1. Sự ra đời của BIM

Những năm đầu của thập kỷ 70, một công nghệ mới với thuật ngữ là Building Information Modeling (BIM) đã xuất hiện trong ngành công nghiệp xây dựng, đó là công nghệ sử dụng mô hình ba chiều để tạo ra, phân tích và truyền đạt thông tin của công trình.

Ngay từ giai đoạn ban đầu, BIM đã được xem như là một công cụ hiệu quả trong việc quản lý và chia sẻ thông tin giữa chủ đầu tư, kiến trúc sư, kỹ sư tư vấn, nhà cung ứng, và nhà thầu xây lắp. Sử dụng BIM để quản lý và chia sẻ thông tin về công trình giúp tăng cường sự cộng tác, phối hợp giữa các thành viên của dự án, do đó sẽ làm giảm lãng phí, tăng chất lượng, tăng tính hiệu quả của công việc. Có thể nói, cùng với sự ra đời của BIM, ranh giới phân chia công việc giữa các thành viên trong một dự án xây dựng ngày càng bị xóa mờ.

Theo Viện Kiến trúc Hoa Kỳ, tên gọi Building Information Modeling (BIM) được Autodesk đặt ra (Autodesk là một công ty lớn của Mỹ, chuyên cung cấp các phần mềm đồ họa phục vụ cho công tác thiết kế và thi công xây dựng) và được phổ biến rộng rãi bởi Jery Laiserin (một chuyên gia phân tích công nghiệp người Mỹ) để miêu tả hệ thống máy tính sử dụng mô hình không gian ba chiều để thể hiện các vật thể. Đây là một quá trình trao đổi và chia sẻ thông tin của công trình dưới dạng số hóa. Các nhà tư vấn thiết kế cũng như các nhà thầu xây dựng có thể sử dụng các phần mềm BIM (chẳng hạn như Autodesk Revit Architectural, Revit Structure, Revit MEP, v.v.) để tạo nên một mô hình của công trình trên máy vi tính mà mô hình này sẽ giống hệt như công trình thực tế ở ngoài công trường. Mô hình không gian ba chiều này được liên kết với cơ sở dữ liệu thông tin của dự án. BIM thể hiện tất cả các mối liên hệ về mặt không gian, các thông tin hình học, kích thước, số lượng, và cảcấu tạo vật liệu của các cấu kiện, bộ phận của công trình. Nó có thể được sử dụng để thể hiện toàn bộ vòng đời của một công trình xây dựng từ khâu thiết kế, thi công, cho đến khâu vận hành sử dụng.

Công nghệ không gian ba chiều này không bó hẹp trong khái niệm “rendering”  một thiết kế kiến trúc hay sự tạo ra một mô hình ba chiều trình bày phối cảnh của công trình sau khi công trình đã được thiết kế xong. Đây là một quá trình bao gồm những thay đổi mang tính cách mạng trong việc thông tin của công trình xây dựng được tạo ra, thể hiện, và sau này được sử dụng trong quá trình xây dựng. Do hợp nhất thông tin từ tất cả các khía cạnh của quá trình xây dựng công trình nên BIM có thể làm tăng tính hiệu quả về sử dụng và tính sẵn có của các thông tin này lên gấp nhiều lần.

Các dự án xây dựng hiện nay khá phức tạp, diễn ra nhanh, và mang tính đặc thù riêng của từng dự án. Dưới áp lực của sự cạnh tranh cũng như thời hạn bàn giao công trình, các thành viên của dự án xây dựng đều cố gắng hoàn thành công việc của mình một cách nhanh nhất để chuyển giao cho các thành viên làm công việc tiếp theo, mà bỏ qua chất lượng của công việc. Mặt khác, sự cộng tác, phối hợp làm việc giữa các thành viên của dự án xây dựng vẫn còn rất hạn chế. Hậu quả là các lỗi cũng như sự thiếu hiệu quả xáy ra trong tất cả các giai đoạn của dự án xây dựng, từ khâu thiết kế, đấu thầu, cho đến khâu cung ứng vật tư, thi công. Sự gia tăng các chi phí phát sinh và các công việc phải thực hiện lại trong dự án xây dựng chính là các minh chứng cho điều đó.

Những thập kỷ trước, ngành công nghiệp xây dựng đã trải qua những thay đổi lớn với việc phát minh ra “máy tính phục vụ công tác thiết kế” (computer-aided design - CAD). Ngành xây dựng, vốn chỉ quen với việc vẽ bằng tay, nay làm quen với việc sử dụng máy tính như một công cụ mới để hỗ trợ cho việc thiết kế. Tuy nhiên hệ thống CAD tồn tại nhiều hạn chế. Sự rời rạc trong cách truyền tải thông tin của hệ thống CAD từ lâu đã là rào cản cho việc chia sẻ thông tin giữa các thành viên của dự án xây dựng. Nó cổ vũ cho việc chuyên nghiệp hóa trong thiết kế trong khi lại sao nhãng việc hỗ trợ trao đổi thông tin qua lại giữa các thành viên của dự án. Các bản vẽ được phát triển domột thành viên sẽ được các thành viên khác sử dụng nhưng thiếu sự đánh giá một cách cẩn trọng xem là bản vẽ này có phù hợp cho người khác sử dụng hay không. Hơn thế nữa, các bản vẽ CAD chỉ đơn thuần là những hình vẽ minh họa. Rất ít tự động hóa sản xuất và thiết kế được thể hiện qua hệ thống CAD. Nói cách khác, hệ thống CAD đơn thuần chỉ là thay thế bản vẽ tay bằng máy vi tính.

Có thể nhận thấy một cách rõ ràng rằng, trong quá trình làm việc với hệ thống bản vẽ hai chiềuCAD, dòng chảy của thông tin và công việc giữa các thành viên dự án được thực hiện lặp đi lặp lại và gây ra lãng phí. Thứ tự thực hiện một cách tuần tự theo cấp bậc trong quá trình này chính là một rào cản lớn làm hạn chế sự truyền tải thông tin một cách có hiệu quả giữa các thành viên của dự án. Thông tin được truyển tải từ các thành viên làm công việc trước (ví dụ như tư vấn kiến trúc) xuốngcác thành viên làm công việc tiếp theo (tư vấn kết cấu hoặc tư vấn cơ, điện, nước) và ngược lại làm cho toàn bộ quá trình bị rời rạc và không đồng nhất. Công cụ để truyền tải thông tin là hệ thống các bản vẽ hai chiều rất cồng kềnh và bất tiện. Quá trình truyền tải thông tin này tiêu tốn nhiều nhân lực và là mảnh đất mầu mỡ cho các lỗi lầm xuất hiện và phát triển. Thông tin của công trình được truyền tải qua lại có thể bị mất mát, sai lệch trong suốt cả quá trình thực hiện. Những thay đổi xuất phát từ phía chủ đầu tư sẽ kéo theo những thay đổi trong thiết kế kiến trúc. Những thay đổi trong thiết kế kiến trúc này, đến lượt chúng, lại dẫn đến thay đổi trong thiết kế kết cấu và thiết kế cơ điện. Hơn thế nữa, trong quá trình này, việc thực hiện và phê duyệt thiết kế cũng được thực hiện lặp đi lặp lại trong tất cả các giai đoạn của dự án cũng tiêu tốn nhiều thời gian, gây lãng phí. Có thể nói, quá trình làm việc với hệ thống bản vẽ 2 chiều này gây lãng phí nhiều thời gian và công sức của các thành viên dự án xây dựng.

3. Ứng dụng BIM trong các giai đoạn của dự án xây dựng

Trong giai đoạn thiết kế ý tưởng, BIM được sử dụng để truyền tải ý tưởng thiết kế đến chủ đầu tư. Những hiệu ứng hình ảnh không gian ba chiều có sẵn trong BIM giúp cho việc truyền tải ý tưởng kiến trúc được thực hiện một cách có hiệu quả hơn rất nhiều. Không chỉ đơn thuần thể hiện hình ảnh đẹp, BIM còn trình bày một cách hoàn chỉnh và đầy đủ về công trình cần xây dựng bao gồm hình dạng, kích thước, cấu tạo vật liệu, hoàn thiện, và nhiều thông tin khác nữa. Thông qua BIM, chủ đầu tư của dự án có thể dễ dàng khái quát hình dạng của công trình, các khoảng không gian quan trọng, và sự hòa hợp của công trình với cảnh quan xung quanh. Chủ đầu tư có thể dễ dàng nhìn ra được công trình của mình sẽ thực tế trông như thế nào trong tương lai. BIM giúp cho chủ đầu tư không chỉ hiểu được ý tưởng thiết kế một cách tốt hơn mà còn dễ dàng phản hồi thông tin đến nhà tư vấn kiến trúc để tư vấn kiến trúc có thể sửa đổi thiết kế sao cho đáp ứng yêu cầu của chủ đầu tư. Hơn thế nữa, BIM còn được sử dụng để đánh giá nhiều phương án thiết kế khác nhau, giúp cho việc xem xét và ra quyết định được chính xác hơn.

Trong quá trình thiết kế kỹ thuật và thiết kế thi công, BIM được sử dụng để xây dựng các mô hình không gian ba chiều thiết kế riêng biệt. Tư vấn kiến trúc phát triển mô hình kiến trúc riêng. Tư vấn kết cấu xây dựng mô hình kết cấu. Tư vấn điện, nước, cơ khí xây dựng mô hình cho mạng lưới kỹ thuật điện, nước, và điều hòa không khí. Sau đó, các mô hình riêng biệt này được tích hợp vào một mô hình tổng hợp, thống nhất. Tất cả các thành viên của dự án xây dựng sẽ làm việc cùng với nhau trong một phòng làm việc chung để tìm ra các xung đột giữa các bộ phận, cấu kiện của công trình, đồng thời tìm ra giải pháp cho các xung đột đó một cách thích hợp và hữu dụng nhất để tạo ra được một hệ thống bản vẽ thi công có tính chính xác cao, dẫn đến việc giảm thiểu tối đa các chi phí phát sinh ở trên công trường. Như vậy, với BIM, các thành viên của dự án xây dựng không còn làm việc một cách tách biệt trong môi trường riêng của mình nữa, mà làm việc trên khối thông tin thống nhất của công trình. Những thay đổi trên mô hình BIM tổng hợp sẽ được tự động cập nhật trên các mô hình thành phần, trên các bản vẽ, bảng thống kê, tiêu chuẩn, v.v., giúp duy trì tính thống nhất của dòng thông tin. Với việc sử dụng BIM, các thành viên của dự án có thể rõ ràng nắm bắt được các thành viên khác đang làm gì với công trình một cách rõ ràng và do đó họ có nhiều ảnh hưởng hơn đối với công việc của các thành viên khác.

Hơn thế nữa, các thành viên của dự án có thể sử dụng BIM để khám phá các phương án thi công khác nhau,  trình tự thi công, hoặc tính có thể thi công được của các bộ phận công trình cũng như toàn bộ công trình. Đồng thời, do BIM là mô hình không gian 3 chiều với đầy đủ các thông tin về các bộ phận của công trình từ hình dạng, kích thước, cho đến cấu tạo vật liệu, hoàn thiện, nên các thành viêc của dự án có thể dễ dàng tính toán khối lượng, giúp xây dựng dự toán và tiến đội của công trình. BIM còn có thể được sử dụng để khám phá việc bố trí mặt bằng của thiết bị cẩu lắp, vật liệu, cũng như các công trình tạm ở trên công trường. Muc tiêu là xây dựng nên một kế hoạch thi công công trình, trong khi vẫn làm tăng giá trị và làm giảm lãng phí.

4. So sánh quá trình làm việc giữa ba chiều BIM với hai chiều CAD hiện nay

Trong quá trình làm việc với hai chiều CAD hiện nay, các thành viên của dự án sử dụng các bản vẽ hai chiều (mặt bằng, hình chiếu, mặt cắt, v.v.) đê trao đổi thông tin với nhau. Rõ ràng là việc trao đổi thông tin theo hình thức này sẽ không đạt hiệu quả cao bằng việc trao đổi thông tin sử dụng mô hình BIM ba chiều.  Trong khi các hình vẽ hai chiểu chỉ đơn thuần thể hiện hai đường kích thước của vật thể, mô hình BIM thể hiện rõ ràng ba đường kích thước hình khối không gian của các bộ phận của công trình. Người sử dụng sẽ phải cần đến hai bản vẽ hai chiều, sau đó tưởng tượng chúng trong đầu để có thể nắm bắt được thông tin truyền tải một cách rõ ràng bởi một mô hình đơn nhất. Hơn thế nữa, BIM truyền tải thông tin dưới dạng thông tin điện tử sẽ nhanh chóng, thuận tiện, và hiệu quả hơn nhiều so với các bản vẽ in hai chiểu, đồng thời, các lỗi phát sinh sẽ được giảm thiểu đến mức ít nhất.

Bên cạnh việc tăng cường khả năng trao đổi thông tin giữa các thành viên của dự án xây dựng, BIM cũng có thể giúp cho các thành viên tăng cường được tính thống nhất của công việc. Trong quá trình làm việc với bản vẽ hai chiều hiện nay, công việc thiết kế được thực hiện không thống nhất và lặp đi lặp lại. Mối liên hệ công việc giữa các thành viên bị sao nhãng và kết nối lỏng lẻo. Những thay đổi xuất phát từ các thành viên làm công việc trước sẽ dẫn đến thay đổi trong thiết kế của các thành viên làm công việc sau. Các thành viên làm công việc sau sẽ phải cập nhật những thay đổi đó, rồi phải đệ trình cho các thành viên làm công việc trước kiểm tra và phê duyệt. Quá trình này tiêu tốn nhiều thời gian và tạo điều kiện cho các sai sót phát triển. Ngược lại, BIM, như là một mô hình thực của công trình thực trên thực tế, sẽ giúp cho mọi thành viên có thể dễ dàng tiếp cận với các thông tin của công trình. Công việc của các thành viên sẽ được thống nhất và kết hợp chặt chẽ. Tất các những thay đổi được tạo ra từ mỗi thành viên sẽ được tự động cập nhật trên mô hình. Điều này sẽ duy trì sự thống nhất và chính xác của tất cả các thông tin và bản vẽ thể hiện. Mô hình công trình sẽ trở thành trung tâm của toàn bộ quá trình thiết kế. Với BIM, các thay đổi sẽ được theo dõi chặt chẽ và chính xác hơn. Các quyết định sẽ được quyết định nhanh hơn. Tất cả những lỗi có khả năng xảy ra sẽ được chú ý, giải quyết, và cập nhật ngay vào mô hình. Điều này sẽ giúp tạo ra một hệ thống bản vẽ thi công chính xác tuyệt đối, đồng thời giảm thiểu tối đa nguy cơ phát sinh phí phát sinh, chậm tiến độ, và tăng chi phí xây dựng.

BIM là một công nghệ hiện đại, mới xuất hiện trong ngành công nghiệp xây dựng. Việc sử dụng BIM trong thiết kế và thi công công trình xây dựng hiện vẫn còn đang trong giai đoạn thử nghiệm ở nước Mỹ và một vài nước khác trên thế giới. Tuy nhiên, với những ưu thế vượt trội của mình, BIM chắc chắn sẽ là một xu thế phát triển tất yếu và là tương lai của ngành xây dựng.