8 phút để đọc

Pycivile is an open-source Python library designed to liberate structural engineers from dependency on commercial software while preserving professional knowledge.
Pycivile là một thư viện Python mã nguồn mở được thiết kế để giải phóng kỹ sư kết cấu khỏi sự phụ thuộc vào các phần mềm thương mại trong khi vẫn lưu giữ được tri thức chuyên môn.

This article provides an in-depth technical analysis of Pycivile tailored for structural engineers and BIM developers.
Bài viết này cung cấp một phân tích kỹ thuật chuyên sâu về Pycivile được biên soạn dành riêng cho các kỹ sư kết cấu và lập trình viên BIM.

1. Overview & Objectives / Tổng Quan & Mục Tiêu

Core Philosophy / Triết Lý Cốt Lõi

In the modern AEC industry, engineering knowledge is often locked behind proprietary binary file formats of commercial software like ETABS, SAP2000, or Robot.
Trong ngành AEC hiện đại, tri thức kỹ thuật thường bị khóa chặt đằng sau các định dạng file nhị phân độc quyền của các phần mềm thương mại như ETABS, SAP2000 hay Robot.

Pycivile aims to create a “middleware” layer that standardizes structural data using open formats (JSON/BSON) and Python classes, ensuring that the engineering logic remains accessible and reusable.
Pycivile hướng tới việc tạo ra một lớp “phần mềm trung gian” giúp chuẩn hóa dữ liệu kết cấu sử dụng các định dạng mở (JSON/BSON) và các lớp đối tượng Python, đảm bảo logic kỹ thuật luôn có thể truy cập và tái sử dụng.

Key Objectives / Các Mục Tiêu Chính

  1. Freedom from Licensing: Reduce costs for small firms and freelancers.
    Tự do khỏi bản quyền: Giảm thiểu chi phí cho các công ty nhỏ và kỹ sư tự do.
  2. Knowledge Preservation: Code-based rules (EC2, NTC2018) are transparent rather than “black boxes”.
    Lưu giữ tri thức: Các quy tắc theo tiêu chuẩn (EC2, NTC2018) được minh bạch hóa thay vì là những hộp đen (có phí).
  3. Automation & Batch Processing: Calculate thousands of elements in seconds using Python scripts.
    Tự động hóa & Xử lý hàng loạt: Tính toán hàng ngàn cấu kiện trong vài giây bằng các script Python.

2. Technical Features / Tính Năng Kỹ Thuật

Checking the source code structure reveals a robust architecture divided into specific domains.
Kiểm tra cấu trúc mã nguồn cho thấy một kiến trúc vững chắc được chia thành các lĩnh vực cụ thể.

2.1. EXAGeometry: Computational Geometry / Hình Học Tính Toán

Before performing structural analysis, we need to handle spatial data. Pycivile provides:
Trước khi thực hiện phân tích kết cấu, chúng ta cần xử lý dữ liệu không gian. Pycivile cung cấp:

  • Primitives: Point3d, Vector3d, Polyline3d for defining complex structural shapes.
    Các nguyên thủy: Point3d, Vector3d, Polyline3d để định nghĩa các hình dạng kết cấu phức tạp.
  • Mesh Generation: Integration with GMSH via OpenCASCADE kernel allows automatic meshing of foundations or slabs from architectural boundary nodes.
    Tạo lưới phần tử: Tích hợp với GMSH thông qua nhân OpenCASCADE cho phép tự động chia lưới móng hoặc bản sàn từ các nút biên kiến trúc.

2.2. EXAStructural: The Core Engine / Bộ Máy Cốt Lõi

This module handles the physics and engineering rules.
Mô-đun này xử lý các quy tắc vật lý và kỹ thuật.

  • RC Section Analysis: It uses fiber discretization or stress block methods to check Reinforced Concrete sections (Rectangular, T-shape, I-shape, generic polygons).
    Phân tích tiết diện BTCT: Sử dụng phương pháp chia thớ hoặc khối ứng suất để kiểm tra tiết diện Bê tông cốt thép (Chữ nhật, Chữ T, Chữ I, đa giác bất kỳ).
  • Interaction Diagrams: It generates 2D (P-M) and 3D (P-Mx-My) interaction domains for ULS verification.
    Biểu đồ tương tác: Tạo các miền tương tác 2D (P-M) và 3D (P-Mx-My) để kiểm tra trạng thái giới hạn cực hạn (ULS).
  • Code Implementation: Built-in classes for Eurocode 2 and NTC2018 (Italian Standards), handling material safety factors and load combinations.
    Triển khai tiêu chuẩn: Tích hợp sẵn các lớp cho Eurocode 2 và NTC2018, xử lý các hệ số an toàn vật liệu và tổ hợp tải trọng.

2.3. Interoperability & FEM / Khả Năng Tương Tác & FEM

Pycivile is not just a calculator; it is a bridge.
Pycivile không chỉ là một máy tính; nó là một cây cầu nối.

  • MIDAS Gen Export: Uses Jinja2 templates to generate .mgt text files, allowing script-based model generation.
    Xuất sang MIDAS Gen: Sử dụng Jinja2 templates để tạo file văn bản .mgt, cho phép tạo mô hình bằng mã lệnh.
  • Code_Aster Integration: Connects with the powerful open-source FEM solver Code_Aster for non-linear analysis.
    Tích hợp Code_Aster: Kết nối với bộ giải FEM mã nguồn mở mạnh mẽ Code_Aster cho các phân tích phi tuyến.
  • VTK Visualization: Visualizes 3D results (stress contours, deformation) directly in Python.
    Trực quan hóa VTK: Hiển thị kết quả 3D (đường đồng mức ứng suất, biến dạng) trực tiếp trong Python.

3. BIM Integration: Present & Future / Tích Hợp BIM: Hiện Tại & Tương Lai

BIM (Building Information Modeling) is shifting from “Drawing” to “Data Management”. Pycivile aligns perfectly with this trend.
BIM đang chuyển dịch từ “ngôn ngữ” bản vẽ sang “Quản lý dữ liệu”. Pycivile phù hợp hoàn hảo với xu hướng này.

3.1. Current Workflow: Geometry to Analysis / Quy Trình Hiện Tại: Từ Hình Học đến Phân Tích

Currently, Pycivile acts as a processor for geometric data imported from BIM software.
Hiện tại, Pycivile đóng vai trò là bộ xử lý cho dữ liệu hình học được nhập từ phần mềm BIM.

  1. Extract Data: Nodes and element connectivity are extracted from IFC or CAD files using libraries like ifcopenshell or ezdxf (external dependencies).
    Trích xuất dữ liệu: Nút và liên kết phần tử được trích xuất từ file IFC hoặc CAD sử dụng các thư viện như ifcopenshell hoặc ezdxf.
  2. Process in Pycivile:
    Xử lý trong Pycivile:
    • Map geometric sections to EXAStructural objects.
      Ánh xạ tiết diện hình học sang đối tượng EXAStructural.
    • Assign material properties (Concrete, Steel).
      Gán đặc trưng vật liệu (Concrete, Steel).
    • Generate FE mesh via GMSH wrapper.
      Tạo lưới phần tử hữu hạn thông qua lớp bọc GMSH.
  3. FEM Export: A .mgt or Code_Aster command file is generated for solving.
    Xuất FEM: Một file lệnh .mgt hoặc Code_Aster được tạo ra để giải.

3.2. Future Vision: The “Headless” Engine / Tầm Nhìn Tương Lai: Bộ Máy “Không Giao Diện”

The future of structural BIM lies in “Generative Design” and “Real-time Verification”.
Tương lai của BIM kết cấu nằm ở “Thiết kế phát sinh” và “Kiểm tra thời gian thực”.

  • CDE Integration: With DbManager (MongoDB), Pycivile can serve as the backend for a Common Data Environment, where changes in the architectural model automatically trigger structural checks stored in the database.
    Tích hợp CDE: Với DbManager (MongoDB), Pycivile có thể đóng vai trò backend cho Môi trường Dữ liệu Chung, nơi các thay đổi trong mô hình kiến trúc tự động kích hoạt các kiểm tra kết cấu được lưu trong cơ sở dữ liệu.
  • AI-Driven Optimization: By exposing structural logic as Python functions, we can easily wrap Pycivile in optimization loops (Genetic Algorithms) to minimize material usage while satisfying ULS constraints.
    Tối ưu hóa bằng AI: Bằng cách phơi bày logic kết cấu dưới dạng hàm Python, ta có thể dễ dàng bọc Pycivile trong các vòng lặp tối ưu hóa (Giải thuật Di truyền) để giảm thiểu vật liệu trong khi vẫn thỏa mãn điều kiện ULS.

4. Pros & Cons / Ưu Điểm & Hạn Chế

4.1. Advantages / Ưu Điểm

  • Transparency: You can verify exactly how a safety factor is applied by reading the code.
    Bạn có thể kiểm chứng chính xác cách một hệ số an toàn được áp dụng bằng cách đọc mã nguồn.
  • Extensibility: Adding a new material (e.g., Fiber Reinforced Concrete) is as simple as subclassing a Python object.
    Khả năng mở rộng: Việc thêm một vật liệu mới (ví dụ: Bê tông cốt sợi) đơn giản chỉ là tạo lớp con cho một đối tượng Python.
  • Cost-Effective: Zero licensing fees, runs on Linux servers or Docker containers.
    Hiệu quả chi phí: Không phí bản quyền, chạy tốt trên máy chủ Linux hoặc container Docker.

4.2. Limitations / Hạn Chế

  • Learning Curve: Requires Python programming skills + Structural Engineering knowledge. No graphical interface (GUI).
    Đường cong học tập: Yêu cầu kỹ năng lập trình Python + Kiến thức Kỹ thuật Kết cấu. Không có giao diện đồ họa (GUI).
  • Code Coverage: Currently focuses heavily on Eurocodes (EC2) and Italian NTC. Implementing TCVN (Vietnam Standards) requires manual effort.
    Độ phủ tiêu chuẩn: Hiện tại tập trung nhiều vào Eurocodes (EC2) và NTC của Ý. Việc triển khai TCVN (Tiêu chuẩn Việt Nam) đòi hỏi công sức thủ công.
  • Solver Speed: Pure Python solvers for large FE models are slower than C++ commercial solvers (though integration with Code_Aster solves this).
    Tốc độ giải: Các bộ giải thuần Python cho mô hình phần tử hữu hạn lớn sẽ chậm hơn bộ giải thương mại viết bằng C++ (mặc dù việc tích hợp Code_Aster giải quyết được vấn đề này).

5. Conclusion / Kết Luận

Pycivile is a paradigm shift from “User of Software” to “Developer of Solutions”.
Pycivile là bước chuyển dịch tư duy từ “dùng phần mềm” sang “phát triển giải pháp”.

For Vietnamese engineers, adopting frameworks like Pycivile opens the door to deeply understanding structural behavior and automating the tedious parts of design according to TCVN standards. It is a stepping stone towards mastering Computational Engineering.
Đối với các kỹ sư Việt Nam, việc áp dụng các thư viện như Pycivile mở ra cánh cửa để thấu hiểu sâu sắc hành vi kết cấu và tự động hóa những phần tẻ nhạt của thiết kế theo tiêu chuẩn TCVN. Đây là bước đệm để làm chủ Kỹ thuật tính toán trong xây dựng (Computational Engineering).

Reference / Tài liệu tham khảo:
GitLab: Pycivilee Repository