệu đầu vào 82

Hình 4-60 Khởi tạo dữ liệu 83

Hình 4-61 Bộ nút phân tích xác định vị trí cẩu tháp tối ưu 83

Hình 4-62 Phần đánh giá kết quả 84

Hình 4-63 Chuỗi tính toán thời gian cho 3 loại cẩu tháp 84

Hình 4-64 Ba loại cẩu tháp hoạt động cùng một lúc 84

Hình 4-65 Phần kiểm tra xem xét phân loại cấu kiện (cấu kiện thuộc trạng thái có thể nâng sẽ được thông qua) 85

Hình 4-66 Phần tính toán thời gian hoạt động của từng loại cẩu tháp đối với cấu kiện 86

Hình 4-67 Phần phối hợp cùng hoạt động của 3 loại cẩu tháp 86

Hình 4-68 Toạ độ đặt cẩu tháp sau khi chạy thuật toán NSGA-II 87

Hình 4-69 Toạ độ đặt cẩu tháp sau khi chạy thuật toán NSGA-II - đa mục tiêu 89

Hình 4-70 Toạ độ đặt cẩu tháp sau khi chạy thuật toán NSGA-II 91

Hình 4-71 Toạ độ điểm đặt cẩu tháp khi chạy thuật toán NSGA-II – đa mục tiêu 93

Hình 4-72 Tổng quan thuật toán tính thời gian 94

Hình 4-73 Tính thời gian hoạt động cho cẩu tháp số 1 (T1+T3), và cẩu tháp số 2 (T2+T4) 94

Hình 4-74 Thời gian vận hành đối với từng cấu kiện của cẩu tháp số 1 95

Hình 4-75 Tổng chu kì nâng hạ của cẩu tháp số 2 95

Hình 4-76 Gán thời gian cho từng cấu kiện 96

Hình 4-77 Hiển thị thời gian cho từng cấu kiện trong Revit 96

1 ĐẶT VẤN ĐỀ

1.1 Giới thiệu chung

Ngày nay, hầu hết các công trình xây dựng, chủ đầu tư đều rất quan tâm đến ngân sách, chất lượng thi công và đặc biệt là tiến độ xây dựng Chính vì vậy, việc sử dụng thiết bị xây dựng có hiệu quả là cần thiết để hoàn thành thành công các dự án Các thiết

bị, máy móc xây dựng hiện đại ngày nay đang là gánh nặng tài chính lớn cho các dự án

và có thể gây ra thiệt hại về kinh tế nếu không sử dụng hiệu quả Cẩu tháp là một trong những thiết bị xây dựng tốn kém, đóng vai trò quan trọng trong các công trình xây dựng, đặc biệt là trong các dự án xây dựng cao tầng Các hoạt động phụ thuộc vào cẩu tháp thường là những dự án có yêu cầu tiến độ thi công nhanh Do đó, việc lên kế hoạch bố trí cẩu tháp có thể nâng cao hiệu quả dự án, đẩy nhanh tiến độ xây dựng [1]

Những ảnh hưởng từ việc thiết kế vị trí lắp đặt cẩu tháp trong công trường xây dựng luôn là vấn đề đặt ra đầu tiên trong quá trình lập biện pháp thi công Để vận chuyển những vật liệu tải trọng nặng chẳng hạn như bó thép, ván khuôn, giàn giáo, công cụ thi công khác lên một độ cao hoặc đến một vị trí mong muốn, cẩu tháp là phương tiện thực hiện hiệu quả nhất tính đến hiện nay Việc đặt cẩu tháp cần được định vị một cách tối

ưu nhất để giảm được thời gian vận chuyển, chi phí thi công và tăng độ an toàn

Để tạo thuận lợi cho quá trình thiết kế bố trí cẩu tháp, nhiều phương pháp toán học

đã được phát triển Tuy nhiên, việc lập mô hình tính toán vận hành cẩu tháp đáp ứng cho các yêu cầu vận chuyển của một công trình xây dựng là một công việc phức tạp và tốn rất nhiều thời gian và công sức lên kế hoạch bố trí Ngoài ra, hầu hết các bố trí cẩu tháp hiện tại hệ thống đòi hỏi một số lượng lớn các biến dự án cụ thể để nhập và cập nhật bằng tay tốn rất nhiều thời gian Để khắc phụ những vấn đề này, nghiên cứu này đề xuất một hệ thống lập kế hoạch bố trí cẩu tháp tự động bằng cách tận dụng công nghệ BIM (Building Information Modeling) BIM đang nổi lên như là một phương pháp sáng tạo, chia sẻ, trao đổi và quản lý thông tin trong suốt vòng đời của tất cả các bên liên quan Có nhiều loại thông tin được lưu trữ trong mô hình BIM bao gồm dữ liệu không gian 3 chiều (3D), dữ liệu tiến độ (4D), dữ liệu chi phí (5D) … Bên cạnh đó, Dynamo nổi lên là một ứng dụng lập trình có thể tính toán và cho hiển thị trực quan lên trên mô hình gồm những dữ liệu đầu vào và đầu ra không cần quan tâm đến câu lệnh Ngoài ra, việc sử dụng lập trình kết hợp với mô hình BIM đảm bảo cho những dữ liệu phối hợp

hơn, đáng tin hơn, chất lượng tốt hơn và nhất quán hơn so với dữ liệu truyền thống, bất

kể sự thay đổi nào trong BIM sẽ tự động kích hoạt sự điều chỉnh của tất cả các yếu tố liên quan và để đảm bảo chất lượng nghiêm ngặt [2]

1.2 Xác định vấn đề nghiên cứu

Lý do hình thành nghiên cứu

Các dự án xây dựng đang ngày càng trở nên phức tạp và chi phí dự toán cao trong những năm gần đây Tuy nhiên, trong suốt quá trình lên kế hoạch ban đầu và chiến lược quản lý việc đưa ra quyết định làm dự án còn phụ thuộc chủ yếu vào kinh nghiệm, trực giác hoặc linh cảm Đã có một vài phương pháp tiếp cận để tăng khả năng đưa ra quyết định từ các nghiên cứu khoa học quản lý Do đó, nhiều quyết định đưa ra trong ngành công nghiệp xây dựng trở nên đa dạng từ nhà quản lý này đến nhà quản lý khác dù cho vấn đề cơ bản là giống nhau Tuy nhiên, có nhiều quá trình quyết định mà trong đó quy trình cơ bản của nó bị hạn chế bởi các yếu tố vật lý Bố trí công trường thi công và cẩu tháp là một ví dụ điển hình cho quá trình lên kế hoạch ra quyết định Vấn đề này rất thích hợp cho giải pháp sử dụng yếu tố kỹ thuật trong khoa học quản lý [3]

Đối với công trình siêu cao tầng, cẩu tháp là chìa khóa tiện lợi cho sự vận chuyển hàng hóa theo phương đứng, đặc biệt là đối với những cấu kiện chế tạo sẵn có trọng lượng lớn và những tấm ván khuôn… Trong vấn đề này, vị trí cẩu tháp và vị trí cung ứng vật tư trở nên cực kì quan trọng trong quá trình lên kế hoạch cơ sở bố trí địa điểm trong công trình xây dựng [4]

Mặc khác, đối với một dự án có quy mô lớn, một cẩu tháp không thể đáp ứng hết tất

cả các điểm cung ứng vật tư và các điểm yêu cầu vận chuyển đến dù các điểm đó nằm trong tầm bao phủ của cẩu tháp hoặc cẩu tháp bị quá tải do công trình có yêu cầu cao về tiến độ, vì vậy cần có nhiều cẩu tháp làm việc cùng lúc, các cẩu tháp đảm nhiệm một vai trò vận chuyển khác nhau Có nhiều nhân tố ảnh hưởng đến vị trí cẩu tháp Vì lợi ích

an toàn và hiệu quả trong lúc vận hành, các cẩu tháp nên được đặt xa nhau có thể để tránh sự trở ngại và va chạm, với điều kiện là tất cả các nhiệm vụ đều có thể được thực hiện được Tuy nhiên, ý tưởng đó khó có thể đạt được trong thực tế vì những ràng buộc

về không gian làm việc và những giới hạn của cần cẩu Cần cẩu có thể trùng lắp là điều không thể tránh khỏi Thêm vào đó, các trở ngại và sự va chạm có thể xảy ra thậm chí cần cẩu đã được bố trí khác cao độ làm việc [5]

Xác định vấn đề nghiên cứu

Tóm lại, nhiều nghiên cứu trước đã nêu ra được các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình lên kế hoạch bố trí cẩu tháp và các nghiên cứu cũng đưa ra cách tiếp cận khác nhau để giải quyết vấn đề tối ưu hóa vị trí và thời gian vận chuyển của cẩu tháp, các vấn đề đó

đã được công bố và phần lớn đã chứng minh được giá trị ứng dụng của chúng Tuy nhiên, quá trình nhập liệu thủ công là tốn thời gian cùng với đó là sự hạn chế việc sử dụng các mô hình này trong thực tế Ngoài ra, đầu ra của các mô hình toán học này là trừu tượng và thường khó hiểu đối với các nhà quy hoạch

Để giải quyết bài toán trên, nghiên cứu này sẽ xây dựng mô hình thuật toán nhằm đưa

ra kết quả tối ưu nhất cho vị trí cẩu tháp Tối ưu hóa bố trí cẩu tháp là tìm ra vị trí tối ưu của cẩu tháp ngoài các giải pháp thay thế có sẵn để thỏa mãn yêu cầu Các tiêu chí này

có thể bao gồm: khả năng đáp ứng khối lượng công việc và giảm tổng thời gian vận hành cẩu tháp hoặc giảm thiểu sự xung đột về không gian giữa các tay cần của cẩu tháp

và các tài nguyên di chuyển khác trên khu vực

1.3 Sự cần thiết của nghiên cứu này

Hiện nay, đa số các cẩu tháp được bố trí dựa trên kinh nghiệm của người lập biện pháp thi công, hoàn toàn không có một công cụ đánh giá cụ thể nào Điều đó dẫn tới những bất cập trong quá trình thi công, chẳng hạn như: cẩu tháp không nâng được tải theo yêu cầu, cẩu tháp không đáp ứng được tiến độ thi công, vướng chướng ngại vật Mặt khác, việc tính toán bằng những phương pháp thủ công mất quá nhiều thời gian, trong khi đó, việc áp dụng những nghiên cứu trước không khả thi do sự trừu tượng trong tính toán, thiếu sự trực quan

Chính vì vậy, nghiên cứu này được hình thành để giải quyết 5 vấn đề sau: bố trí đáp ứng tải nâng theo từng vị trí yêu cầu, giảm thiểu thời gian hoạt động cẩu tháp, tăng tính trực quan, tính ứng dụng cao, tiết kiệm thời gian lập kế hoạch

1.4 Mục tiêu nghiên cứu

- Đánh giá tất cả các vị trí có thể bố trí cẩu tháp và đề xuất vị trí tối ưu cho cẩu tháp

- Mô phỏng không gian thực hiện công tác thi công trong mô hình BIM Phát hiện

và giải quyết xung đột không gian thi công

- Ứng dụng thuật toán di truyền NSGA-II, giúp tìm ra vị trí thích hợp nhất, tận dụng hết khả năng của cẩu tháp

- Dự đoán tiến độ thi công thông qua việc xác định thời gian hoạt động của cẩu tháp

1.5 Phạm vi nghiên cứu

- Nghiên cứu mô hình BIM tích hợp tính năng lập trình từ Dynamo, thiết lập cơ

sở dữ liệu và hệ thống tính toán tự động cho từng trường hợp với từng vị trí cẩu tháp thay đổi và nhiều vị trí nguồn “cung”, “cấp” được đặt cố định trong công trường

- Định vị tọa độ, bố trí cẩu tháp cho một công trình cụ thể

- So sánh, đánh giá khối lượng vận chuyển của một cẩu tháp ở nhiều vị trí khác nhau trong một công trình, tính toán thời gian tương đối của từng vị trí

- Tính chất, đặc trưng của đối tượng nghiên cứu: Các dự án công trình dân dụng nhà nhiều tầng (kết cấu lắp ghép) trong giai đoạn thi công phần thân

1.6 Đối tượng nghiên cứu

- Các công trình đang xây dựng hiện nay trong thành phố Hồ Chí Minh

- Phầm mềm ứng dụng mô phỏng BIM và phần mềm lập trình Dynamo

2 TỔNG QUAN

2.1 Các nghiên cứu trước đây có liên quan đến đề tài

hành

1 W.E

Rodriguez-Ramos, R.L Francis Single crane location optimization

Vol.109 Issue 4

1983

2 Shuzo Furusaka

& Colin Gray

A model for the selection of the optimum crane for construction sites

Vol 2 Issue 2

construction

Vol 21 Issue 3

Vol.15 Issue 4

2006

7

M Al-Hussein, M.Athar Niaz, H.Yu,

programming

Vol 20 Issue 5

2011

9 J Yang, P Vela, Ph.D

M.ASCE, J Teizer, Z Shi

Vision-based tower crane tracking for understanding construction activity

Vol.28 Issue 1

Xiangyu Wang, Bo Xu,

Mi Jeong Kim, Peng Wu

A BIM-based approach for automated tower crane layout planning 2015

12

Mohammed Adel Abdelmegid, Khaled

Mohamed Shawki, Hesham Abdel-Khalek

GA optimization model for solving tower crane location problem in

construction sites

2015

2.2 Phân tích một số công trình nghiên cứu trước đó

Năm 1983, Rodriguez-Ramos và Francis phát triển một toán học mô hình quy định

để thiết lập vị trí tối ưu của một cẩu tháp trong một công trường xây dựng Mục tiêu của

mô hình là giảm thiểu tổng chi phí vận chuyển giữa cẩu tháp và những vị trí cung ứng vật tư cho công trường Kỹ thuật được phát triển xem xét góc cạnh di chuyển của cần cẩu khi dịch chuyển vật tư [6]

Nghiên cứu này đã đi tiên phong trong lĩnh vực tối ưu hóa trong việc lên kế hoạch bố trí công trường Vì vậy còn nhiều vấn đề chưa được giải quyết triệt để Mô hình toán học hạn chế về số lượng cẩu tháp tham gia (bố trí một cẩu tháp) và chỉ dựa trên khía cạnh góc quay, vận tốc quay để tìm giải pháp tối ưu

Năm 1984, Shuzo Furusaka & Colin Gray nghiên cứu phương pháp định vị vị trí đặt cẩu tháp tại công trường thi công bằng cách sử dụng kỹ thuật toán học Việc tối ưu hóa

vị trí và lựa chọn cẩu tháp cho công trình là một phần quan trọng trong việc kế hoạch xây dựng Nghiên cứu đã đề xuất một thuật toán có thể định rõ chi phí tối thiểu (bao gồm chi phí thuê cẩu, chi phí lắp dựng và chi phí tháo dỡ) bằng cách tính toán và kết hợp sử dụng những loại cẩu tháp khác nhau chẳng hạn như xe cẩu, cẩu trục bánh xích, cẩu tháp cố định [3]

Những ràng buộc và giả thiết được sử dụng để tạo ra mô hình của Shuzo Furusaka & Colin Gray:

- Cẩu tháp thích hợp nhất là cẩu tháp có chi phí tối thiểu (bao gồm chi phí thuê cẩu, chi phí lắp dựng, chi phí tháo dỡ, chi phí vận hành)

- Chi phí thuê cẩu tháp được tính toán cho mỗi ngày làm việc từ lúc bắt đầu đến lúc hoàn thành công việc

- Tải trọng được nâng và tải trọng lớn nhất được xác định trước

- Tổng thời gian nâng bị ảnh hưởng bởi sự thay đổi của tốc độ nâng và tốc độ xoay của tùy từng loại cẩu tháp sẵn có

Nghiên cứu đã đưa ra những sơ đồ phân tích hợp lý tuy nhiên với thuật toán phức tạp, chi phí mang tính thời điểm và khả năng ứng dụng chưa cao Những ràng buộc trên cho thấy nghiên cứu chưa xem xét đến vị trí đặt cẩu tháp và bỏ qua sự nâng tải của cần cẩu theo từng vị trí đốt cẩu mà chỉ dựa vào tầm với và tải nâng lớn nhất

Năm 1999, mô hình tính toán đã được phát triển lên một tầm cao mới với nhiều cẩu

tháp, bài báo nghiên cứu của P Zhang et al được đăng trên Journal of Construction Engineering and Management

Một mô hình tin học hóa để tối ưu hóa vị trí của một nhóm cẩu tháp được trình bày Tiêu chí chọn vị trí là cân bằng khối lượng công việc, giảm thiểu khả năng xung đột lẫn

nhau, và đạt hiệu quả cao trong khi vận hành Ba mô hình phụ cũng được trình bày Đầu tiên, mô hình vị trí ban đầu phân loại các nhiệm vụ cho từng cẩu tháp trong nhóm và xác định vị trí khả thi cho mỗi cẩu tháp dựa theo hình học “Sự xích lại gần nhau” Thứ hai, các nhiệm vụ của nhóm được hiệu chỉnh để mang lại sự trơn tru trong công việc và giảm thiểu các xung đột Cuối cùng, một mô hình tối ưu cho một cẩu tháp được áp dụng

để tìm ra vị trí tối ưu trong thời gian vận chuyển tối thiểu Kết quả thử nghiệm và các bước cần thiết để thực hiện mô hình đã được thảo luận [5]

Kết quả mô hình mô phỏng ngẫu nhiên của P Zhang và các cộng sự chỉ ra rằng có thể tiết kiệm được từ 20-40% thời gian quay của cẩu tháp bằng việc sử dụng mô hình này Trong các dự án lớn, khi một cẩu tháp đơn lẻ không thể đáp ứng được yêu cầu xây dựng, và cần nhiều hơn thế để thực hiện các nhiệm vụ vận chuyển Để tối ưu vị trí cho một nhóm cẩu tháp cùng hoạt động, Zhang và các cộng sự đã phát triển một mô hình máy tính khác để cân bằng khối lượng công việc, giảm thiểu khả năng xung đột với nhau, và nâng cao hiệu quả hoạt động Tuy nhiên, các mô hình trên chỉ đưa ra các vị trí cẩu tháp với bố trí hình học được xác định trước của tất cả các điểm “cung” và “cầu”, cùng với số cẩu tháp Họ bỏ qua các hiệu ứng tương quan giữa các vị trí của cẩu tháp và các điểm “cung”, “cấp” và sự cạnh tranh không gian giữa các điểm cung cấp khác nhau Năm 2003, Theo C.M.Tam và Thomas K.L.Tong, việc lập kế hoạch bố trí công trường là một vấn đề phức tạp do sự tồn tại của một số lượng lớn các sự dịch chuyển vật

tư và các ràng buộc trong việc lập kế hoạch liên quan đến nhau Trong bài báo này, các mạng nơ-ron nhân tạo được sử dụng để mô hình hóa các hoạt động phi tuyến của một cẩu tháp - để xây dựng tòa nhà cao tầng Sau đó, các thuật toán di truyền được sử dụng

để xác định vị trí của cẩu tháp, điểm cung cấp và các điểm cầu bằng cách tối ưu hóa thời gian và chi phí vận chuyển Phạm vi của nghiên cứu này giới hạn trong một khu vực được xác định xây dựng: giai đoạn xây dựng khung bê tông kết cấu của các dự án nhà ở công cộng Mô hình thuật toán di truyền phát triển để bố trí công trường và mô hình mạng nơron nhân tạo để dự đoán các hoạt động cẩu tháp được đánh giá bằng một ví dụ thực tế Các kết quả tối ưu của ví dụ này rất hứa hẹn và nó thể hiện giá trị ứng dụng của các mô hình [4]

Hình 2-1 Mô hình mô phỏng đặc biệt SPS của Mohamed Al-Hussein và công sự [7]

Năm 2006, Mohamed Al-Hussein [7] đã nghiên cứu cách tích hợp mô hình 3D và mô phỏng cho các hoạt động của cần cẩu tháp trên các công trường xây dựng Bài viết này trình bày một phương pháp thực tế tích hợp hình ảnh 3D với (SPS) cho hoạt động của cần trục tháp Một hệ thống tích hợp đã được xây dựng trong môi trường 3D Studio MAX và được thử nghiệm trong quá trình xây dựng tòa nhà kỹ thuật dân dụng và môi trường mới tại Đại học Alberta Bài viết này chứng minh rằng trực quan 3D rất hữu ích trong việc xác minh và xác nhận kết quả mô phỏng và có thể truyền đạt hiệu quả bản chất của hoạt động mô phỏng, do đó cải thiện khả năng tiếp cận của mô phỏng như một trợ giúp ra quyết định

Năm 2014, Amir Zavichi đã phát triển một mô hình tối ưu cho chuỗi dịch vụ để cải tiến hiệu quả hoạt động của cẩu tháp Mô hình được đề xuất sử dụng lập trình số nguyên

và sửa đổi công thức “Traveling Salesman Problem (TSP)” cổ điển để tối ưu hóa các hoạt động cẩu tháp trong xây dựng Các ví dụ trong nghiên cứu đã chứng minh rằng việc

áp dụng mô hình tối ưu hóa phát triển có thể dẫn đến tiết kiệm 25-45% trong tổng thời gian đi lại của tay cần cẩu tháp tùy thuộc vào số lượng yêu cầu đồng thời [1]

Sau đó năm 2015, cùng với sự phát triển của công nghệ tin học BIM ra đời, nhóm Jun Wang và các cộng sự đã đề xuất một phương pháp bố trí cẩu tháp dựa trên nền tảng

cơ sở là BIM kết hợp với thuật toán đom đóm (FA) Các tác giả đã cho rằng thiết kế bố trí cẩu tháp và quy hoạch công trường xây dựng là vấn đề kỹ thuật xây dựng thường gặp

và được coi là vấn đề tổ hợp phức tạp Nghiên cứu trước đây tập trung vào việc sử dụng các phương pháp toán học hoặc các công cụ trực quan để tìm ra một sơ đồ bố trí cẩu tháp tối ưu Cả hai cách tiếp cận này đòi hỏi một lượng lớn dữ liệu thủ công đầu vào bởi các nhà lập kế hoạch bố trí, điều đó là tốn thời gian và không thực tế trong ngành công

nghiệp Mục đích của bài báo này là phát triển một phương pháp tích hợp kết hợp mô hình hóa thông tin xây dựng (BIM) và thuật toán Firefly (FA) để tự động tạo ra một sơ

đồ bố trí cẩu tháp tối ưu Thứ nhất, BIM được sử dụng để cung cấp đầu vào cho mô hình toán học Sau đó FA được sử dụng để xác định vị trí tối ưu của cẩu tháp và điểm cung cấp Cuối cùng, sơ đồ bố trí cẩu tháp tối ưu sẽ được hiển thị và đánh giá thông qua mô phỏng dựa trên BIM Một trường hợp thực tế được chọn để chứng minh cách tiếp cận được đề xuất Kết quả cuối cùng là đầy hứa hẹn và thể hiện giá trị thực tiễn của phương pháp này [2]

Những nghiên cứu trước đây đã sử dụng toán học và kỹ thuật tính toán để tìm kiếm giải pháp tối ưu Tuy nhiên, những kỹ thuật khoa học này thường yêu cầu một mức độ đơn giản nhất định từ thực tế, dẫn đến mất thông tin ở giai đoạn lập mô hình Các nghiên cứu trước đây có thể phân loại thành 3 phương pháp tiếp cận: mô hình toán học (kiến thức chuyên môn và các công cụ tính toán hạn chế), mô hình hóa máy tính (chuyên môn hóa việc sử dụng tin học máy tính) và trí tuệ nhân tạo (sử dụng máy tính)

Đối với tiếp cận 1, các mô hình toán học được thiết lập để lập sơ đồ mối quan hệ của các cơ sở vật chất tại công trường với các yếu tố ở công trường Ví dụ, Jun Wang và các cộng sự (2015) đã đề xuất một mô hình toán học để xác định vị trí cẩu tháp đơn phù hợp nhất Mô hình này nhằm mục đích tối ưu hóa vị trí của cẩu tháp mang lại thời gian vận chuyển ít nhất Rodriguez-Ramos và Francis (1983) đã đề xuất một mô hình trong việc xác định vị trí dừng xe con của móc cẩu giữa các chuyển động

Đối với cách tiếp cận 2, kiến thức chuyên gia được hỗ trợ bởi máy tính để xác định quy hoạch bố trí công trường Ví dụ, Gray và Little (1985) đã phát triển một gói phần mềm máy tính bằng cách sử dụng sơ đồ ra quyết định để tối ưu hóa các vị trí cẩu cho các tòa nhà có hình dạng bất thường Wijesundera và Harris (1989) và Zhang et al (1999) đã sử dụng phương pháp mô phỏng Monte Carlo để tối ưu hóa các vị trí cẩu Đối với cách tiếp cận 3, các nhà nghiên cứu áp dụng trí thông minh nhân tạo để giảm thiểu sự phụ thuộc của máy tính vào sự phán đoán của con người Li và Love (1998) và Philip et al (1997) áp dụng các thuật toán di truyền để tối ưu hóa một tập hợp các cơ sở vật chất định trước Tuy nhiên, mô hình đã được đơn giản hóa nhiều với các hình dạng của các cơ sở vật chất được coi là hình chữ nhật và không có xem xét đến hạn chế kích thước và cạnh tranh không gian giữa các cơ sở Yeh (1995) đã áp dụng “Annealed neural

networks” để giải quyết các vấn đề bố trí công trường Sự đơn giản hóa đó làm cho mô hình và các giải pháp nằm ngoài phạm vi ứng dụng

2.3 Tổng hợp thông tin lựa chọn cẩu tháp trong công trình xây dựng

Thông số cơ bản của cẩu tháp

Thông số kỹ thuật cần thiết khi chọn cẩu gồm: sức nâng, mô men cẩu, tầm với, chiều cao nâng móc cẩu lớn nhất, khả năng vượt dốc của cần trục, trọng lượng cần trục, tốc

độ làm việc của cẩu tháp Những thông số kỹ thuật cần thiết khi chọn cẩu sao cho phù hợp với điều kiện làm việc cụ thể

Tổng hợp các loại cẩu tháp phổ biến hiện nay

Cẩu tháp đặt cố định trên mặt bằng công trình được chia làm 2 loại: cẩu tháp có cần nâng hạ (cẩu gật gù) và cẩu tháp có cần đặt nằm ngang (cẩu bằng).Cẩu tháp có cần nâng

hạ (Cẩu gật gù)

 Thông số catalogue cẩu tháp MCR160

Hình 2-2 Cẩu tháp MCR160 (trích từ catalogue nhà sản xuất)

MÃ HIỆU : MCR160

KÍCH THƯỚC THÂN CẦU : 1.6 m x 1.6 m hoặc 2m x 2m

2.3.2.1 Cẩu tháp có cần đặt nằm ngang (cẩu bằng)

 Thông số catalogue cẩu tháp MCi85A

Hình 2-3 Cẩu tháp Mci85A (trích từ catalogue nhà sản xuất)

*Ghi chú: Tất cả các khoảng cái tính đến tâm thân cẩu, đơn vị là mét (m)

 Thông số catalogue cẩu tháp MC175B

Hình 2-4 Cẩu tháp MC175B (trích từ catalogue nhà sản xuất)

MÃ HIỆU : MC175B

KÍCH THƯỚC THÂN CẦU : vuông 1.6 m x 1.6 m

*Ghi chú: Tất cả các khoảng cái tính đến tâm thân cẩu đơn vị là mét (m)

Chiều dài tay cần hoạt động 60 55 50 45 40 35 30 Tải trọng cẩu nhỏ nhất (Tấn) 1.4 1.9 2.7 3.5 4 4.3 5.2

Chiều dài tay cần thực tế 61.3 56.3 51.3 46.3 41.3 36.3 31.3

 Thông số catalogue cẩu tháp MCT205

Hình 2-5 Cẩu tháp MCT205 (trích từ catalogue nhà sản xuất)

KÍCH THƯỚC THÂN CẦU : vuông 1.6m x 1.6m & 2m x 2m

*Ghi chú: Tất cả các khoảng cái tính đến tâm thân cẩu đơn vị là mét (m) Chiều dài tay cần hoạt

Tải đối trọng (Tấn) 16.04 16.04 16.04 18.92 16.04 16.04 14.

1 13.1 11.3 Cục tải CCK 4730 daN

Cục tải CCJ 1850 daN

 Thông số catalogue cẩu tháp QTZ 7030

Hình 2-6 Cẩu tháp QTZ 7030 (trích từ catalogue nhà sản xuất)

Vị trí đặt cẩu tháp

Vị trí đặt cẩu tháp hợp lý phải thoả mãn các yêu cầu: tầm với và sức nâng của cẩu để thi công nền móng, thi công bộ phận trên mặt đất Vị trí đặt cẩu tháp phải gần cầu dao điện Phải trừ lại không gian đủ rộng cho việc tháo dỡ cẩu và vận chuyển phụ kiện ra khỏi công trường; Nếu đồng thời lắp 2 cẩu tháp, phải chú ý phân chia điện công tác, đồng thời phải có biện pháp đề phòng cản trở lẫn nhau cũng như tai nạn lao động Ngoài

ra khi chọn vị trí đặt cẩu tháp còn phải cân nhắc giữa phương án chạy trên ray hay cố định

Các kinh nghiệm bố trí cẩu tháp tại công trường:

Đối với những công trình có hầm cẩu tháp có thể được đặt ở các vị trí như sau:

1 Cẩu tháp đặt ngoài tường hầm sử dụng móng cọc riêng Về kinh tế, việc này có thể tiêu tốn khá nhiều chi phí biện pháp thi công Bên cạnh đó cũng đòi hỏi về mặc tính toán biện pháp thi công, tính toán chuyển vị cho phép của tường vây

(hoặc cừ chắn đất) hoặc tính toán mái dốc đào đất tránh ảnh hưởng tới cọc cẩu tháp

2 Cẩu tháp đặt lên trên tường hầm công trình: việc tận dụng tường vây tầng hầm làm cọc cho móng cẩu tháp có thể giảm được một phần chi phí biện pháp thi công Tuy nhiên cần tính toán khả năng chịu tải của tường vây và số lượng cọc khoan thêm để đáp ứng tải trọng cẩu tháp

3 Cẩu tháp đặt lên sàn hầm: tận dụng khả năng chịu tải của khối móng bè của công trình xây dựng, việc đặt cẩu tháp lên sàn hầm có lợi về chi phí và tay cần có thể bao quát toàn bộ công trình, tăng khả năng đáp ứng vận chuyển vật tư Tuy nhiên

có nhiều bất tiện đi kèm như tái lập phần sàn (thi công sau) gây ảnh hưởng đến tiến độ tổng thể

4 Cẩu tháp đặt lên móng hố pít: tận dụng khả năng chịu tải của cọc móng lõi thang,

vị trí này cho sẽ có lợi khi không cần tái lập phần sàn do lõi thang máy không có sàn đi qua Tuy nhiên, cần phải xem xét chi phí dùng cẩu tháp mini để tháo cẩu tháp này

5 Ngoài ra, còn những vị trí khác như cẩu tháp có thể đặt lên sàn tầng trệt, cẩu tháp leo tầng…

Mỗi loại cẩu tháp đều có chiều cao tự đứng riêng tuỳ thuộc vào nhà sản xuất Đối với các loại công trình cao tầng từ 9 tầng trở lên cần xem xét đặt cẩu tháp gần sát với khối tháp công trình, khoảng cách tối đa cho phép là 10m từ thân cẩu tháp đến mép sàn Lý

do đặt cẩu tháp gần với khối tháp là vì càng lên cao cẩu tháp bắt buộc phải gông thân cẩu vào khối tháp để giữ ổn định cho cẩu tháp hoạt động khi lên càng cao

Cẩu tháp hoạt động tại công trường cần bao quát những khu vực trọng điểm như đặt gần với bãi vật tư thép, bãi gia công cốp pha…vị trí tập kết vật tư trên sàn

Một số mâu thuẫn giữa tính năng kỹ thuật cẩu tháp với nhu cầu thi công và cách giải quyết

2.3.4.1 Nhu cầu tiến độ vượt quá năng suất của cẩu

Mâu thuẫn này có nhiều biện pháp giải quyết: tăng thời gian làm việc trong một ca hoặc tăng số ca làm việc trong một ngày có thể giải quyết được 110% đến 300% nhu cầu Sử dụng công cụ hỗ trợ như thang tải, tời nâng hàng, bơm bê tông và các phương tiện vận chuyển nằm ngang trên cao Chọn cẩu khác có năng suất phù hợp;

2.3.4.2 Mâu thuẫn giữa tính năng kỹ thuật cẩu tháp và nhu cầu thi công

Trong thực tiễn thi công, về tính năng kỹ thuật của cẩu tháp thường gặp hai loại mâu thuẫn cơ bản trên và có ba cách giải quyết như sau:

 Cách 1: Về tổng thể, tính năng kỹ thuật của cẩu tháp phù hợp yêu cầu thi công, nhưng bị hạn chế bởi một vài nguyên nhân như vị trí của cẩu tháp cố định không thể xê dịch hoặc có chướng ngại vật không thể tránh được , ở góc cạnh xa nhất trong mỗi tầng nhà có một hay một số điểm cẩu vượt quá năng lực cẩu định mức của cẩu tháp

Gặp loại mâu thuẫn này, thường có mấy biện pháp khắc phục: thay đổi thiết kế, giảm nhỏ kích thước, giảm trọng lượng cấu kiện để không vượt quá trọng lượng cẩu định mức Việc này thực hiện được, nhưng phiền hà và tốn kém, đồng thời phải được sự đồng

ý của đơn vị thiết kế; đổi việc đúc sẵn thành đổ tại chỗ và thiết kế thùng chứa vật liệu đặc biệt để không vượt quá trọng lượng cẩu định mức Tìm cách nâng cao năng lực cẩu

để thích ứng yêu cầu cẩu lắp

Trong các biện pháp trên thì biện pháp nâng cao năng lực cẩu là tốt nhất

 Cách 2: Trong thực tiễn thi công, do đặc thù của thiết kế cẩu tạo kiến trúc, yêu cầu độ cao tầng nhà tương đối lớn, có thể xuất hiện mâu thuẫn về nhu cầu độ cao nâng cẩu phần trên không đáp ứng được, tùy trọng lượng cẩu, mô men cẩu, tầm với cùng các tham số khác của cẩu tháp kiểu chạy ray vẫn thoả mãn yêu cầu sử dụng Cách giải quyết mâu thuẫn đó là: đổi dùng loại cẩu tháp khác thích hợp với công trình; Đổi kiểu chạy trên ray bằng cẩu tháp kiểu neo, bố trí một đường neo chặt để tăng tổng chiều cao của móc cẩu

 Cách 3: Thông qua việc tiếp cao thân tháp để tăng thêm chiều cao nâng cẩu sẵn

có của tháp, từ đó dùng sức người để đẩy vật cẩu đến vị trí cần thiết Lực đẩy được tính toán và được tra theo chương trình được lập sẵn

2.4 Phân tích, đánh giá lựa chọn xe cẩu và cẩu tháp

Phân tích dựa trên chức năng sử dụng

Chức năng

Nâng hạ các cấu kiện, vật liệu xây dựng, di chuyển nguyên liệu…trong các công trình xây dựng

Nâng hạ các cấu kiện, vật liệu xây dựng, di chuyển nguyên liệu…trong các công trình xây

Thường được sử dụng cho đa dạng loại công trình như nhà cao tầng, nhà xưởng, công trình cảng, công trình thuỷ điện…

Ưu điểm

Khả năng cơ động trong vận hành, tải nâng lớn, có thể di chuyển linh hoạt trong công trường

Cần cẩu tháp dài tầm bao phủ rộng, bao quát được công trình, dịch chuyển vật tư nhanh và dễ dàng từ nơi này sang nơi khác trong công trường

Thay đổi chiều cao linh hoạt tuỳ theo yêu cầu của công trình

Vì đặt cố định nên không ảnh hưởng đến quá trình thi công cọc Tiến độ thi công nhanh

Nhược điểm

Tải trọng lớn, di chuyển nặng nề

Do tải trọng lớn, trong giai đoạn thi công đào đất cần có biện pháp tính toán chống gãy cọc, chuyển vị

thành hố đào…

Không làm việc trên địa hình phức tạp, khó di chuyển

Tầm bao phủ hẹp, không thể dịch chuyển vật tư khi đang di chuyển

Chi phí ban đầu cao bao gồm chí phí làm móng cọc, chi phí vận chuyển, chi phí lắp đặt, chi phí

tháo dỡ…

Phạm vi hoạt động cố định

Nhận xét: Dựa trên những phân tích ở trên, cẩu tháp chiếm lợi thế tốt hơn đối với các công trình có quy mô vừa và lớn Đối với các công trình thấp tầng (thường 2 - 4 tầng)

cần cân nhắc đến chi phí ở mục 2.4.2

Phân tích dựa trên chi phí thực tế

+ Chi phí thuê cẩu tháp theo khảo sát trên thị trường (chưa bao gồm thuế VAT, vận chuyển, lắp đặt, kiểm định)

QTZ703

0 Triệu

594 792

990 1188 1386 1584 1782 1980 2178 2376

Hình 2-8 Biểu đồ so sánh chi phí thuể cẩu tháp MC205B và xe cẩu 50t

Hình 2-9 Biểu đồ so sánh chi phí thuể cẩu tháp QTZ7030B-16 và xe cẩu 50t

Nhận xét: Việc sử dụng cẩu tháp MCi85A sẽ tốt hơn xe cẩu nếu thời gian sử dụng phục

vụ công trình từ 5 tháng trở lên Sử dụng cẩu tháp MC205B sẽ tốt hơn xe cẩu nếu thời gian sử dụng phục vụ công trình từ 6 tháng trở lên Sử dụng cẩu tháp QTZ7030 sẽ tốt hơn xe cẩu nếu thời gian sử dụng phục vụ công trình từ 7 tháng trở lên

Sự chênh lệnh chi phí thuê của các loại cẩu tháp

Chi phí thuê cẩu tháp tuỳ thuộc vào khả năng tâng tải, năng suất cẩu, tầm bao phủ…

Hình 2-10 Biểu đồ so sánh chi phí thuê cẩu tháp MCI85A, MC205B, QTZ 7030B-16

Hình 2-11 Biểu đồ so sánh chênh lệch giá thuê cẩu tháp

"Chênh lệch giá thuê cẩu tháp QTZ7030 và MC205B"

"Chệnh lệch giá thuê cẩu tháp MC205B và MCi85A"

"Chênh lệch giá thuê cẩu tháp QTZ7030 và MCi85A"

Nhận xét: Sự chênh lệch giá tăng dần theo thời gian sử dụng Ta có thể thấy sự chênh

lệch giá trị là rất đáng kể Chính vì vậy, việc đưa ra sự lựa chọn loại cẩu tháp sử dụng là rất quan trọng

2.5 Kết cấu bê tông lắp ghép, kết cấu thép, khuynh hướng cho tương lai

Trong ngành công nghiệp xây dựng nói chung, các công nghệ thi công ngày càng phát triển, đi cùng với đó là phương thức vận chuyển trong công trường đang cần những biện pháp tối ưu để đáp ứng tiến độ, chi phí quản lý, chi phí nhân công,…

Kết cấu lắp ghép (cấu kiện bê tông đúc sẵn, kết cấu thép) nói riêng, vẫn đang tồn tại nhiều vấn đề cần phải giải quyết, trong đó vấn đề về vận chuyển được xem là chủ đạo trong biện pháp thi công, đặc biệt là vận chuyện bằng cẩu tháp

Nghiên cứu này muốn chỉ ra tầm quan trọng của việc xác định vị trí cẩu tháp trong công trường Hoạch định vị trí cẩu tháp không hợp lý có thể ảnh hưởng đáng kể đến tiến

độ của dự án xây dựng Đặc biệt là đối với công trình lắp ghép

2.6 Ứng dụng Dynamo cho dự án BIM trong giai đoạn lập kế hoạch

Giới thiệu

Trong vài năm gần đây, mô hình thông tin công trình (BIM) đã và đang được ứng dụng rộng rãi cho ngành công nghiệp xây dựng tại Việt Nam [8] BIM dần trở thành một phương thức chủ đạo để thiết kế và phân tích vòng đời của dự án, từ đó đưa ra cách thức

xử lý và sử dụng dữ liệu công trình hiệu quả Cơ sở dữ liệu được mô tả thông qua mô hình tham số gồm nhiều thuộc tính được nhúng trong các đối tượng và lượng dữ liệu này sẽ tăng dần qua từng giai đoạn phát triển của dự án [8] Tuy vậy, quá trình thiết kế với các công cụ BIM vẫn còn mang tính thủ công Điều này đòi hỏi sự cần thiết phải có các công cụ quản lý và thao tác dữ liệu mới, một trong số đó là phương pháp thiết kế tham số

Phương pháp thiết kế tham số là một trong những xu hướng của ngành kiến trúc xây dựng trong những năm tới Thiết kế tính toán đề cập đến khả năng liên kết thuật toán vào thiết kế kiến trúc xây dựng, giúp mô phỏng, hình dung và phân tích các phương án chính xác hơn [9] Trong cách tiếp cận này, công cụ lập trình trực quan được sử dụng, nhằm kết hợp giữa ngôn ngữ lập trình văn bản và các nút đồ họa (graphical nodes) được nhúng chức năng và kết nối trực quan với nhau Do đó, sẽ thu được kết quả một cách nhanh chóng mà không cần phải viết nhiều mã lệnh với cú pháp trừu tượng

Hiện nay, nhiều công cụ lập trình trực quan đã xuất hiện và gắn kết với các công cụ BIM như Grasshopper 3D, Dynamo, Blender, Cameleon,… Trong đó, Dynamo là một công cụ lập trình còn khá mới tại Việt Nam, ứng dụng này có thể chạy độc lập hoặc kết nối với các phần mềm khác như Autodesk Revit, FormIt 360, Maya, Excel,… mang lại nhiều lợi thế cho người dùng vì có thể tận dụng các quy trình thiết kế tính toán ngay trong môi trường BIM

Tổng quan về Dynamo

2.6.2.1 Một số khái niệm

Dynamo hiểu đơn giản là một ứng dụng Visual Programming – Lập trình bằng thị

giác, của Autodesk cho phép can thiệp xử lý dữ liệu, các câu lệnh bằng một giao diện

và thao tác đơn giản tối đa

Visual Programming có những điểm nổi trội:

- Quản lý thông tin chính xác và tự động hàng loạt

- Dễ dàng thay đổi tùy chỉnh thông số thiết kế mà nếu làm bằng tay rất mất công

- Khai thác hiệu quả thông tin trong mô hình BIM

- Giúp nghiên các cấu trúc, vỏ bọc mới cho công trình

- Lập trình Visual Programming đơn giản hóa câu lệnh bằng đồ hoạ nhưng vẫn dựa trên logic lập trình

2.6.2.2 Sơ lược về cách thức sử dụng Dynamo-BIM

Giao diện của ứng dụng Dynamo tương đối đơn giản, bao gồm 5 phần chính sau (Hình 2-12) Kết quả sau khi thực thi mã lệnh sẽ được thể hiện trong không gian làm việc của ứng dụng Dynamo và phần mềm Revit Đối tượng nút là đại diện cho các phần

tử hoặc các hàm toán học trong Revit, có thể được tạo và truy cập bằng mã lập trình dạng văn bản hoặc một giao diện lập trình ứng dụng (API) (Hình 2-13)

Hình 2-13 Mô tả mối quan hệ giữa các nút [10]

Mỗi nút có cổng vào ở phía bên trái và cổng ra ở phía bên phải, được liên kết với các kiểu dữ liệu cụ thể Các cổng này được kết nối với nhau thông qua dây nối để tạo ra một luồng chương trình đồng nhất

Ứng dụng Dynamo cung cấp cho người dùng khá nhiều nút để thực hiện các thao tác lập trình trực quan Ngoài ra, nút tùy chỉnh trong Dynamo cũng cần được xây dựng để tối ưu hóa các mục đích khác nhau và tái sử dụng cho nhiều dự án Việc tạo nút tùy chỉnh có thể thông qua các nút có sẵn hoặc sử dụng thêm các mã lập trình văn bản, tạo thành các gói để chia sẻ tới cộng đồng

2.6.2.3 Một số ứng dụng của Dynamo trên thế giới [10]

Dynamo đã được sử dụng tại nhiều dự án trên thế giới, nhằm giải quyết các vấn đề khác nhau ở giai đoạn thiết kế Trong đó, quy hoạch không gian là một phần thiết yếu của quá trình thiết kế ban đầu Kích thước, hình dạng và mối liên hệ giữa các không gian đóng một vai trò quan trong trọng việc xác định hình dáng và chức năng của tòa nhà Các kiến trúc sư ở văn phòng Flanagan Lawrence tại Anh đã sử dụng Dynamo để phân tích mối quan hệ giữa khối dáng và âm thanh cho một công trình rạp hát Khi đó tính ổn định về thể tích của công trình cần được đáp ứng để có thể mang lại âm thanh đặc biệt Dynamo được dùng để thực hiện hàng trăm thao tác lặp, giúp tìm ra phương án tốt nhất

(Hình 2-14) Thí dụ, kiến trúc sư dễ dàng thay đổi tham số của một loạt các đối tượng cửa đi, lỗ mở chỉ trong vài phút

Hình 2-14 Sử dụng Dynamo để phân tích mối quan hệ giữa khối dáng và âm thanh

trong công trình [10]

2.6.2.4 Kết luận

Thiết kế tham số là sản phẩm tất yếu của thời đại kỹ thuật số, cho phép xác định các mục tiêu, phương pháp và giá trị mới trong quá trình thiết kế Trong nghiên cứu này, công cụ Dynamo đã được sử dụng nhằm đưa ra kết quả tối ưu trong cách bố trí cẩu tháp của công trình trong giai đoạn thiết kế ý tưởng của dự án BIM Từ đó thấy rằng, ứng dụng Dynamo cho các dự án xây dựng là thực sự cần thiết, tiến tới thúc đẩy việc áp dụng BIM một cách rộng rãi tại Việt Nam

3 PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU

3.1 Quy trình thực hiệnnghiên cứu

Quy trình thực hiện nghiên cứu tổng quát:

XÁC ĐỊNH VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU

BẮT ĐẦU

THAM KHẢO

Ý KIẾN CHUYÊN GIA

THAM KHẢO CÁC BÀI BÁO, TÀI LIỆU NGHIÊN CỨU KHOA HỌC TRONG VÀ NGOÀI NƯỚC

QUAN SÁT, ĐẶT CÂU HỎI CÁC VẤN ĐỀ TRONG THỰC TẾ XÂY DỰNG

XÁC ĐỊNH CÔNG CỤ GIẢI QUYẾT VẤN ĐỀ

LÊN KẾ HOẠCH NGHIÊN CỨU SƠ BỘ

ĐƯA RA PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU CHI TIẾT

TỔ CHỨC ĐÁNH GIÁ ĐỀ TÀI

ĐÁNH GIÁ KẾT QUẢ TỪNG QUÁ TRÌNH

PHÂN TÍCH KHẢ NĂNG THỰC HIỆN

PHÂN TÍCH CÁCH THỨC GIẢI QUYẾT VẤN ĐỀ ĐẠT

ĐẠT KHÔNG ĐẠT

ĐẶT CÂU HỎI ĐÁNH GIÁ

KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU

ĐÁNH GIÁ KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU ĐÁNH GIÁ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU KHÔNG ĐẠT

KẾT THÚC ĐẠT

Hình 3-1 Quy trình nghiên cứu luận văn

3.2 Quy trình bố trí cẩu tháp tự động dựa trên nền tảng BIM

Trình tự nghiên cứu tổng quát

TRÌNH TỰ NGHIÊN CỨU

1 TẠO MÔ HÌNH TÍCH HỢP THÔNG TIN DỰ ÁN

2 GÁN CÁC ĐỐI TƯỢNG CẨU THÁP, NGUỒN CUNG VẬT TƯ, KHU VỰC ĐẶT CẨU THÁP

Hình 3-2 Quy trình thực hiện tổng quát trên Dynamo – BIM