Tự động hóa trong ngành xây dựng là gì?

 

Tự động hóa trong ngành xây dựng là việc ứng dụng các công nghệ, thiết bị và hệ thống điều khiển tự động nhằm thay thế hoặc hỗ trợ con người trong các công đoạn thiết kế, thi công, giám sát và quản lý công trình xây dựng. 

Tự động hóa trong xây dựng có thể diễn ra ở nhiều giai đoạn khác nhau của một dự án, bắt đầu từ giai đoạn thiết kế dựa trên phần mềm, tiếp tục với các khía cạnh tự động của xây dựng ngoài công trường và tại công trường, và kết thúc bằng việc chia sẻ dữ liệu thu thập được về hệ thống.

Ngành xây dựng áp dụng tự động hóa trên nhiều phương diện như:

• Robot và máy móc tự hành (ví dụ: robot xây tường, in 3D bê tông, máy xúc tự lái),
• Phần mềm mô phỏng và quản lý công trình thông minh (như BIM),
• Cảm biến, hệ thống điều khiển và trí tuệ nhân tạo (AI) để giám sát tiến độ, an toàn và chất lượng công trình theo thời gian thực.

Một ví dụ điển hình trong các quy trình xây dựng công nghiệp tự động: Các bản vẽ giấy truyền thống có thể bị loại bỏ, vì dữ liệu từ các mô hình 3D và các hiện vật kỹ thuật số khác được đưa trực tiếp vào dây chuyền sản xuất tự động để chế tạo. Các dây chuyền sản xuất có thể bao gồm rô-bốt công nghiệp, giàn nâng, băng tải hoặc các thiết bị tự động khác hoàn thành việc chuyển đổi vật liệu thành các thành phần và cụm lắp ráp xây dựng. 
 

Ứng dụng thực tế của tự động hóa trong ngành xây dựng

Ngành xây dựng, vốn nổi tiếng với quy trình thủ công và môi trường làm việc phức tạp, đang trải qua một cuộc cách mạng mạnh mẽ nhờ vào ứng dụng công nghệ tự động hóa. Việc này không chỉ giúp giải quyết các thách thức về năng suất, an toàn mà còn mở ra những khả năng mới trong thiết kế và thi công.
 

1. Máy móc tự động và robot xây dựng

 

- Robot xây tường tự động
 

Robot xây tường tự động là một trong những đột phá lớn trong ngành xây dựng. Thiết bị này có khả năng thực hiện công việc xây tường với tốc độ và độ chính xác cao hơn so với con người. Ví dụ điển hình là robot SAM100 (Semi-Automated Mason) có thể đặt khoảng 3.000 viên gạch mỗi ngày, gấp 3-5 lần năng suất của một thợ xây thông thường. Robot này sử dụng hệ thống camera và cảm biến để xác định vị trí chính xác, sau đó sử dụng cánh tay robot để đặt gạch và trát vữa.

Công nghệ này không chỉ tăng tốc độ xây dựng mà còn đảm bảo độ chính xác cao, giảm thiểu lỗi trong quá trình xây dựng. Đồng thời, nó giúp giảm gánh nặng thể chất cho công nhân, từ đó giảm nguy cơ chấn thương và các vấn đề sức khỏe liên quan đến công việc nặng nhọc.
 

 

- Máy móc xây dựng tự động

 

Các máy móc xây dựng hiện đại như máy ủi, máy xúc và xe tải hạng nặng đã được tích hợp công nghệ tự động hóa, cho phép chúng hoạt động mà không cần sự can thiệp trực tiếp của con người. Công nghệ GPS và hệ thống định vị được tích hợp vào máy móc xây dựng giúp chúng có thể di chuyển và thực hiện công việc theo đường dẫn đã lập trình trước.

Komatsu và Caterpillar là hai công ty tiên phong trong việc phát triển máy móc xây dựng tự động. Hệ thống của họ sử dụng công nghệ Machine Control và GPS để điều khiển máy móc theo mô hình 3D của công trình, cho phép thực hiện các công việc như san lấp mặt bằng với độ chính xác cao hơn và thời gian ngắn hơn so với phương pháp truyền thống.
 

- Robot và máy in 3D cho xây dựng
 

Công nghệ in 3D đang dần được áp dụng trong ngành xây dựng thông qua các máy in 3D quy mô lớn có khả năng "in" các thành phần của công trình hoặc thậm chí toàn bộ công trình. Công ty COBOD của Đan Mạch và ICON của Mỹ đã phát triển máy in 3D có thể xây dựng nhà ở trong thời gian chỉ từ 24 đến 48 giờ.

Máy in 3D sử dụng hỗn hợp bê tông đặc biệt hoặc các vật liệu khác để xây dựng công trình theo mô hình 3D. Công nghệ này không chỉ giúp giảm thời gian xây dựng mà còn giảm chi phí nhân công, cải thiện tính bền vững thông qua việc giảm lượng vật liệu thải ra và cho phép thiết kế các hình dạng phức tạp mà phương pháp xây dựng truyền thống không thể thực hiện được.
 

2. Drone và UAV trong xây dựng

 

- Khảo sát và lập bản đồ

Drone được sử dụng rộng rãi trong khảo sát địa điểm xây dựng, giúp thu thập dữ liệu chính xác về địa hình, mặt bằng và điều kiện khu vực. Công nghệ này cho phép tạo ra các bản đồ chi tiết và mô hình 3D của khu vực xây dựng trong thời gian ngắn hơn nhiều so với phương pháp khảo sát truyền thống.

Các drone được trang bị camera độ phân giải cao, cảm biến LiDAR và phần mềm xử lý hình ảnh có thể tạo ra mô hình địa hình số (DTM) và mô hình bề mặt số (DSM) với độ chính xác đến vài centimét. Những mô hình này giúp các kỹ sư và kiến trúc sư lập kế hoạch xây dựng hiệu quả, tối ưu hóa thiết kế và giảm thiểu rủi ro.

 

- Giám sát tiến độ xây dựng

 

Drone được sử dụng để giám sát tiến độ xây dựng bằng cách bay theo lịch trình được lập trình sẵn, chụp ảnh và quay video công trường theo thời gian thực. Dữ liệu này sau đó được xử lý để tạo ra các báo cáo tiến độ chi tiết, giúp quản lý dự án theo dõi công việc và phát hiện sớm các vấn đề tiềm ẩn.

Phần mềm như Pix4D và DroneDeploy cho phép chuyển đổi hình ảnh drone thành mô hình 3D và bản đồ kỹ thuật số, từ đó so sánh với thiết kế ban đầu để đánh giá tiến độ và chất lượng công trình. Điều này giúp giảm thời gian và chi phí cho các cuộc kiểm tra tại chỗ, đồng thời cung cấp dữ liệu chính xác hơn cho việc ra quyết định.
 

- Kiểm tra an toàn và bảo trì
 

Drone được sử dụng để kiểm tra các khu vực nguy hiểm hoặc khó tiếp cận trong công trình xây dựng, như mái nhà cao tầng, cầu và các cấu trúc phức tạp khác. Công nghệ này giúp giảm nguy cơ tai nạn cho công nhân và tiết kiệm thời gian kiểm tra.

Các drone được trang bị camera nhiệt, cảm biến siêu âm và các thiết bị đo lường khác có thể phát hiện các vết nứt, rò rỉ và các khiếm khuyết khác không thể nhìn thấy bằng mắt thường. Những thông tin này giúp các kỹ sư xác định nhu cầu bảo trì và sửa chữa, từ đó kéo dài tuổi thọ của công trình và đảm bảo an toàn cho người sử dụng.
 

3. Công nghệ BIM và Digital Twin

 

- Building Information Modeling (BIM)

 

BIM là công nghệ số hóa quá trình thiết kế, xây dựng và quản lý công trình. Không chỉ đơn thuần là mô hình 3D, BIM chứa thông tin toàn diện về tất cả các thành phần của công trình, từ cấu trúc, hệ thống điện, nước, đến thông tin về vật liệu, chi phí và lịch trình xây dựng.

Việc sử dụng BIM giúp các bên liên quan (kiến trúc sư, kỹ sư, nhà thầu) làm việc hiệu quả hơn thông qua việc chia sẻ thông tin thời gian thực và hợp tác trên cùng một mô hình. Điều này giúp phát hiện sớm các xung đột trong thiết kế, tối ưu hóa quy trình làm việc và giảm thiểu lỗi trong quá trình xây dựng.

Phần mềm BIM như Autodesk Revit, Graphisoft ArchiCAD và Bentley MicroStation cho phép mô phỏng quá trình xây dựng trước khi thực hiện, từ đó giảm rủi ro, chi phí và thời gian xây dựng. Theo một nghiên cứu của PlanGrid và FMI, việc ứng dụng BIM có thể giúp tiết kiệm đến 25% chi phí dự án thông qua việc giảm thiểu sai sót và nâng cao hiệu quả.
 

- Digital Twin trong xây dựng

 

Digital Twin (bản sao số) là mô hình ảo đại diện cho một đối tượng vật lý, trong trường hợp này là công trình xây dựng. Khác với BIM tập trung vào giai đoạn thiết kế và xây dựng, Digital Twin liên tục cập nhật thông tin theo thời gian thực trong suốt vòng đời của công trình.

Công nghệ này sử dụng dữ liệu từ các cảm biến IoT được lắp đặt trong công trình, kết hợp với dữ liệu BIM và các nguồn khác để tạo ra mô hình số động, phản ánh chính xác tình trạng hiện tại của công trình. Digital Twin cho phép giám sát, phân tích và tối ưu hóa hiệu suất của công trình trong thời gian thực.

Ví dụ, công ty Siemens đã phát triển hệ thống Digital Twin cho các tòa nhà thông minh, cho phép quản lý năng lượng hiệu quả, dự đoán nhu cầu bảo trì và tối ưu hóa các hệ thống trong tòa nhà. Theo McKinsey, việc áp dụng Digital Twin có thể giúp giảm đến 35% chi phí vận hành và bảo trì công trình.
 

4. Internet vạn vật (IoT) và cảm biến thông minh

 

- Hệ thống giám sát công trường

 

Các cảm biến IoT được lắp đặt trên công trường xây dựng để thu thập dữ liệu về điều kiện môi trường như nhiệt độ, độ ẩm, chất lượng không khí và độ rung. Những thông tin này giúp đảm bảo điều kiện làm việc an toàn cho công nhân và đảm bảo các hoạt động xây dựng diễn ra trong điều kiện tối ưu.

Ngoài ra, cảm biến cũng được gắn lên máy móc thiết bị để theo dõi tình trạng hoạt động, mức tiêu thụ nhiên liệu và nhu cầu bảo trì. Dữ liệu này được phân tích để tối ưu hóa việc sử dụng máy móc, giảm thời gian chết máy và kéo dài tuổi thọ thiết bị.
 

- Thiết bị đeo thông minh cho công nhân

Thiết bị đeo thông minh như mũ bảo hiểm, áo khoác và đồng hồ được trang bị cảm biến để theo dõi vị trí, dấu hiệu sinh tồn và mức độ mệt mỏi của công nhân. Công nghệ này giúp phát hiện sớm các nguy cơ an toàn và sức khỏe, từ đó ngăn ngừa tai nạn và thương tích.

Ví dụ, công ty SolePower đã phát triển giày thông minh có khả năng theo dõi vị trí và phát hiện khi công nhân ngã. Tương tự, Smart Cap Technologies cung cấp mũ bảo hiểm có thể giám sát mức độ mệt mỏi của người đeo thông qua phân tích sóng não, giúp ngăn ngừa tai nạn do buồn ngủ hoặc mất tập trung.
 

- Quản lý tài sản và vật tư

 

Công nghệ IoT được sử dụng để theo dõi và quản lý vật tư, thiết bị và tài sản trên công trường xây dựng. Các thẻ RFID và cảm biến được gắn vào vật tư và thiết bị, cho phép theo dõi vị trí, tình trạng và việc sử dụng chúng theo thời gian thực.

Hệ thống này giúp giảm thời gian tìm kiếm thiết bị, ngăn ngừa mất mát và trộm cắp, đồng thời tối ưu hóa việc sử dụng tài nguyên. Theo một nghiên cứu của Accenture, việc áp dụng IoT trong quản lý tài sản có thể giúp giảm đến 30% chi phí bảo trì và 70% thời gian tìm kiếm thiết bị.
 

5. Trí tuệ nhân tạo và học máy trong xây dựng

 

- Dự đoán và quản lý rủi ro
 

Trí tuệ nhân tạo (AI) và học máy (ML) được sử dụng để phân tích dữ liệu từ các dự án trước đây, nhận diện mẫu và dự đoán các rủi ro tiềm ẩn trong dự án hiện tại. Các thuật toán ML có thể xác định các yếu tố có khả năng gây chậm tiến độ, vượt ngân sách hoặc gây ra vấn đề an toàn.

Công ty Autodesk đã phát triển nền tảng Construction IQ, sử dụng AI để phân tích dữ liệu từ hàng nghìn dự án xây dựng và nhận diện các mẫu rủi ro. Hệ thống này có thể dự đoán các vấn đề tiềm ẩn với độ chính xác lên đến 80%, giúp quản lý dự án có thể can thiệp trước khi vấn đề trở nên nghiêm trọng.
 

- Tối ưu hóa thiết kế và lập kế hoạch

 

AI được sử dụng trong thiết kế tạo sinh (generative design), một quy trình mà trong đó AI đề xuất nhiều phương án thiết kế dựa trên các ràng buộc và mục tiêu do con người xác định. Điều này giúp các kiến trúc sư và kỹ sư khám phá các giải pháp sáng tạo mà họ có thể không nghĩ đến.

Phần mềm như Autodesk Generative Design và nTopology cho phép tối ưu hóa thiết kế theo nhiều tiêu chí như giảm trọng lượng, tăng độ bền, giảm chi phí vật liệu và đơn giản hóa quá trình sản xuất. Kết quả là các thiết kế không chỉ đẹp mắt mà còn hiệu quả về mặt cấu trúc và kinh tế.
 

- Phân tích hình ảnh và phát hiện lỗi

AI được sử dụng để phân tích hình ảnh từ camera giám sát và drone để phát hiện các lỗi xây dựng, vấn đề an toàn và tiến độ công việc. Công nghệ này có thể tự động so sánh hình ảnh thực tế với mô hình BIM để phát hiện sự khác biệt và xác định các vấn đề cần khắc phục.

Công ty Buildots đã phát triển hệ thống sử dụng camera 360 độ gắn trên mũ bảo hiểm của công nhân để chụp ảnh công trường, sau đó sử dụng AI để so sánh với mô hình BIM và tự động tạo báo cáo về tiến độ và chất lượng công trình. Hệ thống này giúp giảm đến 40% thời gian quản lý dự án và giảm đáng kể số lượng lỗi không được phát hiện.
 

6. Thực tế ảo và thực tế tăng cường

 

- Mô phỏng và đào tạo

 

Thực tế ảo (VR) được sử dụng để tạo ra môi trường mô phỏng cho việc đào tạo công nhân về quy trình xây dựng và an toàn lao động. Công nhân có thể thực hành các kỹ năng và đối phó với các tình huống nguy hiểm trong môi trường an toàn trước khi làm việc trên công trường thực tế.

Các công ty như CPWR (The Center for Construction Research and Training) đã phát triển chương trình đào tạo VR cho công nhân xây dựng, giúp giảm tai nạn lao động đến 43% trong các thử nghiệm. VR cũng được sử dụng để đào tạo vận hành máy móc phức tạp như cần cẩu và máy xúc, giúp giảm chi phí đào tạo và tăng hiệu quả.
 

 

- Hỗ trợ thi công tại hiện trường

Thực tế tăng cường (AR) được sử dụng để hiển thị thông tin từ mô hình BIM trực tiếp lên không gian thực tế, giúp công nhân và kỹ sư hiểu rõ hơn về thiết kế và hướng dẫn thi công. Công nghệ này giúp giảm sai sót trong quá trình xây dựng và tăng hiệu suất làm việc.

Trimble và Microsoft đã hợp tác phát triển HoloLens cho ngành xây dựng, cho phép người dùng xem mô hình 3D của công trình trực tiếp tại hiện trường, kiểm tra kích thước và vị trí các thành phần, và phát hiện xung đột giữa các hệ thống. Theo một nghiên cứu của Trimble, việc sử dụng AR trong thi công có thể giảm đến 75% thời gian kiểm tra và đo đạc.
 

- Trình diễn thiết kế cho khách hàng

 

VR và AR được sử dụng để trình diễn thiết kế cho khách hàng, cho phép họ "đi vào" và trải nghiệm không gian trước khi nó được xây dựng. Điều này giúp khách hàng hiểu rõ hơn về thiết kế, đưa ra phản hồi sớm và giảm số lượng thay đổi trong quá trình xây dựng.

Các công ty thiết kế như Gensler và HOK sử dụng VR để cho phép khách hàng tương tác với thiết kế trong không gian 3D, trực quan hóa các lựa chọn vật liệu và màu sắc, và đưa ra quyết định sáng suốt hơn. Theo một khảo sát của Arch Virtual, 82% khách hàng cho biết VR giúp họ hiểu rõ hơn về thiết kế và ra quyết định nhanh hơn.
 

Vai trò quan trọng của tự động hóa trong ngành xây dựng

Tự động hóa trong ngành xây dựng mang lại nhiều lợi ích được thể hiện rõ qua nhiều khía cạnh, góp phần nâng cao hiệu quả, chất lượng và an toàn cho toàn bộ quy trình xây dựng. Cụ thể:

• Tăng năng suất lao động: Tự động hóa giúp giảm thời gian thực hiện các công việc lặp đi lặp lại, cho phép thi công nhanh hơn mà không ảnh hưởng đến chất lượng.
• Nâng cao độ chính xác và giảm sai sót: Các hệ thống giám sát tự động và mô hình 3D giúp phát hiện lỗi từ sớm, giảm thiểu làm lại và đảm bảo công trình đúng theo thiết kế.
• Tối ưu hóa quản lý tài nguyên và vật tư: Tự động hóa chuỗi cung ứng và kiểm soát tồn kho giúp sử dụng vật tư hiệu quả, tránh lãng phí và thiếu hụt.
• Cải thiện an toàn lao động: Robot và thiết bị tự hành có thể thay thế con người làm việc ở những khu vực nguy hiểm, giảm tai nạn và rủi ro nghề nghiệp.
• Tăng khả năng giám sát và điều phối từ xa: Nhờ dữ liệu thời gian thực, các nhà quản lý có thể theo dõi tiến độ, kiểm tra chất lượng và đưa ra quyết định nhanh chóng mà không cần có mặt trực tiếp tại công trường.
• Tiết kiệm chi phí dài hạn: Dù đầu tư ban đầu có thể cao, nhưng tự động hóa giúp giảm thiểu lãng phí, làm lại và chi phí nhân công, từ đó tối ưu tổng chi phí dự án.

Tự động hóa trong ngành xây dựng không còn là lựa chọn, mà đã trở thành yếu tố cốt lõi thúc đẩy sự phát triển của ngành. Với những lợi ích vượt trội về năng suất, chất lượng, an toàn và chi phí, việc ứng dụng tự động hóa chính là chìa khóa để các doanh nghiệp xây dựng bắt kịp xu hướng toàn cầu và đáp ứng yêu cầu ngày càng cao của thị trường.

Trong tương lai gần, những công trình được “xây dựng bởi công nghệ” sẽ không chỉ là hình ảnh của sự tiến bộ, mà còn là minh chứng cho một ngành xây dựng đổi mới toàn diện.

Bài viết liên quan:

• Công dụng Băng tải trong ngành Xây Dựng
• Khám phá tự động hóa trong ngành khai thác mỏ