Nghiên cứu và ứng dụng thuật giải di truyền vào tối ưu hóa bố trí mặt bằng công trường xây dựng

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP.HỒ CHÍ MINH
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA TP. HỒ CHÍ MINH

BK
TP HCM

LUẬN VĂN THẠC SĨ
ĐỀ TÀI:

NGHIÊN CỨU VÀ ỨNG DỤNG THUẬT GIẢI DI
TRUYỀN VÀO TỐI ƯU HÓA BỐ TRÍ MẶT BẰNG
CÔNG TRƯỜNG XÂY DỰNG

CHUYÊN NGÀNH : CÔNG NGHỆ VÀ QUẢN LÝ XÂY DỰNG
Mã ngành: 60.58.90

CAO MINH ĐĂNG

PHẦN THUYẾT MINH

THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH
THÁNG 12 - 2006


TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
PHÒNG ĐÀO TẠO SĐH

CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM
ĐỘC LẬP – TỰ DO – HẠNH PHÚC

Tp.HCM, ngày

tháng

năm 2006

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ
Họ và tên : CAO MINH ĐĂNG
Ngày sinh : 23 / 03 / 1981
Chuyên ngành: Công nghệ và Quản lí xây dựng
MSHV : 00804199

Phái : Nam
Nơi sinh : An Giang.

I. TÊN ĐỀ TÀI :

NGHIÊN CỨU VÀ ỨNG DỤNG THUẬT GIẢI DI TRUYỀN VÀO TỐI ƯU
HÓA BỐ TRÍ MẶT BẰNG CÔNG TRƯỜNG XÂY DỰNG

II. NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG:

Chương mở đầu: đặt vấn đề và giới thiệu.
Chương 1 :Giới thiệu.
Chương 2 :Tổng quan.
Chương 3 :Phương pháp luận để giải quyết vấn đề.
Chương 4 :Mô hình hóa bài toán.
Chương 5 : Giới thiệu chương trình BTMBCTXD-GA và ví dụ minh họa.
Chương 6 : Kết luận và kiến nghị.
III. NGÀY GIAO NHIỆM VỤ: 03 / 07 / 2006

IV. NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ : 03/ 12 / 2006
V. HỌ VÀ TÊN CÁN BỘ HƯỚNG DẪN : TS. NGÔ QUANG TƯỜNG
TS. ĐINH CÔNG TỊNH
CÁN BỘ HƯỚNG DẪN 1

TS. NGÔ QUANG TƯỜNG
CÁN BỘ HƯỚNG DẪN 2

CHỦ NHIỆM NGÀNH

CN BỘ MÔN QL
CHUYÊN NGÀNH

TS. NGÔ QUANG TƯỜNG

TS. ĐINH CÔNG TỊNH

Nội dung và đề cương luận văn thạc só đã được hội đồng chuyên ngành thông qua.
Ngày tháng năm 2006

TRƯỞNG PHÒNG ĐT – SĐH

TRƯỞNG KHOA QL NGÀNH


LỜI CẢM ƠN
Để hoàn thành được luận văn thạc só này, em đã nhận được rất nhiều sự giúp
đỡ của Quý Thầy Cô, gia đình, đồng nghiệp và bạn bè, đặc biệt là công lao của quý
Thầy Cô trong ban giảng dạy ngành Công nghệ và quản lí xây dựng, quý Thầy Cô đã
truyền đạt cho em những kiến thức quý báu để hoàn thành đềà tài tốt nghiệp này.

Hôm nay, với những dòng chữ này, em xin ghi nhận và tỏ lòng biết ơn sâu sắc nhất.
Em xin chân thành cám ơn Thầy TS. NGÔ QUANG TƯỜNG , Thầy TS.ĐINH
CÔNG TỊNH, đã tận tình hướng dẫn, đưa ra hướng nghiên cứu cụ thể, hỗ trợ nhiều
tài liệu, kiến thức quý báu trong suốt quá trình học tập và nghiên cứu, đặc biệt là
trong thời gian làm luận văn này. Thầy đã giúp cho em hiểu rõ trách nhiệm của
những người nghiên cứu trong liõnh vực khoa học để góp phần hoàn thiện và phát
triển ngành Công nghệ và quản lí xây dựng của nước ta.
Cuối cùng, con xin cám ơn Ba và Mẹ đã luôn luôn động viên, giúp đỡ quan
tâm sâu sắc đến con trong suốt thời gian vừa qua.
Một lần nữa xin gửi đến Quý Thầy, Cô và Gia đình lòng biết ơn sâu sắc.
TP. Hồ Chí Minh, ngày 30/12/2006.
Tác giả

CAO MINH ĐĂNG

I


TÓM TẮT NỘI DUNG
Thực tế hầu hết các công trường xây dựng đều vấp phải những khó khăn về
quản lý hơn là những vấn đề kỹ thuật. Do đó việc bố trí tốt mặt bằng công trường
xây dựng tiến tới bố trí tối ưu sẽ góp phần làm tăng hiệu quả và đảm bảo an toàn
lao động trên công trường trong quá trình thi công. Tuy nhiên đây là một bài toán
phức tạp và đã được nhiều nhà nghiên cứu sử dụng các thuật toán để tìm giải pháp
tối ưu cho bài toán. Nghiên cứu này đề xuất một mô hình áp dụng thuật giải di
truyền để truy tìm lời giải tối ưu cho bài toán. Bốn vấn đề chính sau đây sẽ được
giới thiệu và giải quyết, bao gồm:
1) Xác định hàm mục tiêu của bài toán
2) Xác định các ràng buộc trong bài toán
3) ng dụng thuật giải di truyền vào việc truy tìm lời giải tối ưu cho bài toán

4) Mô hình hóa bài toán bằng chương trình tin học.

ABSTRACT
Most of construction sites that run into trouble do so for reasons related to
managerial factors rather than because of teachnical problems. Accordingly,
planning a good site layout and forward to a optimization site has a significant
impact on the safety and efficiency of construction operation. However, this is a
complex problem, and researchers have attempted to sovle it using a variety of
optimization – based and heuristic – based techniques. This research proposed a
genetic algorithm – based model for site layout planning. Four main characteristics
were presented and solved:
1) Determine an objective funtion to be minimized
2) Formulating constraints in this optimization problem
3) Incorporating a genetic algorithm procedure to search for the optimum
layout
4) An automated system for site layout planning is developed.

II


MỤC LỤC
1.

Chương 1: GIỚI THIỆU ............................................................. 1

1.1

Giới thiệu..................................................................................... 1

1.2

Đặt vấn đề ................................................................................... 2

1.3

Mục tiêu nghiên cứu - Phạm vi nghiên cứu ............................... 5

1.4

Phương pháp nghiên cứu ............................................................. 6

1.5

Nội dung luận văn ...................................................................... 7

2.

Chương 2: TỔNG QUAN ............................................................ 9

2.1

Khái niệm chung về thiết kế mặt bằng công trường xây dựng . 9

2.1.1

Khái niệm chung về tổng mặt bằng công trường xây dựng........ 9

2.1.2

Nội dung thiết kế tổng mặt bằng công trường xây dựng ........... 11

2.1.3

Các nguyên tắc cơ bản khi thiết kế hệ thống công trình tạm ..... 15

2.1.3.3

Nguyên tắc tổng quát khi bố trí hệ thống công trình tạm ........... 16

2.1.3.4

Các nguyên tắc chung cho việc bố trí từng loại hạng mục trên công
trường .......................................................................................... 17

2.1.3.5

Yêu cầu bảo vệ an toàn .............................................................. 21

2.1.4

Tính diện tích kho bãi.................................................................. 26

2.1.4.1

Xác định lượng vật liệu dự trữ .................................................... 26

2.1.4.2

Tính diện tích kho bãi.................................................................. 27

2.2

Tổng quan về các nghiên cứu trong thiết kế tối ưu MBCTXD .. 32

2.2.1

Trong công nghiệp ...................................................................... 32

2.2.2

Trong kỹ thuật điện tử ................................................................. 33

2.2.3

Trong lónh vực xây dựng ............................................................ 33

2.3

Các kỹ thuật giải quyết vấn đề ................................................... 34

2.3.1

Quy Hoạch Tuyến Tính............................................................... 34

2.3.2

Mạng Nơ ron ............................................................................... 35

2.3.3

Thuật giải di truyền ..................................................................... 36

III


2.3.3.1

Trong lónh vực thiết kế kết cấu ................................................... 36

2.3.3.2

Trong lónh vực quản lý xây dựng ............................................... 37

3.

Chương 3: PHƯƠNG PHÁP LUẬN ĐỂ GIẢI QUYẾT
VẤN ĐỀ .................................................................... 41

3.1

Giới thiệu về thuật giải di truyền ............................................... 41

3.2

Thảo luận về tính khả thi của việc áp dụng thuật giải
di truyền để giải quyết vấn đề .................................................... 46

3.3

Cơ chế thực hiện của thuật giải di truyền .................................. 49

3.3.1

Mã hóa – giải mã ........................................................................ 49

3.3.2

Hàm mục tiêu .............................................................................. 50

3.3.3

Chọn lọc cá thể ........................................................................... 51

3.3.3.1

Chọn lọc tỉ lệ (quay bánh roulete) .............................................. 51

3.3.3.2

Chọn lọc đấu vòng ...................................................................... 52

3.3.4

Lai ghép

3.3.4.1

Lai ghép một điểm ...................................................................... 53

3.3.4.2

Lai ghép nhiều điểm ................................................................... 53

3.3.4.3

Lai ghép đều ............................................................................... 54

3.3.5

Đột biến

3.3.5.1

Đột biến một điểm ...................................................................... 56

3.3.5.2

Đột biến nhiều điểm ................................................................... 56

3.3.6

Sơ đồ lý thuyết ............................................................................ 57

3.4

Hàm mục tiêu của bài toán ......................................................... 61

3.4.1

Giới thiệu .................................................................................. 61

3.4.2

Những yêu cầu đối với mục tiêu tối ưu mặt bằng công trường . 61

4.

Chương 4: MÔ HÌNH HÓA BÀI TOÁN .................................. 66

4.1

Giới thiệu

4.2

Sơ đồ cấu trúc của mô hình bài toán ........................................... 66

4.3

Mô hình hóa bài toán ................................................................. 69

.................................................................................. 52

.................................................................................. 55

................................................................................. 66

IV

4.3.1

Mô hình hóa MBCTXD và các hạng mục trên mặt bằng........... 69

4.3.2

Xác định vị trí của từng hạng mục trên mặt bằng....................... 71

4.4

Các điều kiện ràng buộc về mbct và các hạng mục ................... 72

4.4.1

Module kiểm tra điều kiện mặt bằng công trường ..................... 73

4.4.2

Module kiểm tra sự chồng chéo giữa các hạng mục trên mặt bằng75

4.5

Ứng dụng GA để truy tìm lời giải tối ưu cho bài toán ................ 75

4.5.1

Giới thiệu .................................................................................. 75

4.5.2

Thành lập cấu trúc gien............................................................... 76

4.5.3

Hàm mục tiêu .............................................................................. 77

4.5.4

Quá trình thực hiện toán tử di truyền .......................................... 82

4.5.5

Sơ đồ thực hiện toán tử di truyền ................................................ 84

4.6

Kết luận

5.

.................................................................................. 86

Chương 5: GIỚI THIỆU CHƯƠNG TRÌNH BTMBCTXD-GA & VÍ
DỤ MINH HỌA ............................................................................... 87

5.1

Giới thiệu

................................................................................. 87

5.1.1

Giao diện và chức năng từng menu của chương trình BTMBCTXD-GA88

5.1.2

Trình tự thực hiện một bài toán bằng chương trình BTMBCTXD-GA92

5.2

Ví dụ minh họa ........................................................................... 95

5.2.1

Ví dụ 1

.................................................................................. 95

5.2.2

Ví dụ 2

.................................................................................. 97

5.2.3

Ví dụ 3

.................................................................................. 99

5.2.4

Ví dụ 4

..................................................................................104

5.2.4.1

Giai đoạn 1 ..................................................................................106

5.2.4.2

Giai đoạn 2 ..................................................................................108

5.2.4.3

Giai đoạn 3 ..................................................................................110

5.2.5

Ví dụ 5

..................................................................................112

5.3

Kết luận

..................................................................................120

6.

Chương 6: KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ .................................121

6.1

Giới thiệu ..................................................................................121

V


6.2

Đóng góp của đề tài ................................................................... 121

6.3

Kiến nghị .................................................................................. 122

6.4

Kết luận

.................................................................................. 124

TÀI LIỆU THAM KHẢO...........................................................125

VI

HÌNH ẢNH
Hình 2.1 Trình tự thiết kế tổng MBCTXD ................................................ 14
Hình 3.1 Sự tương thích giữa di truyền tự nhiên và GA ............................ 44
Hình 3.2 Sơ đồ cấu trúc tổng quát của GA (Pohlheim, 1994-1997) .......... 45
Hình 3.3 Các phép mã hóa ........................................................................ 50
Hình 3.4 Minh họa tiến trình chọn lọc bằng bánh xe rulét ........................ 52
Hình 3.5 Lai ghép một điểm ...................................................................... 53
Hình 3.6 Lai ghép nhiều điểm ................................................................... 54
Hình 3.7 Lai ghép đều ............................................................................... 55
Hình 3.8 Đột biến một điểm ...................................................................... 56
Hình 3.9 Đột biến nhiều điểm ................................................................... 56
Hình 3.10 Xác định khoảng cách giữa 2 hạng mục .................................... 63
Hình 4.1 Sơ đồ cấu trúc của mô hình tự động hóa bố trí tối ưu vị trí các hạng
mục trên công trường ................................................................. 68
Hình 4.2 Mô hình hóa mặt bằng công trường xây dựng và các hạng mục trên
công trường ................................................................................. 71
Hình 4.3 Kiểm tra điều kiện mặt bằng ..................................................... 74
Hình 4.4 Kiểm tra điều kiện chồng chéo giữa các hạng mục .................. 75
Hình 4.5 Sơ đồ cấu trúc gen của bài toán .................................................. 77
Hình 4.6 Xác định khoảng cách giữa các hạng mục ................................. 79
Hình 4.7 Sơ đồ thuật toán tính hàm mục tiêu của bài toán ....................... 81
Hình 4.8 nh hưởng của kích thước quần thể đến giải pháp tối ưu ......... 82

VII


Hình 4.9 Thuật toán lai ghép tạo ra một cá thể con .................................. 83
Hình 4.10 Thuật toán đột biến tạo ra một cá thể con ................................. 84
Hình 4.11 Sơ đồ thuật toán GA .................................................................. 85

Hình 5.1 Giao diện chương trình BTMBCTXD-GA .................................. 88
Hình 5.2 Thông tin dự án ........................................................................... 89
Hình 5.3 Ma trận trọng số .......................................................................... 89
Hình 5.4 Ma trận Dmax ............................................................................. 89
Hình 5.5 Ma trận Dmin .............................................................................. 90
Hình 5.6 Thay đổi màu sắc ........................................................................ 90
Hình 5.7 Chạy chương trình BTMBCTXD-GA.......................................... 90
Hình 5.8 Tìm USCLN................................................................................. 91
Hình 5.9 Thêm hạng mục........................................................................... 91
Hình 5.10

Sửa chữa hạng mục ................................................................ 91

Hình 5.11

Báo cáo thông tin hạng mục .................................................. 92

Hình 5.1 2

Sơ đồ thực hiện chương trinh BTMBCTXD-GA.................... 94

Hình 5.1 3

Dữ liệu hạng mục (ví dụ 1).................................................... 96

Hình 5.1 4

Ma trận trọng số (ví dụ 1) ..................................................... 96

Hình 5.1 5

Kết quả tối ưu (ví dụ 1).......................................................... 97

Hình 5.1 6

Dữ liệu dự án (ví dụ 2)........................................................... 97

Hình 5.1 7

Danh sách các hạng mục (ví dụ 2)......................................... 98

Hình 5.1 8

Ma trận trọng số (ví dụ 2) ..................................................... 98

Hình 5.1 9

Kết quả tối ưu (ví dụ 2).......................................................... 99

VIII


Hình 5.20

Mặt bằng công trường (ví dụ 3 ) ............................................100

Hình 5.21

Danh sách các hạng mục (ví dụ 3 ).......................................101

Hình 5.22

Dữ liệu dự án (ví dụ 3 )........................................................101

Hình 5.23

Ma trận trọng số (ví dụ 3 ) .....................................................102

Hình 5.24

Ma trận Dmax (ví dụ 3 ) .......................................................102

Hình 5.25

Ma trận Dmin (ví dụ 3 ) ........................................................103

Hình 5.26

Kết quả tối ưu (ví dụ 3)..........................................................103

Hình 5.27

Khoảng cách giữa các hạng mục (ví dụ 3 ) ...........................104

Hình 5.28

Mặt bằng công trường (ví dụ 4 ) ............................................105

Hình 5.29

Danh sách hạng mục và tiến độ dự án (ví dụ 4 )..................106

Hình 5.30

Dữ liệu dự án giai đoạn 1 (ví dụ 4 )......................................106

Hình 5.31

Ma trận trọng số (ví dụ 4) ......................................................107

Hình 5.32

Kết quả tối ưu giai đoạn 1 (ví dụ 4 )......................................108

Hình 5.33

Dữ liệu dự án giai đoạn 2 (ví dụ 4).......................................108

Hình 5.34

Ma trận trọng số giai đoạn 2 (ví dụ 4 ) ..................................109

Hình 5.35

Kết quả tối ưu giai đoạn 2 (ví dụ 4).......................................110

Hình 5.36

Dữ liệu dự án giai đoạn 3 (ví dụ 4)......................................110

Hình 5.37

Ma trận trọng số giai đoạn 3 (ví dụ 4 ) ..................................111

Hình 5.38

Kết quả tối ưu giai đoạn 3 (ví dụ 4 )......................................112

Hình 5.39

Mặt bằng công trường chưa được hiệu chỉnh.........................113

Hình 5.40

Mặt bằng công trường đã được hiệu chỉnh (ví dụ 5 ) ............114

Hình 5.41

Bảng dữ liệu các hạng mục (ví dụ 5)....................................115

IX


Hình 5.42

Dữ liệu dự án (ví dụ 5 )..........................................................116

Hình 5.43

Ma trận trọng số (ví dụ 5) ......................................................117

Hình 5.44

Kết quả tối ưu (ví dụ 5 ).........................................................118

Hình 5.45

Khoảng cách chi tiết giữa các hạng mục (ví dụ 5 ) .............119

X


BẢNG BIỂU
Bảng 2.1 Danh sách các hạng mục phụ trên công trường ......................... 23
Bảng 2.2 Chỉ tiêu tham khảo diện tích các công trình tạm, nhà hành chính, và
sinh hoạt trên công trường .......................................................... 24
Bảng 2.3 Chỉ tiêu thamkhảo diện tích cho nhà xưởng tạm ........................ 25
Bảng 2.4 Bảng diện tích tham khảo kho bãi chứa vật liệu ở công trường . 26
Bảng 2.5 Bảng lựa chọn và ước tính diện tích các hạng mục phụ trên công
trường ........................................................................................ 30
Bảng 2.6 Giá trị thang đo thường được sử dụng (Hegazy & Elbeltagi, 1999)41
Bảng 3.1 Giá trị thang đo trọng số mối quan hệ giữa các hạng mục ....... 67
Bảng 4.1 Mô tả bốn loại dữ liệu chính của mô hình .................................. 69

V


Chương 1: Giới thiệu

CHƯƠNG 1 GIỚI THIỆU

Ngành xây dựng có một vai trò rất quan trọng trong công cuộc xây dựng đất
nước, hằng năm Nhà Nước đã dành một tỷ trọng khá lớn ngân sách để đầu tư
cho xây dựng cơ bản. Để việc xây dựng có hiệu quả, cần phải nghiên cứu các
phương pháp tổ chức sản xuất, nhằm mục tiêu xây dựng kế hoạch, đảm bảo chất
lượng và an toàn lao động.
Tổ chức xây dựng là một khoa học tổng hợp, nó sử dụng những kết quả của
của các ngành khoa học và công nghệ, kinh tế và xã hội để nghiên cứu phương
pháp nghiên cứu tổ chức sản xuất với các điều kiện về không gian, thời gian,
tiền vốn, vật tư, công nghệ, nhân lực, nhằm mục tiêu sử dụng có hiệu quả nhất
các dự án xậy dựng, góp phần vào sự nghiệp công nghiệp hóa, hiện đại hóa đất
nước.
1.1 GIỚI THIỆU
Việc quản lý một cách có hiệu quả các nguồn tài nguyên xây dựng là cốt
lõi của sự thành công bất kỳ dự án xây dựng nào. Theo truyền thống các nhà
nghiên cứu đã định nghóa 5 loại tài nguyên chính trong dự án xây dựng: thời gian
(time), kinh phí (capital), nhân lực (labor), thiết bị (equipment) và vật tư
(material).
Một trong số những tài nguyên quan trọng của dự án xây dựng mà thường
bị bỏ qua trong suốt các giai đoạn lập kế hoạch cho hầu hết các dự án xây dựng
là không gian mặt bằng công trường xây dựng (MBCTXD). Trong những công
trường chật hẹp thì không gian trở thành một nguồn tài nguyên vô cùng quan
trọng mà cần phải được bố trí và sử dụng một cách có hiệu quả. Ngược lại đối
với những công trường rộng lớn, khoảng không gian dư thừa thì phải bố trí vị trí

1


Chương 1: Giới thiệu

của các công trình tạm trong công trường hợp lý để giảm bớt chi phí vận chuyển

và quản lý vật tư một cách hiệu quả nhất. Một khảo sát ở Anh vào cuối thập
niên 90 chỉ ra rằng chỉ có 13% các nhà thầu sử dụng máy tính và hệ chuyên gia
để hổ trợ trong quá trình lập kế hoạch thiết kế bình đồ công trường.
Luận án sẽ đề xuất một mô hình tự động hóa kết hợp với thuật giải di
truyền (Genetic Algorithms - GA) để truy tìm giải pháp tối ưu cho bài toán thiết
kế MBCTXD.
1.2 ĐẶT VẤN ĐỀ
Thực tế hầu hết các công trường xây dựng đều vấp phải những khó khăn
về vấn đề quản lý hơn là những vấn đề kỹ thuật. Do đó việc thiết kế tốt
MBCTXD tiến tới thiết kế tối ưu MBCTXD sẽ góp phần đảm bảo xây dựng
công trình có hiệu quả, xây dựng đúng tiến độ, hạ giá thành xây dựng , đảm bảo
chất lượng, an toàn lao động và vệ sinh môi trường góp phần thúc đẩy ngành
công nghiệp xây dựng tiến lên công nghiệp hóa, hiện đại hóa [1].
Ngược lại nếu không thiết kế hợp lý MBCTXD sẽ gây nhiều khó khăn
thậm chí cản trở quá trình xây dựng, tăng chi phí xây dựng, gây mất an toàn lao
động không đảm bảo tiến độ xây dựng và an toàn vệ sinh môi trường [1].
Việc bố trí MBCTXD hiện nay thường được thực hiện một cách sơ sài hoặc
theo cảm tính của người thiết kế hoặc được thực hiện dựa theo một dự án cũ nào
đó. Điều này dẫn đến không phù hợp với thực tế trên công trường nên kỹ sư
công trường thường phải bố trí lại nhiều lần các hạng mục trên công trường trong
cùng một giai đoạn thi công dẫn đến giảm năng suất lao động và mất an toàn lao
động trên công trường. Vì vậy việc bố trí tốt MBCTXD ngay từ đầu sẽ tiết kiệm
được thời gian và năng suất lao động dẫn đến tiết kiệm chi phí cho dự án.

2


Chương 1: Giới thiệu

Trong công nghiệp xây dựng, chi phí của việc thiết kế MBCTXD được tính

vào tổng chi phí của dự án và không được xem như một chi phí trực tiếp (nó
chính là chi phí gián tiếp trong dự án xây dựng). Hơn nữa việc cạnh tranh trong
giai đoạn đấu thầu giữa các nhà thầu là cố gắng giữ sao cho tổng chi phí luôn
luôn thấp nhất trong quá trình đấu thầu. Chính vì thế các doanh nghiệp xây dựng
thường phải chứng tỏ năng lực của mình bằng tài liệu và các thông số kỹ thuật
trong hồ sơ dự thầu, trong đó hồ sơ thiết kế tổ chức MBCTXD chiếm một vị trí
quan trọng.
Chính vì vậy khi thiết kế tổng bình đồ công trường xây dựng, các nhà thầu
phải thể hiện được trình độ tổ chức công trường với đầy đủ cơ sở vật chất kỹ
thuật phương tiện, con người nhằm đảm bảo thực hiện đúng hợp đồng theo các
yêu cầu của chủ đầu tư, và đó chính là năng lực và sức mạnh của nhà thầu góp
phần cho việc thắng thầu.
Mặt khác việc thiết kế tổng bình đồ công trường được thực hiện trước khi
một dự án xây dựng đi vào giai đoạn thi công, và công trường chính là nơi mà
nguồn nhân vật lực (con người, vật tư và thiết bị,….) sẽ tồn tại trên công trường
trong suốt các giai đoạn của dự án. Vì vậy việc thiết kế tốt MBCTXD thì nên
được thực hiện tốt ngay từ đầu. Hơn nữa chi phí trong giai đoạn thi công của một
dự án chiếm một tỷ trọng khá lớn từ 80 - 90 % trong tổng chi phí của dự án. Sự
lưu thông thuận tiện và nhanh chóng trên công trường sẽ góp phần tiết kiệm chi
phí này cho dự án.
Thực trạng thiết kế tổng MBCTXD hiện nay ở nước ta:
•

Việc thiết kế MBCTXD hiện nay theo nhiều quan điểm khác nhau:
9 Thiết kế theo truyền thống.

3


Chương 1: Giới thiệu

9 Thiết kế có kể đến ảnh hưởng của thị trường.
9 Thiết kế theo quan điểm của đối tác nước ngoài trong liên doanh…
•

Mặt khác khi xây dựng ở các khu đô thị mật độ xây dựng lớn, diện tích

công trường hạn chế, có nhiều khó khăn trong tổ chức hệ thống nhà tạm,
kho bãi công trường, nên thường có xu hướng tận dụng dịch vụ thị trường.
Sử dụng kho bãi của các đại lý cung ứng và thuê kho bãi ở gần công trường
là một giải pháp khá phổ biến hiện nay.
•

Các công trường tại những nơi mật độ xây dựng thấp, diện tích khu

vực xây dựng rộng rãi, hệ thống nhà tạm, kho bãi, các mạng lưới kỹ thuật
được tổ chức khá đồng bộ. Hệ thống này đảm bảo phục vụ sản xuất trong
thời kỳ cao điểm nhất, do vậy thường lãng phí công suất trong những giai
đoạn thi công bình thường.
•

Việc sử dụng các bộ phận công trình đã thi công trước phục vụ cho giai

đoạn tiếp theo, điểu chỉnh mặt bằng về quy mô và tổ chức theo từng giai
đoạn thi công chính được coi là giải pháp mang lại hiệu quả kinh tế nhất.
Tuy nhiên việc khai thác và điều chỉnh mặt bằng chủ yếu dựa trên kinh
nghiệm của nhà tổ chức, thiếu cơ sở khoa học và hạn chế phạm vi ứng
dụng.
Trên thực tế các công trường xây dựng hoạt động như cơ sở sản xuất, nó
phải phù hợp với các quy luật kinh tế xã hội chung. Vì vậy việc nghiên cứu và

thiết kế MBCTXD hợp lý là một nhiệm vụ quan trọng và cần thiết.
Một vấn đề đặt ra là bài toán bố trí MBCTXD là một bài toán rất phức tạp
bởi vì đây là một bài toán:

4


Chương 1: Giới thiệu

9

Thứ nhất: đối với một mặt bằng công trường lớn dẫn đến số lượng giải

pháp rất lớn. Do không gian có sẵn thì lớn hơn số hạng mục cần thiết cho
công trường.
9

Thứ hai: giải pháp để giải quyết vấn đề có thể được mã hóa thành

dạng chuỗi.
9

Thứ ba: hàm tối ưu của bài toán là một hàm đa mục tiêu.

Điều này đã được nhiều tác giả trên thế giới nghiên cứu bằng phương pháp
khác nhau thông qua các bài báo trên các tạp chí chuyên ngành (tạp chí ASCE,
KSCE). Để giải quyết một bài toán phức tạp như thế luận văn này sẽ sử dụng
thuật giải di truyền (GA ) là công cụ tối ưu chính để giải quyết vấn đề. Vấn đề
này sẽ được làm rõ ở chương 3,4.
1.3 MỤC TIÊU NGHIÊN CỨU - PHẠM VI NGHIÊN CỨU

Nghiên cứu nhằm đề xuất cho các nhà quản lý dự án xây dựng và các kỹ sư
xây dựng một giải pháp bố trí tối ưu MBCTXD. Một phương pháp sử dụng kỹ
thuật trí tụê nhân tạo được ứng dụng để truy tìm lời giải tối ưu cho bài toán thiết
kế bố trí MBCTXD. Để thực hiện điều này các mục tiêu sau sẽ được nghiên cứu:
1.

Tìm hiểu nội dung thiết kế tổng bình đồ công trường xây dựng.

2.

Tổng quan tình hình nghiên cứu và ứng dụng trí tuệ nhân tạo trong lónh
vực xây dựng nói chung và trong thiết kế tối ưu MBCTXD.

3.

Nghiên cứu lý thuyết thuật giải di truyền (GA) và ứng dụng GA vào
việc truy tìm lời giải tối ưu cho bài toán bố trí các hạng mục trên
MBCTXD.

5


Chương 1: Giới thiệu

4.

Mô hình hoá MBCTXD bằng chương trình tin học với hình dạng mặt
bằng và các hạng mục một cách linh hoạt.

5.

Mở rộng mô hình xem xét đến tác động của tiến độ thi công đến bố trí
MBCTXD: thiết kế cơ động MBCTXD cho từng giai đoạn thi công.

1.4 PHƯƠNG PHÁP LUẬN NGHIÊN CỨU
Phương pháp nghiên cứu cơ bản của luận văn được trình bày như sau:
1.

Xem xét lại cáùc mô hình tồn tại: tìm hiểu các mô hình đã được nghiên
cứu trước đây. Điều này giúp cho chúng ta có được một phương pháp
nghiên cứu mang tính khoa học hơn.

2.

Tìm hiểu các ứng dụng GA vào trong bài toán tối ưu hóa vị trí của các
công trình tạm trên MBCTXD.

3.

Chọn một phần mềm phù hợp để mô hình hóa bài toán: xây dựng một
chương trình tự độâng được lập trình trên phần mềm Visual Basic mang
tên BTMBCTXD-GA để giải quyết vấn đề.

4.

Tìm hiểu mô hình động: xem xét thiết kế MBCTXD cho từng giai
đoạn thi công.

5.

Kiểm tra tính khả thi của chương trình tự lập: sử dụng dự án thực để
kiểm tra tính khả thi của mô hình.

6.

Kết luận và kiến nghị.

6


Chương 1: Giới thiệu

1.5 NỘI DUNG LUẬN ÁN:
Nội dung của luận án chia thành 6 chương:
Chương 1: Giới thiệu - đặt vấn đề.
1.

Nguyên nhân hình thành đề tài.

2.

Mục tiêu và phạm vi nghiên cứu.

3.

Nội dung luận văn.

Chương 2: Tổng quan:
1.

Tìm hiểu quy trình và nội dung thiết kế tổng bình đồ công trường, giới
thiệu sơ lược về bài toán tối MBCTXD, các phương pháp giải bài toán
tối ưu.

2.

Tổng quan những thành tựu của việc ứng dụng GA vào lónh vực xây
dựng nói chung và MBCTXD nói riêng.

Chương 3: Phương pháp luận để giải quyết vấn đề:
1.

Thảo luận về tính khả thi của việc ứng dụng GA để giải quyết vấn đề.

2.

Trình bày nền tảng lý thuyết của thuật giải di truyền, nguyên lý hoạt
động, và các toán tử của GA.

3.

Trình bày hàm mục tiêu của bài toán.

Chương 4: Mô hình hóa bài toán tối ưu hóa MBCTXD:
1.

Trình bày chi tiết các thành phần của mô hình.

2.

Trình bày chi tiết mô hình thuật toán ứng dụng GA để giải quyết vấn
đề.

7


Chương 1: Giới thiệu

Chương 5: Giới thiệu chương trình BTMBXD-GA và ví dụ minh họa:
1.

Giới thiệu và trình bày cách sử dụng chương trình BTMBCTXD-GA.

2.

Ví dụ áp dụng minh họa.

Chương 6: Kết luận và kiến nghị.

8


Chương 2: Tổng quan

CHƯƠNG 2 TỔNG QUAN
2.1 KHÁI NIỆM CHUNG VỀ THIẾT KẾ MBCTXD
2.1.1. Khái niệm chung về tổng MBCTXD.
Tổng MBCTXD là các yếu tố phục vụ sản xuất nằm trong khu vực xây
dựng công trình và các địa điểm xây dựng khác được sử dụng trong quá trình xây
dựng công trình.

Tổng MBCTXD có yêu cầu tổng quát là phục vụ tốt các giai đoạn thi công,
đảm bảo vệ sinh môi trường, an toàn sản xuất, văn minh công nghiệp và chi phí
hợp lý nhằm đảm bảo giá thành sản phẩm xây dựng, vì dù muốn hay không thì
chi phí cho mặt bằng thi công cũng sẽ được phân bổ cho giá thành sản phẩm.
Nhiều nhà nghiên cứu đã nổ lực để định nghóa thế nào là thiết kế
MBCTXD. Một trong những định nghóa ngắn gọn và mang tính tổng quát nhất
được trình bày bởi Tommelien et al (1992) [27]: nhiệm vụ của bố trí công trường
bao gồm việc xác định các hạng mục cần thiết phục vụ cho công tác xây dựng,
xác định kích thước và hình dạng, vị trí các hạng mục trong phạm vi công trường.
Ví dụ một số hạng mục bao gồm: văn phòng, bãi đậu xe, nhà kho, trạm trộn bê
tông, kho bảo quản, sân bãi chế tạo gia công vật tư, sàn thao tác, …
Theo tài liệu của TS. Trịnh Quốc Thắng, TMBCTXD là một “hệ thống sản
xuất hoạt động trong một không gian và thời gian cụ thể với các quy luật kinh tế
xã hội, công nghệ và tổ chức, con người và thiên nhiên…. Nhằm mục đích xây
dựng nên những công trình để phục vụ con người” [1].
Có thể mô tả TMBCTXD như một quan hệ hàm số toán học với nhiều biến
số diễn ra trong một không gian đa chiều như sau:

9


Chương 2: Tổng quan

TMBXD = f (k, t, c, x, n, …)

OPTIMAL !

(2.0)

Trong đó:

k – tham số thời gian, phụ thuộc không gian địa điểm xây dựng
t – tham số thời gian, xác định trong khoảng [a,b]
c – tham số công nghệ xây dựng
x – tham số các vấn đề xã hội
n – tham số các vấn đề con người.
OPTIMAL ! – mục tiêu tối ưu [1].
Bài toán tối ưu hóa MBCTXD tổng quát nếu được giải, kết quả sẽ nhận
được phương án tối ưu dung hòa các mục tiêu và các ràng buộc. Như vậy lời giải
tổng quát có thể không phù hợp với mục tiêu cần được ưu tiên của mỗi giai đoạn
thi công xây dựng.
Phương hướng giải bài toán tối ưu MBCTXD hiện nay là từ bài toán tổng
quát, phân thành các bài toán tối ưu theo các mục tiêu khác nhau có xét đến ảnh
hưởng của các ràng buộc khác có liên quan, mỗi bài toán tối ưu là một nội dung
của thiết kế tổng MBCTXD. Cách phân chia này tạo điều kiện thuận lợi cho
việc giải bài toán, đồng thời mục tiêu của từng bài toán cũng cụ thể và bám sát
yêu cầu đặt ra trong sản xuất. Điều này có ý nghóa lý luận và cho phép tăng khả
năng ứng dụng trong thực tế. Một số bài toán tối ưu như sau:
•

Bài toán thiết kế tối ưu vị trí làm việc của cần trục tháp.

•

Bài toán tối ưu tiến độ thi công.

•

Bài toán tối ưu dự trữ vật tư đáp ứng yêu cầu tiến độ thi công với chi

phí thấp nhất.

10


Chương 2: Tổng quan

•

Bài toán tìm đường đi ngắn nhất giữa các điểm cung ứng và các điểm

sử dụng vật tư trên công trường.
Mặt khác việc khảo sát hàm mục tiêu (2.0), để tìm tối ư u là một việc làm
rất khó. Tuy nhiên ta có thể tối ưu hóa bằng cách tối ưu từng biến số độc lập,
hoặc có xét đến sự ảnh hưởng của biến số khác. Muốn vậy chúng ta cần phải tìm
hiểu nội dung cũng như yêu cầu về thiết kế TMBXD [1].
Luận văn sẽ tập trung nghiên cứu tối ưu hóa tham số k.
2.1.2. Nội dung thiết kế tổng mặt bằng công trường xây dựng.
Một tổng bình đồ công trường điển hình gồm:
•

Vị trí của các công trình sẽ được xây dựng.

•

Vị trí máy móc, thiết bị thi công.

•

Hệ thống giao thông trên công trường.

•

Hệ thống kho bãi trên công trường

•

Các xưởng sản xuất phụ trợ

•

Các cơ sở khai thác, sản xuất vật liệu trên công trường.

•

Hệ thống nhà tạm.

•

Hệ thống các mạng lưới kỹ thuật (điện, nước, thông tin….)

•

Hệ thống an toàn lao động và vệ sinh môi trường.

Nội dung tổng quát của thiết kế tổng MBCTXD là: từ vị trí công trình vónh
cửu sẽ xây dựng và khu đất được sử dụng, sắp xếp các công trình phụ trợ sao cho
phục vụ được công tác thi công xây dựng thuận tiện nhất, phù hợp với các
nguyên tắc của công nghệ, của an toàn lao động và kinh tế.

11

Chương 2: Tổng quan

Nội dung cụ thể của thiết kế tổng MBCTXD là: tính toán, lựa chọn, các
giải pháp bố trí công trình phục vụ cho thi công, đảm bảo được các yêu cầu về
công nghệ, về an toàn lao động cho tài sản và con người với chi phí thấp nhất.
Đối với những dự án lớn, thời gian thi công kéo dài, phải thiết kế
MBCTXD cho từng giai đoạn thi công khi đó bình đồ công trường sẽ thay đổi
cho phù hợp với tiến độ thi công của dự án. Thông thường chỉ cần thiết kế xây
dựng cho giai đoạn thi công chính, đó là giai đoạn xây dựng phần kết cấu công
trình, hay còn gọi là giai đoạn thi công phần thân và mái.
Tổng quát có 3 giai đoạn chính :
¾

Phần ngầm: phần công tác đất và nền moựng gom caực coõng vieọc chớnh

sau:

ắ

ã

Thi coõng moựng.

ã

Thi coõng phan ngầm: tường tầng hầm, lấp đặt thiết bị tầng hầm,…

Phần thân và mái, hay còn gọi là thi công phần kết cấu chính của công

trình: giai đoạn này là đặc trưng nhất cho phần công nghệ xây dựng
công trình, hầu như tất cả các thiết bị máy móc xây dựng và các công
trình tạm đều có mặt trong giai đoạn này. Vì vậy với những công trình
không đặc biệ phức tạp người ta chỉ cần nghiên cứu, thiết kế tổ chức
thi công công trường cho giai đoạn này là đủ. Nội dung thiết kế gồm:
•

Bố trí cần trục, máy móc thiết bị.

•

Bố trí kho bãi trên công trường

•

Thiết kế hệ thống giao thông

•

Thiết kế các xưởng sản xuất và phụ trợ.

12