Các kỹ thuật mới như hệ thống mô hình thông tin công trình xây dựng BIM (Building Information Modeling), máy tính bảng công trường, các ứng dụng thiết kế tuỳ biến đa nhiệm … đang từng bước hỗ trợ và thay đổi căn bản khái niệm xây dựng công trình dưới dạng số. Một trong những công nghệ còn ít được nhắc tới và hạn chế triển khai trong lĩnh vực xây dựng đó chính là công nghệ quét laser 3D. Các nhà tư vấn, kỹ sư thiết kế, giám sát thi công … đã từng tiếp cận với công nghệ cao cấp này đều đã ghi nhận những lợi thế vượt trội mà chỉ có áp dụng công nghệ quét laser 3D mới đạt được. Trong bản tin này, chúng ta sẽ cùng xem xét khả năng và những lợi thế của công nghệ quét laser 3D trong ngành xây dựng.

Quét laser 3D là gì (3D Laser Scanning)?

Quét laser 3D là kỹ thuật ghi nhận đo đạc đa chiều để thể hiện các đối tượng trong thực tiễn dưới dạng kỹ thuật số và mô tả mối quan hệ không gian giữa các đối tượng với nhau bằng cách sử dụng các tia quét laser. Máy quét có thể tạo ra các đám mây điểm (thay vì một vài trăm điểm) thể hiện một cách chính xác và chi tiết đối tượng trong thực địa mà tia laser đã quét qua. Phụ thuộc vào kiểu máy quét và hãng chế tạo, các đối tượng quét có thể có kích thước rất lớn ở khoảng cách hàng trăm mét với độ chính xác dưới 5mm và tốc độ ghi nhận số liệu lên tới vài chục nghìn đến vài trăm nghìn điểm mỗi giây. Tốc độ quét phụ thuộc vào mật độ điểm mong muốn tái tạo đối tượng là bao nhiêu. Với các đối tượng kích thước lớn không thể quét bằng một trạm máy, có thể quét với nhiều trạm máy sau đó liên kết các trạm máy rời rạc với nhau để tạo ra mô hình quét tổng thế. Khi đã tạo ra được đám mây điểm dưới dạng 3D, số liệu có thể được xuất sang nhiều phần mềm khác nhau như thiết kế CAD, xây dựng mô hình đa chiều, các chương trình BIM chuyên dụng để tạo các bản vẽ CAD 2D hoặc các mô hình 3D có mức độ phức tạp cao hơn.

Ai sử dụng công nghệ quét laser 3D?

Bất chấp việc được triển khai ứng dụng một cách rất chậm, công nghệ quét laser 3D hiện đang được sử dụng khá phổ biến trong một số lĩnh vực ứng dụng tại Việt Nam trong những ngành khách nhau. Chúng ta có thể sử dụng máy quét laser 3D phục vụ cho công tác bảo tồn các di tích quan trọng, khảo cổ học, khảo sát hiện trạng phục vụ thiết kế công trình, đo đạc ở các vị trí và khu vực không thể tiếp cận được. Bước đầu đang được nghiên cứu để đưa vào các ứng dụng như khảo sát hiện trạng cầu đường, phục vụ thi công công trình hầm, theo dõi biến dạng công trình theo thời gian, xây dựng mô hình các nhà máy phục vụ quản lý và đào tạo vận hành. Các lĩnh vực ứng dụng cụ thể được phân tích kỹ hơn trong phần dưới đây.

Xây dựng công trình giao thông


Công nghệ quét laser 3D được sử dụng trong quá trình khảo sát, xây dựng và duy tu bảo dưỡng các công trình giao thông cũng như hạ tầng liên quan như đường xá, cầu cống, hệ thống hỗ trợ như hộ lan, chiếu sáng … Cụ thể hơn nữa là việc máy quét laser 3D tham gia vào việc đo đạc khảo sát địa hình phục vụ thiết kế tính toán đào đắp san lấp, đo đạc bề mặc xác định mức độ lồi lõm trong quá trình thi công và thảm nhựa cũng như biến dạng trong quá trình vận hành sau này, tính toán tổng thể tích thảm nhựa đã trải, đo đạc các điểm giao cắt trên đường cao tốc xây dựng mô hình phân tích, thiết kế và mô phỏng quá trình xây dựng cầu, đánh giá hư hại công trình cầu khi gặp sự cố, khảo sát hiện trạng xây dựng phương án duy tu bảo dưỡng và bảo tồn các công trình cầu mang tính lịch sử. Ngoài ra công nghệ quét laser 3D cũng đã tham gia vào quá trình khảo sát, xây dựng và duy tu bảo dưỡng các công trình giao thông quan trọng khác như xây dựng đường hầm, sân bay, bến cảng, đường sắt, nhà ga …

Xây dựng cơ sở hạ tầng và nhà máy
 

Công nghệ quét laser 3D có thể thu thập và xây dựng lại một cách chính xác tình trạng hiện thời của bất kỳ công trình hạ tầng và nhà máy nào. Những số liệu mô hình này hết sức quan trọng trong quá trình xây dựng phương án duy tu bảo dưỡng và sửa chữa thay thế. Giả sử chúng ta cần bổ sung thêm các thiết bị mới vào một nhà máy hiện hữu, các mô hình cụ và mới thu được bằng máy quét laser 3D giúp chúng ta lắp ráp thử các hợp phần mới vào với các hợp phần hiện hữu để xác định trước trên máy tính những va chạm, vênh lệch tiềm tàng để từ đó có phương pháp điều chỉnh cho phù hợp trước khi đưa vào lắp ráp thực trên công trường, điều này đặc biệt quan trọng đối với quá trình nâng cấp và bổ sung thiết bị cho các nhà máy. Công nghệ quét laser 3D còn giúp chúng ta đánh giá từ xa các hợp phần cấu thành nhà máy, quản lý tài sản hiện hữu, xây dựng mô hình mô phỏng phục vụ vận hành và quản lý, đặc biệt phát huy tác dụng đối với các nhà máy bị hạn chế về mặt nhân lực cũng như nguy hiểm cho người lao động khi phải tiếp cận trực tiếp với các hợp phần đặc thù của nhà máy như ống khói, lò cao, lò nhiệt, nhà máy điện hạt nhân …

Xây dựng và làm mới công trình

Một trong những nhiệm vụ quan trọng trong xây dựng là xem xét sự khác biệt (hay nói cách khác là những khiếm khuyết cũng như độ chính xác) của các hợp phần cấu thành công trình giữa các bản vẽ thiết kế và thực tiễn thi công. Trước đây nhiệm vụ này thường được triển khai hoàn toàn bằng mắt ngắm, thước dây và các bản vẽ đã được sửa chữa, theo đó kết quả thu được chỉ mang tính tương đối chứ chưa thực sự chính xác và đầy đủ, điều này rất không tốt đối với các công trình xây dựng. Dựa trên những lợi thế riêng có của công nghệ quét laser 3D, chúng ta có thể triển khai máy quét để thu thập số liệu công trình một cách đầy đủ, chi tiết và chính xác nhất cả bên trong và bên ngoài các công trình hiện hữu, so sánh, xác định và chỉ ra sự khác biệt giữa các hợp phần. Số liệu thu được từ quá trình khảo sát thực tiễn bằng máy quét laser 3D có thể được sử dụng cho việc lên phương án triển khai, thiết kế mô hình tối ưu phục vụ làm mới công trình hoặc đơn giản hơn là khảo sát hiện trạng công trình dưới dạng 3D.


Cơ sở hạ tầng dầu khí ngoài khơi và trên bờ

Các công trình hạ tầng dầu khí trên bờ, đặc biệt là các công trình ngoài khơi luôn đòi hỏi vô cùng khắt khe về công tác kiểm soát hình dạng, kích thước trong suốt vòng đời vận hành. Tất cả các công trình dầu khí đều có kết cấu dạng khối hợp phần, các khối hợp phần được lắp ráp với nhau một cách chặt chẽ và chính xác nhất, đặc biệt là các mối ráp nối giữa các hợp phần nổi và hợp phần ngập sâu dưới nước. Máy quét laser 3D được sử dụng để kiểm chuẩn và định kỳ xác định cấu trúc hình học của toàn bộ công trình hoặc từng khối hợp phần theo thời gian. Trong trường hợp có sự cố xảy ra như cháy nổ, gió bão, thay thế bổ sung thì kỹ thuật quét laser 3D là phương pháp nhanh nhất, chính xác, chi tiết và an toàn nhất cung cấp cho chúng ta toàn cảnh cấu trúc và các hợp phần cấu thành công trình.

Đánh giá hiện trường tai nạn

Kỹ thuật quét laser 3D hỗ trợ một cách đắc lực cho việc ghi nhận hiện trường tai nạn giao thông và vụ án. Toàn cảnh hiện trường vụ án với các chứng cứ được bảo vệ một cách hoàn chỉnh, nguyên vẹn và an toàn đảm bảo bất kỳ khi nào cần quay trở lại hiện trường chúng ta đều có thể thực hiện được. Tất cả công tác đo vẽ hiện trường trước đây đều được thực hiện bởi thước dây, máy đo laser cầm tay … tiêu tốn rất nhiều thời gian, độ chính xác và mức độ hoàn chỉnh hiện trường không cao. Kỹ thuật quét laser 3D có khả năng khắc phục gần như tất cả những hạn chế mà phương pháp cũ gặp phải, kỹ thuật quét laser 3D hỗ trợ các đội hiện trường có thể nhanh chóng hoàn chỉnh số liệu điều tra, giải phóng hiện trường nhanh, lưu trữ hoàn chỉnh các chứng cứ xuất hiện. Một khi đã có trong tay cơ sở dữ liệu 3D hoàn chỉnh về hiện trường, với sự phát triển nhanh của các phần mềm thế hệ mới công tác dựng mô hình, hỗ trợ phân tích điều tra được thực thi một cách nhanh chóng, chính xác hoàn toàn trên mô hình 3D.


(Do được lưu trữ dưới dạng các mô hình 3 chiều dạng số nên việc thăm lại hiện trường khi phát hiện thêm những nghi vấn là điều dễ thực hiện, hoàn toàn không lo về việc hiện trường đã mất dấu vết)

Có thể trong thực tiễn chi phí giá thành đầu tư vào công nghệ quét laser 3D cao hơn nhiều so với các phương pháp đo truyền thống, tuy nhiên trong rất nhiều ứng dụng lợi ích và giá trị mà công nghệ này mang lại cao hơn rất nhiều so với giá thành đầu tư và đặc biệt hơn nữa là công nghệ quét laser 3D có khả năng giải quyết những nhiệm vụ mà các phương pháp đo truyền thống không thể thực hiện được. Hoàn toàn có thể khẳng định rằng quét laser 3D cung cấp cho chúng ta số liệu khảo sát có mức độ chi tiết rất cao mà các phương pháp đo truyền thống không thể cung cấp được. Công nghệ quét laser 3D mang đến cho chúng ta số liệu khảo sát chi tiết hơn, an toàn hơn ở những khu vực nguy hiểm vì không cần tiếp cận trực tiếp khu vực đo, giảm thời gian và kinh phí vì không cần gửi đội khảo sát quay trở lại hiện trường nữa. Xu thế ứng dụng công nghệ quét laser 3D sẽ là xu thế phát triển tất yếu khi chúng ta nhìn vào tất cả các phần mềm đồ hoạ tới thời điểm hiện tại đều đã được trang bị các chức năng hỗ trợ đám mây điểm (Support Point Cloud). Với số liệu đám mây điểm thu được từ các máy quét laser 3D, đối với lĩnh vực thiết kế và xây dựng chúng ta có thể:

Cải thiện năng lực thiết kế và lập kế hoạch

Các bản vẽ hoàn công trích xuất từ số liệu đám mây điểm và các mô hình 3D sẽ được cải thiện một cách đáng kể dựa trên khả năng phân tích va chạm giữa các hợp phần với nhau, đặc biệt trong quá trình bổ sung thiết bị, hợp phần cho các công trình hiện hữu. Việc thiết kế và lập kế hoạch được thực hiện với mức độ xác thực cao hơn rất nhiều. Trước khi triển khai thi công thực tế, công nghệ máy tính và phần mềm cho phép chúng ta thực hiện xây dựng công trình ảo để phát hiện ra những bất thường và khắc phục trước khi chính thức triển khai.

Số liệu kích thước chính xác thu được bằng cách sử dụng máy quét laser 3D giúp chúng ta kiểm soát chặt chẽ quá trình tháo dỡ, lắp đặt mới, sao chép và chế tạo các hợp phần thay thế, giảm thiểu tối đa chi phí phát sinh, tiết kiệm nguyên vật liệu và thời gian triển khai.
 
Đảm bảo các tiêu chuẩn quy định an toàn thi công

Thu thập số liệu hiện trường bằng kỹ thuật quét laser 3D an toàn hơn nhiều so với các phương pháp khảo sát thu thập số liệu thực địa trực tiếp bằng tay, phương pháp khảo sát này dễ dàng đáp ứng các yêu cầu bắt buộc liên quan tới đảm bảo an toàn, đảm bảo sức khoẻ người lao động cũng như giảm thiểu tối đa tác động môi trường. Khả năng thu số liệu từ khoảng cách xa của các máy quét laser sẽ giải quyết triệt để việc phải đưa kỹ thuật viên trực tiếp tới các khu vực ô nhiễm nguy hiểm trước đây. Ví dụ chúng ta sẽ không cần phải đo đạc trực tiếp ở các khu vực bị nhiễm độc, khu vực nhà máy điện nguyên tử, khu vực đất trượt lở …

Giảm chi phí giá thành và đẩy nhanh tiến độ

Theo báo cáo nghiên cứu thì công nghệ quét laser 3D có thể giảm chi phí giá thành cho một dự án từ 5 – 7%, giảm thời gian triển khai các dự án xây dựng công nghiệp và dân dụng khoảng 10%, đồng thời kiểm soát tiến độ và chất lượng thi công một cách liên tục và chặt chẽ hơn rất nhiều. Những nhiệm vụ khảo sát trước đây kéo dài hàng tháng giờ đây sẽ chỉ còn tính bằng giờ hoặc ngày nếu chúng ta áp dụng công nghệ quét laser 3D, từ đó chúng ta có thể dễ dàng nhận thấy chi phí đầu tư vào công nghệ này hoàn toàn không quá cao nếu chúng ta xem xét một cách kỹ lưỡng những giá trị mà kỹ thuật này mang lại.

Trở lực triển khai ứng dụng công nghệ quét laser 3D – Trong khi các báo cáo khảo sát thị trường công nghệ quét laser 3D chỉ rõ tốc độ tăng trưởng ổn định từ 25 – 30% trong vòng năm năm qua, nhưng thực tiễn cho thấy công nghệ này vẫn chỉ đang ở giai đoạn đầu tiên của vòng đời tồn tại. Bởi các phương pháp khảo sát truyền thống vẫn có giá thành thấp hơn trong một số ứng dụng thực tiễn do đó vẫn rất khó để xác định rõ khi nào chúng ta sẽ có bước chuyển mạnh mẽ sang công nghệ quét laser 3D. Tuy nhiên chúng ta vẫn hoàn toàn có thể tin tưởng vào một tương lai rất gần của công nghệ tiên tiến này với sự xuất hiện của những khái niệm mới trong xây dựng như BIM (Building Information Modeling); VDC (Virtual Digital Construction) …
 

Các tin khác

• Trung quốc hoàn tất chùm vệ tinh BEIDOU-3 [12/12/2018]
• Triển khai ứng dụng thiết bị bay chụp ảnh không người lái UAVER AVIAN RTK/PPK tại Việt Nam [11/12/2018]
• Các ứng dụng của công nghệ Lidar [25/10/2018]
• Thiết bị đo đạc các chỉ tiêu chất lượng môi trường nước cầm tay [08/09/2018]
• Bộ nhớ 360 TB siêu nhỏ chứa dữ liệu trong 13,8 tỷ năm [23/02/2016]
• Sử dụng thiết bị bay không người lái trong nông nghiệp – Cuba triển khai dự án thử nghiệm [20/10/2015]
• Tìm hiểu giải pháp lưu trữ dữ liệu tốt nhất [02/10/2015]
• Quét Laser ba chiều xây dựng tư liệu hình học và quản lý xây dựng trong quá trình đào hầm đường bộ [07/09/2015]
• Sử dụng cảm biến GPS giá rẻ phục vụ theo dõi biến dạng [28/07/2015]
• Giải pháp Hội nghị truyền hình đa năng [13/04/2015]
• Xu hướng thị trường GNSS trong năm 2015 [06/04/2015]
• USB 3.0 dung lượng 1TB đầu tiên trên thế giới [27/03/2015]
• Ứng dụng công nghệ quét Laser 3 chiều trong công tác cứu nạn sự cố công trình ngầm [16/03/2015]
• Máy quét Laser 3D cầm tay Faro Freestyle [19/01/2015]
• EOS Positioning System công bố dòng máy thu Arrow – GNSS thời gian thực độ chính xác cao [05/01/2015]