PHẦN MỀM KẾT CẤU TIÊU CHUẨN VIỆT NAM - TÌM MỘT LỐI ĐI RIÊNG

Th.Ks. Lê Hoan Cường

  Trong thời đại khoa học công nghệ phát triển vũ bão, các kỹ sư thiết kế công trình dễ dàng tìm kiếm các phần mềm phù hợp để phục vụ cho công tác thiết kế công trình nói chung và thiết kế kết cấu các hạng mục nói riêng. Chỉ riêng trong lĩnh vực tính toán, có rất nhiều phần mềm bao gồm cả tính toán nền, tính móng, các phần mềm tính kết cấu cho rất nhiều loại công trình từ công trình dân dụng, công trình giao thông, đến các công trình thủy lợi, cảng đường thủy..., cũng như có rất nhiều các phần mềm hỗ trợ phân tích nội lực cho đến tính các loại kết cấu khác nhau như bê tông cốt thép (BTCT), bê tông dự ứng lực, kết cấu thép .v.v...

  Thực tế xác nhận hầu hết các phần mềm được sử dụng phổ biến tại Việt Nam là các phần mềm từ nước ngoài, đến từ các nước có nền khoa học công nghệ tiên tiến, được áp dụng nhiều trong thực tế nên đem đến sự tin cậy cho người sử dụng. Thực tiễn công tác thiết kế công trình tại Việt Nam cũng ghi nhận nhiều đóng góp của các công ty phần mềm Việt Nam trong việc nỗ lực xây dựng các phần mềm dùng cho công tác thiết kế kết cấu theo Tiêu chuẩn Việt Nam (TCVN) hiện hành, góp phần hữu hiệu trong công tác thiết kế các hạng mục bắt buộc áp dụng TCVN. Tuy nhiên các phần mềm do các đơn vị trong nước thực hiện được áp dụng có phần hạn chế về tính năng cũng như khả năng cạnh tranh thương mại với các phần mềm nước ngoài.

  Bài viết sau đây cố gắng trình bày thực tiễn công tác thiết kế công trình tại Việt Nam, sự vận dụng phần mềm, các bất cập cũng như các hạn chế trong quy trình thiết kế, để từ đó, đề xuất giải pháp trong việc hình thành và xây dựng các bộ công cụ phần mềm làm nền tảng thúc đẩy sự phát triển của ngành khoa học thiết kế công trình nói riêng.

2- Xem xét các quy trình tính toán thiết kế kết cấu:

  Một dự án cho thiết kế công trình bao gồm rất nhiều quy trình và công đoạn khác nhau. Trong phạm vi bài viết này, tác giả chỉ trình bày về khía cạnh quy trình tính toán cho một dự án thiết kế mang tính chất tiêu biểu thường được áp dụng tại các công ty tư vấn thiết kế (TVTK)

  Công tác thiết kế công trình

 

                                      

 

  Quy trình thiết kế tính toán kết cấu theo TCVN phổ biến

  Ghi chú về thuật ngữ phương thức thực hiện:

   -  Kỹ sư: cá nhân / đơn vị thực hiện thiết kế

   -  Soát xét: kiểm tra đánh giá (hợp lý / tối ưu…) do bộ phận kiểm tra chất lượng

   -  Tính trực tiếp: tính tay trên giấy, trên bảng tính sẵn hoặc chọn theo kinh nghiệm

   -  Tra số liệu: tra từ tài liệu, sách, bản in / file Tiêu chuẩn…

   -  Thực hiện trên máy: nhập / chỉnh sửa số liệu trên máy tính

   -  Phần mềm: máy tính thực hiện tính toán

   -  Công cụ: tính bằng bảng tính (excel) hỗ trợ, các phần mềm khác

   -  Kiểm tra: do kỹ sư thực hiện dựa trên kinh nghiệm / tiêu chuẩn thiết kế yêu cầu

 

  Do đa số các phần mềm (PM) từ nước ngoài không hỗ trợ TCVN nên kỹ sư thường phải tính trực tiếp hoặc phải dùng thêm công cụ / phần mềm của các công ty phần mềm Việt Nam

                                                 

  Ví dụ 1: Minh họa về quy trình thiết kế kết cấu nhà cao tầng theo TCVN   

 

                        

 

  Ví dụ 2: Minh họa về quy trình thiết kế tường chắn đất BTCT theo TCVN

 

                        

 

3- Nhận xét & đánh giá các quy trình thiết kế kết cấu
  Trong quy trình thiết kế kết cấu theo TCVN hiện hành, điểm dễ nhận thấy là kỹ sư thiết kế phải kết hợp sử dụng
   - Kết hợp linh hoạt giữa công cụ phần mềm nước ngoài và các thông số thiết kế thực tế tại Việt Nam
   - Các tài liệu, sách vở, tiêu chuẩn thiết kế liên quan vì các phần mềm nước ngoài hiếm khi tích hợp sẵn các số liệu theo TCVN
   - Phần mềm nước ngoài giữ vị trí chính yếu quan trọng trong toàn bộ quy trình thiết kế
   - Sử dụng nhiều phần mềm khác nhau đồng thời, hoặc phải bắt buộc tính trực tiếp (tính tay) nếu không sở hữu quyền sử dụng phần mềm thích hợp.

4- Các bất tiện và hạn chế của quy trình thiết kế kết cấu
  Các bất tiện khi sử dụng các phần mềm nước ngoài cho công trình thiết kế theo tiêu chuẩn Việt Nam là điều không thể tránh khỏi. Việc nhận ra các bất tiện này chính là cơ sở nhằm tạo ra các công cụ / phần mềm thích hợp giúp cải tiến chất lượng công việc và nâng cao năng suất làm việc cho kỹ sư thiết kế.
  Trong ví dụ 1 nói trên, chúng ta dễ dàng nhận ra các bất tiện:
   a)  Giai đoạn chuẩn bị số liệu (1), (2) cho mô hình thiết kế chiếm khá nhiều thời gian & công sức. Giai đoạn này đòi hỏi xác định chi tiết và chính xác các thông số thiết kế, đặc biệt là việc xác định các giá trị tải trọng, nhất là tải trọng gió
   b)  Do phần mềm Etab không hỗ trợ TCVN nên kỹ sư thiết kế áp dụng Etab chỉ thuần túy cho việc phân tích nội lực và chuyển vị trong kết cấu – giai đoạn (3) – trong các giai đoạn tính toán khác như (4), (5) (6), kỹ sư thiết kế cần phải sử dụng các phần mềm khác phù hợp với TCVN hoặc phải tính tay. Các giai đoạn này (4), (5) & (6) chiếm phần lớn thời gian trong suốt quy trình thiết kế

  → Nhận xét: Các phần mềm / công cụ tính toán theo TCVN cho các giai đoạn (1), (2), (4), (5) & (6) là rất cần thiết và phù hợp với yêu cầu thực tiễn tại Việt Nam

   c)  Phần mềm nước ngoài (Etab) không hỗ trợ tiếng Việt nên kỹ sư phải thực hiện trực tiếp các báo cáo tính toán, thuyết minh thiết kế, bao gồm
   •  Thuyết minh số liệu đầu vào
   •  Thuyết minh số liệu kết quả chuyển vị & nội lực bất lợi
   •  Báo cáo tính toán kết cấu các hạng mục (móng, khung nhà, mái, các bộ phận khác…)

  → Nhận xét: Cần thiết dùng các phần mềm / công cụ tính toán theo TCVN cho các giai đoạn (8) với việc xuất kết quả được tạo mẫu sẵn bằng tiếng Việt để phù hợp TCVN hiện hành

  Trong ví dụ 2, chúng ta dễ nhận ra bất cập và hạn chế lớn khác trong việc sử dụng các phần mềm phổ biến hiện hành
   d)  Sử dụng các phần mềm nước ngoài cho các công trình áp dụng TCVN đều phải trải qua giai đoạn chuẩn bị số liệu phù hợp với công trình thực tế - giai đoạn (1), (2). Đây là giai đoạn yêu cầu phải xem thêm tài liệu khác và gây tốn thời gian
   e)  Ngay khi chỉ với 1 kết cấu thông thường (tường chắn BTCT), kỹ sư thiết kế phải áp dụng tối thiểu 3 phần mềm / mođun tính toán khác nhau. Điều này làm tăng thêm chi phí sử dụng phần mềm cũng như làm tăng thêm thời gian thực hiện thiết kế
   f)  Kỹ sư phải tự thực hiện thuyết minh báo cáo tính toán mà hầu như không có hỗ trợ gì từ các phần mềm nước ngoài

  → Nhận xét: Cần có phần mềm chuyên biệt áp dụng TCVN, kết hợp được
   •  Tích hợp sẵn các số liệu từ TCVN
   •  Tích hợp được các thuật toán khác nhau nhằm giải quyết bài toán tường chắn BTCT trong 1 phần mềm duy nhất
   •  Giao diện tiếng Việt, cũng như xuất kết quả thuyết minh tính toán bằng tiếng Việt
   •  Dễ sử dụng
  Đây chính là mục tiêu mà các công ty phần mềm kết cấu Việt Nam nên hướng đến.

5- Lối nào cho phần mềm kết cấu Tiêu chuẩn Việt Nam?
  Rõ ràng là, đối với giới khoa học và kỹ sư Việt Nam, việc xây dựng một phần mềm kết cấu cho thị trường Việt Nam có các tính năng tương tự hay ngang bằng phần mềm nước ngoài, chẳng hạn như Etab, thực sự là bất khả thi.
  Các phần mềm hiện đại của nước ngoài, được phát triển trên nền tảng khoa học tiên tiến; đội ngũ nhân lực hùng mạnh trong một hệ thống công ty mạnh mẽ về tài chính; có một lịch sử phát triển vững chắc và lâu dài; được sự ủng hộ mạnh mẽ của giới khoa học, các trường đại học và cộng đồng, các hiệp hội thiết kế & xây dựng; được bảo vệ chắc chắn bởi các luật lệ của chính phủ cũng như các qui định minh bạch của các hiệp hội ngành nghề, đã phát triển không ngừng và đã tiến rất xa.

  Trong bối cảnh chính trị, kinh tế và khoa học như tại Việt Nam, các công ty phần mềm trong lĩnh vực kết cấu, dù đã có rất nhiều nỗ lực và cố gắng, cũng rất khó đạt được nhiều tiến bộ trong việc giành thị trường phần mềm, hay tạo ra các sản phẩm mang tính phổ biến và cạnh tranh.
  Tuy nhiên, như đã phân tích từ các ví dụ trên, giới lập trình và các kỹ sư Việt Nam hoàn toàn có thể tạo ra các sản phẩm phần mềm phục vụ cho giới thiết kế trong nước. Chúng ta có thể thực hiện theo các hướng:

   5.1 Tạo ra các công cụ / phần mềm cùng song hành / hỗ trợ các phần mềm nước ngoài
  Các công cụ / phần mềm này tạm gọi là phần mềm kèm theo
  Hiện tại, nhiều công ty đã có phần mềm phát triển theo cách này, có thể ví dụ như
   •  Phần mềm tính lực gió động theo TCVN
   •  Phần mềm tính lực động đất theo TCVN
  là các công cụ phục vụ cho việc xây dựng mô hình kết cấu
   •  Phần mềm / công cụ tính móng đơn, móng cọc…
   •  Phần mềm / công cụ tính cốt thép sàn, cốt thép dầm, cốt thép cột .v.v… theo TCVN
  là các công cụ phục vụ cho việc tính kết cấu các cấu kiện BTCT dựa trên kết quả phân tích nội lực từ các phần mềm nước ngoài (Sap2000, Etab, Staad…)

   5.2 Tạo ra các công cụ / phần mềm thuần túy sử dụng TCVN mà các phần mềm nước ngoài không phù hợp
  Có thể kể như
   •  Phần mềm / công cụ tính kết cấu áo đường mềm
   •  Phần mềm tính sức chịu tải cọc
   •  Phần mềm / công cụ ước tính lún
   •   …
  Thường là các phần mềm, bảng tính được thực hiện cho các bài toán qui mô nhỏ nhưng rất thuận tiện do bảng tính đồng nghĩa là bảng in thuyết minh tính toán

   5.3 Tạo ra các công cụ / phần mềm độc lập theo hướng phục vụ đối tượng là các hạng mục, bộ phận công trình
  Tạm gọi các phần mềm này là phần mềm hướng công trình
  Các phần mềm này thường hướng đến một cấu kiện cụ thể, có thể kể như
   •  Phần mềm / công cụ tính kết cấu cầu thang các loại
   •  Phần mềm / công cụ tính sàn 2 phương
   •  Phần mềm / công cụ tính các liên kết thép
   •  Phần mềm / công cụ tính dầm cầu
   •   …
  Đa số là các bảng tính được lập trình đơn giản (ngôn ngữ lập trình VBA) được thực hiện cho các bài toán nhỏ

   5.4 Tạo ra các phần mềm phân tích nội lực kết cấu
  Phần mềm có các tính năng phân tích nội lực kết cấu, tuy nhiên thường dừng ở qui mô giới hạn các loại phần tử, phạm vi ứng dụng hạn chế nhưng phù hợp với TCVN. Tuy nhiên, đây là các phần mềm khó đạt được mức phổ biến do khó cạnh tranh với các phần mềm nước ngoài.

  Tóm lại, thông qua việc tổng kết đánh giá, tác giả bài viết này đề xuất việc xây dựng phần mềm kết cấu TCVN theo định hướng
   •  Xây dựng phần mềm kèm theo, là các phần mềm sẽ dùng chung hoặc sau các phần mềm nước ngoài phổ biến
   •  Xây dựng phần mềm hướng công trình, là các phần mềm sử dụng độc lập, phù hợp tiêu chuẩn Việt Nam hiện hành, qui mô vừa phải, đơn giản và dễ sử dụng

6- Nhu cầu sử dụng phần mềm theo TCVN và thực tiễn áp dụng
  Nhu cầu cho việc sử dụng các phần mềm theo TCVN thực sự là rất lớn và quan trọng. Trong thực tế thiết kế công trình, nhằm nâng cao chất lượng công việc cũng như đẩy nhanh thời gian thiết kế, các công ty TVTK thực hiện cho các dự án theo TCVN, thường áp dụng:
   (a)  Xây dựng bộ công cụ hỗ trợ tính kết cấu, (thường là dầm, sàn, cột…) nhằm phục vụ riêng cho công việc của chính công ty. Điều này là thuận tiện cho chính cơ quan thiết kế nhưng thường do mang tính chủ quan nên gây ra nhiều khó khăn trong việc xem xét đánh giá của các đơn vị liên quan trong dự án như Chủ đầu tư hay đơn vị thẩm tra
   (b)  Sử dụng nhân lực của chính công ty để xây dựng các phần mềm riêng. Điều này chỉ có thể thực hiện trong các công ty lớn, có nhiều nhân lực. Điểm hạn chế là khó khăn trong việc quản lý, chia sẻ sử dụng phần mềm cũng như quyền sở hữu hợp pháp của phần mềm cho dù thực tế chính công ty đã bỏ ra một khoản chi phí không nhỏ

   (c)  Sử dụng các công cụ, bảng tính được chia sẻ rộng rãi trên mạng. Dù được khuyến cáo nên kiểm tra xem xét cẩn thận trước khi dùng, cách này vẫn được áp dụng rộng rãi nhờ tính chất miễn phí. Trong thực tế thì những kỹ sư có kinh nghiệm ít khi dùng vì thường thì việc tự tính còn nhanh hơn hơn việc tìm kiếm, đọc hiểu và áp dụng.
   (d)  Sử dụng các phần mềm do các công ty phần mềm chuyên về kết cấu cung cấp. Đây là giải pháp hợp lý nhất cho công tác thiết kế bảo đảm chất lượng và tiết kiệm thời gian. Nếu so sánh chi phí mua phần mềm với chi phí tiền lương x thời gian thực hiện (mà không dùng phần mềm) thì việc sử dụng phần mềm từ các công ty là giải pháp kinh tế hơn. Tuy nhiên không thể phủ nhận thực tế các công ty TVTK thường có khuynh hướng chỉ mua phần mềm khi không thể tính toán được, hơn là việc mua các phần mềm hướng đến mục đích tiết kiệm chi phí hay thời gian thiết kế.

7- Đôi nét về bộ phần mềm CDFStructure
  Bộ phần mềm CDFStructure là bộ công cụ tính kết cấu do Công ty thiết kế & giải pháp Cường thực hiện nhằm phục vụ cho các kỹ sư thiết kế. Trọng tâm của bộ phần mềm là bộ VNStructure được lập trình dựa trên các Tiêu chuẩn Việt Nam mới nhất hiện hành. Bộ phần mềm hướng đến giải quyết tất cả các bất tiện và hạn chế trong các quy trình thiết kế kết cấu

  Đối tượng của VNStructure
   •  Xây dựng phần mềm kèm theo
   •  Xây dựng phần mềm hướng công trình

  Tiêu chí của VNStructure
   •  Đơn giản, dễ dùng cho mọi người
   •  Tuân thủ nghiêm ngặt TCVN
   •  Sử dụng số liệu từ phần mềm khác dễ dàng
   •  Nhập số liệu đơn giản tương tác với hình ảnh trực quan
   •  Tính toán chỉ còn 2 giai đoạn: (1) nhập số liệu hình ảnh, (2) Xuất kết quả kết cấu sau cùng
   •  Các thông báo nhận xét tính toán của chương trình giúp kỹ sư lựa chọn
   •  Dễ dàng tùy chỉnh tối ưu
   •  Chương trình cũng chính là thuyết minh tính toán, dễ dàng ‘Tính xong là in’
   •  Chi phí phần mềm hợp lý
   •  Nhiều phiên bản cho nhiều loại đối tượng dùng
   •  Bảo mật

  Cấu trúc VNStructure
   •  Được viết bằng ngôn ngữ lập trình vb.net trên nền giao diện Excel
   •  Hệ điều hành Win 7, Win 8 và Win 10
   •  Excel phiên bản 2010 trở lên

VNStructure đã sẵn sàng
   •  Số phần mềm / công cụ đang sẵn sàng phục vụ (khoảng 100)
-  Nền móng
-  Phân tích tải trọng
-  Kết cấu bê tông cốt thép
   •  Công cụ tính cốt thép
   •  Cột, vách cứng
   •  Cầu thang
   •  Các cấu kiện BTCT
   •  Hạ tầng
-  Bê tông dự ứng lực
-  Kết cấu thép
   •  Công cụ tính dầm cột
   •  Liên kết
   •  Các cấu kiện
-  Công cụ & bản đồ

  (tham khảo tại http://cdfdesign.vn/san-pham/danh-muc/98-Tieu-chuan-Viet-Nam.htm để biết thêm chi tiết)
  Xem đầy đủ về các chương trình của VNStructure tại: http://cdfdesign.vn/san-pham/chi-tiet/829-phan-mem-2019.htm

 

  Trân trọng cám ơn các thầy cô, các đồng nghiệp, các bạn đã quan tâm theo dõi

 

TPHCM ngày 27/09/2019

Ths.Ks. Lê Hoan Cường

(Bài viết đã được trình bày trong buổi Semina chuyên về xây dựng do bộ môn xây dựng trường ĐH Bách Khoa TPHCM tổ chức)