Tóm tắt: Trong thiết kế cầu hiện đại, thẩm mỹ cầu luôn đi cùng với an toàn, công năng và hiệu quả kinh tế, đặc biệt với các cầu có trụ với kiến trúc phức tạp (chữ V, cong, nghiêng). Thiết kế theo phương pháp truyền thống thường tốn thời gian và khó đồng bộ giữa kiến trúc và phân tích kết cấu. Bài báo đề xuất quy trình thiết kế tham số tích hợp Mô hình thông tin công trình (BIM), kết hợp Revit/Dynamo, Python và MIDAS Civil, gồm 5 bước: xây dựng mô hình tham số, trích xuất hình học bằng Python, phân tích kết cấu, kiểm tra xung đột cốt thép 3D và so sánh phương án. Quy trình được áp dụng cho trụ chữ V, cầu Chà Là. Kết quả cho thấy quy trình rút ngắn đáng kể thời gian cập nhật mô hình cơ sở sang mô hình hoàn thiện với cáp dự ứng lực bệ trụ khi thay đổi hình học, phát hiện sớm xung đột không gian và tăng tính đồng bộ dữ liệu giữa BIM và mô hình phân tích kết cấu.
Từ khóa: Thiết kế tham số; BIM; Cầu Chà Là; Trụ cầu; MIDAS Civil.
1. MỞ ĐẦU
Trong thiết kế cầu hiện đại, thẩm mỹ được xem là một trong những tiêu chí cốt lõi bên cạnh an toàn, công năng và hiệu quả kinh tế, kế thừa quan điểm kinh điển của Vitruvius về các yêu cầu đối với công trình xây dựng (Tang, 2018). Đối với các cây cầu mang tính biểu tượng, giá trị thẩm mỹ không chỉ tạo nên bản sắc kiến trúc mà còn góp phần nâng cao giá trị kinh tế, văn hóa và cảnh quan đô thị. Vì vậy, yếu tố này cũng rất quan trọng ngay từ giai đoạn hình thành ý tưởng.
Xu hướng phát triển của các công trình cầu hiện nay cho thấy sự xuất hiện của các kết cấu có hình học phức tạp như trụ nghiêng, trụ cong, trụ chữ V và các dạng hình học không gian ba chiều. Trong đó, trụ cầu Chà Là (Ninh Bình) là một ví dụ điển hình với cấu trúc chữ V nghiêng ba chiều, được hình thành từ bốn nhánh nghiêng. Ý tưởng kiến trúc lấy cảm hứng từ hình ảnh đóa hoa sen, biểu tượng gắn với vùng di sản Tràng An, tạo bản sắc cảnh quan cho công trình. Hình thái kiến trúc đặc trưng này làm gia tăng đáng kể độ phức tạp của quá trình thiết kế và phân tích kết cấu.
Với sự phát triển mạnh mẽ của công nghệ số, Mô hình thông tin công trình (Building Information Modeling – BIM) ngày càng được áp dụng rộng rãi trong lĩnh vực thiết kế cầu, đặc biệt cho các công trình có yêu cầu cao về tính thẩm mỹ và độ phức tạp hình học (Girardet, 2021; Jung và cộng sự, 2009; Son và cộng sự, 2013; Shin, 2011; Wu và cộng sự, 2025). Tuy nhiên, một thách thức lớn vẫn tồn tại: quy trình thiết kế các trụ cầu phức tạp (hình chữ V, cong, xoắn) đòi hỏi nhiều công đoạn thủ công từ mô hình hóa hình học đến chuyển đổi dữ liệu và phân tích kết cấu.
Bảng 1 tóm tắt so sánh 6 phần mềm chính trong lĩnh vực kết cấu cầu. Đánh giá sơ bộ chung cho thấy, chưa có phần mềm thương mại nào tích hợp trọn vẹn chuỗi hình học → phân tích → thiết kế thông minh trên một nền tảng thống nhất. Đây là khoảng trống công nghệ mà quy trình tích hợp đề xuất trong bài báo này hướng đến giải quyết.
Nghiên cứu của Girardet (2021) và Jung và cộng sự (2009) chỉ ra rằng BIM ban đầu được phát triển chủ yếu cho công trình nhà, trong khi các công trình hạ tầng như cầu – với sự đa dạng lớn về hình học – vẫn thiếu các lược đồ dữ liệu phù hợp. Li và cộng sự đề xuất quy trình chuyển đổi Revit–MIDAS Civil cho dầm cầu (2004), song giải pháp này chủ yếu xử lý kết cấu nhịp và chưa đề cập đến trụ cầu phi truyền thống. Son và cộng sự (2013) đã phát triển module tạo dữ liệu 3D tự động cho trụ bê tông cốt thép từ mô hình tham số, nhưng chưa tích hợp với quy trình bê tông cốt thép dự ứng lực đầy đủ. Khác với Girardet (2021) và Li và cộng sự (2024) vốn tập trung kết cấu nhịp/dầm cầu, và khác với Son và cộng sự (2013) chỉ dừng ở tạo dữ liệu 3D cho trụ bê tông cốt thép (RC) chưa tích hợp dự ứng lực, nghiên cứu này đề xuất quy trình tham số hóa hình học 3D cho trụ chữ V nghiêng, tích hợp đồng thời phân tích kết cấu dự ứng lực (PSC) và kiểm tra xung đột cốt thép 3D trên cùng một mô hình tham số.
Bảng 1. Khả năng tích hợp BIM– FEM (phân tích phần tử hữu hạn) của các phần mềm
Xuất phát từ những khoảng trống nghiên cứu trên, bài báo đề xuất một quy trình thiết kế tham số tích hợp BIM–FEM cho các trụ cầu có kiến trúc phức tạp, sử dụng chuỗi công cụ Revit/Dynamo → Python → MIDAS Civil nhằm tự động hóa quá trình xây dựng, cập nhật và chuyển đổi mô hình phân tích kết cấu. Quy trình được áp dụng cho thiết kế trụ chữ V của cầu Chà Là (Ninh Bình) nhằm đánh giá khả năng đồng bộ dữ liệu, rút ngắn thời gian cập nhật mô hình khi thay đổi hình học và nâng cao hiệu quả khảo sát nhiều phương án thiết kế trong giai đoạn thiết kế ý tưởng. Trong đó, chương trình Python sinh hình học tham số 3D (công thức 1–8) và script xuất tệp MCT là do nhóm tác giả tự phát triển; Revit/Dynamo, Navisworks và MIDAS Civil là phần mềm thương mại, chỉ đóng vai trò môi trường dựng hình, kiểm tra xung đột và phân tích kết cấu.
2. NGUYÊN LÝ THIẾT KẾ THAM SỐ
Thiết kế tham số là phương pháp xây dựng mô hình số, trong đó hình học, kích thước và các đặc tính của công trình được xác định thông qua hệ thống các tham số đầu vào và các quan hệ toán học giữa chúng. Khác với phương pháp mô hình hóa truyền thống, trong đó mỗi thay đổi về hình học đều phải chỉnh sửa thủ công, thiết kế tham số cho phép toàn bộ mô hình được cập nhật tự động khi các tham số đầu vào thay đổi, nhờ đó duy trì tính nhất quán giữa mô hình hình học, dữ liệu BIM và mô hình phân tích kết cấu. Ajtayné Károlyfi (2023) chứng minh rằng khung tham số BIM cho phép đánh giá nhanh nhiều phương án thiết kế ở giai đoạn ý tưởng, giảm thiểu công sức lặp lại.
Đối với công trình cầu có hình học phức tạp, các tham số thiết kế thường được liên kết bởi các quan hệ hình học và các điều kiện ràng buộc nhằm bảo đảm mô hình luôn thỏa mãn ý đồ kiến trúc và yêu cầu kết cấu. Ví dụ, đối với trụ cầu chữ V đối xứng, mỗi nhánh trụ được mô hình hóa là một cung tròn nằm trong mặt phẳng đứng đi qua trục thân và hợp với trục Ox một góc phương vị ψ. Hình học nhánh trụ được xác định bởi năm tham số đầu vào độc lập: khoảng cách hai chân (B₀), chiều cao (H), góc lệch dây cung (góc giữa đường nối chân–đỉnh nhánh và phương đứng –β), góc cong (φ) và phương vị (ψ) của từng nhánh; có thể nhập chiều rộng đỉnh trụ (B) thay cho β, khi đó β = arctan[(B – B₀)/(2H)]. Các đại lượng còn lại là dẫn xuất:
r₀ = B₀/2 ; θ = β – φ/2 ; b = H·tan β ; B = B₀ + 2b (1)
R = H / [sin(θ + φ) – sin θ] (2)
Đường tâm mỗi nhánh được sinh trực tiếp trong không gian ba chiều theo tham số t ∈ [0, 1] (với α = φ·t). Trong mặt phẳng đứng của nhánh, độ vươn ngang ρ(t) và cao độ ζ(t) là:
ρ(t) = R·[cos θ – cos(θ + φt)] ; ζ(t) = R·[sin(θ + φt) – sin θ] (3)
Tọa độ (x, y, z) của các nút trên đường tâm nhánh thứ k, với trục thân tại (x₀, y₀) và điểm tách ở cao độ z₀, được xác định trong không gian ba chiều bởi:
xₖ(t) = x₀ + [r₀ + ρ(t)]·cos ψₖ (4)
yₖ(t) = y₀ + [r₀ + ρ(t)]·sin ψₖ (5)
zₖ(t) = z₀ + ζ(t) (6)
Trường hợp nhánh thẳng (φ → 0, R → ∞), các hàm trở thành ρ(t) = t·H·tan β và ζ(t) = t·H. Bốn cánh của trụ dùng chung công thức (1)–(6), chỉ khác nhau ở phương vị ψₖ; nhờ đó khi thay đổi bất kỳ tham số đầu vào B₀, H, β hoặc φ, toàn bộ tọa độ nút được cập nhật đồng thời và nhất quán trong một hệ ba chiều duy nhất như trong Hình 1.
Hình 1: Minh họa mối quan hệ giữa các biến trong trụ cong
Cơ chế lan truyền thay đổi (change propagation) này giúp giảm thao tác thủ công và hạn chế sai sót khi chuyển đổi dữ liệu giữa các phần mềm.
Trong nghiên cứu này, nguyên lý thiết kế tham số được triển khai thông qua chuỗi công cụ Revit/Dynamo – Python – MIDAS Civil. Các tham số hình học được xây dựng trong môi trường BIM, xử lý bằng thuật toán tham số và tự động chuyển sang mô hình phân tích kết cấu. Quy trình này cho phép nhanh chóng lập, cập nhật và đánh giá nhiều phương án thiết kế, hỗ trợ nghiên cứu nhiều yêu cầu về hình học, khả năng chịu lực và thẩm mỹ của cầu. Quy trình tổng quát của phương pháp được thể hiện trong Hình 2. Quy trình này bao gồm 5 bước chính: Bước 1 – Xây dựng mô hình tham số trong Revit/Dynamo: Các tham số hình học chính (chiều cao, góc nghiêng, tiết diện, bán kính cong) được gán làm tham số đầu vào. Dynamo tự động tạo mô hình 3D từ các giá trị này. Khi thay đổi tham số, hệ thống tái tạo hình học mà không cần vẽ lại thủ công; Bước 2 – Sinh mô hình hình học qua Python: Script Python đọc tham số hình học từ tệp trung gian (Excel/JSON) do Revit/Dynamo xuất ra (kích thước mặt cắt, cao độ thi công, nhịp bố trí), xây dựng phương trình toán học để tự động sinh tọa độ nút và kết nối phần tử, sau đó xuất tệp đầu vào định dạng MCT (MIDAS Civil Text). Đây là bước trung gian quan trọng, khắc phục hạn chế thiếu API mở của phiên bản MIDAS Civil sử dụng trong nghiên cứu này — MIDAS IT chỉ giới thiệu Open API dạng RESTful đầy đủ từ dòng sản phẩm NX về sau (MIDAS IT, 2024); Bước 3 – Phân tích kết cấu trong MIDAS Civil: Tệp MCT được nạp vào MIDAS Civil để thực hiện phân tích tuyến tính theo tiêu chuẩn AASHTO-LRFD (TCVN 11823:2017). Vật liệu: bê tông C40 (E = 3,122 × 10⁷ kN/m²), C30 (E = 2,811 × 10⁷ kN/m²). Mô hình gồm 344 nút, 323 phần tử. Để tăng độ tin cậy của mô hình tự động, quy trình được kiểm chứng ở hai cấp độ: tọa độ nút được tính trực tiếp từ công thức hình học tham số và xuất tự động sang tệp MCT, không qua nhập tay từng nút; đồng thời tệp MCT được MIDAS Civil nạp và giải thành công mà không phát sinh cảnh báo đứt đoạn liên kết phần tử hay tiết diện không hợp lệ. (Việc đối chiếu định lượng nội lực và chuyển vị với một mô hình kiểm tra độc lập được nhóm tác giả xác định là hướng phát triển tiếp theo của nghiên cứu). Bước 4 – Kiểm tra xung đột cốt thép (Clash Detection): Mô hình 3D từ Revit (CHALA-IBIM-00-ALL.rvt) được dùng để phát hiện xung đột không gian giữa các nhóm cốt thép trong thân trụ và bệ trụ – đặc biệt quan trọng với hình học cong phi tuyến; Bước 5 – So sánh phương án và điều chỉnh: Kết quả nội lực từ MIDAS được phân tích để so sánh phương án thiết kế; khi cần điều chỉnh, kỹ sư cập nhật thủ công tham số đầu vào tương ứng trong Revit. Đây hiện là một vòng phản hồi một chiều dựa trên đánh giá của kỹ sư, có thể phát triển thành vòng lặp tự động hai chiều trong các nghiên cứu tiếp theo.
Hình 2: Trình tự thiết kế công trình theo thiết kế tham số
3. ỨNG DỤNG THIẾT KẾ THAM SỐ
3.1. Ứng dụng mô hình thiết kế tham số cho trụ chữ V cầu Chà Là
Để kiểm chứng tính khả thi của mô hình thiết kế tham số được đề xuất, nghiên cứu lựa chọn trụ chính của cầu Chà Là (Ninh Bình) làm bài toán ứng dụng. Đây là công trình cầu đường bộ có kiến trúc đặc trưng với thân trụ dạng chữ V cách điệu, gồm bốn nhánh mở rộng từ chân lên đỉnh nhằm tạo hình ảnh biểu tượng cho cửa ngõ thành phố Hoa Lư. Hình học không gian của thân trụ bao gồm nhiều bề mặt chuyển tiếp phức tạp, gây khó khăn cho quá trình mô hình hóa, hiệu chỉnh và cập nhật thiết kế bằng các phương pháp truyền thống. Phối cảnh kiến trúc của công trình (đạt Giải Nhất cuộc thi kiến trúc năm 2022) được trình bày trong Hình 3.
Hình 3: Phối cảnh cầu Chà Là
Trong nghiên cứu này, hình học thực của trụ được lý tưởng hóa thành một hình chóp đều gồm bốn nhánh thẳng đối xứng qua trục thân, tương ứng với trường hợp riêng φ = 0 của mô hình tham số tổng quát trình bày ở Mục 2. Do tính đối xứng của kết cấu, phương vị các nhánh được giữ cố định (ψ = 45°), vì vậy toàn bộ hình học được điều khiển bởi một biến hình thái duy nhất là τ. Các tham số đầu vào của mô hình được minh họa trong Hình 1. Việc lý tưởng hóa hình học này chỉ phục vụ mô hình phân tích kết cấu trong MIDAS Civil; các bề mặt bo và chuyển tiếp kiến trúc chi tiết được xử lý riêng trong mô hình BIM (Revit) ở Bước 4. Do đó, kết quả nghiên cứu hiện chỉ đại diện cho lớp bài toán trụ đối xứng dạng chóp nhiều nhánh thẳng, đây là giới hạn về phạm vi áp dụng của mô hình và chưa khái quát cho mọi hình thái kiến trúc phức tạp nói chung.
Để thuận tiện cho cả thiết kế kiến trúc và phân tích kết cấu, nghiên cứu sử dụng hai đại lượng góc. Góc α_ver là góc mà kiến trúc sư trực tiếp thao tác trên mặt đứng công trình, trong khi β_arm là góc nghiêng thực của nhánh trong không gian và được sử dụng trong mô hình hình học cũng như mô hình phân tích kết cấu. Hai đại lượng này liên hệ với nhau thông qua quan hệ chiếu, trong đó β_ver là góc bù của α_ver theo phương đứng:
β_ver = 90° − α_ver ; tan β_arm = √2 · tan β_ver (7)
Do φ = 0, góc quét cung bằng không nên biến hình thái τ không tạo ra độ cong của nhánh mà chỉ điều chỉnh đồng thời độ nghiêng của bốn nhánh. Toàn bộ tọa độ nút được cập nhật tự động theo quan hệ:
b = H·tan β_arm và B = B₀ + 2b (8)
trong đó b là độ vươn ngang của mỗi nhánh và B là bề rộng đỉnh trụ.
Để bảo đảm ý tưởng kiến trúc ban đầu được duy trì, phương án do kiến trúc sư lựa chọn được xem là cấu hình tham chiếu (τ = 0). Các biến thể thiết kế được tạo bằng cách thay đổi τ trong khoảng từ −10° đến +10°, tương ứng với các phương án được trình bày trong Hình 4.
Hình 4: Thay đổi hình dạng theo biến hình thái τ
Khi τ mang giá trị âm, góc β_arm tăng, các nhánh mở rộng theo phương ngang và bề rộng đỉnh trụ tăng từ 8,7 m lên 11,1 m. Ngược lại, khi τ tăng theo chiều dương, các nhánh trở nên thẳng đứng hơn, làm giảm bề rộng đỉnh xuống còn 6,7 m. Mặc dù các bán kính bo tại chân và nách trụ được giữ không đổi, sự thay đổi độ nghiêng của các nhánh vẫn làm thay đổi chiều dày cục bộ vùng chân trụ, từ đó ảnh hưởng đến lượng vật liệu, độ cứng và phân bố nội lực của kết cấu. Vì vậy, biến hình thái τ không chỉ đại diện cho sự thay đổi hình thức kiến trúc mà còn là tham số liên kết trực tiếp giữa thiết kế hình học và đánh giá hiệu quả kết cấu.
3.2. Tự động hóa tạo mô hình phân tích kết cấu
Quy trình thiết kế được xây dựng trên nền tảng tích hợp giữa Revit, Python và MIDAS Civil. Sau khi kiến trúc sư xác định các tham số hình học trong môi trường BIM, chương trình Python tự động trích xuất toàn bộ thông tin hình học, sinh hệ tọa độ nút, phần tử, tiết diện và xuất trực tiếp tệp lệnh (.mct) phục vụ phân tích trong MIDAS Civil. Nhờ đó, mỗi lần thay đổi giá trị τ hoặc các tham số thiết kế khác, mô hình phân tích được cập nhật hoàn toàn tự động mà không cần dựng lại mô hình bằng thao tác thủ công.
Các phân tích trong nghiên cứu được thực hiện trong miền đàn hồi tuyến tính, phù hợp với phạm vi áp dụng của TCVN 11823:2017 đối với các trạng thái giới hạn cường độ và trạng thái giới hạn sử dụng trong giai đoạn thiết kế sơ bộ và lựa chọn phương án. Hình học cong không gian của thân trụ được mô tả thông qua hệ phần tử dầm–cột theo đúng tọa độ thực do chương trình Python sinh ra, bảo đảm phản ánh chính xác hình học kết cấu mà không cần xét đến ảnh hưởng của phi tuyến hình học trong miền tải trọng nghiên cứu.
Để đánh giá hiệu quả của quy trình tích hợp, hai cấp độ mô hình được xây dựng trên MIDAS Civil. Mô hình cơ sở (Baseline model) chỉ bao gồm hệ kết cấu chính và chưa xét đến cáp dự ứng lực của bệ trụ. Mô hình hoàn thiện (Refined model) bổ sung đầy đủ hệ cáp dự ứng lực, tải trọng của vòm trang trí và toàn bộ hệ tiết diện bê tông dự ứng lực (PSC).
Cả hai mô hình dùng chung hệ kết cấu bên dưới gồm bệ trụ 6×9,6 m và cọc khoan nhồi đường kính 1,2 m. Mô hình cơ sở sử dụng bê tông C40 và C30, gồm 5 tiết diện và 8 trường hợp tải (DC, DW, TU, WS), thân trụ được mô tả bằng tiết diện côn thay đổi từ 2 m đến 3,9 m và chưa xét cáp dự ứng lực; dữ liệu PSC chỉ khoảng 38 dòng và tệp MCT dài 1.990 dòng. Ở mô hình hoàn thiện, vật liệu được bổ sung cáp dự ứng lực (A = 0,00168 m²) và thân trụ chuyển sang tiết diện 2×2 m; số tiết diện tăng từ 5 lên 23 tiết diện bê tông dự ứng lực đầy đủ, số trường hợp tải tăng từ 8 lên 10 do bổ sung DW6 cho vòm trang trí và PS cho dự ứng lực, dữ liệu PSC tăng lên khoảng 3.184 dòng và dung lượng tệp MCT tăng lên 16.964 dòng. Mức chênh lệch này cho thấy độ chi tiết của mô hình tăng đáng kể khi chuyển từ mô hình cơ sở sang mô hình hoàn thiện, đồng thời phản ánh khả năng mở rộng của mô hình khi tích hợp đầy đủ các thành phần thiết kế thực tế như cáp dự ứng lực, tiết diện PSC và tải trọng bổ sung.
Điểm nổi bật của quy trình là khả năng tự động đồng bộ toàn bộ mô hình (hình học, tiết diện, tải trọng, dữ liệu dự ứng lực) sau mỗi lần thay đổi tham số, thay vì chỉnh sửa thủ công hàng nghìn dòng dữ liệu MCT.
Cách tiếp cận này phù hợp với xu hướng thiết kế tham số trong nghiên cứu quốc tế. Girardet (2021) cho thấy việc sử dụng mô hình tham số có thể rút ngắn thời gian xây dựng mô hình cầu bê tông cốt thép từ khoảng 4–5 ngày xuống còn 2–3 giờ. Kết quả nghiên cứu hiện tại cho thấy việc ứng dụng hướng tiếp cận đó đối với công trình cầu có hình học không gian phức tạp, đồng thời tích hợp trực tiếp giữa mô hình BIM và mô hình phân tích kết cấu thông qua chương trình Python tự phát triển giúp giảm đến 80% thời gian tiến hành xây dựng mô hình và phân tích.
3.3. Kiểm tra xung đột cốt thép trên mô hình BIM tham số
Sau khi hình học trụ được sinh tự động từ mô hình tham số, mô hình BIM trong Revit được sử dụng để bố trí cốt thép và kiểm tra xung đột. Khác với quy trình BIM truyền thống, trong đó mô hình cốt thép được xây dựng sau khi hình học kết cấu đã được cố định, quy trình đề xuất thực hiện kiểm tra trực tiếp trên mô hình BIM tham số. Vì vậy, mỗi khi các tham số hình học (như biến hình thái τ) thay đổi, toàn bộ hình học kết cấu và hệ cốt thép được cập nhật đồng bộ mà không cần dựng lại mô hình.
Đối với trụ chữ V cầu Chà Là, vùng giao giữa thân trụ và bệ móng có hình học không gian phức tạp, mật độ cốt thép lớn và tồn tại nhiều nguy cơ giao cắt giữa cốt thép dọc, cốt đai, cáp dự ứng lực và các chi tiết neo. Mô hình BIM ba chiều cho phép trực quan hóa toàn bộ hệ cốt thép, phát hiện sớm các vị trí chồng lấn hoặc không bảo đảm khoảng cách cấu tạo như Hình 5, 6, qua đó hỗ trợ điều chỉnh phương án bố trí trước khi triển khai hồ sơ thiết kế.
Bảng 2 tổng hợp các chỉ tiêu về số lượng xung đột, thời gian kiểm tra và số vòng lặp hiệu chỉnh mô hình, phản ánh khả năng đồng bộ hóa giữa thiết kế tham số và BIM. Trong bảng này, lưu ý rằng tỷ lệ tiết kiệm thời gian được đối chiếu từ bảng thống kê khối lượng công việc nhân sự (man-hours) tại hai dự án cầu có quy mô mô hình phân tích tương tự (Cầu Sông Vân, Cầu Đông Tây – khu đô thị Ocean Park), đo trên cùng cấu hình máy trạm Intel Core i7 (8 nhân/16 luồng, 3.6 GHz), RAM 32 GB DDR4, GPU NVIDIA RTX 3060.
Bảng 2. So sánh giữa quy trình truyền thống và quy trình đề xuất.
Kết quả ở Bảng 2 cho thấy việc tích hợp thiết kế tham số với BIM giúp rút ngắn thời gian kiểm tra, giảm số lần hiệu chỉnh và hạn chế xung đột hình học trước khi triển khai bản vẽ thi công.
Hình 5: Tự động thống kê xung đột và hình ảnh bố trí thép trong 4 trụ
Hình 6: Một số hình ảnh xung đột cốt thép hiển thị trong mô hình BIM
4. KẾT LUẬN
Bài báo đã trình bày quy trình thiết kế tham số tích hợp BIM–FEM áp dụng cho trụ cầu phi truyền thống của cầu Chà Là (Ninh Bình). Quy trình kết nối Dữ liệu đầu vào → Revit[Dynamo] / Python → MIDAS Civil giải quyết bài toán tự động hóa chuyển đổi dữ liệu hình học – điểm còn thiếu vắng của các phần mềm thương mại hiện nay – và hỗ trợ khảo sát nhanh một số biến thể hình học trong cùng một luồng làm việc (minh họa qua 4 biến thể τ ở Mục 3.1). Kết quả so sánh hai phương án MIDAS cho thấy quy trình đề xuất cho phép mở rộng mô hình từ phân tích cơ sở lên thiết kế PSC đầy đủ chỉ bằng cách điều chỉnh tham số đầu vào và tái chạy script. Những kết quả này tạo tiền đề cho việc mở rộng quy trình theo hướng kết nối BIM–FEM thời gian thực, hướng tới một nền tảng thiết kế tham số cho các trụ cầu có kiến trúc phức tạp.
Tài liệu tham khảo
Tang, M.-C., (2018), Forms and Aesthetics of Bridges, Engineering, 4(2), 267–276. DOI: 10.1016/j.eng.2017.12.013.
Girardet, A., (2021), A parametric BIM approach to foster bridge project design and analysis, Automation in Construction. DOI: 10.1016/j.autcon.2021.103679.
Jung, D., Kim, H., Baek, Y., & Kim, J., (2009), Application of BIM to a Cable-stayed Bridge Construction, IABSE Symposium Report, 96, 62–69. DOI: 10.2749/222137809796068127.
Son, H., et al., (2013), 3D Parametric Modeling of RC Piers and Development of Data Generation Module for a Structural Analysis with 3D Model of RC Piers, Journal of Korea Institute of BIM.
Shin, Y., (2011), Analysis and Design of Reinforced Concrete Bridge Column Based on BIM, Procedia Engineering, 14. DOI: 10.1016/j.proeng.2011.07.271.
Wu, S., Ramli, M. Z., Ngian, S. P., Qiao, G., & Jiang, B., (2025), Review on parametric building information modelling and forward design approaches for sustainable bridge engineering, Discover Applied Sciences. DOI: 10.1007/s42452-025-06543-y.
Birkemo, A. S., Hjortland, S. C., & Samarakoon, S. S. M., (2019), Improvements For The Workflow Interoperability Between Bim And Fem Tools, WIT Transactions on The Built Environment, 192, 317-327. DOI: 10.2495/BIM190271.
Li, X., et al., (2024), A Revit-Midas/Civil conversion approach for bridge superstructures analysis, Engineering Research Express. DOI: 10.1088/2631-8695/ad301b.
MIDAS IT, (2024), MIDAS Open API Documentation, MIDAS Support. https://support.midasuser.com/hc/en-us/articles/33016922742937-MIDAS-API-Online-Manual; https://support.midasuser.com/hc/en-us/articles/30511293352473-Let-s-start-MIDAS-Open-API-with-Postman
Talebi, A., Potenza, F., & Gattulli, V., (2023), Interoperability between BIM and FEM for vibration-based model updating of a pedestrian bridge, Structures, 53, 1092–1107. DOI: 10.1016/j.istruc.2023.04.115.
Fedorik, F., Makkonen, T., & Heikkilä, R., (2016), Integration of BIM and FEA in automation of building and bridge engineering design, Proceedings of the ISARC, Auburn, AL, USA, 18–21 July 2016. DOI: 10.22260/ISARC2016/0089.
Zhu, M., McKenna, F., & Scott, M. H., (2018), OpenSeesPy: Python library for the OpenSees finite element framework, SoftwareX, 7, 6-11. DOI: 10.1016/j.softx.2017.10.009.
Ajtayné Károlyfi, K., & Szép, J., (2023), A Parametric BIM Framework to Conceptual Structural Design for Assessing the Embodied Environmental Impact, Sustainability, 15(15), 11990. DOI: 10.3390/su151511990.
Abstract:
PARAMETRIC DESIGN FOR BRIDGES WITH COMPLEX ARCHITECTURAL FORMS: APPLICATION TO THE V-SHAPED PIER OF CHA LA BRIDGE (NINH BINH, VIETNAM)
In modern bridge design, bridge aesthetics always goes hand in hand with safety, functionality, and economic efficiency, particularly for bridges with complex architectural piers (V-shaped, curved, inclined). Traditional design methods are often time-consuming and suffer from poor synchronization between architectural design and structural analysis. This paper proposes a Building Information Modeling (BIM)-integrated parametric design workflow, combining Revit/Dynamo, Python, and MIDAS Civil, comprising five steps: parametric model generation, geometric data extraction via Python, structural analysis, 3D reinforcement clash detection, and design alternative evaluation. The workflow is applied to the V-shaped pier of Cha La Bridge. Results show that the workflow significantly reduces the time required to update from the baseline model to the refined model with pier cap prestressed tendons upon geometric changes, enables early detection of spatial clashes, and enhances data consistency between BIM and structural analysis models.
Keywords: Parametric Design; BIM; Cha La Bridge; Bridge Pier; Midas Civil
Xin trân trọng cám ơn Nhóm Tác giả đã chia sẻ bài viết hay đến đọc giả!
ThS. Hồ Thái Hùng – Công ty TNHH Chodai & Kiso-Jiban Việt Nam.
KS. Phạm Trung Đức – Công ty CP Đầu Tư và Phát Triển Hòa Phong E&C
GS.TS. Nguyễn Trung Việt – Trường Đại học Thuỷ lợi
PGS.TS. Ngô Trí Thường – Trường Đại học Thuỷ lợi
