BIM và Digital Twin để phát triển các công nghệ hội tụ như là tương lai của xây dựng kỹ thuật số

1. Giới thiệu

Các ngành công nghiệp chính hiện đang trải qua quá trình chuyển đổi kỹ thuật số được gọi là Cuộc cách mạng công nghiệp lần thứ tư (IR-4.0), được thúc đẩy bởi sức mạnh tính toán tăng theo cấp số nhân và dữ liệu điện tử sẵn có dồi dào [ 1 ]. Trong một thời gian, việc áp dụng công nghệ kỹ thuật số ngày càng tăng đã được báo cáo trong nhiều báo cáo thị trường và khảo sát ngành [ 2 ]. Tuy nhiên, gần đây, Viện Toàn cầu Mckinsey đã ghi nhận sự gia tăng mạnh mẽ của số hóa do đại dịch COVID-19, dẫn đến doanh thu tăng gấp đôi so với ước tính trước đại dịch [ 3 ] . Sự phụ thuộc vào điện toán đám mây và di động đã tăng vọt sau đại dịch COVID-19 và sẽ tiếp tục như vậy trong vài năm nữa khi các nước công nghiệp phát triển phục hồi kinh tế [ 4]. Cuối cùng, tiềm năng tiết kiệm thời gian/chi phí của các hệ thống thực-ảo mang đến một con đường đầy hứa hẹn để phục hồi kinh tế bền vững [ 5 ].

Mặc dù COVID-19 đã khiến nhiều công ty rời khỏi thị trường [ 6 ], bao gồm cả việc đóng cửa Katerra, kẻ gây rối ngành [ 7 ], nhưng các sáng kiến ​​IR-4.0 cùng với việc tăng cường hỗ trợ làm việc từ xa, kết nối chuỗi cung ứng tốt hơn và tính minh bạch trong hoạt động vận hành có thể sẽ là động lực thúc đẩy các công ty vươn lên mạnh mẽ hơn sau đại dịch [ 8 ]. Các mô hình kinh doanh mới tập trung vào số hóa sản phẩm, quy trình và vật liệu sẽ định nghĩa lại ngành xây dựng. Một cuộc khảo sát gần đây về các nhà cung cấp trong ngành xây dựng, để trích dẫn một ví dụ, dự báo Twin kỹ thuật số (DT) là một sự phát triển trưởng thành của Mô hình thông tin xây dựng (BIM) để cho phép chuyển đổi ngành [ 8]. Do việc áp dụng công nghệ kỹ thuật số này, quy mô thị trường kiến ​​trúc, kỹ thuật và xây dựng (AEC) dự kiến ​​sẽ tăng từ 7188 triệu đô la năm 2020 lên 15,842 triệu đô la vào năm 2028 với tốc độ tăng trưởng gộp hàng năm (CAGR) là 10,7% từ 2021 đến 2028 [ 9 ].

Xu hướng lớn về thúc đẩy công nghệ kỹ thuật số và các giải pháp sáng tạo trong thời kỳ đại dịch mang lại một số hy vọng cho ngành xây dựng rằng việc sống sót sau COVID-19 có thể dẫn đến tăng năng suất trong tương lai [ 10 ] . Tuy nhiên, nó mang lại một số điều không chắc chắn cho các công ty vừa và nhỏ về việc liệu họ có đủ khả năng chi trả cho các công nghệ kỹ thuật số đắt tiền hay phát triển các giải pháp nội bộ sáng tạo để tiếp tục hoạt động kinh doanh hay không [ 6 ] .

Tương tự như các doanh nghiệp khác, công nghệ kỹ thuật số rất cần thiết để kiểm tra sức khỏe, theo dõi liên hệ và giám sát sự an toàn của công nhân trên các công trường xây dựng. Đồng thời, các hệ thống điện toán đám mây và di động cho phép các nhà thiết kế và công nhân xây dựng phối hợp từ xa và họ có thể nhanh chóng tối ưu hóa và tái cấu trúc chuỗi cung ứng xây dựng [ 11 ]. Bất chấp sự phổ biến rộng rãi của tất cả các công nghệ này, cho phép làm việc từ xa và vận hành từ xa trên các công trường xây dựng, ngành xây dựng, cho đến trước COVID-19, có ít kinh nghiệm về số hóa hơn nhiều so với ngành sản xuất hàng tiêu dùng và các ngành khác [ 2 ] . Các công nghệ hoặc robot làm việc từ xa cuối cùng có thể thay đổi bản chất và quy trình vận hành và quản lý xây dựng một cách vĩnh viễn và triệt để [ 12]. Tuy nhiên, hiện nay có nhiều sự mơ hồ và thiếu nghiên cứu về các định hướng trong tương lai và những gì công nhân xây dựng nên mong đợi trong nửa sau của thế kỷ 21 [ 12]. Câu trả lời cho câu hỏi này về cơ bản là quan trọng vì nó sẽ là cơ sở cho việc phát triển chiến lược và đầu tư để nâng cao kỹ năng cho người lao động và chuẩn bị cơ sở hạ tầng kinh tế cho tương lai. Bài báo này dự định thực hiện bước đầu tiên hướng tới việc lập bản đồ tương lai của các công nghệ kỹ thuật số dựa trên các nhu cầu được xác định trong đại dịch COVID-19, góp phần lấp đầy khoảng trống về tính tuần hoàn cũng như các đổi mới và công nghệ có khả năng chống chịu khí hậu trong bối cảnh xây dựng. Để giải phóng hộp đen và chén thánh này trong lĩnh vực xây dựng, tài liệu về tương lai của công nghệ và đổi mới xây dựng (FOCIT) được nghiên cứu trong nghiên cứu này. Một vài khái niệm chính nên được xem xét trước khi tiến hành tìm kiếm FOCIT trong tài liệu. Trước hết,13 ]. Tiếp theo, các công nghệ mới nổi đề cập đến các công nghệ đã trưởng thành vào thời điểm đó nhưng chưa được sử dụng rộng rãi vào thời điểm đó hoặc ảnh hưởng của công nghệ đối với các quy trình và nhu cầu xây dựng chưa được làm rõ [ 13 ] . Cuối cùng, các công nghệ hội tụ trong xây dựng đề cập đến sự hợp nhất hoặc tích hợp các công nghệ theo một cách mới có thể ảnh hưởng đến ngành hoặc quy trình vận hành và có thể được coi là đột phá [ 13 ] .

Hai công nghệ kỹ thuật số quan trọng để chia sẻ và quản lý thông tin mở đường cho “công nghệ hội tụ” trong xây dựng là BIM và DT [ 14 ]. Trong khi BIM được coi là “nguồn sự thật duy nhất” cho thông tin hình học và phi hình học trong ngành xây dựng, DT được coi là “phiên bản sự thật duy nhất” bao gồm biểu diễn vật lý và động của BIM, đặc biệt là với sự tích hợp của chuỗi khối [ 15 ]. BIM là một đại diện kỹ thuật số của các đặc điểm vật lý và chức năng của một tòa nhà, được tạo bằng phần mềm chuyên dụng như Revit và Archi CAD, cùng với các phần mềm khác [ 12]. Các mô hình BIM bao gồm thông tin về thiết kế, xây dựng và vận hành của tòa nhà và có thể được sử dụng cho nhiều mục đích khác nhau, chẳng hạn như phối hợp thiết kế, lập kế hoạch xây dựng và quản lý cơ sở [16 ] . Các mô hình BIM có thể được sử dụng trong toàn bộ vòng đời của tòa nhà, từ giai đoạn thiết kế đến giai đoạn xây dựng, đến giai đoạn vận hành và bảo trì tòa nhà [ 17 ]. DT là một bản sao ảo của một đối tượng hoặc hệ thống vật lý, chẳng hạn như tòa nhà hoặc cơ sở [ 18]. Một DT thường được tạo bằng cách sử dụng dữ liệu được thu thập từ các cảm biến và các nguồn khác, chẳng hạn như các mô hình BIM. Nó được sử dụng để biểu thị trạng thái hiện tại của đối tượng vật lý hoặc hệ thống. DT là một biểu diễn kỹ thuật số động của đối tượng vật lý có thể được sử dụng để mô phỏng, phân tích và tối ưu hóa hiệu suất, hoạt động và bảo trì của đối tượng vật lý hoặc hệ thống [10 ] . Hai công nghệ này đang mở đường cho các công nghệ kỹ thuật số khác hội tụ và cung cấp các giải pháp cần thiết và đồng thời cho ngành xây dựng.

Các mục tiêu nghiên cứu đồng thời và nóng bỏng là (i) xác định tài liệu FOCIT tập trung vào đổi mới, đặc biệt là các công nghệ mới nổi, đột phá hoặc hội tụ; (ii) xem xét và mở rộng các tầm nhìn chiến lược có khả năng xảy ra đối với ngành xây dựng trước những rủi ro có thể lường trước được; những thách thức và nguy cơ trong nửa sau của thế kỷ 21; (iii) xác định các công nghệ đột phá trong lĩnh vực xây dựng sẽ xuất hiện trong thập kỷ tới; (iv) để phân tích hiện trạng sử dụng công nghệ tích hợp, ứng dụng vòng đời và mối quan tâm về tính bền vững đối với quản lý thông tin trong ngành xây dựng; (v) thảo luận về tương lai của công nghệ hình ảnh và những gì cần thiết để đạt được nó;

2. Phương pháp nghiên cứu

Tuân theo các mô hình nhận thức luận, nghiên cứu này đã áp dụng cách tiếp cận phương pháp luận nhiều bước, bao gồm quy trình hệ thống cho từng bước, như trong Hình 1 [ 19 ]. Cách tiếp cận này cấu trúc kiến ​​thức đầu ra theo các bước tuần tự và tăng thêm độ tin cậy và độ tin cậy của các phát hiện [ 20 ]. Các bước bao gồm thu thập, lựa chọn và phân tích dữ liệu với các quy trình và nguyên tắc thực hiện một nhiệm vụ.

Hình 1. Khung phương pháp luận nhiều giai đoạn cho nghiên cứu.

Bước 1 và 2 tuân theo quy trình truy xuất bài viết bằng cách sử dụng các mục báo cáo ưu tiên để đánh giá hệ thống và giao thức phân tích tổng hợp (PRISMA) [ 14 ]. Ban đầu, một phiên động não được tiến hành giữa các tác giả để kết luận các từ khóa để truy xuất bài viết. Trích dẫn sự rộng lớn của ngành công nghiệp AEC và bản chất của nghiên cứu, các từ khóa đã được trích xuất và đưa vào cơ sở dữ liệu. Cơ sở dữ liệu được sử dụng cho quá trình truy xuất bài báo là Scopus, một công cụ tìm kiếm có thẩm quyền bao gồm nhiều ấn phẩm. Ngoài ra, so với Web of Science, Scopus bao gồm nhiều tạp chí và ấn phẩm phù hợp hơn [ 19 ].

Các từ khóa được nhập vào cơ sở dữ liệu Scopus bằng cách sử dụng TITLE-ABS-KEY như sau: “future*” OR “emerg*” OR “disrupt*” OR “converg*” VÀ TITLE-ABS- KEY “ngành xây dựng” HOẶC “tòa nhà” HOẶC “kiến trúc” HOẶC “dự án xây dựng” VÀ TITLE-ABS-KEY “thiết kế*” HOẶC “kế hoạch*” HOẶC “địa điểm” HOẶC “điều hành*” HOẶC “bảo trì*” HOẶC “phá dỡ*” HOẶC “hậu cần” HOẶC “cung cấp ” HOẶC “nền kinh tế tuần hoàn”. Tổng số 52.878 bài báo đã được trích xuất ở bước này. Ở bước 2, việc sàng lọc được thực hiện dựa trên các thông số sau: (1) giới hạn năm của các bài báo từ 2011 đến 2022 (tháng 10) vì trọng tâm của nghiên cứu được giới hạn trong các bài báo từ thập kỷ trước, (2) loại tài liệu và loại nguồn của bài báo hoặc đánh giá và tạp chí, (3) được xuất bản bằng tiếng Anh và (4) các chủ đề và từ khóa có liên quan. Số bài báo còn lại sau giai đoạn này là 1839. Hơn nữa, tiêu đề, tóm tắt và kết luận đã được đọc bởi các tác giả khác nhau và 1531 bài báo đã bị xóa trong giai đoạn đủ điều kiện vì trọng tâm hoặc ứng dụng của chúng không liên quan trực tiếp đến phạm vi của nghiên cứu này. Cuối cùng, 289 bài báo đã được đưa vào để phân tích từ khóa khoa học và đánh giá nội dung quan trọng cho nghiên cứu, như thể hiện trongHình 1 .

Bước 3 của quá trình phân tích dữ liệu bắt đầu với việc lập bản đồ khoa học 289 bài báo được lấy trong giai đoạn trước. Trong trường hợp này, công cụ VosViewer được sử dụng để lập bản đồ khoa học nhằm làm nổi bật các từ khóa quan trọng của tài liệu FOCIT. Hình 2hiển thị bản đồ khoa học từ khóa của 289 bài báo phản ánh các cụm khác nhau. Tiếp theo, việc xem xét kỹ lưỡng các cụm được thực hiện để phân tích nội dung quan trọng dựa trên các chủ đề về công nghệ quản lý thông tin, công nghệ trực quan hóa và tầm nhìn chiến lược. Hơn nữa, một cuộc thảo luận về các công nghệ tích hợp và tự hành của Big 11 được đặt ra sẽ là chìa khóa cho ngành xây dựng trong thập kỷ này. Hơn nữa, việc lập bản đồ các công nghệ này được thực hiện cho các giai đoạn khác nhau của một dự án xây dựng tích hợp các nguyên tắc kinh tế tuần hoàn (CE) của các vòng lặp tài nguyên. Cuối cùng, các giải pháp chính, xu hướng tương lai và chiến lược cho các công nghệ trong lĩnh vực FOCIT dự tính Khả năng phục hồi khí hậu được phản ánh.

Hình 2. Theo năm (từ tháng 1 năm 2011 đến tháng 10 năm 2022, phân phối các bài báo được truy xuất.

3. Kết quả thư mục

3.1. Xu hướng xuất bản hàng năm của tài liệu FOCIT

Tổng cộng có 289 bài báo đã được xuất bản dựa trên các tiêu chí tìm kiếm trong thập kỷ qua. Con số nhỏ nhưng đáng kể có lẽ làm nổi bật sự liên quan và chuyển dịch của ngành công nghiệp AEC sang các kỹ thuật hiện đại, cho dù ở giai đoạn thiết kế và lập kế hoạch, xây dựng hay vận hành. Điều này củng cố nhu cầu kịp thời cho nghiên cứu này để tìm kiếm tác động riêng lẻ của công nghệ hoặc các phương pháp tiếp cận tích hợp, tạo ra một cái nhìn tổng quan toàn diện khi xem xét tài liệu của FOCIT. Khoảng thời gian của các nghiên cứu là từ tháng 1 năm 2011 đến tháng 10 năm 2022, như thể hiện trong Hình 2. Sự gia tăng theo cấp số nhân trong các nghiên cứu về chủ đề này là điều hiển nhiên trong ba năm qua, với con số tăng vọt vào năm 2021 lên 84 và 2022 lên 93 và còn tiếp tục tăng. Sự tăng trưởng đáng kể trong các mặt hàng là kết quả của sự xuất hiện của việc sử dụng các kỹ thuật hiện đại trong tất cả các giai đoạn của ngành xây dựng [ 2 ]. Tác động của CMCN 4.0 trong 5 năm qua, được các nhà nghiên cứu coi là sự khởi đầu của công nghệ kỹ thuật số và hiện đại, được phản ánh trong sự gia tăng của các ấn phẩm trong những năm đó. Xu hướng này được củng cố bởi các giả định của Sepasgozar [ 2 ] rằng công thức thành công trong ngành xây dựng và sự thay đổi của hình ảnh năng suất thấp sẽ đạt được bằng cách tích hợp các kỹ thuật IR-4.0.

3.2. Đóng góp của các tạp chí trong Văn học FOCIT

Tầm quan trọng của việc làm nổi bật việc phân phối tạp chí phản ánh chất lượng của các nghiên cứu trong tài liệu của FOCIT. Các nghiên cứu đã được công bố trên các tạp chí có tác động cao, như thể hiện trong Bảng 1 , cho thấy tác động đáng kể của phạm vi nghiên cứu của chủ đề. Do tính chất quá lớn của việc phân phối tạp chí, chỉ có 10 tạp chí hàng đầu có số lượng bài báo lớn nhất được trình bày trong Bảng 1 . Các tạp chí có ảnh hưởng nhất là AiC, ECAM, Buildings, CI và JCLP, và chúng là một số tạp chí được xếp hạng cao nhất trong AEC và lĩnh vực nghiên cứu quản lý kỹ thuật và xây dựng (CEM) [ 20 ] . Tính ưu việt của AiC và CI được chứng minh là việc áp dụng các công nghệ kỹ thuật số tự động hóa và đổi mới mô hình xây dựng [ 12]. Hơn nữa, nhiều nghiên cứu đã sử dụng các công nghệ kỹ thuật số này để đề xuất các phương pháp sạch hơn và tiết kiệm năng lượng, điều này đánh dấu tầm quan trọng của các tạp chí như JCLP. Các lĩnh vực quan trọng khác như quản lý xây dựng, sử dụng CNTT trong xây dựng, các khía cạnh bền vững và phương pháp kỹ thuật xây dựng củng cố các tạp chí như ECAM, ITCon, Tính bền vững và JME, tương ứng. Tóm lại, bảng tạp chí này cung cấp cho các nhà nghiên cứu thông tin liên quan cho các bài nộp học thuật của họ.

Bảng 1. Đóng góp của tạp chí dựa trên các bài báo đã xuất bản (top ten).

3.3. Công cụ nghiên cứu được sử dụng trong tài liệu FOCIT

Để cung cấp hướng dẫn cho các nghiên cứu trong tương lai và chất lượng nghiên cứu, các công cụ dữ liệu hoặc phương pháp nghiên cứu được sử dụng được liệt kê trong Bảng 2 . Các phương pháp được sử dụng phổ biến trong nghiên cứu lĩnh vực xây dựng và bao gồm khảo sát/bảng câu hỏi, phỏng vấn, thí nghiệm, hội thảo, nghiên cứu tình huống, phương pháp hỗn hợp và nghiên cứu tổng quan [ 21 ]. Bảng biểu thị các cách tiếp cận khác nhau được các nhà nghiên cứu sử dụng để thu thập dữ liệu và trình bày các nghiên cứu của họ. Số lượng đáng kể các bài báo đánh giá phản ánh sự thôi thúc của các nhà nghiên cứu nhằm cung cấp một bức tranh tổng thể về các công nghệ riêng lẻ hoặc sự kết hợp của một số công nghệ trong ngành xây dựng. Ví dụ, Sepasgozar [ 14], trong nghiên cứu đánh giá của mình, đã giải phóng sự khác biệt giữa “song sinh kỹ thuật số” và “bóng kỹ thuật số”, đây là một nỗ lực đáng kể để giải thích sự mơ hồ trong hai thuật ngữ này.

Bảng 2. Phân phối các công cụ nghiên cứu trong tài liệu của FOCIT.

Hơn nữa, việc phát triển nguyên mẫu, kịch bản và mẫu là phổ biến trong ngành xây dựng. Tuy nhiên, hiệu quả này được đo lường thông qua các phương pháp mô phỏng và mô hình hóa được thực hiện tốt. Trong số 289 nghiên cứu, ít nhất 48 nghiên cứu trong tài liệu của FOCIT đã áp dụng phương pháp mô phỏng hoặc mô hình hóa để trình bày kết quả của họ.

3.4. Lập bản đồ khoa học về các từ khóa có liên quan từ tài liệu FOCIT

Cụm từ khóa và các kết nối của chúng hiển thị các sở thích cơ bản của bài viết, phản ánh các cơ hội tích hợp đầy hứa hẹn với các từ khóa khác trong cùng một cụm hoặc các cụm khác. Hình 3 bên dưới ánh xạ các từ khóa của 289 nghiên cứu từ tài liệu của FOCIT bằng cách sử dụng công cụ lập bản đồ khoa học Vos-Viewer [ 22 ]. Rõ ràng từ hình này là các công nghệ được sử dụng trong các lĩnh vực xây dựng khác nhau. Các cụm khác nhau và đặc điểm của chúng được mô tả như sau:

Hình 3. Phân tích từ khóa lập bản đồ khoa học của các bài báo được truy xuất.

Cụm một trong “Đỏ” là “Xây dựng bền vững được hỗ trợ bởi công nghệ.” Nhiệm vụ xây dựng bền vững có ý nghĩa quan trọng trong ngành công nghiệp AEC. Những từ như xây dựng tiết kiệm năng lượng và phương pháp xây dựng xanh thường được sử dụng đồng thời hoặc thay cho xây dựng bền vững. Cụm tập trung vào việc áp dụng các công nghệ khác nhau để tối ưu hóa tính bền vững trong xây dựng. Các nghiên cứu đã sử dụng các kỹ thuật trí tuệ nhân tạo (AI) để phát triển bằng chứng về khái niệm, khung lý thuyết và nghiên cứu điển hình nhằm nâng cao tính bền vững trong các dự án xây dựng. Ví dụ, trong một nghiên cứu gần đây, Debrah et al. [ 23 ] đánh giá AI trong công trình xanh. Họ phân loại lĩnh vực nghiên cứu thành luật mờ và khám phá tri thức, tối ưu hóa thông minh, hệ thống tự động hóa tòa nhà, dữ liệu lớn và khai thác dữ liệu.

Hơn nữa, sự gia tăng của các phương pháp xây dựng bền vững, chẳng hạn như xây dựng tích hợp bên ngoài và mô đun, đã được nhìn thấy ở các nước đang phát triển và đang phát triển để đạt đến đỉnh điểm trong vấn đề nhà ở giá rẻ [ 24 ] . Vương và cộng sự. [ 25 ] tổng hợp việc áp dụng các công nghệ kỹ thuật số trong các phương pháp xây dựng bên ngoài để có kết quả tối ưu hóa tốt hơn. Tương lai sẽ bao gồm các nguyên tắc kinh tế tuần hoàn với xây dựng bền vững để phát triển các tòa nhà tiết kiệm năng lượng hơn và không phát thải ròng [ 26 ].

Cụm hai trong “Xanh” là “Công nghệ tích hợp với BIM cho thiết kế và xây dựng tương lai”. Trong hai thập kỷ qua, BIM đã cách mạng hóa việc thiết kế và xây dựng các dự án trong ngành công nghiệp AEC; tuy nhiên, việc tích hợp các công nghệ khác làm cho quá trình thiết kế tự động và lặp đi lặp lại nhiều hơn. Các phương pháp thiết kế tính toán và các danh mục con của chúng, cụ thể là thiết kế tham số, thiết kế thuật toán và thiết kế tổng quát, cung cấp cho các nhà thiết kế và kiến ​​trúc sư đòn bẩy để có nhiều giải pháp cho một vấn đề cụ thể [ 27]. Các công cụ hỗ trợ các phương pháp thiết kế này hoạt động dựa trên kỹ thuật AI không chỉ hỗ trợ đưa ra các tùy chọn thiết kế đa dạng mà còn quy định tùy chọn tốt nhất về mặt sử dụng năng lượng và không gian. Hơn nữa, việc sử dụng các công nghệ và phương pháp kỹ thuật số như Internet vạn vật (IoT), dữ liệu lớn và AI đã giúp mô hình BIM trở thành DT, tức là bản sao kỹ thuật số của một dự án xây dựng mang lại lợi ích. trong suốt vòng đời của một dự án [ 14 ]. Hơn nữa, thiết kế các tòa nhà trong thế giới ảo như Metaverse sẽ gắn kết khách hàng và các bên liên quan một cách cộng tác hơn, do đó làm giảm lá chắn chia sẻ thông tin [ 28]. Cuối cùng, khi thế giới đang hướng tới việc áp dụng các nguyên tắc CE trong các doanh nghiệp của họ, việc tái tạo và tái sử dụng các vật liệu nguyên chất sẽ đẩy nhanh quá trình “bin to BIM” [ 29 ].

Cụm ba trong “Tím” là “Thông tin xuyên suốt chuỗi cung ứng xây dựng”. Việc quản lý thông tin giữa các bên liên quan khác nhau trong các dự án xây dựng luôn là một vấn đề đáng quan tâm. Ngành xây dựng đang gặp khó khăn với các vấn đề chia sẻ thông tin dẫn đến năng suất thấp, tuân thủ không hiệu quả, quy định kém, hợp tác không đầy đủ và thực hành thanh toán vô tổ chức. Những tiến bộ gần đây trong công nghệ sổ cái phân tán (DLT), còn được gọi là công nghệ chuỗi khối (BCT) chứng tỏ là một giải pháp cho những thách thức này [ 30 ]. Lợi ích mong đợi của BCT là tăng cường cộng tác, loại bỏ trung gian, quy trình bất biến nhanh chóng, ít lỗi do con người, khả năng truy xuất nguồn gốc và cải tiến quy trình làm việc, cùng những lợi ích khác [ 31]. Nhiều nghiên cứu đã nhấn mạnh tính hiệu quả của BCT trong ngành xây dựng, đặc biệt là trong việc tạo ra các hợp đồng thông minh tích hợp BIM, chia sẻ thông tin trong các nhiệm vụ lắp ráp tại chỗ của xây dựng mô-đun, các vấn đề hợp tác thiết kế dựa trên BIM-BCT, giảm tranh chấp xây dựng và phân phối dự án tích hợp [ 32 ]. Một số nghiên cứu khác đã tích hợp các công nghệ kỹ thuật số khác nhau để đề xuất bằng chứng về khái niệm nhằm hỗ trợ chia sẻ thông tin trong toàn bộ chuỗi cung ứng của một dự án xây dựng. Lý và cộng sự. [ 33 ] đã đề xuất một nền tảng IoT-BIM (BIBP) hỗ trợ BCT hướng dịch vụ trong quản lý chuỗi cung ứng xây dựng mô-đun. Kiến trúc được đề xuất có thể mang lại độ trễ trong lưu trữ trong mạng IoT được bảo mật riêng. Trong một nghiên cứu khác, Lee et al. [ 34] tích hợp DT và BCT để cung cấp các giao dịch dữ liệu có thể theo dõi gần thời gian thực cho một dự án đúc sẵn. Về phía thị trường, nhiều tổ chức tự trị phi tập trung (DAO) đang nổi lên để kiểm soát các nhiệm vụ liên quan đến BCT cùng với nhiều ứng dụng phi tập trung (DApps) [ 15 ]. Tuy nhiên, một số thách thức, chẳng hạn như xác thực dữ liệu, sẵn sàng áp dụng, chống thay đổi, thiếu kỹ năng, tấn công độc hại và kết nối, vẫn phổ biến cần được ngăn chặn để tận dụng khả năng hoàn vốn dài hạn từ BCT trong ngành xây dựng [ 30 ] .

Cụm bốn trong “Vàng” là “Công nghệ trực quan hóa cho thiết kế và xây dựng trong tương lai”. Những tiến bộ gần đây về công nghệ trực quan hóa trong ngành xây dựng đã hệ thống hóa quy trình quản lý xây dựng và thiết kế, đồng thời cải thiện hình ảnh xấu của ngành xây dựng về sức khỏe và sự an toàn của công nhân xây dựng. Từ lập kế hoạch BIM 4D đến tích hợp thực tế mở rộng (XR) như thực tế ảo (VR), thực tế tăng cường (AR) và thực tế hỗn hợp (MR), các nhiệm vụ ở các giai đoạn khác nhau của dự án xây dựng đã được cải thiện một cách toàn diện [ 35 ] .

Cụm năm trong “Xanh lam” là “Công nghệ quản lý dự án xây dựng tích hợp”. Theo viện quản lý dự án (PMI), quản lý dự án là việc sử dụng kiến ​​thức, kỹ năng, công cụ và kỹ thuật để thực hiện các dự án có giá trị đối với mọi người [ 36 ]. Cụm này tập trung vào các phương pháp và công nghệ khác nhau được sử dụng trong các dự án xây dựng để làm cho chúng có năng suất và hiệu quả đáng kể. Một dự án thành công tập trung vào các biện pháp đo lường thời gian, chi phí, chất lượng và năng suất cũng như đảm bảo sức khỏe và an toàn trong suốt quá trình thực hiện dự án.

4. Phân tích nội dung và đánh giá phê bình

4.1. Chân trời chiến lược

Ở các nước phát triển và đang phát triển, ngành xây dựng là xương sống của nền kinh tế quốc gia. Đó là mấu chốt trong việc cung cấp cơ sở hạ tầng cần thiết để cải thiện mức sống và phúc lợi của người dân. Càng ngày, hạnh phúc càng phải chịu nhiều mối đe dọa hiện sinh liên quan đến biến đổi khí hậu, hủy hoại môi trường và đô thị hóa nhanh chóng [ 37 ]. Hơn nữa, cung cấp khả năng tiếp cận công bằng với nhà ở giá cả phải chăng, chăm sóc sức khỏe, giáo dục và các dịch vụ công cộng đã trở thành mối quan tâm cấp bách của các chính phủ trên toàn thế giới [ 37]. Tài nguyên thiên nhiên đang cạn kiệt và thị trường toàn cầu hóa cũng có nghĩa là phải đạt được sự cân bằng giữa chi phí cung cấp các hàng hóa xã hội này và hiệu quả sản xuất của chúng trong dài hạn. Theo đó, ý nghĩa của hiệu quả, trong thập kỷ thứ hai của thế kỷ 21, đã được mở rộng đáng kể để bao gồm nhiều thuộc tính phức tạp mới lạ như tính bền vững về môi trường, công bằng xã hội, nghiêm ngặt về tài chính, giá trị thiết kế và phúc lợi [ 38 ] . Với ý nghĩ đó, cách các chính phủ lập kế hoạch, mua sắm, vận hành và bảo trì các công trình công cộng đang thay đổi theo kỳ vọng của cộng đồng để ưu tiên các dự án quy mô lớn của chính phủ được số hóa hoàn toàn và phù hợp với mục đích trong một hoạt động CE dự kiến ​​[ 26 ] . Trong khi sự đồng thuận về những gì cấu thành một thực hành CE toàn diện vẫn khó nắm bắt [38 ], thật hợp lý khi nói rằng thành tựu của nó có thể sẽ liên quan đến cải cách công nghiệp đáng kể được hỗ trợ bởi công nghệ kỹ thuật số và tự động hóa cũng như đào tạo lại lực lượng lao động hiện có.

Trong bất kỳ trường hợp nào, ngành xây dựng có thể sẽ vẫn được đặc trưng bởi sự phụ thuộc nặng nề vào lao động thủ công và các doanh nghiệp vừa và nhỏ trong nửa sau của thế kỷ 21. Theo Myers D, tính chất phân tán, phi tập trung của lĩnh vực này rất có thể sẽ đảm bảo tầm quan trọng kinh tế liên tục của nó [ 38 ]. Trái ngược với khoa học viễn tưởng phổ biến, tự động hóa hàng loạt mà hầu như không có sự tham gia của công nhân là không phù hợp với lợi ích lâu dài của các chính phủ hiện đại [ 39] bởi vì xây dựng vẫn là một trong những ngành sử dụng lao động nam thanh niên thuộc tầng lớp lao động lớn nhất và, tùy thuộc vào định nghĩa được sử dụng, bao gồm nhiều loại dịch vụ chuyên nghiệp, nhà sản xuất công nghệ cao và các ngành công nghiệp chính ngoài hoạt động xây dựng. Ở hầu hết các khu vực pháp lý, ngành công nghiệp này có xu hướng chịu sự giám sát và điều chỉnh chặt chẽ của chính phủ quốc gia vì một số lý do [ 38]. Thứ nhất, các dự án xây dựng thường cấu thành khoản mua lớn nhất mà một cá nhân hoặc tổ chức hợp nhất có khả năng đầu tư vào và phải được bảo vệ theo quy định của pháp luật. Thứ hai, các chính phủ thường là người tiêu dùng lớn nhất đối với các dịch vụ của ngành xây dựng. Việc bắt buộc phải cung cấp các công trình công cộng theo các nguyên tắc tiên đề nhất định như giá trị đồng tiền, an toàn và sức khỏe nghề nghiệp cũng như giảm thiểu thiệt hại về môi trường đòi hỏi phải có sự giám sát nghiêm ngặt đối với ngành và các hoạt động của ngành. Và thứ ba, lĩnh vực này là trung tâm của chính sách kinh tế và là phương tiện để nhà nước can thiệp vào thị trường khi hiệu quả kinh tế giảm sút hoặc các sự kiện phi thị trường, chẳng hạn như thiên tai, xung đột vũ trang và đại dịch, làm gián đoạn tăng trưởng kinh tế. Điều này khó có thể thay đổi trong nửa sau của thế kỷ 21. Khi những sự kiện như vậy xảy ra, chính phủ sẽ ban hành các biện pháp tài chính, chẳng hạn như chi tiêu bổ sung cho cơ sở hạ tầng giao thông mới, nhà ở công cộng, cơ sở chăm sóc sức khỏe mới và quân sự hóa, nếu cần, để kích thích hoạt động công nghiệp và đưa nền kinh tế trở lại trạng thái cân bằng sản xuất. Các chính phủ, với tư cách là một trong những người tiêu dùng lớn nhất các dịch vụ của ngành xây dựng trong bất kỳ nền kinh tế cụ thể nào, cũng sẽ tìm cách nâng cao năng suất xét về khả năng sử dụng tối ưu các nguồn lực khan hiếm của nền kinh tế [40 ] bằng cách điều chỉnh các thiết lập chính sách công, tạo ra các ưu đãi về thuế để áp dụng công nghệ, hướng các nguồn lực vào hệ thống giáo dục và tài trợ cho nghiên cứu.

Bản thân ngành xây dựng nổi tiếng là bảo thủ ở chỗ nó có xu hướng xem xét các công nghệ mới với sự thận trọng và không nhất thiết phải tuân theo chủ nghĩa tuân thủ thụ động khi phải đối mặt với những điều chỉnh khó chịu đối với các thiết lập chính sách công do chính phủ công bố [ 41 ] . Tuy nhiên, một tính toán về việc giải quyết các cơn gió ngược kinh tế và xã hội ngày càng tăng đang đến rất nhanh, và sự can thiệp triệt để của chính phủ để ứng phó với biến đổi khí hậu và những vấn đề tương tự là không thể tránh khỏi. Nhiều thập kỷ tranh luận, trợ cấp và tất cả các hình thức khuyến khích tài chính [ 42] đã thất bại trong việc phân bổ hiệu quả các nguồn lực cần thiết để ngăn chặn thảm họa bởi vì ngành xây dựng, trong nhiều thế kỷ, đã phát triển như một nền kinh tế dựa trên dự án, trớ trêu thay, lại cực kỳ nhạy cảm với các cú sốc kinh tế, trong khi đặc biệt không co giãn trước những thay đổi đột ngột về cầu hoặc gián đoạn chuỗi cung ứng. Nói một cách đơn giản, nhà ở và bệnh viện nói chung không giống như ô tô và quần jean denim, những món đồ được coi là sự thất thường của thời trang và ý thích bất chợt.

Tuy nhiên, quá trình xây dựng nhanh chóng ngoạn mục của Bệnh viện Hỏa Thần Sơn ở Vũ Hán [ 43] để đối phó với sự bùng phát của COVID-19 ở thành phố đó là một ví dụ hấp dẫn và mang tính hướng dẫn về việc xây dựng có thể trông như thế nào trong thời đại được xác định bởi các cuộc khủng hoảng toàn cầu. Trong những trường hợp đó, các nước công nghiệp hóa có thể trở thành nhà xuất khẩu cơ sở hạ tầng quan trọng hàng đầu trên toàn thế giới. Đây sẽ là yếu tố thay đổi cuộc chơi liên quan đến ảnh hưởng và khả năng triển khai sức mạnh mềm của họ trên trường quốc tế. Từ quan điểm đó, có vẻ như Trung Quốc có thể đã thiết lập được lợi thế cạnh tranh nhờ nền kinh tế chỉ huy kế hoạch hóa tập trung và hàng thập kỷ đầu tư vào việc xây dựng năng lực sản xuất công nghệ cao và lực lượng lao động. Ví dụ, hãy xem xét phản ứng đầy tham vọng của đảng cộng sản Trung Quốc (ĐCSTQ) đối với Công nghiệp 4.0, Sản xuất tại Trung Quốc 2025 [ 44]. Trong khi đó, chính quyền Hoa Kỳ (US) đấu tranh để tìm kiếm sự chấp thuận cho “Dự luật xây dựng lại tốt hơn”, mặc dù có một khoản tiền khổng lồ dành riêng cho biến đổi khí hậu, nhưng không có hình phạt nào nếu không thực hiện bất kỳ hành động có ý nghĩa nào [ 45 ] . Thay vào đó, các quốc gia khác tập trung vào xuất khẩu nguyên liệu thô, chẳng hạn như Úc, Brazil và Canada, có thể gặp khó khăn trong việc cạnh tranh và sẽ phải cam kết mạnh mẽ với các chương trình đổi mới quốc gia để mở rộng các lĩnh vực sản xuất của họ, điều này có thể mất hàng thập kỷ để bắt kịp. Trong trường hợp đó, một loạt các công nghệ tiên tiến được đề cập trong bài viết này có thể cần phải được sắp xếp một cách sáng tạo để khai thác toàn bộ tiềm năng của sản xuất xây dựng.

Đôi khi, các nhà bình luận đã dự đoán sự chuyển đổi sang sản xuất xây dựng công nghệ cao để giảm thiểu chất thải, cung cấp các dự án một cách an toàn và hiệu quả, đồng thời tổ chức lại ngành công nghiệp với sự thay đổi của lực lượng lao động. Ví dụ, khái niệm đúc sẵn bên ngoài công trường đã có từ vài trăm năm [ 46 ], và nó là một yếu tố thiết yếu của dự án thuộc địa Anh. Hơn nữa, sự quan tâm đến phương pháp này đã tăng và giảm kể từ đó, đặc biệt là ở Hoa Kỳ, Úc, Vương quốc Anh, Singapore và Malaysia [ 46 ]. Trong quá trình lặp lại hiện đại, sản xuất xây dựng đã trở thành đại diện cho chế tạo sẵn theo IR-4.0, mô hình hàng đầu để chuyển đổi công nghiệp [ 12 ].

IR-4.0 đề cập đến một sáng kiến ​​đổi mới quốc gia của Đức cho cuộc cách mạng công nghiệp lần thứ tư đã được lên kế hoạch nhằm đảm bảo vị thế của Đức là nhà sản xuất hàng tiêu dùng công nghệ cao hàng đầu [ 47 ] . Sáng kiến ​​này bao gồm một mạng lưới phức tạp gồm các cơ quan chính phủ, tổ chức khoa học và dự án nghiên cứu được thành lập ở miền trung nước Đức sau Hội chợ Hanover 2011 [ 1 ]. Trên bình diện quốc tế, IR-4.0 đã trở nên đồng nghĩa với việc áp dụng một số công nghệ đột phá như dữ liệu lớn, AI, điện toán đám mây, robot, IoT và BIM. Về cơ bản, đối tượng của CMCN 4.0 (tạm thời tạm gác các thuộc tính chính trị xã hội của nó sang một bên) đang đạt được một chu kỳ tích hợp theo chiều ngang và chiều dọc trong môi trường sản xuất được kiểm soát của Nhà máy Thông minh.Hình 4 dưới đây minh họa lập luận này theo sơ đồ.

Hình 4. Tích hợp ngang và dọc trong sản xuất hàng tiêu dùng.

Về nguyên tắc, điều này có thể khắc phục một số rủi ro vận hành trong xây dựng hiện đại, đặc biệt trong số đó là khoảng cách giữa các nhà cung cấp nguyên liệu thô và người dùng cuối sản phẩm của họ. Với quy mô và độ phức tạp tuyệt đối của các dự án xây dựng, cần có một nền tảng tinh vi để quản lý và trực quan hóa lượng dữ liệu khổng lồ cũng như giao diện người-máy để đạt được mức độ tương tác, độ chính xác và tiêu chuẩn hóa được yêu cầu. Hình 4 minh họa một mô hình khả thi dựa trên Osterrieider's et al. [ 48 ] Khái niệm nhà máy thông minh bốn lớp.

Trong Hình 4 , hệ sinh thái kỹ thuật số bốn lớp của khái niệm Nhà máy Thông minh bao gồm các công nghệ thông tin tích hợp áp dụng cho việc định hình thành phố, xây dựng và sản xuất hàng tiêu dùng ở mức độ bình đẳng. Không thể nhấn mạnh đủ rằng các học giả và các nhà thực hành phải ghi nhớ rằng CMCN 4.0 là một sáng kiến ​​được phát triển dần dần ở Đức, nơi sản xuất hàng tiêu dùng công nghệ cao đã được thiết lập vững chắc và là thành phần chính của tổng sản phẩm quốc nội. Hơn nữa, ngay cả ở Đức, cho đến nay khái niệm này mới chỉ đạt được mức thâm nhập khiêm tốn trong lĩnh vực xây dựng.

Nhận thấy khoảng trống này, Oesterreich và Teuteberg [ 48 ] đã xác định một số hướng nghiên cứu trong tương lai, đặc biệt trong số đó là tác động xã hội của chuyển đổi kỹ thuật số theo kế hoạch. Phần lớn tài liệu quốc tế về CMCN 4.0 có xu hướng tập trung vào các thiết bị công nghệ cao cần thiết để đạt được cái gọi là các mục tiêu của Cách mạng công nghiệp lần thứ tư thay vì các mục tiêu chính trị - xã hội hoặc các phương tiện pháp lý để đạt được chúng, điều này có thể hiểu được dựa trên khái niệm kháng cáo công nghệ cao [ 49]. Tuy nhiên, không được để ngỏ cửa sau của xã hội trước khả năng doanh nghiệp bị lợi dụng và những hậu quả không mong muốn khác trong lĩnh vực này bằng cách bỏ qua những cân nhắc quan trọng như quy định chặt chẽ về thị trường lao động và môi trường tự nhiên, đặc biệt là khi tình hình trở nên khó khăn và khi biến đổi khí hậu. bắt đầu cắn.

Không có gì bí mật khi công nhân xây dựng là một trong những đối tượng chịu nhiều gánh nặng nhất bởi các vụ tai nạn nghiêm trọng tại nơi làm việc, vì vậy việc chuyển đổi kỹ thuật số phải được thực hiện để tăng cường an toàn cho công nhân cùng với niềm tin kiên định vào phẩm giá của công việc. Khi các quy trình xây dựng phát triển, có khả năng một loạt rủi ro mới đối với sự an toàn của người lao động sẽ phát sinh cùng với các phương pháp phối hợp và lắp ráp mới nếu việc xây dựng trong môi trường sản xuất được kiểm soát trở thành xu hướng chủ đạo; do đó, nguồn tài trợ có giá trị của người nộp thuế sẽ cần được dành riêng để chuẩn bị lực lượng lao động lành nghề, được củng cố bởi các chế độ quản lý mạnh mẽ và các tiêu chuẩn ngành trong tương lai. Lý tưởng nhất là chính phủ các quốc gia nên chủ động thiết lập chương trình nghị sự cho tiến bộ công nghệ trong lĩnh vực này. Về vấn đề này, Xu's et al. [ 50] bài viết kêu gọi sự chú ý đến các biện pháp can thiệp mạnh mẽ của chính phủ Singapore vào thị trường mang tính hướng dẫn.

Cuối cùng, có tác động của việc tăng cường tự động hóa và cơ giới hóa đối với các cộng đồng bản địa và vùng sâu vùng xa sống gần các mỏ khoáng sản quan trọng cần thiết để sản xuất công nghệ tiên tiến nhằm chuyển đổi sang nền kinh tế các-bon thấp, đặc biệt là ở phía nam toàn cầu; lợi ích lâu dài của họ phải được ưu tiên để đổi lấy quyền tiếp cận đất đai của họ. Trên cơ sở đó, các học giả như Oti-Sarpong et al. [ 41 ], và Kovacs [ 51 ] kêu gọi một cách đúng đắn về cách tiếp cận cải cách từng bước nhưng nhanh chóng, và câu ngạn ngữ cổ, “festina lente” (sự vội vàng siêng năng) có thể đóng vai trò như một hòn đá thử hữu ích. Mặc dù không thể dự đoán tương lai, nhưng chúng ta có thể tiến hành một cách thận trọng để không làm cho những người có nhiều khả năng bị ảnh hưởng bởi sự thay đổi trở nên tồi tệ hơn.

4.2. Công nghệ quản lý thông tin

Trong một môi trường sản xuất xây dựng được kiểm soát của tương lai, quản lý thông tin sẽ quyết định năng suất, hiệu quả, chất lượng và sự an toàn của các dự án. Nó cũng sẽ tạo điều kiện cho việc kết hợp các quan điểm và chuyên môn đa dạng. Các bài báo quan trọng, có liên quan đến quản lý thông tin xây dựng, đã được chọn từ 289 bài báo được xác định trong phần phương pháp nghiên cứu của nghiên cứu hiện tại và được phân tích. Trong Hình 5, các kết quả phân tích từ khóa cùng xuất hiện bằng VOSviewer được thực hiện dựa trên các bài báo đã chọn. Nó hiển thị số lần xuất hiện và số năm công khai trung bình của các từ khóa và mạng giữa chúng. Các công nghệ được đề cập thường xuyên nhất trong mẫu là BIM, IoT, DT, BCT, AR, VR, CPS và AI. Theo phân tích năm xuất bản, được thực hiện dưới dạng sự khác biệt về màu sắc, xu hướng nghiên cứu có thể được học. Các bài báo từ những năm rất gần đây, từ 2018 đến 2022, và số liệu cho thấy nghiên cứu về BIM và AR được tổng hợp nhiều hơn vào năm 2018, IoT, CPS và BCT xảy ra thường xuyên nhất vào những năm giữa và DT và AI được nhắc đến nhiều nhất trong những năm gần đây nhất. Dựa trên phân tích từ khóa, một phân tích cụ thể hơn về các công nghệ quản lý thông tin chính có khả năng thúc đẩy tương lai của ngành xây dựng được cung cấp. Chúng bao gồm BIM, DT, CPS và quản lý dữ liệu dựa trên ngữ nghĩa và bản thể luận.

Hình 5. Trực quan hóa lớp phủ của các lần xuất hiện từ khóa và số năm xuất bản trung bình.

4.3. BIM và sự tích hợp của nó với các công nghệ phân tích thông tin

BIM đã được ứng dụng nhanh chóng trong ngành xây dựng trong 10 năm qua [ 52 ]. Hướng nghiên cứu trong tương lai để quản lý thông tin xây dựng là chuyển hướng sang tích hợp nhiều công nghệ. Nghiên cứu xem xét các xu hướng tương lai của BIM và ứng dụng của nó, cùng với các công nghệ phân tích thông tin khác (ví dụ: hệ thống thông tin địa lý (GIS), IoT, AR và BCT.

Trong Bảng 3 , nghiên cứu tích hợp về BIM và các công nghệ khác được kết luận từ cơ sở dữ liệu tài liệu được giải quyết trong quá trình truy xuất bài viết. Trong bảng này, tầm quan trọng của BIM trong những năm qua có thể được chứng minh khi tất cả các bài báo có ứng dụng kết hợp đều dựa trên BIM. Sự gia tăng của các công nghệ khác cho thấy xu hướng nghiên cứu trong tương lai, đó là tích hợp các công nghệ khác nhau để quản lý thông tin của ngành xây dựng. Trong Bảng 4 , tám bài viết tiêu biểu về nghiên cứu kết hợp BIM và các công nghệ khác được liệt kê để minh họa tình trạng nghiên cứu hiện tại và xu hướng trong tương lai.

Bảng 3. Danh sách các bài báo đề cập đến việc tích hợp các công nghệ trong tài liệu của FOCIT.

Lưu ý: Ký hiệu * biểu thị việc sử dụng công nghệ.

Bảng 4. Các ấn phẩm được chọn về sự tích hợp của BIM, GIS và các công nghệ phân tích khác.

4.4. Bản sao kỹ thuật số (DT) và Hệ thống vật lý điện tử (CPS)

Mô hình DT là một cách tiếp cận tích hợp, mới hơn đối với mô hình vi mô (cấp dự án) và vĩ mô (cấp đô thị) so với BIM. Là một mô hình xây dựng và thành phố lý tưởng trong tương lai, DT cho phép tích hợp web theo thời gian thực và trí thông minh, có thể áp dụng cho toàn bộ vòng đời của các dự án xây dựng. Nó tích hợp thế giới thực với một nền tảng ảo để kiểm soát quá trình xây dựng và giám sát môi trường [ 52 ]. Cuối cùng, quản lý thông tin sẽ phát triển từ định dạng IFC sang dữ liệu xây dựng liên kết cởi mở hơn để đảm bảo “dữ liệu phù hợp có sẵn vào đúng thời điểm” [ 18 ]. Một số công nghệ cũng được yêu cầu để hiện thực hóa mô hình DT, đặc biệt là xem xét thách thức xử lý thời gian thực giữa các giai đoạn vật lý và ảo. Sepehr và cộng sự. [77 ] nhấn mạnh tầm quan trọng quan trọng của việc tích hợp công nghệ BIM, XR và DRX để giám sát tiến độ xây dựng dựa trên DT. Sepasgozar [ 14 ] đã triển khai việc sử dụng tích hợp VR, AR, IoT và DT, trong việc sử dụng giáo dục để sinh viên có được kiến ​​thức về vận hành máy xây dựng và quản lý quy trình xây dựng trực tuyến. Ozturk G [ 78 ] gợi ý rằng các công nghệ nắm bắt như cảm biến, đồng hồ đo, máy đo, tia laser và thiết bị thị giác có thể nắm bắt dữ liệu trải nghiệm thực tế từ thế giới vật chất. Rausch và cộng sự. [ 54 ] Đề xuất DT hình học cho xây dựng bên ngoài, triển khai quét 3D và phương pháp quét từ BIM.

CPS là một khái niệm rộng hơn để nâng cao các mô hình thông tin như BIM; nó đã được phát triển hơn 15 năm trước và ủng hộ sự tương tác của các yếu tố mạng và vật lý [ 79 ]. DT cung cấp khả năng hiện thực hóa các CPS, trên quy mô giám sát, mô phỏng, tối ưu hóa và dự đoán [ 80 ]. Các cảm biến thời gian thực góp phần truyền đạt thông tin cho CPS, như IoT [ 81 ]. Các cuộc điều tra đã được thực hiện với việc áp dụng kiểm soát lắp đặt cho các mô-đun đúc sẵn, kiểm soát rủi ro của vận thăng mù, quản lý an toàn, v.v. [ 82 , 83 , 84 ].

4.5. Quản lý dữ liệu dựa trên ngữ nghĩa và bản thể học

Web ngữ nghĩa và quản lý dữ liệu dựa trên bản thể học sẽ rất quan trọng đối với khả năng tương tác và trao đổi thông tin trong môi trường sản xuất xây dựng của tương lai. Việc sử dụng hạn chế nhưng ngày càng tăng của nó trong quản lý dữ liệu xây dựng được phản ánh ở vị trí là một điểm nóng nghiên cứu rất đặc biệt trong tài liệu. Có thể nhận thấy rằng ứng dụng công nghệ web ngữ nghĩa trong ngành xây dựng ngày càng nhiều. Việc sử dụng web ngữ nghĩa và bản thể học thường được coi là bổ sung cho BIM và DT. Pauwels và cộng sự. [ 68] nhấn mạnh rằng ba ứng dụng chính của công nghệ ngữ nghĩa là cải thiện khả năng tương tác để trao đổi thông tin giữa các công cụ và nguyên tắc khác nhau, kết nối thông tin thu được với các miền khác nhau và thiết lập cơ sở logic trong miền này. Để vẽ một bản đồ kiến ​​thức cơ bản về khái niệm này, một cuộc điều tra tài liệu độc lập đã được thực hiện. Trong số các kho tài liệu được chọn trong nghiên cứu này, khi các mục tìm kiếm với “bản thể luận”, “ngành xây dựng” và “tương lai” được kiểm tra, 30 bài báo có liên quan đến chủ đề phụ này. Phân tích tần số từ của 20 từ được sử dụng nhiều nhất trong các bài báo đó được thể hiện trong Hình 6 . Người ta đã chứng minh rằng bản thể luận được sử dụng trong ngành xây dựng có liên quan đến kiến ​​thức, thông tin, ngữ nghĩa, HTTP và IFC.

Hình 6. Trực quan hóa các lần xuất hiện từ khóa của việc sử dụng ontology liên quan đến xây dựng.

OWL có tên đầy đủ là W3C Web Ontology Language. Đó là một ngôn ngữ web ngữ nghĩa nhằm mục đích mô tả kiến ​​thức phức tạp, các nhóm và các mối quan hệ của sự vật [ 66]. Loại ngôn ngữ này được thiết kế như một ngôn ngữ dựa trên logic tính toán sao cho các chương trình máy tính có thể khai thác kiến ​​thức được thể hiện trong OWL. OWL là một phần của ngăn xếp công nghệ web ngữ nghĩa của W3C và các tài liệu OWL được gọi là bản thể luận. Bản thể luận ifcOWL được đề xuất bằng cách xây dựng SMART là một ví dụ tốt về việc sử dụng OWL dựa trên IFC. Là một nguồn mở và tiêu chuẩn nghiêm ngặt cho toàn bộ ngành công nghiệp AEC, ifcOWL cải thiện việc chia sẻ và tích hợp thông tin trong toàn bộ vòng đời của các dự án xây dựng. Khi ngành xây dựng phải đối mặt với nhiều lĩnh vực và nguyên tắc trong toàn bộ vòng đời của các dự án xây dựng, dữ liệu xây dựng được liên kết (LBD) được đề xuất bởi nhóm cộng đồng LBD. LBD đề cập đến việc sử dụng bản thể học hoặc công nghệ web ngữ nghĩa để xây dựng dữ liệu dưới dạng biểu đồ RDF [ 85]. Nó nhấn mạnh khả năng tương tác chia sẻ thông tin giữa các bên liên quan khi sử dụng phần mềm thông qua internet và giúp dễ dàng tích hợp vào các yếu tố xây dựng mà không làm tăng độ phức tạp của truy vấn dữ liệu [ 86 ].

Từ AutoCAD đến BIM, rồi đến DT, chắc chắn rằng ngành xây dựng đã đón nhận thế hệ kỹ thuật số trong một thời gian dài và tìm kiếm sự phát triển hơn nữa với nhiều công nghệ liên quan trong những năm tiếp theo. Trong triển vọng này, quản lý dữ liệu từ mô phỏng và cảm biến phải đối mặt với các vấn đề về độ chính xác, lưu trữ và an toàn, có thể được giải quyết dựa trên các mô hình ngữ nghĩa [ 18 ]. Việc quản lý dữ liệu tăng cường ngữ nghĩa và bản thể học cũng là cơ sở cho việc ra quyết định và quản lý cơ sở. Cũng cần lưu ý rằng ngữ nghĩa và bản thể học là những khái niệm cơ bản cho DT và CPS, có thể cung cấp các luồng dữ liệu động ở các quy mô khác nhau [ 18 , 87 ].

4.6. Quản lý thông tin vòng đời và mối quan tâm về tính bền vững

Từ một góc độ khác, các công nghệ khác nhau sẽ được áp dụng để quản lý thông tin ở các giai đoạn khác nhau cho các dự án sản xuất xây dựng và một số trong số chúng cũng góp phần vào toàn bộ vòng đời xây dựng. Các công nghệ được đề xuất và sử dụng nhiều nhất để quản lý thông tin ở từng giai đoạn được liệt kê tương ứng trong Hình 7 .

Mối quan tâm về tính bền vững đối với mô hình thông tin chiếm vị trí quan trọng trong tương lai của ngành xây dựng [ 88 , 89 ]. Do đó, chất thải xây dựng và phá hủy (CDW) là một chủ đề rất quan trọng vì việc thiết lập hệ thống thông tin thích hợp để giảm CDW có thể làm giảm thiệt hại môi trường [ 90 , 91 ]. BIM xanh dự kiến ​​sẽ được sử dụng trong tương lai, đặc biệt là cho các tòa nhà cao tầng. Wang et al. [ 63 ] đã nghiên cứu tích hợp BIM và GIS trong môi trường xây dựng bền vững. Saieg et al. [ 92] đã trình bày một bài đánh giá tài liệu về sự tích hợp của BIM, Tư duy tinh gọn trong xây dựng và tính bền vững, đặc biệt là trong quá trình ra quyết định. Kết quả cho thấy rằng sự tương tác của các lĩnh vực này giúp cải thiện hiệu quả trong tương lai bằng cách giảm tác động kinh tế và môi trường [ 92 ]. Tuy nhiên, sự chú ý đến tính bền vững cho thấy quyết tâm thực hiện trách nhiệm xã hội của các nhà nghiên cứu. Tất cả các công nghệ được áp dụng, triển khai và phát triển đều phục vụ mục tiêu vòng đời bền vững của công trình xây dựng.

Hình 7. Các công cụ quản lý thông tin ở các giai đoạn xây dựng khác nhau. Lưu ý: Các giai đoạn khác nhau—toàn bộ vòng đời [ 18 , 52 , 65 , 93 , 94 ], giai đoạn thiết kế [ 10 , 88 , 92 , 95 , 96 , 97 ], quản lý chuỗi cung ứng [ 32 , 57 , 98 ], giai đoạn xây dựng [ 61 , 65 , 77 ], giai đoạn bảo trì [ 52 , 53 , 56 , 78 , 85, 99 , 100 ], và giai đoạn phá dỡ [ 91 , 101 , 102 ].

5. Kỹ thuật hình dung

5.1. Hiện trạng của nghệ thuật

Các kỹ thuật trực quan hóa sẽ là một phần không thể thiếu trong sản xuất xây dựng và công nghệ này đã phát triển vượt bậc trong những năm qua, mở rộng sang các lĩnh vực và đối tượng khác nhau cho các ứng dụng trong ngành AEC. Trong số các công nghệ phổ biến nhất là VR dành cho mô phỏng nhập vai, AR dành cho các đối tượng được xếp chồng lên nhau và MR, là sự kết hợp của những công nghệ trước đó [ 103]. Chúng được tích hợp với các kỹ thuật thu thập dữ liệu để nâng cao tính hiện thực và độ chính xác của chúng, thúc đẩy sự phát triển của các nguyên mẫu trong lĩnh vực xây dựng. Những cách tiếp cận này có liên quan đến các lĩnh vực như quản lý an toàn, thu thập dữ liệu và cải thiện khả năng hiển thị trực quan của các đối tượng được quét, áp dụng chúng cho các mô-đun đào tạo nâng cao và học thuật. Ngoài ra, việc tích hợp các công nghệ đã đóng một vai trò quan trọng trong nghiên cứu mới, sử dụng chúng để cung cấp xử lý dữ liệu tốt hơn, tự động hóa các quy trình, giám sát tài sản, giải trí lắp ráp và theo dõi hình ảnh. Một số dự án này nhằm mục đích giải quyết các rủi ro lâu dài liên quan đến ngành, chẳng hạn như chấn thương tại chỗ [ 66 , 104 ], kiểm tra và bảo trì [ 60 ], nhận thức về an toàn cháy nổ [61 ], và giảm tai nạn tổng thể [ 105 ]. Hơn nữa, các nhà nghiên cứu khác đã tập trung nhiều hơn vào việc triển khai đào tạo, chẳng hạn như theo dõi các tổ hợp xây dựng [ 106 ] và đào tạo giáo dục thông qua công nghệ kỹ thuật số [ 10 ].

Một công nghệ trực quan hóa tập trung chủ yếu đã và đang phát triển trong thập kỷ qua là tăng cường thu thập và biểu diễn dữ liệu của các đối tượng được số hóa này, tối ưu hóa chúng để đạt được biểu diễn dữ liệu có ý nghĩa và hữu ích hơn. Các lĩnh vực khác nhau đã được khám phá liên quan đến kỹ thuật thu thập dữ liệu; vai trò của máy ảnh, máy quét laser và máy bay không người lái để theo dõi tiến độ và hội thảo địa lý [ 77 ]; và phần mềm liên quan đến BIM và DT để tối ưu hóa [ 77 ]. Sử dụng máy bay không người lái (UAV) để chụp ảnh tham chiếu địa lý [ 107 ], ảnh ba chiều để thể hiện 3D nâng cao [ 108 ], và BIM và các công nghệ dựa trên hình ảnh cho hoạt động và quản lý (O&M) [ 73] là một số ví dụ về các lựa chọn thay thế thu thập dữ liệu. Ngoài ra, đặc tính của mặt tiền xanh bằng máy quét laze [ 109 ], thu thập dữ liệu bên ngoài của các tổ hợp bằng DT [ 54 ], quản lý cơ sở bằng phương pháp AR/MR [ 56 ] và phân tích hành vi của người cư ngụ bằng VR [ 110 ] đã đại diện ví dụ về khai thác và giải thích dữ liệu.

Hơn nữa, việc tích hợp các công nghệ khác nhau đã nhanh chóng phát triển thành các ứng dụng phức tạp hơn, sử dụng điểm mạnh và điểm yếu của chúng để bổ sung cho nhau. Các đề xuất như tích hợp GIS, BIM và XR được khám phá cho vai trò của nhà thiết kế/kỹ sư trong toàn bộ dự án vòng đời, hỗ trợ việc sử dụng xung quanh việc ra quyết định, thiết kế, đào tạo và giáo dục [ 56 , 66 ] . Các khám phá bổ sung cũng được đề xuất liên quan đến các điểm đám mây và tối ưu hóa xử lý phần mềm, chẳng hạn như DT, AI, IoT, ML và các quy trình điện toán nhận thức [ 77 , 111 ]. Cùng với cách tiếp cận BIM hoặc DTs, AR và VR đã được triển khai như một giải pháp để kiểm tra, bảo trì, lắp đặt và đào tạo tại công trường trong các lĩnh vực chuyên môn và học thuật [ 25, 72 ]. Ngoài ra, các khả năng của điện toán đám mây và mạng 5G đã được khám phá với các triển khai XR, đưa ra các lựa chọn thay thế để xử lý và trực quan hóa thời gian thực gần [ 11 , 81 ].

5.2. Vai trò của công nghệ nhập vai

Các ứng dụng nhập vai sẽ cách mạng hóa sản xuất xây dựng, tạo ra nhiều lợi ích nhưng cũng có rủi ro liên quan đến việc áp dụng chúng. Các nhà nghiên cứu đã tiến hành phân tích SWOT cho các công nghệ nhập vai, xác định những tác động chính này đối với các bên liên quan, phân tích thiết kế, lập kế hoạch xây dựng, quản lý cơ sở vật chất và giáo dục/đào tạo [ 22 ]. Các điểm mạnh như nhận thức tốt hơn và năng suất cũng được đề cập, làm nổi bật các điểm yếu do hạn chế về phần cứng và khả năng sử dụng tại hiện trường của tai nghe chìm [ 112]. Tuy nhiên, các tác giả cũng đề cập đến các cơ hội mà VR và AR có thể mang lại, sử dụng chúng làm công cụ để giao tiếp và tích hợp các hoạt động tốt hơn. Những công nghệ này thường liên quan đến việc nâng cao kỹ năng của nhân viên, có khả năng giảm việc làm lại, tăng nhận thức về an toàn, giảm chi phí lao động và cải thiện khả năng hoàn thành dự án theo thời hạn bằng cách bổ sung kiến ​​thức của các chuyên gia về lĩnh vực của họ trong mô phỏng [106 ] . Với những môi trường kỹ thuật số này, các công nghệ nhập vai có thể tạo ra những cách tương tác mới, khuyến khích cộng tác nhiều người dùng và xử lý thiết bị tương tác để đào tạo hoàn chỉnh trước khi đến địa điểm [ 105 ]. Các khái niệm tương tự đã được thực hiện bởi Sepasgozar [ 10] trong công việc của họ, giới thiệu các ví dụ về máy đào AR và mô-đun máy khoan đường hầm VR cho thiết bị giảng dạy trong lĩnh vực giáo dục. Do đó, với tất cả các ứng dụng này, có thể tăng cường quy trình sản xuất xây dựng tổng thể của nhiều hoạt động, giảm sự phụ thuộc về chất lượng vào người lao động bằng cách hỗ trợ công việc của họ bằng các công nghệ nhập vai [ 25 ] .

Tuy nhiên, nhiều thách thức cần được giải quyết để triển khai hiệu quả VR và AR trong vòng đời của ngành AEC. Chi phí phát triển gia tăng và lý do tài chính thấp là một trong những hạn chế thường xuyên mà các công ty và nhà nghiên cứu nhận thấy. Điều này cần phân tích tác động tài chính tốt hơn để phù hợp với thời hạn và thông số kỹ thuật chặt chẽ của dự án [ 103 , 104 ]. Các hạn chế liên quan đến phần mềm và phần cứng cũng có mặt, có các hạn chế đối với các ứng dụng có thể được tạo ra do xử lý dữ liệu thấp của môi trường ảo và lưu trữ hạn chế [ 66 ]. Điều này tạo ra các vấn đề liên quan đến tính chính xác của dữ liệu được thu thập do sự không nhất quán với các điểm đám mây được thu thập từ UAV [ 107 ]. Bello và cộng sự. [ 11] đề xuất sử dụng xử lý đám mây để khắc phục những hạn chế này; tuy nhiên, theo đề xuất này, các vấn đề khác phát sinh, chẳng hạn như độ trễ, tính khả dụng của dữ liệu, kết nối băng tần, bảo mật và phí sử dụng đám mây đắt đỏ. Điều này dẫn đến tầm quan trọng của việc tích hợp, trong đó tất cả các nhược điểm của việc triển khai VR và AR cần được giải quyết để vượt qua khả năng chống lại sự thay đổi, hợp nhất những cách làm việc mới này với các phương pháp truyền thống đã được thiết lập [ 106 , 111 ] . Sự phản kháng này được cho là do lĩnh vực AEC chậm áp dụng các thông lệ mới liên quan đến kinh nghiệm, tuổi tác, ảnh hưởng xã hội và sự hài lòng ảnh hưởng đến nhận thức của người dùng tiềm năng với công nghệ nhập vai [ 14]. Những thách thức khác liên quan đến lỗ hổng kiến ​​thức hiện có trong việc quản lý các công nghệ này, nguồn lực sẵn có thấp của các công ty và các thông lệ tiêu chuẩn không nhất quán cản trở việc áp dụng chúng [ 112 ]. Những rào cản này đối với công nghệ hình ảnh phải được giải quyết trong khi phát triển các ứng dụng thực tế phù hợp với ngành, chứng minh cách chúng đóng góp vào vòng đời dự án tổng thể thay vì chỉ tập trung vào một số lĩnh vực của quy trình vĩ mô.

5.3. Dự đoán kỹ thuật trực quan

Nhiều nghiên cứu đề xuất những gì có thể là xu hướng hoặc giải pháp trong tương lai cho các ứng dụng trực quan hóa, đưa ra cái nhìn sâu sắc về cách thức thực hiện các phương pháp tiếp cận mới để mang lại kết quả có ý nghĩa trong một ngành khó thay đổi như lĩnh vực AEC. Các hệ thống VR hỗ trợ AI sẽ cải thiện đáng kể để tái tạo hành vi ngẫu nhiên của con người trong môi trường mạng, tạo ra các ứng dụng trong đó nhiều người dùng có thể tương tác trong thời gian thực mà gần như không có độ trễ [ 113 ] . Các hoạt động ảo sẽ có thể thể hiện chính xác các quy trình thực cho bất kỳ hoạt động xây dựng nào, cung cấp cho chúng kinh nghiệm thực tế của các chuyên gia để tạo ra một mô-đun học tập hiệu quả [ 60]. Việc tiêu chuẩn hóa các thực hành VR và AR sẽ được phát triển, thiết lập các số liệu để đánh giá hiệu quả của chúng và quản lý việc triển khai chúng trong vòng đời dự án [ 25 , 62 ]. Điều này liên quan đến việc tạo ra các giao thức để kiểm tra chất lượng mô phỏng, xem xét và tối ưu hóa chúng để tăng cường xử lý dữ liệu và do đó giảm chi phí phần cứng bằng các thuật toán AI thông minh hơn [ 114 , 115 ]. Các ứng dụng công nghệ nhập vai trong tương lai sẽ tích hợp nhiều công nghệ đột phá với các phương pháp truyền thống hiện tại, bổ sung cho nhau những lợi thế của chúng thay vì triệt tiêu lẫn nhau [ 104 , 106]. Theo nghĩa này, việc tích hợp sẽ là trụ cột để biện minh cho việc áp dụng công nghệ trong ngành AEC, sử dụng DT, GIS, BIM, thu thập dữ liệu, xử lý đám mây, IoT, ML và AI cho các ứng dụng khả thi [ 12 ] . Phân tích tài chính sẽ rất cần thiết để chứng minh việc áp dụng các công nghệ nhập vai, xác minh những gì có thể đạt được cho mỗi ứng dụng trong một khung thời gian cụ thể, giống như các dự án thực tế được quản lý [ 103 ]. Tất cả những khía cạnh này là tối quan trọng để đạt được tầm nhìn mà các nhà nghiên cứu có về tương lai của công nghệ nhập vai, nhấn mạnh vào nền tảng văn hóa của các bên liên quan để phù hợp với nhu cầu cá nhân của họ nhằm áp dụng hiệu quả trong ngành AEC [ 116 ] .

Như đã thấy trong nhiều ấn phẩm, hạn chế phổ biến nhất đối với các kỹ thuật trực quan hóa như AR, VR, MR và XR có liên quan đến các hạn chế của phần cứng và phần mềm. Do đó, nhiều dự đoán về kỹ thuật trực quan hóa trong tương lai liên quan đến những cải tiến trong hai lĩnh vực này. Các thiết bị hiển thị gắn trên đầu (HMD) trong tương lai sẽ có độ chính xác, độ chính xác và định vị tốt hơn, sử dụng các nguyên mẫu của Microsoft HoloLens và Kính thông minh [ 72 , 103 ]. Lưu trữ và xử lý đám mây sẽ trở thành tiêu chuẩn để quản lý dữ liệu, sử dụng máy chủ cá nhân và công nghệ 5G đến 6G để giảm độ trễ của thông tin và cải thiện khả năng kết nối băng tần [ 11 , 81]. Những xu hướng này sẽ cho phép sử dụng các thuật toán mạnh mẽ, hỗ trợ chúng bằng AI và ML để giảm đáng kể thời gian xử lý dữ liệu và nhiễu [ 77 ]. Các khả năng mới sẽ được tạo ra với việc triển khai phần mềm và phần cứng tốt hơn, chuyển các công nghệ nhập vai sang việc sử dụng hình ba chiều thể tích 3D và các phiên bản thời gian thực của các mô hình BIM [ 108 ]. Những thiết bị mới này sẽ có tuổi thọ pin được cải thiện và thiết kế công thái học tốt hơn, giúp chúng phù hợp với các phiên làm việc kéo dài và điều kiện khắc nghiệt của công trường xây dựng [ 22 ].

5.4. Công nghệ nhập vai trong tương lai

Các công nghệ nhập vai ngày càng được công nhận trong những thập kỷ qua, trải qua các cấp độ phát triển nghiên cứu và đầu tư cao hơn của các bên liên quan tham gia vào lĩnh vực AEC. Các học viên đã nhận ra giá trị và lợi ích của nó; tuy nhiên, không có gì rõ ràng về giá trị của các công nghệ nhập vai hiện tại hoặc trong tương lai. Nghiên cứu phân tích thị trường gợi ý rằng giá trị AR, VR và MR sẽ cao hơn hàng tỷ USD từ năm 2022 đến năm 2023, tất cả đều dự đoán sự gia tăng của các công nghệ này trong 10 năm tới. Tuy nhiên, mức độ bảo mật của các công ty này với các giả định và nguồn của họ khiến rất khó để kết luận ước tính nào là chính xác nhất. Do đó, trong Hình 8, dữ liệu do các công ty này tiết lộ công khai được trình bày dưới dạng Tốc độ tăng trưởng kép hàng năm (CAGR), phân loại thông tin thành các loại VR, MR, AR/VR/MR, AR/VR và AR. Các tốc độ tăng trưởng này thu được dựa trên thông tin tương đối mà mỗi công ty dự đoán là giá trị ban đầu và dự báo của các công nghệ nhập vai, phân bổ tỷ lệ phần trăm giữa khung thời gian được phân tích của mỗi thông tin chi tiết.

Hình 8. Tốc độ tăng trưởng gộp hàng năm ước tính cho giá trị thị trường của công nghệ nhập vai (nguồn—[ 117 , 118 , 119 ]).

Như được trình bày trong Hình 8 , ước tính tăng trưởng của các công nghệ nhập vai dự kiến ​​sẽ nằm trong khoảng từ 18,01% đến 44,80% đối với VR, từ 38,15% đến 83,30% đối với AR, 41,80% đối với MR, từ 34,70% đến 73,70% đối với AR/VR, và từ 66,84% đến 113,05% đối với AR/VR/MR. Những dữ liệu này phản ánh kỳ vọng cao hơn đối với các công nghệ nhập vai khi được kết hợp, cho thấy việc tích hợp các phương pháp để đạt được kết quả có ý nghĩa, như được nhấn mạnh trong phần trước. Ngoài ra, khi được phân tích riêng lẻ, AR là công nghệ hứa hẹn nhất; điều này phù hợp với nhận thức rằng Hamzeh et al. [ 108] nhấn mạnh về mối quan tâm ngày càng tăng của ngành AEC đối với các ứng dụng AR. Tính linh hoạt của việc áp dụng các yếu tố ảo vào thực tế là một trong những lợi ích được mong đợi nhất mà các học viên mong đợi từ các ứng dụng nhập vai, là trọng tâm tối quan trọng của nghiên cứu mới để tích hợp nó vào màn hình gắn trên đầu hiện tại và tương lai một cách hiệu quả.

Việc tích hợp không chỉ các công nghệ nhập vai mà còn bao gồm các kỹ thuật thu thập dữ liệu mới, máy móc, AI, lưu trữ và xử lý sẽ mang lại những lợi ích mới cho tương lai của ngành xây dựng mà không có giới hạn rõ ràng. Việc sử dụng máy bay điều khiển từ xa (a) và UAV (b) để quét laze và chụp ảnh sẽ trở thành một thông lệ phổ biến trên các công trường xây dựng, như thể hiện trong Hình 9, tận dụng khả năng lưu trữ và xử lý đám mây để tối ưu hóa và trực quan hóa thông tin gần như trong thời gian thực.

Hình 9. Các kỹ thuật thu thập dữ liệu trong tương lai ( a ) Máy quét laser, ( b ) UAV khảo sát (nguồn: Tác giả).

Thông tin được các máy này thu thập sẽ được truyền ngay lập tức đến các máy chủ chính thông qua kết nối 5G hoặc 6G, tích hợp thông tin đó với các thiết bị nhập vai để hiển thị. Mặc dù hữu ích nhưng việc sử dụng UAV cần có các hướng dẫn về an toàn và riêng tư để bảo vệ tính mạng cá nhân cũng như cho xã hội. Về vấn đề này, nhiều khu vực tài phán, chẳng hạn như Hoa Kỳ, Liên minh Châu Âu và Nhật Bản, đã có các hướng dẫn và khuyến nghị chính sách cụ thể, và các quốc gia đang phát triển và đang phát triển khác cần xây dựng khung pháp lý và chính sách của riêng mình. Lee et al. [ 34 ], trong đó nghiên cứu đã phân tích một cách so sánh các quy định về an toàn và quyền riêng tư của UAV ở các khu vực pháp lý khác nhau.

AR và MR sẽ được sử dụng làm kỹ thuật để tương tác với dữ liệu đã thu thập, xem xét, theo thời gian thực, thông tin được khảo sát tại một trung tâm chỉ huy đặt tại thành phố, như được trình bày trong Hình 10 . Từ vị trí này, người quản lý có thể điều khiển và giám sát từ xa các công trường xây dựng, thu thập số liệu thống kê theo thời gian thực về các điều kiện của công trường để hiển thị dưới dạng bảng điều khiển. Theo thời gian, các công nghệ nhập vai sẽ phát triển cho đến khi màn hình ba chiều 3D trở thành tiêu chuẩn để trực quan hóa dữ liệu, tạo điều kiện phối hợp và ra quyết định giữa các bên liên quan.

Hình 10. Sử dụng AR và MR trong tương lai xây dựng (nguồn—Tác giả).

VR sẽ tiến tới tái tạo các kịch bản thực tế hơn, tạo ra các mô-đun đào tạo và mô-đun giảng dạy đa dạng có thể so sánh với các hoạt động thực tế. Các yếu tố môi trường, quản lý an toàn, hoạt động xử lý, điều kiện trang web thay đổi và sự tham gia của người dùng sẽ là những yếu tố cần thiết cho các nguyên mẫu khả thi phù hợp với ngành, như được trình bày trong Hình 11 . Cộng tác nhiều người dùng và tương tác hình đại diện sẽ là những thành phần quan trọng cho các ứng dụng năm 2030, cung cấp các giải pháp thay thế mới để nâng cao kỹ năng của nhân viên và các mô-đun học tập hấp dẫn.

Hình 11. Mô-đun đào cọc VR (nguồn—Tác giả).

Tương lai của VR sẽ được định hướng để tăng cường không gian học tập và tương tác, theo lý tưởng của Metaverse như Facebook đã trình bày trong Connect 2021. Tương tác xã hội và công việc kinh doanh sẽ được thúc đẩy bằng hình đại diện và thiết bị nhập vai, triển khai chúng để tạo ra một vũ trụ ảo được kết nối với nhau môi trường [ 120 ]. Điều này sẽ mang đến cho người dùng sự linh hoạt để thực hiện những điều chỉ có thể thực hiện được trong mô phỏng, tăng cường khả năng giao tiếp và các quy trình của ngành AEC.

6. Thảo luận về Lộ trình cho Tương lai

Tương lai của ngành công nghiệp AEC phụ thuộc vào các công nghệ đột phá do tốc độ phát triển nhanh chóng của số hóa và số hóa ngành [ 2 ]. Kinh nghiệm làm việc trong thời kỳ COVID-19 đã thúc đẩy các nhà đổi mới nghiên cứu và đưa ra các giải pháp mới cho phép các học viên làm việc từ xa một cách hiệu quả [ 121]. Trong suốt vòng đời của một dự án (thiết kế và lập kế hoạch, xây dựng, vận hành và quản lý), sự ra đời của các công nghệ đột phá được đề xuất sẽ mở rộng ranh giới của ngành AEC để phát triển các giải pháp và ý tưởng kinh doanh mới cho từng giai đoạn của vòng đời. Cho dù nói về hợp lý hóa quy trình thiết kế, tự động hóa các nhiệm vụ xây dựng, đánh giá công nhân đối với các nhiệm vụ nguy hiểm, vận hành trơn tru dự án trong suốt vòng đời và quy trình phá dỡ thân thiện với môi trường, các công nghệ đột phá sẽ là tài sản cho bất kỳ bên liên quan nào liên quan đến ngành AEC . Trong bối cảnh đó, 11 công nghệ đột phá sẽ cách mạng hóa ngành công nghiệp AEC trong 10 năm tới sẽ được thảo luận như sau.

6.1. In 4D

Công nghệ được gọi là in 4D là in 3D tiên tiến (3DP) với tính linh hoạt thay đổi thuộc tính của các đối tượng với môi trường thay đổi. Thứ nguyên bổ sung đại diện cho thời gian biến đổi đối tượng hoặc nội dung được in 3D hoặc trở thành một cấu trúc khác do các nguồn lực bên ngoài như ánh sáng, nhiệt, từ trường, nhiệt độ, điện và một số yếu tố khác [ 122 ] . Sử dụng in 3D làm phông nền, nó có thể thực hiện tự động, thành thạo, linh hoạt hơn và có các đặc tính cơ học mạnh mẽ, trong số những thứ khác [ 123 , 124]. Những yếu tố này tạo điều kiện thuận lợi trong việc giảm thời gian xây dựng, tạo ra các dạng hình học khác nhau trong vật thể với độ bền phi thường và khả năng chống ăn mòn và nhiệt độ cao. Ngoài ra, các vật liệu thân thiện với môi trường và hữu cơ, bổ sung vào các khía cạnh bền vững của in 3D. Tuy nhiên, in 4D tương tự như in 3D về mặt in kỹ thuật số của các đối tượng; nó khác ở chỗ sử dụng vật liệu thông minh với các đặc tính cơ nhiệt độc đáo có thể thay đổi hình dạng và dựa trên công nghệ có thể lập trình [ 125]. Công nghệ lập trình áp dụng quy trình tự lắp ráp để tái hiện quy trình xây dựng và sản xuất. Mặc dù in 4D đã được áp dụng trong nhiều lĩnh vực khác nhau như sản xuất và y học, nhưng việc sử dụng nó trong xây dựng vẫn còn hạn chế hoặc đang trong giai đoạn thử nghiệm. Tuy nhiên, một nghiên cứu gần đây của Hwang Yi [ 126 ] đã triển khai in 4D để phát triển nguyên mẫu của mặt tiền thông minh tham số có thể có được lớp da tự định hình và có thể có ý nghĩa quan trọng trong thiết kế và xây dựng tòa nhà thích ứng. Tuy nhiên, in 4D là một trong những công nghệ đột phá trong ngành AEC sẽ tạo ra các ý tưởng và triển khai thiết kế và xây dựng sáng tạo trong tương lai.

6.2. Thực tế tăng cường, ảo và hỗn hợp

Các công nghệ nhập vai sẽ cách mạng hóa cách thông tin được chia sẻ, hiển thị, xử lý và sửa đổi cho năm 2030 trong ngành AEC. Các ứng dụng AI và nhiều người dùng sẽ được phát triển để tạo ra những cách tương tác mới, tăng cường quá trình đào tạo và học tập với sự trợ giúp của VR [ 113 , 127 ]. Lưu trữ và xử lý đám mây sẽ là phương tiện chính để khắc phục các hạn chế về phần cứng và phần mềm, có các lợi ích như khả năng mở rộng tài nguyên trong từng tình huống cụ thể [ 11 ]. Các công nghệ nhập vai trong tương lai sẽ được tích hợp với các ứng dụng khác để tạo ra kết quả có ý nghĩa, chẳng hạn như kịch bản thực tế hơn thông qua các điểm trên đám mây, độ trễ thấp hơn với tín hiệu 5G, tự động hóa xử lý dữ liệu với máy học và phân tích trang web với DT [ 12, 73 ]. Màn hình gắn trên đầu sẽ tiện dụng hơn với thời lượng pin và độ bền cao hơn, phù hợp với việc sử dụng ngoài trời [ 22 ]. AR và VR sẽ được tích hợp với các tiêu chuẩn truyền thống để vượt qua sự kháng cự thay đổi, thúc đẩy sự hợp tác giữa các hoạt động thay vì thay thế hoàn toàn [ 104 , 106 ]. Các ứng dụng nhập vai mới sẽ áp dụng các số liệu và tiêu chuẩn để xác định lợi ích của chúng trong suốt vòng đời của dự án, đảm bảo kết quả tuân theo các tiêu chuẩn chất lượng tối thiểu cho các ứng dụng hiệu quả trong môi trường xây dựng [