BIM và mối liên hệ với Digital Twin: Từ mô hình công trình đến bản sao số

Một công trình đã có mô hình BIM vẫn có thể gặp khó khăn khi tra cứu hồ sơ thiết bị hoặc theo dõi tình trạng vận hành. Digital Twin có thể khai thác dữ liệu BIM và kết nối với dữ liệu từ công trình thực để hỗ trợ những nhu cầu này.

Vậy BIM và Digital Twin khác nhau ở đâu, bổ trợ cho nhau như thế nào và khi nào nên kết hợp? Bài viết giúp chủ đầu tư, ban quản lý dự án và đơn vị vận hành hiểu mối liên hệ giữa hai khái niệm, đồng thời xác định bước chuẩn bị phù hợp.

1. BIM là gì?

BIM (Building Information Modeling - Mô hình thông tin công trình) là phương pháp tạo lập, tổ chức và quản lý thông tin số liên quan đến công trình xây dựng trong suốt vòng đời của công trình. Thông tin được quản lý không chỉ bao gồm hình dạng và kích thước của các bộ phận mà còn có thể chứa vật liệu, thông số kỹ thuật, vị trí, mối quan hệ giữa các cấu kiện và dữ liệu phục vụ vận hành.

Theo ISO 19650-1:2018, BIM gắn liền với việc quản lý thông tin trong toàn bộ vòng đời tài sản xây dựng, từ lập kế hoạch, thiết kế đến vận hành, bảo trì và cải tạo. Chẳng hạn, trong mô hình BIM của một tòa nhà, người dùng có thể lựa chọn một thiết bị điều hòa để xem vị trí lắp đặt, mã thiết bị, công suất và các thông tin kỹ thuật đã được cập nhật.

Điểm quan trọng cần phân biệt là BIM không đơn thuần là mô hình 3D hay một phần mềm thiết kế. BIM còn bao gồm quy trình phối hợp, tiêu chuẩn quản lý thông tin và cách các bên sử dụng dữ liệu để làm việc trên cùng một công trình.

2. BIM hoạt động như thế nào?

BIM tổ chức dữ liệu công trình thành các đối tượng có thông tin liên kết với nhau. Thay vì chỉ thể hiện một bức tường bằng những đường nét như bản vẽ thông thường, mô hình BIM có thể xác định đó là tường thuộc tầng nào, sử dụng vật liệu gì, có kích thước ra sao và liên quan đến những cấu kiện nào.

Trong dự án xây dựng, kiến trúc sư, kỹ sư kết cấu, kỹ sư cơ điện và đơn vị thi công có thể phối hợp thông qua các mô hình chuyên ngành. Dữ liệu được chia sẻ và kiểm soát phiên bản thông qua quy trình quản lý thông tin, thường có sự hỗ trợ của môi trường dữ liệu chung (Common Data Environment - CDE). Nhờ vậy, các bên có cơ sở để theo dõi thay đổi, kiểm tra thông tin và phối hợp xử lý vấn đề.

Ví dụ, khi thiết kế hệ thống điều hòa cho một tòa nhà, nhóm kỹ thuật có thể phát hiện đường ống đi qua vị trí dầm kết cấu trên mô hình phối hợp. Vấn đề được điều chỉnh trước khi thi công thực tế, thay vì chỉ phát hiện khi lắp đặt tại công trường.

3. Digital Twin là gì? Mở rộng mô hình số thành bản sao số có kết nối dữ liệu

Digital Twin (bản sao số) là một biểu diễn số của đối tượng, hệ thống hoặc quá trình thực, được kết nối và cập nhật bằng dữ liệu liên quan để phản ánh trạng thái, hỗ trợ phân tích và đưa ra quyết định.

Theo báo cáo Foundational Research Gaps and Future Directions for Digital Twins (2024) của National Academies of Sciences, Engineering, and Medicine, Digital Twin không chỉ mô phỏng cấu trúc của hệ thống thực mà còn được cập nhật động bằng dữ liệu, có khả năng dự báo và hỗ trợ quyết định.

Một mô hình số của tòa nhà cho biết hệ thống điều hòa được bố trí ở đâu, công suất thiết kế và thông số kỹ thuật của thiết bị. Khi kết nối dữ liệu vận hành từ hệ thống quản lý tòa nhà, người quản lý có thể theo dõi nhiệt độ thực tế, trạng thái hoạt động và mức tiêu thụ năng lượng. Nếu hệ thống có thêm công cụ phân tích phù hợp, dữ liệu này có thể được sử dụng để nhận diện hoạt động bất thường, đánh giá hiệu suất hoặc dự báo nhu cầu bảo trì.

Như vậy, giá trị của Digital Twin không chỉ nằm ở khả năng mô phỏng một đối tượng, mà còn ở việc sử dụng dữ liệu từ thực tế để hiểu và đánh giá hoạt động của đối tượng đó.

Digital Twin có nhất thiết phải cập nhật dữ liệu theo thời gian thực?

Không phải mọi Digital Twin đều cần cập nhật dữ liệu liên tục theo từng giây.

Tần suất cập nhật phụ thuộc vào mục đích sử dụng. Một hệ thống theo dõi thiết bị quan trọng có thể cần dữ liệu gần thời gian thực, trong khi hệ thống đánh giá tình trạng kết cấu có thể sử dụng dữ liệu theo chu kỳ kiểm định. Điều cốt lõi là dữ liệu phải được cập nhật đủ kịp thời và đáng tin cậy để phục vụ quyết định đặt ra.

Bên cạnh đó, Digital Twin không nhất thiết phải có mô hình 3D. Trong một số ứng dụng, dữ liệu, mô hình tính toán và giao diện giám sát có thể đáp ứng mục tiêu mà không cần tái hiện đầy đủ hình học của đối tượng.

4. BIM và Digital Twin có mối liên hệ như thế nào?

BIM và Digital Twin có mối liên hệ bổ trợ:

BIM có thể cung cấp dữ liệu nền về cấu trúc, đặc điểm và thông tin tài sản.

Digital Twin sử dụng những dữ liệu phù hợp, kết hợp dữ liệu từ hệ thống thực để theo dõi, phân tích và hỗ trợ vận hành.

Mối liên hệ này đặc biệt có ý nghĩa đối với những công trình cần quản lý lượng lớn thiết bị, hệ thống kỹ thuật và thông tin bảo trì.

4.1. BIM cung cấp nền tảng thông tin cho Digital Twin

Trong dự án xây dựng có áp dụng BIM, mô hình thông tin có thể lưu trữ dữ liệu về không gian, cấu kiện, thiết bị và những thuộc tính liên quan. Khi công trình hoàn thành, thông tin đã được kiểm tra và cập nhật theo hiện trạng có thể trở thành một phần nguồn dữ liệu đầu vào để xây dựng Digital Twin.

4.2. Digital Twin bổ sung dữ liệu vận hành cho thông tin công trình

Trong khi BIM có thể quản lý thông tin thiết kế, xây dựng và tài sản, Digital Twin mở rộng khả năng khai thác bằng cách kết nối dữ liệu phát sinh trong quá trình hoạt động. Nguồn dữ liệu có thể đến từ cảm biến Internet vạn vật (IoT), hệ thống quản lý tòa nhà (BMS), hệ thống quản lý bảo trì, dữ liệu kiểm định hoặc các nền tảng quản lý tài sản khác.

4.3. BIM không tự động trở thành Digital Twin

Một công trình đã có mô hình BIM chi tiết không đồng nghĩa với việc công trình đó sở hữu Digital Twin. Để phát triển Digital Twin, tổ chức cần xác định mục tiêu vận hành, thiết lập kết nối dữ liệu phù hợp và xây dựng khả năng xử lý, phân tích hoặc mô phỏng theo nhu cầu sử dụng. Đồng thời, Digital Twin cũng có thể được phát triển từ các nguồn dữ liệu khác mà không nhất thiết phải bắt đầu bằng BIM.

Vì vậy, BIM không phải điều kiện bắt buộc của mọi Digital Twin, nhưng có thể là nền tảng thông tin quan trọng đối với Digital Twin trong lĩnh vực xây dựng.

5. BIM và Digital Twin khác nhau như thế nào?

BIM và Digital Twin đều sử dụng thông tin số để hỗ trợ quản lý tài sản, nhưng khác nhau ở trọng tâm, cơ chế cập nhật dữ liệu và cách khai thác thông tin.

*Bảng so sánh được tổng hợp theo phạm vi ứng dụng phổ biến, khả năng cụ thể phụ thuộc vào kiến trúc và mức độ triển khai từng hệ thống.

Một khác biệt đáng chú ý nằm ở mối quan hệ giữa mô hình số và trạng thái thực tế của tài sản.

BIM có thể mô tả tài sản và lưu trữ thông tin vận hành, nhưng không nhất thiết được đồng bộ tự động với hệ thống thực. Trong khi đó, kết nối và cập nhật dữ liệu từ đối tượng thực là một trong những đặc điểm quan trọng để Digital Twin hỗ trợ theo dõi, phân tích trạng thái.

Dù vậy, không nên hiểu BIM chỉ dùng cho thiết kế còn Digital Twin chỉ dùng cho vận hành. BIM có thể được sử dụng xuyên suốt vòng đời công trình, còn Digital Twin cũng có thể hỗ trợ thử nghiệm phương án và ra quyết định ở nhiều giai đoạn khác nhau.

6. BIM kết hợp Digital Twin hoạt động như thế nào?

Để hình dung rõ hơn, hãy xem xét một tòa nhà văn phòng có sử dụng BIM từ giai đoạn thiết kế và đang được quản lý bằng hệ thống kỹ thuật số.

6.1. Xây dựng và chuẩn hóa dữ liệu BIM

Đầu tiên, đơn vị quản lý xác định những thông tin cần sử dụng, chẳng hạn vị trí thiết bị điều hòa, mã tài sản, thông số kỹ thuật, lịch bảo trì và mối quan hệ giữa các hệ thống.

Dữ liệu BIM được kiểm tra, cập nhật theo hiện trạng và tổ chức phù hợp với nhu cầu quản lý tài sản. Không nhất thiết phải chuyển toàn bộ thông tin thiết kế sang hệ thống vận hành.

6.2. Kết nối dữ liệu từ hệ thống thực tế

Ở bước tiếp theo, các nguồn dữ liệu vận hành được kết nối với mô hình số.

Chẳng hạn, dữ liệu nhiệt độ phòng, điện năng tiêu thụ và trạng thái thiết bị có thể được thu thập thông qua BMS hoặc cảm biến IoT.

Hệ thống cần có cách liên kết dữ liệu này với đúng không gian hoặc thiết bị trong mô hình. Mã định danh tài sản và quy tắc quản lý dữ liệu thống nhất đóng vai trò quan trọng trong quá trình đó.

6.3. Trực quan hóa, phân tích và hỗ trợ quyết định

Sau khi kết nối, người quản lý có thể truy cập giao diện số để kiểm tra trạng thái của từng khu vực hoặc thiết bị.

Ví dụ, khi một khu vực liên tục có nhiệt độ cao hơn mức cài đặt, hệ thống có thể hiển thị vị trí, dữ liệu đo lường và lịch sử hoạt động của thiết bị liên quan.

Dựa trên thông tin này, đội ngũ vận hành có thể kiểm tra nguyên nhân, phân công xử lý và đánh giá hiệu quả sau khi điều chỉnh. Ở mức triển khai nâng cao, Digital Twin có thể kết hợp mô hình mô phỏng hoặc thuật toán phân tích để hỗ trợ đánh giá các phương án vận hành khác nhau trước khi áp dụng.

Lưu ý: Việc liên kết mô hình BIM với dữ liệu cảm biến giúp xây dựng nền tảng giám sát vận hành. Riêng chức năng hiển thị dữ liệu chưa đủ để kết luận hệ thống đáp ứng đầy đủ khái niệm Digital Twin theo nguồn định nghĩa sử dụng trong bài. Cần làm rõ mô hình thể hiện hành vi của tài sản ra sao, được cập nhật bằng dữ liệu thực như thế nào và có khả năng dự báo gì để hỗ trợ quyết định.

7. Các tình huống ứng dụng BIM kết hợp Digital Twin

Các tình huống dưới đây là ví dụ minh họa, không phải kết quả của dự án VR360 đã triển khai.

7.1. Quản lý vận hành tòa nhà thông minh

Trong tòa nhà văn phòng, bệnh viện hoặc trung tâm thương mại, BIM có thể cung cấp thông tin về không gian, hệ thống điện, nước, điều hòa và các thiết bị kỹ thuật. Khi kết hợp Digital Twin, đơn vị vận hành có thể liên kết thông tin tài sản với dữ liệu tiêu thụ năng lượng, nhiệt độ, trạng thái hoạt động và lịch sử bảo trì.

Nếu hệ thống cung cấp đầy đủ dữ liệu đo lường và công cụ phân tích, người quản lý có thể xác định những khu vực cần kiểm tra và xem xét phương án điều chỉnh lịch vận hành thiết bị. Giá trị của giải pháp nằm ở khả năng đưa thông tin thiết kế, tài sản và vận hành vào cùng một quy trình quản lý có thể truy xuất.

7.2. Quản lý hệ thống kỹ thuật trong nhà máy

Đối với nhà máy, BIM có thể hỗ trợ quản lý thông tin công trình, đường ống, thiết bị cơ điện và các không gian kỹ thuật. Digital Twin có thể kết nối thêm dữ liệu từ máy móc, hệ thống năng lượng hoặc dây chuyền sản xuất, tùy phạm vi xây dựng bản sao số.

Với phạm vi này, cần phân biệt thông tin công trình với dữ liệu dây chuyền sản xuất; mô hình dự báo phải được kiểm chứng cho đúng thiết bị và điều kiện vận hành.

7.3. Quản lý công trình hạ tầng

Đối với cầu, đường hầm hoặc hệ thống hạ tầng đô thị, BIM có thể hỗ trợ lưu trữ hình học, cấu kiện và thông tin tài sản. Khi kết hợp dữ liệu quan trắc, kiểm định và mô hình phân tích, Digital Twin có thể hỗ trợ theo dõi sự thay đổi trạng thái của công trình theo thời gian.

Ví dụ, dữ liệu từ cảm biến biến dạng hoặc rung động trên cầu có thể được liên kết với thông tin kết cấu, giúp chuyên gia đánh giá tình trạng công trình và xác định nhu cầu kiểm tra chuyên sâu.

8. Lợi ích khi kết hợp BIM và Digital Twin

Việc kết hợp BIM và Digital Twin có thể tạo ra giá trị đáng kể trong quản lý công trình khi được triển khai đúng mục tiêu.

Thứ nhất, cải thiện khả năng tiếp cận thông tin tài sản. Nhân sự vận hành có thể tìm kiếm thông tin kỹ thuật, vị trí và dữ liệu hoạt động của thiết bị trên một môi trường quản lý liên kết, thay vì tra cứu nhiều nguồn rời rạc.

Thứ hai, hỗ trợ bảo trì và xử lý sự cố. Dữ liệu lịch sử kết hợp thông tin trạng thái giúp đội ngũ kỹ thuật có thêm cơ sở để xác định thiết bị cần kiểm tra, lập kế hoạch bảo dưỡng và theo dõi kết quả.

Thứ ba, hỗ trợ đánh giá hiệu suất vận hành. Khi có dữ liệu phù hợp, đơn vị quản lý có thể phân tích mức tiêu thụ năng lượng, thời gian hoạt động hoặc các chỉ số hiệu suất được lựa chọn.

Thứ tư, nâng cao khả năng phối hợp giữa các bộ phận. Thông tin công trình và dữ liệu vận hành được liên kết có thể giúp đội ngũ kỹ thuật, bảo trì và quản lý cùng tiếp cận một bối cảnh thông tin nhất quán.

Các lợi ích trên là khả năng ứng dụng của giải pháp, không phải kết quả chắc chắn của mọi dự án. Mức độ hiệu quả cần được đánh giá thông qua các chỉ số thực tế, chẳng hạn thời gian tra cứu tài sản, thời gian xử lý sự cố hoặc mức tiêu thụ năng lượng trước và sau triển khai.

9. Doanh nghiệp nên bắt đầu triển khai BIM và Digital Twin từ đâu?

Đối với tổ chức đang quản lý tòa nhà, nhà máy hoặc hạ tầng kỹ thuật, bước đầu tiên không phải lựa chọn phần mềm mà là xác định vấn đề cần giải quyết.

Ví dụ, nếu khó khăn lớn nhất là tìm kiếm hồ sơ thiết bị, doanh nghiệp có thể ưu tiên chuẩn hóa dữ liệu tài sản và xây dựng khả năng tra cứu từ mô hình BIM.

Nếu mục tiêu là giám sát mức tiêu thụ điện, tổ chức cần đánh giá hệ thống đo lường hiện có, khả năng thu thập dữ liệu và cách liên kết thông tin với từng khu vực hoặc thiết bị. Khi đã có nhu cầu phân tích trạng thái, mô phỏng phương án hoặc hỗ trợ dự báo, doanh nghiệp có thể xem xét phát triển những chức năng Digital Twin tương ứng.

Một lộ trình triển khai có thể bắt đầu từ việc khảo sát hệ thống hiện tại, xác định yêu cầu thông tin, chuẩn hóa dữ liệu BIM, kết nối thử nghiệm một số nguồn dữ liệu và đánh giá kết quả trước khi mở rộng.

Cách tiếp cận này giúp phân biệt rõ đâu là nhu cầu quản lý thông tin cơ bản và đâu là nhu cầu thực sự cần đến Digital Twin.

BIM có thể cung cấp nền tảng thông tin công trình cho Digital Twin. Giá trị của việc kết hợp phụ thuộc vào mục tiêu vận hành, chất lượng dữ liệu và khả năng phân tích phù hợp với từng tài sản.

Trước khi triển khai, tổ chức nên chọn một bài toán cụ thể, rà soát dữ liệu hiện có và xác định chỉ số đánh giá cho phạm vi thử nghiệm.

Tìm hiểu thêm tại bài Digital Twin là gì? Tất tần tật về bản sao kỹ thuật số của VR360.

https://www.iso.org/standard/68078.html
https://doi.org/10.17226/26894