ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP. HCM
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
--------------------

NGUYỄN ANH RIN

MÔ PHỎNG CẤU KIỆN TRỤ CẦU BẰNG PHƯƠNG PHÁP
PHẦN TỬ HỮU HẠN TỪ DỮ LIỆU ĐÁM MÂY ĐIỂM THU
NHẬN BỞI MÁY QUÉT LASER TRÊN MẶT ĐẤT

Chuyên ngành: Kỹ Thuật Xây Dựng Cơng Trình Giao Thơng
Mã số: 85 80 20 5

LUẬN VĂN THẠC SĨ

TP. HỒ CHÍ MINH, tháng 8 năm 2023


CƠNG TRÌNH ĐƯỢC HỒN THÀNH TẠI
ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP. HCM
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

Cán bộ hướng dẫn khoa học 1: TS. Huỳnh Ngọc Thi
Cán bộ hướng dẫn khoa học 2: TS. Phan Thị Anh Thư
Cán bộ chấm nhận xét 1:

PGS.TS. Đặng Đăng Tùng

Cán bộ chấm nhận xét 2:

PGS.TS. Lê Anh Thắng

Luận văn thạc sĩ được bảo vệ tại Trường Đại học Bách Khoa, ĐHQG Tp. HCM
ngày 19 tháng 08 năm 2023.
Hội đồng đánh giá luận văn thạc sĩ gồm:
1. PGS.TS. Nguyễn Mạnh Tuấn

Chủ tịch

2. PGS.TS. Lê Văn Phúc

Thư ký

3. PGS.TS. Đặng Đăng Tùng

Phản biện 1

4. PGS.TS. Lê Anh Thắng

Phản biện 2

5. TS. Đỗ Thành Chung

Uỷ viên

Xác nhận của Chủ tịch Hội đồng đánh giá LV và Trưởng Khoa.
CHỦ TỊCH HỘI ĐỒNG

PGS.TS. NGUYỄN MẠNH TUẤN

TRƯỞNG KHOA


PGS.TS. LÊ ANH TUẤN


ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP.HCM
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM
Độc lập - Tự do - Hạnh phúc

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ
Họ tên học viên: NGUYỄN ANH RIN

MSHV: 1970084

Ngày, tháng, năm sinh: 07/10/1996

Nơi sinh: Tỉnh Tiền Giang

Chun ngành: Kỹ thuật xây dựng cơng trình giao thông

Mã số: 8 58 02 05

I. TÊN ĐỀ TÀI: Mô phỏng cấu kiện trụ cầu bằng phương pháp phần tử hữu hạn từ dữ
liệu đám mây điểm thu nhận bởi máy quét laser trên mặt đất (Simulate the bridge pier
appurtenance by finite element method using point cloud data collected by terrestrial
laser scanning (TLS))
II. NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG:
1. Xây dựng thành cơng mơ hình lưới khối trụ cầu 3D từ đám mây điểm thu được bằng
máy quét laser mặt đất (TLS).

2. Độ chính xác của mơ hình lưới được tạo ra hợp lý, đáng tin cậy, với sai số tương đối
của các tham số đặc trưng hình học trong khoảng cho phép.
3. Tính đa dạng, mơ hình tạo ra tương khích với một vài phần mềm phần tử hữu hạn
thương mại như ABAQUS CAE, ANSYS Workbench R19.2.
4. Đánh giá được nhanh sức khỏe của kết cấu trụ cầu khi bề mặt bị bong tróc, chịu ảnh
hưởng của động đất hay trường hợp bất kỳ bằng mơ hình tạo ra bằng phương pháp đề
xuất, từ đám mây điểm thu được từ TLS.
III. NGÀY GIAO NHIỆM VỤ: 14/02/2022
IV. NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: 19/08/2023
V. CÁN BỘ HƯỚNG DẪN:
1. Tiến sĩ HUỲNH NGỌC THI
2. Tiến sĩ PHAN THỊ ANH THƯ
TpHCM, ngày 19 tháng 08 năm 2023
CÁN BỘ HƯỚNG DẪN 1
(Họ tên và Chữ ký)

CÁN BỘ HƯỚNG DẪN 2
(Họ tên và Chữ ký)

TS. HUỲNH NGỌC THI

TS. PHAN THỊ ANH THƯ

CHỦ NHIỆM BỘ MÔN ĐÀO TẠO
(Họ tên và Chữ ký)

PGS.TS. NGUYỄN MẠNH TUẤN

TRƯỞNG KHOA KỸ THUẬT XÂY DỰNG
(Họ tên và Chữ ký)


PGS.TS. LÊ ANH TUẤN


i

LỜI CẢM ƠN
Đầu tiên con xin cảm ơn gia đình, mẹ và chị chăm lo, ủng hộ con trong quá trình
học tập từ mẫu giáo lên cao học. Ngồi ra, vợ yêu dấu, người bên cạnh chăm lo, ủng
hộ, động viên và là hậu phương cho anh trong quá trình hoàn thiện luận văn tốt nghiệp
thạc sĩ này.
Em xin cảm ơn các Thầy, Cô của bộ môn Kỹ thuật Xây Dưng Cơng Trình Giao
Thơng đã hướng dẫn cho em rất nhiều kiến thức chun ngành: Xây Dựng Cơng
Trình Giao Thơng. Tất cả kiến thức nhận được sẽ là nền tảng cơ bản để em có thể từ
đó tiếp tục nghiên cứu, trau dồi thêm kiến thức. Em thật sự rất biết ơn và trân trọng
những gì mà em đã nhận được từ Thầy Cô.
Em xin cảm ơn Tiến sĩ Trương Hồng Linh- fellow, giảng viên tại trường Đại học
TUDeft, Hà Lan, đã hỗ trợ em thực hiện đề tài nghiên cứu này. Trong quá trình thực
hiện đề tài và được anh hướng dẫn em có cơ hội hiểu rõ hơn về các thuật toán chuyên
ngành remote senseing, và cách ứng dụng nó xử lý cơng việc trong nghiên cứu cũng
như trong thực tế. Cảm ơn anh đã nhiệt tình hướng dẫn, dành thời gian trong Đại dịch
Covid-19, hàng tuần để nghe em báo cáo, giải đáp các thắc mắc, gợi ý các thuật toán
trong python, bổ sung nhiều kiến thức mới giúp em đạt kết quả tốt nhất.
Em xin cảm ơn thầy Huỳnh Ngọc Thi và cô Phan Thị Anh Thư đã đồng ý hướng
dẫn đề tài luận văn của em và giúp em chỉnh sửa bài báo và luận văn này thật chỉn
chu, cơ đã giúp em có cơ hội tiếp cận một lĩnh vực mới như Laser Scanning. Ngồi
ra, trong lúc khó khăn thầy cơ hỗ trợ học phí cho mượn trong suốt q trình học tại
trường. Cảm ơn cơ và thầy vì đã kiên nhẫn và tạo mọi điều kiện, thời gian để giúp em
hoàn thành tốt luận văn tốt nghiệp của mình.
Cuối cùng, em xin cảm ơn Trường Đại học Bách Khoa TP. HCM đã tạo mọi điều

kiện để em được học tập, rèn luyện kỹ năng sống trong suốt 3 năm cao học.
TP.HCM, ngày 14 tháng 08 năm 2023

NGUYỄN ANH RIN


ii

TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ

Trong những năm gần đây, việc kiểm tra và đánh giá phương tiện giao thông
cơ sở hạ tầng đã có sự gia tăng đáng kể. Theo cách truyền thống, những dữ liệu
kết cấu này được thu thập thủ công bằng cách đo và vẽ lại cơng trình so với hồ
sơ thiết kế. Trong những thập kỷ gần đây, cơng nghệ qt laser có thể giúp thu
thập dữ liệu 3D nhanh chóng và chính xác. Các đám mây điểm 3D có thể cung
cấp kết cấu chi tiết và thơng tin hình dạng của cơng trình phức tạp như cầu.
Nghiên cứu này nhằm mục đích phát triển một mơ hình 3D mơ hình lưới cho
mơ phỏng phần tử hữu hạn từ đám mây điểm 3D của trụ cầu được thu thập bởi
máy Quét lazer mặt đất (TLS). Đám mây điểm được cấu trúc và các điểm biên
của trụ cầu là được tạo bằng cách sử dụng thuật tốn tạo khối. Các điểm biên
ngồi và bên trong, có nghĩa là đỉnh của phần tử khối trong mơ hình lưới 3D,
được nhóm thành một đám mây điểm mới, sau đó được tạo ra đám mây điểm
được nhập vào 3D CAD và mơ hình khối 3D được tạo thủ cơng. Kết quả thu
được là mơ hình khối lưới 3D được phát triển và nhập thành công vào phần
mềm thương mại phân tích phần tử hữu hạn cho ứng xử của kết cấu mơ phỏng.
Độ chính xác của mơ hình lưới được tạo ra là tốt, với sai số tương đối của thơng
số hình học nhỏ hơn 4%. Khoảng cách từ đám mây điểm gốc đến mơ hình lưới
được tạo ra là khoảng 5mm. Ngồi ra, kết quả phân tích đánh giá khả năng làm
việc của trụ cầu sau khi đặt nội lực, điều kiện biên và giả sử một vài trường hợp
kết cấu trụ cầu bị ảnh bong tróc, sứt mẻ một vài vị trí trên bề mặt kết cấu cũng

được thực hiện trong luận văn này.
Từ khóa: Đám mây điểm, khởi tạo mơ hình lưới 3D, trụ cầu, FEM, ANSYS


iii

ABSTRACT
In recent years, there has been a significant increase in inspecting and evaluating
transport infrastructure. Traditionally, these structural data were collected manually
by measuring and redrawing the construction against design documents. In recent
decades, laser scanning technology can help collect 3D data rapidly and accurately.
The 3D point clouds can provide detailed texture and shape information of complex
construction such as bridges. This study aims to develop a 3D mesh model for a finite
element simulation from a 3D point cloud of a bridge's Pier collected by Terrestrial
Laser Scanning (TLS). The point cloud is structured, and the object boundary points
are generated using the marching cube algorithm. The boundary and inside points,
which imply the vertex of the solid element in the 3D mesh model, are grouped as a
new point cloud. The generated point cloud is input into 3D CAD, and the 3D solid
model is manually created. As a result, the 3D mesh model is developed and
successfully imported to FEM software for the structural behavior simulation. The
accuracy of generated mesh model is good, with the relative error of geometric
parameters being less than 4%. The distance from the point cloud to the mesh model
is approximately 5 mm. In addition, the analysis results evaluate the working ability
of the piers after applying internal forces, boundary conditions and assuming some
cases of peeling, chipping at several locations on the pier structure surface have also
carried out in this thesis.
Keywords: Point cloud, 3D mesh model generation, Pier, FEM, ANSYS


iv


LỜI CAM ĐOAN
Em xin cam đoan tất cả các số liệu và kết quả trong quá trình thực hiện đề tài là
khách quan và không sao chép dưới sự hướng dẫn của TS. Huỳnh Ngọc Thi, TS. Phan
Thị Anh Thư.
Các tài liệu tham khảo, bài báo nghiên cứu khoa học đều được trích dẫn nguồn cụ
thể, rõ ràng.
Em xin hồn tồn chịu trách nhiệm về tính trung thực và các nội dung trong đề tài.
TP. HCM, ngày 14 tháng 08 năm 2023
Tác giả

NGUYỄN ANH RIN


v

MỤC LỤC
LỜI CẢM ƠN ............................................................................................................ i
TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ.......................................................................... ii
ABSTRACT ............................................................................................................. iii
LỜI CAM ĐOAN .................................................................................................... iv
MỤC LỤC ..................................................................................................................v
DANH MỤC HÌNH ẢNH ...................................................................................... vii
DANH MỤC BẢNG BIỂU ..................................................................................... ix
MỘT SỐ KÝ HIỆU VIẾT TẮT...............................................................................x
CHƯƠNG 1: ĐẶT VẤN ĐỀ ....................................................................................1
1.1.

Đặt vấn đề ......................................................................................................1


1.2.

Thực trạng nghiên cứu .................................................................................10

1.3.

Mục tiêu của nghiên cứu .............................................................................15

1.4.

Đối tượng nghiên cứu ..................................................................................16

1.5.

Giới hạn đề tài .............................................................................................16

1.6.

Bố cục luận văn ...........................................................................................17

CHƯƠNG 2: CÁC PHƯƠNG PHÁP KIỂM ĐỊNH CẦU ..................................18
2.1. Phương pháp kiểm tra độ toàn vẹn bề mặt .....................................................18
2.2. Phương pháp kiểm tra chất lượng vật liệu của kết cấu cầu ............................23
2.3. Phương pháp kiểm tra khả năng chịu lực của cầu bê tông cốt thép ...............25
2.3.1. Thử nghiệm tải trọng (gia tải) ..................................................................25
2.3.3. Đo đạc định kỳ ........................................................................................26
CHƯƠNG 3: PHƯƠNG PHÁP XÂY DỰNG MƠ HÌNH LƯỚI (MESH
MODEL) PHỤC VỤ CHO PHẦN TỬ HỮU HẠN ..............................................28
3.1.


Dữ liệu thực nghiệm ....................................................................................28

3.2.

Phương pháp thực hiện ................................................................................31

3.2.1. Bước 1: Cấu trúc dữ liệu ..........................................................................31
3.2.2. Bước 2: Tạo mặt phẳng, xác định đỉnh của các phần tử biên ..................32
3.2.3. Bước 3: Tìm điểm giao đường biên .........................................................35
3.3.4. Bước 4: Tạo mơ hình lưới 3D ..................................................................37
3.4. Kết quả thu được và sai số cho phép trong mơ hình ......................................38


vi

3.4.1. Kết quả thu được ......................................................................................38
3.4.2. Đánh giá sai số .........................................................................................39
CHƯƠNG 4: XÁC ĐỊNH KHẢ NĂNG LÀM VIỆC CỦA MÔ HÌNH PHẦN
TỬ HỮU HẠN .........................................................................................................43
4.1. Trường hợp nghiên cứu: giả thiết trụ của cây cầu cạn trên đường CO16,
Seßlach, CHLB Đức chịu ảnh hưởng tại vùng địa chấn ........................................43
4.1.1. Cơ sở đánh giá khả năng làm việc của kết cấu trụ cầu.............................43
4.1.2. Lý thuyết tính tốn: Phương pháp đàn hồi dạng đơn ...............................43
4.2. Phương pháp phần tử hữu hạn (FEM) và mơ hình số trong phần mềm
ABAQUS CAE và ANSYS Workbench ...............................................................49
4.2.1. Phương pháp phần tử hữu hạn ..................................................................49
4.2.2. Mô hình số phân tích/ giải lưới (mesh) mơ hình khối trụ cầu trong phần
mềm ABAQUS CAE..........................................................................................54
4.2.3. Mơ hình số phân tích/ giải lưới (mesh) mơ hình trụ cầu trong phần mềm
ANSYS Workbench R19.2.................................................................................58

4.2.4. Trường hợp nghiên cứu: Sử dụng ANSYS Workbench R19.2 để mơ hình
số những trường hợp giả dụ trụ cầu bị khiếm khuyết một số vị trí trên thân trụ,
từ đó đánh giá khả năng làm việc của kết cấu ....................................................64
CHƯƠNG 5: KẾT QUẢ, KẾT LUẬN VÀ ĐỀ XUẤT HƯỚNG NGHIÊN CỨU
TRONG TƯƠNG LAI ............................................................................................69
5.1. Kết quả đánh giá kết cấu dựa trên mơ hình lưới khối 3D tạo ra từ đám mấy
điểm tính tốn phần tử hữu hạn .............................................................................69
5.2.

Kết luận chung .............................................................................................72

5.3.

Đề xuất hướng nghiên cứu trong tương lai..................................................73

DANH MỤC CÁC CƠNG TRÌNH KHOA HỌC ................................................75
TÀI LIỆU THAM KHẢO ......................................................................................76
PHỤ LỤC MƠ HÌNH NỘI LỰC CÁC TRƯỜNG HỢP GIẢ ĐỊNH TRỤ CẦU
BỊ BONG TRÓC/ SỨT MẺ ....................................................................................85
LÝ LỊCH TRÍCH NGANG ....................................................................................93


vii

DANH MỤC HÌNH ẢNH
Hình 1. 1. Trụ cầu Shinkansen. 2004, Nhật Bản, bị ảnh hưởng động đất ..................1
Hình 1. 2. Tạo mơ hình 3D từ bộ dữ liệu điểm ...........................................................8
Hình 1. 3. Tạo mơ hình phần tử hữu hạn từ dữ liệu đám mây điểm ...........................9
Hình 1. 4. Quá trình tổ chức xây dựng theo xu thế cách mạng công nghiệp 4.0 ......13
Hình 2. 1. Kiểm tra,đo đạc thủ cơng bề mặt kết cấu bằng quan sát trực tiếp ...........19

Hình 2. 2. Thanh tra viên gõ Búa tại mố cầu ............................................................21
Hình 2. 3. Máy quét laser mặt đất (TLS) và UAV được dùng để thu thập dữ liệu
đánh giá sức khỏe của kết cấu cầu ............................................................................23
Hình 2. 4. Kiểm tra mẫu bê tơng tại phịng thí nghiệm.............................................24
Hình 2. 5. Chất tải bằng xe tải trên bề mặt cầu .........................................................26
Hình 2. 6. Ghi chép đo đạc định kỳ bằng phương pháp truyền thống và drone .......27
Hình 3. 1. Quang cảnh thực tế cây cầu trên đường CO16, Slach, CHLB Đức .....28
Hình 3. 2. 5 trạm quét TLS được đặt ở những vị trí khác nhau để thu dữ liệu đám
mây điểm ...................................................................................................................29
Hình 3. 3. Tổng thể cây cầu thu được từ quét laser trên mặt đất ..............................30
Hình 3. 4. Trụ cầu được tách ra thủ công bằng phần mềm CloudCompareV10 (mật
độ điểm trung bình là 57.130 điểm/m2) ....................................................................30
Hình 3. 5. TraumaBot Mẫu khởi tạo và nhận dạng 3D: Điểm dựa trên Octree ........31
Hình 3. 6. Một minh họa về khởi tạo các thứ bậc octree ..........................................32
Hình 3. 7. Hình dạng trụ được tạo bởi cả thuật toán Delaunay surface và RayTracing Method .........................................................................................................33
Hình 3. 8. Lưu đồ của phương pháp bán thủ cơng được phát triển ..........................34
Hình 3. 9. Giao điểm mới tạo ra từ phương pháp dựa theo kinh nghiệm Heuristic” 35
Hình 3. 10. Mặt phẳng màu xanh được tạo thành từ Po và vecto pháp tuyến, điểm
màu đỏ, giao điểm chung, được tạo ra từ giá trị trung bình ......................................36
Hình 3. 11. Sử dụng thuật tốn Delunay, hình dạng đường bao của khối trụ cầu
được tạo ra .................................................................................................................37
Hình 3. 12. Khởi tạo mơ hình khối. ..........................................................................38
Hình 3. 13. Lưới trụ cầu khối 3D được tạo ra từ quá trình xử lý thủ công trong phần
mềm AutoCAD/ Conceptal .......................................................................................38


viii

Hình 3. 14. Mơ hình khối lưới trụ 3D được chia là 4 phần theo từng lớp ................39
Hình 3. 15. Đám mây điểm gốc ban đầu hịa vào mơ hình được tạo ra để tính tốn

sai số từ mơ hình .......................................................................................................40
Hình 3. 16. Hình minh họa đám mây điểm và đường bao được tạo ra tại vùng hình
trụ trịn của trụ cầu có tâm và bán kính R .................................................................41
Hình 3. 17. Độ chính xác tuyệt đối của việc tạo khối lưới .......................................42
Hình 4. 1. Sơ đồ tính Vs(x) theo phương ngang và dọc cầu dưới tác dụng của tải
trọng rải đều Po .........................................................................................................45
Hình 4. 2. Mặt cắt ngang thân trụ cầu cạn ................................................................45
Hình 4. 3. Mơ hình trụ cầu được nhập thành cơng vào phần mềm ABAQUS .........54
Hình 4. 4. Vật liệu được khai báo cho trụ cầu trong phần mềm ABAQUS..............55
Hình 4. 5. Make Independent được chọn khai báo cho trụ cầu trong ABAQUS .....56
Hình 4. 6. Khai báo điều kiện biên và nội lực cho trụ cầu ........................................57
Hình 4. 7. Lưới (mesh) của trụ cầu được giải thành cơng trong ABAQUS .............58
Hình 4. 8. Hình dạng hình học của trụ cầu được nhập thành công vào phần mềm
ANSYS Workbench R19.2 .......................................................................................59
Hình 4. 9. Phần tử bê tơng cốt thép khối- solid 65 3D..............................................60
Hình 4. 10. Mơ hình trụ cầu khối 3D được nhóm thành 1 part, 9160 bodies ...........61
Hình 4. 11. Thơng số thành phần vật liệu được khai báo trong phần mềm ANSYS 62
Hình 4. 12. Body sizing được khai báo trong ANSYS Workbench R19.2 ...............63
Hình 4. 13. Mơ hình lưới (mesh) khối 3D của trụ cầu được tạo thành cơng ............64
Hình 4. 14. Khiếm khuyết 6 vị trí được chọn để mơ hình đánh giá kết cấu trụ cầu .65
Hình 4. 15. Điều kiện biên đặt tại đáy của mơ hình trụ cầu được khai báo ..............66
Hình 4. 16. Mơ hình tải trọng bản thân được khai báo trong phần mềm ANSYS ....66
Hình 4. 17. Mơ hình tải trọng phân bố được khai báo trong phần mềm ANSYS.....67
Hình 4. 18. Mơ hình dữ liệu phổ phản hồi động đất theo gia tốc trong trận động đất
Koceali (Thổ Nhĩ Kỳ) ...............................................................................................68
Hình 4. 19. Kết quả nội lực mơ hình trụ cầu trong phần mềm ANSYS Workbench 68
Hình 5. 1. Đánh giá độ chính xác của giải mesh trong ANSYS Workbench ...........69
Hình 5. 2. Phân tích lưới (mesh) thành cơng trong ABAQUS và ANSYS ..............70
Hình 5. 3. Quan hệ ứng suất cắt từ mơ hình mơ phỏng và ứng suất cắt cho phép....71



ix

DANH MỤC BẢNG BIỂU
Bảng 3. 1. Thơng số kích thước và sai số hình học của trụ ......................................41
Bảng 4. 1. Bảng tính tốn chi tiết các tác dụng của lực do động đất vào trụ cầu .....49


x

MỘT SỐ KÝ HIỆU VIẾT TẮT
Chữ viết tắt
FHWA

: Hiệp hội đường bộ liên bang (Federal Highway Administration)

TLS

: Quét laser trên mặt đất (Terrestrial Laser Scanning)

UAV

: Máy bay không người lái (Unmanned Aerial Vehicle)

LiDAR

: Dị tìm ánh sáng và phạm vi (Light Detection and Ranging)

GIS


: Hệ thống thông tin địa lý (Geographic Information Systems)

3D

: Không gian 3 chiều (3-Demension)

B-Rep

: Biểu diễn biên cho đối tượng (Boundary Represention)

BIM

: Xây dựng mơ hình thơng tin (Building Informtion Modeling)

CAD

: Máy tính hỗ trợ thiết kế (Computer-aided Design)

FEM

: Phương pháp phần tử hữu hạn (Finite Element Method)

FEA

: Phân tích phần tử hữu hạn (Finite Element Analysis)

BrIM

: Mơ hình thơng tin cầu (Bridge Information Modeling)


LTR

: Phản ứng thử tải phản hồi (Load Testing Response)

NDT

: Thử nghiệm khơng phá hủy (Non-Destructive Testing)

PCA

: Phân tích thành phần chính (Principal Component Analysis)

CSG

: Khối hình xây dựng (Constructive Solid Geometry)

MC

: Phát triển tạo khối (Marching Cube)

R-TM

: Phương pháp dò tia (Ray-Tracing Method)

3DDM

: Phương pháp không gian 3 chiều (3D-Delaunay Method


1


CHƯƠNG 1: ĐẶT VẤN ĐỀ
1.1.

Đặt vấn đề

Trong những năm qua, sự tăng trưởng nhanh của nền kinh tế đã thúc đẩy cho sự kết
nối mạng lưới hạ tầng giao thông ở các đơ thị lớn, góp phần quan trọng trong vận
chuyển hàng hóa, đảm bảo an ninh quốc phịng, nâng cao chất lượng đời sống nhân
dân. Trong đó, một số tỉnh thành từng bước phát triển theo hướng hiện đại, đơ thị
hóa, nhờ vậy nguồn đầu tư được thu hút nhiều nên dẫn tới mật độ phương tiện giao
thông tăng nhanh chóng, đặc biệt tại các khu cơng nghiệp có nhiều phương tiện giao
thông tải trọng nặng. Hệ thống hạ tầng cầu đường dù đã được đầu tư nâng cấp, sửa
chữa và bảo dưỡng theo định kỳ, nhưng hệ thống cơ sở hạ tầng giao thông vẫn không
đáp ứng kịp tốc độ phát triển của nền kinh tế. Phần lớn các cầu đã nhiều năm sử dụng
thành thử tính năng hình học bị xuống cấp do bị thời tiết, động đất, khí hậu ăn mịn.
(Hình 1. 1.) Ngồi ra, độ bền của vật liệu giảm dần theo thời gian. Do đó, sức khỏe
của kết cấu cầu cần được theo dõi để đảm bảo an tồn.

Hình 1. 1. Trụ cầu Shinkansen. 2004, Nhật Bản, bị ảnh hưởng động đất (Moehle
và cộng sự, 2000)
Có ba yếu tố chính được sử dụng để đánh giá khả năng làm việc của cầu đó là: tính
nguyên vẹn của bề mặt, chất lượng vật liệu và khả năng chịu lực của kết cấu. Do đó,


2

q trình đánh giá là cần thiết để dự đốn độ an tồn của các cơng trình hiện hữu này
và đưa ra quyết định duy tu sửa chữa và thay thế một phần hoặc toàn bộ kết cấu.
Hướng dẫn đánh giá cầu của Hiệp hội đường bộ liên bang (FHWA) đã vạch ra một

cách tiếp cận có hệ thống bao gồm mọi khía cạnh của đánh giá cầu, bao gồm đánh
giá tính tồn vẹn bề mặt của kết cấu, chất lượng vật liệu và khả năng thi công. FHWA
đã đưa ra những hướng dẫn chi tiết để đánh giá tình trạng của một cây cầu đường cao
tốc ở Mỹ. Căn cứ vào hướng dẫn, các thanh tra viên sẽ đưa ra quyết định về việc bảo
trì, xây dựng lại hoặc thay thế các cây cầu hiện có [1].
Trước đây, tính toàn vẹn bề mặt và đánh giá chất lượng vật liệu được kiểm tra trực
quan bởi một thanh tra viên. Việc kiểm tra trực quan có thể xác định các vấn đề như
vết nứt, rỉ sét hoặc ăn mòn, chỉ ra các vấn đề tiềm ẩn đối với sự ổn định và an tồn
của kết cấu cơng trình [2]. Ví dụ như mất mát khối lượng bề mặt kết cấu bởi dao động
do các điều kiện tải trọng động gây ra như xe lưu thơng và gió lớn, hoặc tác động của
thời tiết khắc nghiệt, có thể tạo ra các hư hỏng như mất khối lượng, có thể nghiêm
trọng theo thời gian [3]. Do đó, việc kiểm tra và giám sát tình trạng sức khỏe của các
kết cấu cầu theo các khoảng thời gian nhất định có thể đóng một vai trò quan trọng
trong việc phát hiện các dấu hiệu xuống cấp và lập kế hoạch các biện pháp đối ứng
hoặc khơi phục thích hợp [4]. Tuy nhiên, kết quả phụ thuộc nhiều vào các thí nghiệm
và quyết định cá nhân của thanh tra viên. Khi sử dụng các phương pháp truyền thống,
các thanh tra viên đến thực tế tại chỗ để kiểm tra thường xuyên và đánh giá tình trạng
là khá tốn kém, tốn thời gian và có khả năng khơng an tồn. Hơn nữa, bất kỳ sơ suất
bảo trì hoặc bất kỳ hoạt động chậm trễ nào có thể dẫn đến chi phí tăng đáng kể trong
tương lai. Điều này sẽ cần thiết hơn khi cơng trình được sử dụng hoặc có tầm quan
trọng đặc biệt như huyết mạch vận chuyển hoặc quốc phịng vận chuyển các khí tài
quân sự. Các thành phần quan trọng của hệ thống mạng lưới đường bộ, đặc biệt là
các cây cầu, là một trong những cấu trúc dễ bị ảnh hưởng nhất và quan trọng nhất,
cần được kiểm tra chính xác và bảo trì tốt. Những kết cấu quan trọng này thường nằm
ở những địa hình hiểm trở và được xây dựng ở những nơi khó tiếp cận. Do đó, việc
thực hiện một phương pháp kiểm tra hiệu quả và có chiến lược bảo trì/phục hồi định


3


kỳ về cơ bản là cần thiết. Hơn nữa, việc áp dụng một phương pháp kiểm tra hiệu quả,
nếu xét về chi phí là một yếu tố quan trọng khác. Dựa trên báo cáo gần đây nhất của
Bộ phận Đường bộ và Hàng hải (RMS) của New South Wales (NSW) tại Úc, [5] hơn
28% ngân sách của chính phủ NSW được chi cho việc quản lý và duy trì tài sản cơ
sở hạ tầng, đặc biệt là cầu đường. Do đó, việc áp dụng các phương pháp kiểm tra,
giám sát chủ động và hiệu quả về chi phí cũng như quản lý tài sản có thể giảm đáng
kể những chi phí q mức này.
Thơng thường, vật liệu sẽ ít bị thay đổi trong quá trình sử dụng, chủ yếu bị ảnh hưởng
của thời tiết và ăn mịn. Do đó, một nghiên cứu để xem xét kỹ lưỡng tính tồn vẹn
của bề mặt và đánh giá tỉ mỉ khả năng thi cơng kết cấu của nó cần phải thực hiện. Gần
đây, một nhóm đặc biệt chung của Hiệp hội các cơ quan giao thông và đường cao tốc
tiểu bang Hoa Kỳ (ASCE/SEI – AASHTO) đã được thành lập để xác định các nhu
cầu và vấn đề liên quan đến việc đảm bảo sự an toàn của các cây cầu trên đường cao
tốc trên khắp Hoa Kỳ và để kiểm tra xem có thể cải thiện các hoạt động kiểm tra cầu
hiện tại như thế nào trong tương lai. Họ giải quyết nhiều thách thức lớn, bao gồm
chính sách kiểm tra cầu và tính nhất quán của xếp hạng kiểm tra (ASCE/SEIAASHTO). Tuy nhiên, một trong những thách thức là việc phát triển các phương
pháp kiểm tra không phá hủy Non-destructive (NDT) hiệu quả và các hướng dẫn của
chúng để áp dụng các phương pháp sao cho phù hợp. Trong vài thập kỷ qua, các
phương pháp NDT đã được phát triển và sử dụng như một phương tiện kiểm tra kết
cấu nhanh chóng và hiệu quả. Năm 1990, cuốn sách hướng dẫn tham khảo kiểm tra
cầu ((Bridge Inspector’s Reference Manual (BIRM) [6] đề xuất cho cầu bê tông:
Ultrasonic Testing (UT)-siêu âm, Ground Penetration Radar (GPR), Impact Echo tiếng vang (IE), Infrared Thermography – nhiệt độ hồng ngoại, Radiography Testing
(RT) phóng xạ. Tuy nhiên, những phương pháp này chưa có được thực hành rộng rãi.
Một cuộc khảo sát để xác định tình trạng của thực tiễn cho kiểm tra cầu ở Hoa Kỳ
được thực hiện bởi Rolander và cộng sự [7] là cần thiết để giảm thiểu sự thực hiện
bởi con người.


4


Phản hồi thử tải (LTR) là một trong những phương pháp đánh giá khả năng chịu lực
của kết cấu cầu. Đây là một phương pháp được sử dụng để xem xét khả năng sử dụng/
chịu đựng của kết cấu cầu bằng cách cho nó chịu tải và quan sát phản ứng của nó.
Theo sách hướng dẫn AASHTO, phản ứng thử tải là một thành phần quan trọng của
quy trình đánh giá sức khỏe kết cấu cầu [6]. Để kiểm chứng và so sánh kết quả của
phương pháp LTR, Phương pháp phần tử hữu hạn (FEM) được áp dụng để mô phỏng
ứng xử của kết cấu. Wang và cộng sự. [8] đã đánh giá một số kết cấu cầu hiện có và
các hướng dẫn được đề xuất dựa trên chương trình thử tải kết hợp và mơ hình phần
tử hữu hạn. Hiện tại, FEM có thể cung cấp phân tích chi tiết về ứng xử của kết cấu
cầu dưới các điều kiện tải trọng khác nhau. Phương pháp này cũng có thể được sử
dụng để kiểm tra ảnh hưởng của các kế hoạch sửa chữa và bảo trì khác nhau đối với
tuổi thọ còn lại của kết cấu [9]. Cụ thể, FEM được sử dụng trên các cấu kiện cầu khác
nhau, bao gồm trụ cầu, dầm và mặt cầu, để mô phỏng thử nghiệm phá hủy cấu trúc
cầu ở các cấp độ khác nhau. Do đó, việc thu thập dữ liệu và tái tạo lại các bộ phận
của kết cấu trở nên cấp thiết để kiểm tra và đánh giá chất lượng kết cấu. Mơ hình số
trong FEM phụ thuộc nhiều vào độ chính xác hình học của các bộ phận, điều này rất
quan trọng để đánh giá khả năng làm việc của kết cấu cầu [10]. Mơ hình hình học
thường được dựng lại thủ cơng từ bản vẽ hiện có. Nó có thể chứa những lỗi gây ra
bởi sự bất cẩn của các kỹ thuật viên. Quá trình này dẫn đến nhiều sai sót cản trở chất
lượng đánh giá tổng thể về khả năng làm việc của kết cấu hiện có [11]. Ngồi ra, ở
các cơng trình cũ, tình trạng mất bản thiết kế, cơng trình bị biến dạng, sụt lún, bong
tróc một số lớp bê tơng bao che kết cấu dẫn đến việc thu thập số liệu đo đạc trực tiếp
gặp nhiều khó khăn. Những tiến bộ của khoa học và công nghệ ngày nay đã đưa ra
một số phương pháp mới mang lại những lợi thế đáng kể, thay thế các phương pháp
truyền thống đo lường trực tiếp. Cụ thể, camera ghi lại hình ảnh cơng trình để trực
quan hóa bề mặt cơng trình. Đây là một phương pháp không phá hủy để kiểm tra trực
quan chất lượng xây dựng. Q trình kiểm tra chất lượng có thể được thực hiện bởi
người kiểm tra hoặc bằng cách áp dụng thuật tốn xử lý hình ảnh để xử lý dữ liệu lớn.
Tuy nhiên, việc sử dụng hình ảnh 2D không tốt trong một số cuộc khảo sát, cần biết



5

độ chính xác của kích thước hình học hoặc thành phần bị ẩn bởi những người khác,
trong khi hình ảnh đám mây điểm 3D được tạo ra là khơng chính xác. Một phương
pháp khác để thu thập các đám mây điểm 3D chính xác của bề mặt cơng trình là công
nghệ quét lazer. Máy quét Laser hiện nay hỗ trợ thu thập đám mây điểm 3D nhanh
chóng với mật độ điểm cao trong thời gian ngắn. Công nghệ này ngày càng trở nên
nổi bật và đóng một vai trị quan trọng, đặc biệt là trong ngành cơ sở hạ tầng giao
thơng [12]. Đám mây điểm 3D giúp đánh giá tính toàn vẹn của cấu trúc và xác định
các khiếm khuyết tiềm ẩn [13]. Đối với điều này, đám mây điểm trở thành dữ liệu
đầu vào để tạo mơ hình lưới khối cho phân tích FEM. Một số nhà nghiên cứu đã
nghiên cứu các phương pháp cho việc chuyển đổi này, bao gồm sử dụng máy học và
chỉnh sửa thủ công. Vẫn còn những thách thức trong việc chuyển đổi từ đám mây
điểm sang mơ hình khối, bao gồm cả việc thu thập dữ liệu và độ chính xác trong q
trình xử lý dữ liệu thu được [12].
Vì những lý do đã đề cập, nghiên cứu này tập trung vào việc tạo mơ hình khối lưới
của các cấu kiện xây dựng từ đám mây điểm 3D được thu thập bằng máy qt laser
để mơ phỏng FEM. Cơng đoạn tạo mơ hình 3D bao gồm ba bước: tiền xử lý, phân
đoạn và tạo mơ hình thiết kế bằng CAD [14]. Tiền xử lý đề cập đến việc dọn sạch dữ
liệu và đặt định danh các điểm dữ liệu thơ. Nói chung, các điểm dữ liệu thô do TLS
thu được chứa nhiễu ảnh hưởng đến việc xây dựng mơ hình 3D. Điểm nhiễu này có
thể được giảm bằng cách sử dụng các bộ lọc khác nhau như Góc, Trung bình trong
giai đoạn làm sạch dữ liệu [15,16]. Bên cạnh đó, xem xét nhiều vị trí quét, các dữ liệu
đám mây điểm thu được cần được điều chỉnh bằng cách sử dụng các điểm mục tiêu
và phương pháp căn chỉnh [17]. Gần đây, các giai đoạn tiền xử lý dữ liệu thu được từ
thiết bị quét chuyển qua phần mềm TLS đang được quan tâm đáng kể, mục tiêu giúp
tăng tốc chuyển đổi và giảm bớt cơng việc văn phịng [18,19]. Giai đoạn này là một
bước quan trọng để xác định các dữ liệu đám mây điểm thu được dưới dạng hình dạng
hình học đại diện bề mặt của đối tượng [14,19]. Do số lượng điểm dữ liệu thu được

thường rất lớn nên việc trình bày một phương pháp phân đoạn tự động chính xác đã
trở thành một thách thức trong những năm gần đây. Để khắc phục điều này, các


6

phương pháp xây dựng hình học khối (CSG) và biểu diễn theo biên/ ranh giới (B-rep)
đã được áp dụng [20,21]. Phương pháp CSG tạo ra các mơ hình khối 3D dựa trên sự
kết hợp của các nguyên hàm thể tích bằng cách sử dụng các phép toán Boolean trong
khi phương pháp B-rep cung cấp một cách để kích hoạt tập hợp các bề mặt dưới dạng
khối 3D. Trong CSG, các mơ hình solid được mơ tả là một loạt các ngun hàm đơn
giản có giới hạn bao gồm hình nón, hình trụ, hình cầu và hình khối trong một quy
trình cụ thể được gọi là cây phân cấp CSG để tạo ra một mơ hình solid [20]. Tuy
nhiên, phương pháp B-rep cố gắng trích xuất các đường biên từ các điểm dữ liệu thô
đại diện cho các cạnh, đỉnh và bề mặt, dưới dạng khung của mơ hình khối [22]. Sử
dụng phương pháp CSG, tất cả các thành phần được phát hiện của kết cấu cầu được
chia thành một số tập con/phần nguyên ban đầu được trích xuất từ các điểm dữ liệu
thô. Trong những năm gần đây, nhiều nghiên cứu đã tập trung vào việc sử dụng kết
hợp B-rep trong phương pháp CSG [19,20]. Dữ liệu đám mây điểm ngày nay đã trở
thành một công cụ quan trọng để theo dõi tình trạng kết cấu trong kiểm tra và đánh
giá kết cấu cầu. Mục tiêu của giai đoạn này là tạo mơ hình khối 3D của kết cầu cầu
từ các điểm dữ liệu thô thu thập được để sử dụng cho mơ hình thơng tin cầu (BrIM),
phục vụ cho đánh giá và bảo trì. Mơ hình 3D được tạo có thể được sử dụng trong suốt
vịng đời của cây cầu, từ giai đoạn thiết kế (còn được gọi là thiết kế nguyên trạng)
đến các mục đích thực tế của cấu trúc hiện có (“hiện trạng”). Trong suốt tuổi thọ của
cầu, hiện trạng cầu có thể bị thay đổi do các giai đoạn thi cơng và khai thác có sự thay
đổi gây ra hiện trạng khác so với hồ sơ thiết kế hoặc hiện trạng ban đầu. Trong những
trường hợp như vậy, chỉ có một mơ hình 3D xây dựng chính xác bắt nguồn từ khảo
sát chi tiết mới có thể minh họa những thay đổi thực tế của kết cấu. [23, 24]
Giai đoạn tạo mơ hình 3D bao gồm ba bước: 1) tiền xử lý, 2) phân đoạn và 3) tạo mơ

hình (CAD) [25]. Tiền xử lý đề cập đến việc tối ưu và bỏ những điểm không phù hợp
trong dữ liệu và làm dấu các điểm dữ liệu thô. Phân đoạn là một bước khác của việc
xác định các phân chia hợp lý để các dữ liệu đám mây điểm thu được có thể hiểu
được dưới dạng hình học, thể hiện bề mặt của đối tượng được phát hiện [25, 26]. Do
số lượng điểm dữ liệu thu được thường rất lớn nên việc trình bày một phương pháp


7

cơng đoạn tự động chính xác đã trở thành một thách thức trong những năm gần đây.
Để khắc phục điều này, phương pháp xây dựng khối hình (CSG) và biểu diễn biên
của đối tượng (B-rep) đã được áp dụng [27, 28]. Phương pháp CSG tạo ra các mơ
hình khối 3D dựa trên sự kết hợp của các thể tích khối bằng cách sử dụng các phép
toán Boolean, trong khi phương pháp B-rep dùng để tạo tập hợp các bề mặt dưới dạng
đối tượng 3D. Trong CSG, các mơ hình khối được mô tả là một loạt các nguyên hàm
đơn giản bao gồm hình nón, hình trụ, hình cầu và hình khối khác trong một quy trình
được gọi là cây phân cấp CSG để tạo ra một mơ hình solid [27]. Tuy nhiên, phương
pháp B-rep sẽ trích xuất các ranh giới/ biên từ các điểm dữ liệu thô đại diện cho các
cạnh, đỉnh và bề mặt, dưới dạng khung của mô hình khối [28]
Khi trích xuất các đám mây điểm của các bề mặt riêng lẻ để tạo mơ hình 3D, các nhà
nghiên cứu đã phát triển các thuật toán phân đoạn tự động phân loại các điểm dữ liệu
đã thu được, đáp ứng các tính năng giống nhau vào cùng một tập hợp con được gọi
là “Phân đoạn dựa trên tính năng” hoặc các phân đoạn dựa trên các điểm dữ liệu thỏa
các mơ hình tốn học có tên là “Phân đoạn dựa trên mơ hình”. Cả việc xác định độ
cong của bề mặt dựa trên các điểm dữ liệu thu được [29,30] và so sánh các đặc điểm
của điểm lân cận, chẳng hạn như góc của vectơ pháp tuyến và vectơ đơn vị [31], là
một số đặc điểm được phát triển trong các thuật toán như tăng vùng (region growing)
[32], dị tia (ray-tracing) [33], thuật tốn phân loại (clustering) và voxel/dựa theo trên
ô (voxel/cell-based) [34] trong “phân đoạn dựa trên tính năng”. Tuy nhiên, trong
“phân đoạn tạo khối dựa vào mơ hình”, các thuật tốn như Hough transform

[35,36,37] và RANSAC [38,39] thường được sử dụng.
Việc tạo mơ hình CAD 3D là bước cuối cùng để tạo mơ hình hình học tích hợp bằng
cách sử dụng các điểm dữ liệu được chọn. Có một số cách tiếp cận, điều chỉnh (fitting)
và quét (sweeping) là hai kỹ thuật thường xuyên được sử dụng. Kỹ thuật đề cập đến
việc khớp các khối mẫu đơn giản (lập phương, tứ diện,..) được trích xuất từ các điểm
được phân đoạn, trong khi kỹ thuật sau chỉ ra kỹ thuật kéo dãn (extruding) một hình
dạng phân đoạn dọc theo một đường dẫn để có được hình ảnh mơ hình CAD 3D. Ví
dụ về các kỹ thuật này đã được phát triển trong các cơng trình hiện hữu được thực


8

hiện bởi Walsh, Borello, Guldur và Hajjar [32], Xiong, Adan, Akinci và Huber [33],
Stull và Earls [40], Laefer [41 ], Yang và cộng sự. [42].
Hiện nay, nhiều nghiên cứu được thực hiện và nhắm mục tiêu vào kỹ thuật thứ hai là
bao quát. Trong một nghiên cứu, Yan và cộng sự [43] đã phát triển một phương pháp
tạo lưới dựa trên voxel bao gồm ba cách thức để tạo mô hình 3D tính tốn của kết
cấu. Phương pháp này bắt đầu với việc trích xuất các vết cắt ngang bằng cách sử dụng
thuật toán dựa trên điểm ảnh 3D và sau đó bản đồ chính xác của các thành phần bằng
cách kéo dãn (extruding) các vết cắt được nhận dạng dọc theo trục chính của chúng.
Để kiểm tra phương pháp được đề xuất, một cây cầu đủ kích thước đã được qt và
mơ hình 3D hình học của nó đã được tạo, như trong Hình 1. 2 a, b.

Hình 1. 2. Tạo mơ hình 3D từ bộ dữ liệu điểm: (a) Đám mây điểm cầu Robot City,
Pennsylvania [44]; (b) Mô hình phần tử hữu hạn 3D của cầu Robot City [44]
Việc tạo các mơ hình 3D bằng các phương pháp trên có thể hỗ trợ đáng kể cho các
kỹ sư kết cấu thực hiện phân tích bằng phương thức phần tử hữu hạn (FEM). Và nó
đem lại lợi ích khi có mơ hình 3D chính xác và phân tích chính xác đối với các kết
cấu lớn như cầu. Lubowiecka và cộng sự đã đánh giá một cây cầu xây cổ với hình
học phức tạp dựa trên phân tích phần tử hữu hạn [45]. Dữ liệu thu nhận được từ TLS

được sử dụng để xác định hình dạng hiện trạng của cây cầu nói trên [46]. Tương tự,
Armesto và cộng sự đã trình bày một phân tích về kích thước và cấu trúc của một cây
cầu vòm cổ xưa để kiểm sốt độ lệch của nó phát sinh từ q trình lão hóa vật liệu.
Ngồi ra, Ming và cộng sự đã sử dụng TLS để thu thập dữ liệu không gian 3D của
một kết cấu thép lớn [47]. Dữ liệu thu được sau đó được sử dụng để tái tạo mơ hình
3D và phân tích biến dạng. Hơn nữa, Sánchez-Aparicio và cộng sự. [48] đã đề xuất


9

một quy trình làm việc để cải thiện việc hiệu chuẩn các mơ hình phần tử hữu hạn (FE)
được chuyển đổi từ các dữ liệu đám mây điểm thu được. Nghiên cứu này, phương
thức thử nghiệm nhận dạng đã được dùng như một hệ thống không xâm nhập để xác
định các thuộc tính tồn cầu của hệ thống cấu trúc. Tương tự, Khaloo và Lattanzi đã
sử dụng quy trình cơng việc như vậy để trích xuất thơng tin từ TLS để tạo mơ hình
FE của cây cầu gỗ [49]. Trong một nghiên cứu khác, Bitelli và cộng sự đã tạo lưới
dựa trên voxel theo phương pháp bán tự động để chuyển đổi các điểm dữ liệu trực
tiếp thành mơ hình phần tử hữu hạn [50]. Trong nghiên cứu này, phương pháp đề xuất
đã được thử nghiệm trên một di sản văn hóa với mục đích phân tích kết cấu. Đây là
một khái niệm ban đầu cho các nghiên cứu khác trong đó Castellazzi và cộng sự [51],
Korumaz và cộng sự [52], và D'Altri và cộng sự [53] đã trình bày một mục tiêu bán
tự động cho phép chuyển đổi điểm dữ liệu thành lưới phần tử hữu hạn với mục đích
đánh giá sức khỏe của các cấu trúc lịch sử. Trong một nghiên cứu khác, CondeCarnero và cộng sự [54] đã đệ trình một phương thức tiếp cận tự động khác để chuyển
đổi trực tiếp các điểm dữ liệu thành một mơ hình FE phù hợp với phân tích kết cấu.
Trong lần này, phương pháp được trình bày khi được sử dụng để đánh giá kết cấu của
một cây cầu dùng riêng cho người đi đường, như trong Hình 1. 3 a, b.

Hình 1. 3. Mơ hình phần tử hữu hạn được tạo ra từ dữ liệu đám mây điểm để đánh
giá kết cấu: (a) đám mây điểm thu được được tối ưu hóa của cầu đi bộ [54]; (b) mơ
hình FE của kết cấu cầu đi bộ [54]



10

Nhờ những ưu điểm và phương pháp xử lý từ dữ liệu trong tập đám mây điểm 3D
giúp đánh giá tính tồn vẹn của cấu trúc và xác định các khiếm khuyết tiềm ẩn. Đối
với điều này, đám mây điểm được coi như dữ liệu đầu vào để tạo mô hình lưới phục
vụ cho cơng tác phân tích FEM. Một số nhà nghiên cứu đã điều tra các phương pháp
cho việc chuyển đổi này, bao gồm sử dụng thuật toán và chỉnh sửa thủ cơng. Những
thách thức vẫn cịn trong việc chuyển đổi từ đám mây điểm sang mơ hình khối, bao
gồm thu nhặt dữ liệu và xử lý chính xác [12].
1.2.

Thực trạng nghiên cứu

Trong vòng thập kỷ qua, nhu cầu kiểm tra, đánh giá và quản lý trong ngành xây dựng
đã tăng nhiều đáng kể. Một số lượng lớn cơ sở hạ tầng, đặc biệt là cầu, được xây dựng
vào hơn 50 năm trước nhưng vẫn còn đi vào hoạt động. Hầu hết các cây cầu này được
thiết kế và xây dựng dựa trên các tiêu chuẩn cũ và cần phải được đảm bảo không
hỏng trong suốt quãng thời gian sử dụng theo quy định. Mặc khác, hầu hết các cây
cầu này được thiết kế và thi công theo các tiêu chuẩn cũ và cần được phục hồi trong
suốt thời gian còn lại của chúng. Trong một báo cáo cơ sở hạ tầng gần đây của Hiệp
hội Kỹ thuật Xây dựng Hoa Kỳ (ASCE), hơn 40% cầu ở Mỹ đã cũ hơn 50 năm và
hơn 13,6% bị lỗi chức năng [55].
Quét lazer ba chiều (3D) là một công nghệ đo lường khơng tiếp xúc mới để thu thập
nhanh chóng và chính xác các điểm dữ liệu địa hình trên bề mặt của vật thể. Các điểm
dữ liệu thu được thường được xác định dựa trên tọa độ x, y, z kết hợp với các thuộc
tính như cường độ chùm tia lazer phản xạ từ đối tượng quan sát. Các đơn vị quét lazer
có thể được sắp xếp dựa trên vị trí của các cảm biến lazer trong q trình thu nhận dữ
liệu; các phân loại này là quét laser trên không, di động và trên mặt đất tương ứng với

khơng khí (ví dụ: trực thăng, máy bay hoặc máy bay khơng người lái (UAV)), thiết
bị di động (ví dụ: xe hơi, thuyền) và mặt đất. Cho dù mỗi phương pháp này ln có
những điểm mạnh riêng nhưng sử dụng máy quét laser trên mặt đất (TLS) phổ biến
và thông dụng hơn. Gần đây, TLS cũng có tiềm năng lớn được sử dụng trong những


11

phương thức kiểm tra do khả năng chụp các đối tượng ở tốc độ cao với độ chính xác
đến từng milimet và chi phí thấp so với các phương thức đánh giá truyền thống khác.
Tiềm năng của TLS như đã khẳng định ở trên, Son và cộng sự đã tiến hành các
phương pháp mới để trích xuất và phân tích các mơ hình BIM từ các điểm dữ liệu thu
được với mục đích là nền tảng quản lý (FM) và quản lý sản xuất (PM) [56].
Pătrăucean et al. đã cung cấp một cái nhìn tổng quan về việc tạo mơ hình 3D tự động
cho các cơ sở hiện có, mơ hình BIM hồn cơng, từ dữ liệu máy qt laze [57]. Lu và
Lee đã trình bày một phác thảo chung để tạo mơ hình 3D những hình ảnh từ dữ liệu
đám mây điểm được chụp từ một tòa nhà hiện có [58]. Wang và Kim đã khám phá
các ứng dụng của TLS trong ngành xây dựng và nhóm tác giả đã thảo luận về các
tham số thu thập dữ liệu và chất lượng của dữ liệu quét lazer để đáp ứng nhu cầu cho
các ứng dụng xây dựng [59]. Kim và cộng sự đã xem xét các nghiên cứu gần đây về
kiểm tra chất lượng hình học của các kết cấu dân dụng dựa trên việc sử dụng máy
quét lazer trong các giai đoạn dự án khác nhau [60]. Trong một nghiên cứu khác,
Spencer và cộng sự đã cung cấp một cái nhìn tổng quan về các kỹ thuật giám sát máy
tính tiên tiến hiện có để đánh giá tình trạng cơ sở hạ tầng kết cấu [61]. Gần đây,
Czerniawski và Leite đã tóm tắt những nỗ lực trong mười năm nghiên cứu về việc số
hóa các cấu trúc hiện có một cách tự động [62].
Bởi vì tính hiệu quả công việc cao, trên thế giới công nghệ quét laser đã và đang phát
triển rất mạnh mẽ, ứng dụng rộng rãi trong mọi lĩnh vực: sản xuất, y học, xây dựng,
... Các đơn vị tại Việt Nam cũng đã đầu tư thiết bị quét laser trong công tác khảo sát
địa hình, dựng mơ hình 3D, quản lý xây dựng. Dưới đây là thực trạng nghiên cứu và

ứng dụng của công nghệ quét laser tại Việt Nam. Trong xây dựng, công nghệ quét
laser 3D mặt đất ngày nay được sử dụng hiệu quả và phổ biến trong thành lập mơ
hình số địa hình, đánh giá sự thay đổi của địa hình, sửa chữa và khơi phục cơng trình
và các lĩnh vực bảo tồn, ... đang phát triển một cách vượt bậc trong quãng thời gian
gần đây. Bộ dữ liệu này là thông số đầu vào quan trọng của các lĩnh vực như: khảo
sát địa hình, mơ hình BIM, … Với độ chính xác cao và được cải thiện dần theo thời
gian, tốc độ khảo sát rất nhanh, nhưng chi phí đầu tư ban đầu khá cao, để có thể sử


12

dụng hiệu quả hơn kết quả thu nhận dữ liệu những năm gần đây, những nghiên cứu
trong nước đã đệ trình nhiều cách thức khác nhau để thực hiện cải thiện độ chính xác,
nâng cao tính ứng dụng, … ngày càng nhiều.
Lúc trước, công tác đo đạc để vẽ hiện trường các hình dạng kết cấu hoặc chi tiết đối
tượng cần xét đến được thực hiện bằng các cách truyền thống. Tuy nhiên, khả năng
nhận diện các yếu tố hiển thị của vật thể còn bị hạn chế. Thế nhưng gần đây, mơ hình
số 3D xem như là mơ hình kỹ thuật sử dụng để quản lý vòng đời kết cấu cơng trình
từ thiết kế, bản vẽ thi cơng, giám sát vận hành và bảo trì. Khảo sát trực tiếp tại hiện
trường là phương pháp được áp dụng phổ biến trong cơng tác khảo sát địa hình. Tuy
nhiên, cách thức này tốn nhiều cơng sức và thời gian. Ngồi ra, chất lượng của bản
báo cáo đánh giá phụ thuộc nhiều vào trình độ, ý kiến chủ quan của chuyên viên đánh
giá. Đặc biệt, trong công cuộc chuyển đổi số hiện nay, xây dựng được nhận định là
ngành trọng điểm được Chánh phủ nước Việt Nam thúc đẩy thay đổi mạnh. Số liệu
dẫn chứng là xây dựng nhà riêng lẻ, nhà máy cơng nghiệp và cơng trình hạ tầng với
tiền đầu tư của Ngành xây dựng này chiếm 30-40% vốn cả nước– khoảng từ 40-50 tỷ
đô la Mỹ trong những năm từ 2021-2025 [63]. Bao gồm, tiêu chuẩn số, quy chuẩn,
thông tư định mức, đơn giá dùng trong công tác quản lý của Bộ đặt ra cho ngành là
hướng đến việc chuyển đổi số ngành công chánh. Thực hiện tự động hóa chánh phủ
các hoạt động xây dựng như: Tư vấn thiết kế, thẩm tra – thẩm định, thi công xây lắp,

và nghiệm thu cơng trình; Sử dụng và sử chữa trong quá trình khai thác; Hoạch định
xây dựng, phát triển phố thị và đi đôi với phát triển đường xá hạ tầng (bao gồm nhà
dân dụng, tòa nhà lớn).