4D BIM NA CONSTRUÇÃO CIVIL E SUA RELAÇÃO COM LEAN ...Trabalho” e “Análises de Segurança” foram os usos mais recorrentes e representam 20% da amostra analisada. Edifícios

1º Simpósio Brasileiro de Tecnologia da Informação e Comunicação na Construção

10º Simpósio Brasileiro de Gestão e Economia da Construção

8 a 10 de novembro de 2017 - Fortaleza - Ceará - Brasil

4D BIM NA CONSTRUÇÃO CIVIL E SUA RELAÇÃO COM LEAN CONSTRUCTION: REVISÃO SISTEMÁTICA DA LITERATURA

CORRÊA, Leonardo de Aguiar (1); MARCHIORI, Fernanda Fernandes (2) (1) Mestrando, PPGEC UFSC, e-mail: [email protected] (2) Doutor, Docente do

Departamento de Engenharia Civil da UFSC, e-mail: [email protected]

RESUMO O 4D BIM na construção civil vincula modelos 3D com dados do cronograma da obra. A visualização e simulação das sequências dos processos construtivos no canteiro de obras podem facilitar a tomada de decisão durante as etapas de planejamento e construção. A lean construction e o 4D BIM vêm constantemente sendo aplicados em conjunto. Assim, o objetivo do presente artigo é identificar e analisar, através da revisão sistemática da literatura, os trabalhos que abordam os temas, visando compreender o foco empregado na aplicação da modelagem 4D BIM na Indústria da Construção Civil (ICC) e a sua relação com os conceitos advindos da lean construction. O resultado da pesquisa demonstra que não se pode identificar um padrão na aplicação do 4D BIM, sendo que “Gerenciamento dos Espaços de Trabalho” e “Análises de Segurança” foram os usos mais recorrentes e representam 20% da amostra analisada. Edifícios residenciais multifamiliares correspondem por 28% das aplicações práticas, contudo foram encontradas aplicações nos diversos setores da construção civil. Ademais, verificou-se que 35% dos artigos relacionam as aplicações do 4D BIM com conceitos advindos da lean construction. A principal contribuição deste trabalho foi a análise e exposição dos usos do 4D BIM pela ICC nos últimos 20 anos. Igualmente, foram apontados os caminhos em que as pesquisas no tema estão evoluindo e se verificou a carência de metodologia que oriente a aplicação da ferramenta nesta Indústria.

Palavras-chave: Building Information Modeling, Construção Enxuta, 4D.

ABSTRACT 4D BIM in construction link 3D models with construction schedule data. Visualization and simulation of constructive processes sequences in construction site can facilitate decision making during the planning and construction stages. Lean construction and 4D BIM are constantly being applied together. The purpose of this article is to identify and analyze, through a systematic review of the literature, researches that approach the themes, aiming to understand the focus in 4D BIM applications on construction and its relation with the concepts from lean construction. As result the research demonstrates that it is not possible to identify a standard in applications of 4D BIM, Management of Workspaces and Safety Analyzes were the most recurrent uses and represent 20% of the analyzed sample. Multifamily residential buildings accounted for 28% of practical applications, however applications were found in various construction sectors. In addition, it was verified that 35% of the articles relates 4D BIM applications with concepts derived from lean construction. The main contribution of this work was the analysis and exposition of 4D BIM uses by construction industry in the last 20 years. Likewise, it was pointed out ways in which the research on the theme is evolving and it was verified lack of a methodology that guides the application in the industry.

Keywords: Building Information Modeling, Lean Construction, 4D.

1 INTRODUÇÃO A Indústria da Construção Civil (ICC) vem incorporando a aplicação da modelagem 4D BIM gradativamente na gestão de seus empreendimentos dentro das últimas duas

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SIBRAGEC - SBTIC 2017 – de 8 a 10 de Novembro – FORTALEZA - CE

décadas. Esta modelagem consiste em combinar modelos geométricos 3D com dados do cronograma da obra, possibilitando a visualização espacial em detalhes da construção ao longo de sua execução e de suas atividades de fluxo. Os resultados obtidos com a implantação da lean construction e sua adaptação às necessidades produtivas do canteiro de obras dependem das atividades de fluxo (KOSKELA, 2000 apud DE OLIVEIRA et al., 2011). Sacks et al., (2010, tradução nossa) ressaltam que um cronograma de obra adequado e a boa gestão da produção são fundamentais para obtenção do fluxo de produção estável. Segundo tais autores, a aplicação da lean construction contribui para o desenvolvimento e melhoria dos sistemas de planejamento e controle na ICC. O objetivo do presente artigo, portanto, é identificar e analisar, através da revisão sistemática da literatura, os trabalhos que abordam a aplicação da modelagem 4D BIM na ICC e qual o foco empregado, visando identificar a sua relação com à lean construction. Desta forma pretende-se contribuir com o direcionamento das pesquisas na área, fomentando, assim, a temática proposta para o Sibragec 2017: informação, comunicação, colaboração e gestão no ambiente construído, apontando os caminhos tomados internacionalmente e as lacunas de pesquisa no tema.

2 REFERENCIAL TEÓRICO O referencial teorico deste trabalho é composto pela conceituação do 4D BIM e da lean construction, visando contribuir na análise dos resultados obtidos na revisão sistemática da literatura.

2.1 4D BIM O 4D BIM na construção civil vincula modelos geométricos 3D com dados do cronograma da obra. O vínculo visual entre o cronograma e as condições do canteiro de obras pode facilitar a tomada de decisão durante as etapas de planejamento e construção (CHAU, ANSON e ZHANG, 2004, tradução nossa). Todo projeto de construcao pode ser caracterizado como um sistema complexo (BERTELSEN, 2005) e dinamico. A unica maneira para se gerenciar um sistema complexo ou resolver um problema complexo e desmembra-lo a elementos gerenciaveis (BALDWIN; CLARK, 2000). Segundo Akinci, Fisher e Kunz (2002, tradução nossa) os modelos de produção 4D fornecem uma forma simples e poderosa de representar informações de projeto e construção. A modelagem 4D e a simulação das sequências de construção proporcionam oportunidade única para identificar conflitos de recursos no tempo e no espaço e resolver problemas de construtibilidade por meio da vizualização dos processos de construção. Isso permite a otimização do processo, acarretando na melhoria da eficiência e da segurança, pode ajudar a identificar gargalos e otimizar os fluxos (SACKS et al, 2010, tradução nossa).

2.2 Lean Construction

A lean construction refere-se à aplicação e adaptação dos conceitos e princípios advindos do Sistema Toyota de Produção à construção civil (SACKS et al, 2010, tradução nossa). Os resultados da lean construction e sua adaptação às necessidades produtivas do canteiro de obras onde e aplicado, dependem das atividades de fluxo, que devem ser tratados com especial importância (KOSKELA, 2000 apud DE OLIVEIRA et al., 2011).

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Para Koskela e Howell (2002), nas atividades de fluxo, implicitamente, existem problemas como complexidade, falta de transparencia e controle segmentado. O entendimento da importancia dos fluxos, auxilia no processo de tomada de decisão sobre ações de melhorias que impactam sobre o processo produtivo global (BALLARD et al., 1996; DE OLIVEIRA et al., 2011). A ICC parece preferir a velocidade na execucao a confiabilidade no fluxo de trabalho (KIM; PARK, 2006). Segundo tais autores, este e um erro fundamental que a lean construction visa prevenir: equipes trabalhando fora de sequencia devido a outras equipes que executaram a tarefa antes ou depois do tempo previsto. Com esse objetivo, pode-se citar que todo o planejamento de producao deve ser baseado na manutencao do ritmo de trabalho, ao inves de buscar picos de produtividade que melhoram o desempenho de uma dada atividade e que nem sempre garantem a otimizacao do projeto como um todo (CONTE, 2002, traducao nossa).

3 MÉTODO DE PESQUISA O processo para revisão sistemática de literatura adotado para esta pesquisa foi o SSF – SystematicSearchFlow (FERENHOF; FERNANDES, 2016), o qual e composto por 4 fases e 8 atividades. Na Fase 1 (Definição do protocolo de pesquisa), foi definida a estratégia de busca por meio das palavras-chave “4D” AND “BIM” AND “CONSTRUCTION”. No dia 03 de março de 2017 foi iniciada a busca, das publicações dos últimos 20 anos, nas bases de dados ScienceDirect, com 504 resultados, e International Group for Lean Construction – IGLC, com 71 resultados. Em seguida, os resultados foram inseridos no organizador bibliográfico EndNote e foi iniciada a padronização e seleção dos artigos através das leituras dos títulos, resumos e palavras-chave. Após esta filtragem, foi iniciada a composição do portfólio de artigos, por meio da leitura na íntegra dos mesmos, visando eliminar aqueles que não possuíam aderência à temática sob investigação. Após a realização das atividades supracitadas, a composição do portfólio bibliográfico resultou em 145 artigos. Na Fase 2 (Análise) foi desenvolvida uma planilha eletrônica contendo os seguintes campos como títulos para as colunas: autores, ano, título, veículo de publicação, nº de citações, qualificação das publicações, palavras-chave, países envolvidos, relação com lean construction, tipo de pesquisa, tipo de aplicação do 4D BIM, tipo de empreendimento em estudo. Os resultados desta análise estão apresentados no item “4. Resultados e Discussões” deste artigo. Deste modo, foi iniciada a Fase 3 (Síntese) por meio da construção da Matriz do Conhecimento (FARENHOF e FERNANDES, 2014) buscando extrair e organizar os dados advindos da análise dos artigos. Visando a consolidação dos resultados obtidos a Fase 4 (Escrever) foi elaborada, resultando neste trabalho de pesquisa. Para a listagem das publicações selecionadas vide item 6.

4 RESULTADOS E DISCUSSÕES Esta seção descreve a análise dos resultados obtidos da revisão de literatura com o objetivo de estabelecer relações e significância entre os termos da busca, identificando, de forma sistematica, um conjunto de fatores relevantes a pesquisa e introduzindo a discussão sobre estes resultados. Na Figura 1 (a) é apresentada a incidência das publicações à partir de 2000. Destaca-se o ano de 2008 como o primeiro ano com

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número significativo de publicações e o ano de 2014 com a maior incidência de publicações. A Figura 1 (b) demonstra o comportamento da curva de acumulo das publicações no tema ao longo dos anos. A presente pesquisa foi realizada em março de 2017 e, nesta data, contava com 6 publicações no tema. Dos 145 artigos pertencentes à revisão de literatura, 20% tem classificação A1 segundo a plataforma do Qualis CAPES, 10% A2, 4% B1, 5% B2 e 9% B3. Figura 1 – (a) Evolução das publicações ao longo dos anos. (b) Número acumulado

de publicações

0 01

02

0 0 0

56

9

1210

15

29

2624

6

0

5

10

15

20

25

30

2000 2001 2002 2003 2004 2005 2006 2007 2008 2009 2010 2011 2012 2013 2014 2015 2016 2017

Nºde

Trabal

hosPu

blicado

s

0

20

40

60

80

100

120

140

2000 2001 2002 2003 2004 2005 2006 2007 2008 2009 2010 2011 2012 2013 2014 2015 2016 2017

Nºde

Trabal

hosPu

blicado

s

Fonte: Os autores.

O Quadro 1 exibe os veículos de publicação com 3 ou mais artigos publicados no tema. De acordo com Junior et al. (2016) a Lei de dispersão do conhecimento científico de Bradford, criada em 1934, possibilita estimar o grau de relevancia de periodicos que atuam em areas do conhecimento específicas. Listando os periodicos em ordem de produtividade decrescente, tres zonas aparecem, cada uma contendo 1/3 do total de artigos, a 1ª zona contem um pequeno numero de periodicos com mais publicações, a 2ª contem um numero maior de periodicos menos publicações, e a 3ª inclui a maioria dos periodicos com o menor número de publicações (ARAÚJO, 2006).

Quadro 1 – Artigos por veículo de publicação e segundo a Lei de Bradford

Veículo de PublicaçãoNº de

Artigos % ∑(Nº) ∑(%)

Automation in Construction 27 18,6%

International Group for Lean Construction 17 11,7%

Journal of Construction Engineering and Management 10 6,9%Construction Innovation 5 3,4%Association of Researchers in Construction Management Conference 4 2,8%Construction Research Congress 4 2,8%Encontro Nacional de Tecnologia do Ambiente Construído 4 2,8%Journal of Information Technology in Construction 4 2,8%Engineering, Construction and Architectural Management 3 2,1%Engineering News-Record 3 2,1%International Workshop on Computing in Civil Engineering 3 2,1%Journal of Civil Engineering and Management 3 2,1%Journal of Computing in Civil Engineering 3 2,1%

(3ª)Área de

dispersão

45veículos de publicação

Demais veículos de publicação2

ou1

1,4%ou

0,7%55 38%

145 100%

44 30%

46 32%

TOTAL

Zona

(2ª)Área de

dispersão


(1ª)Núcleo


Fonte: Os autores.

a)

b)

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No Quadro 2 são apresentados os 5 artigos mais citados do portfólio bibliográfico. Dentro dos 145 artigos analisados, o autor Rafael Sacks publicou 6, somando 541 citações. 5 publicações são do autor Jianping Zhang e somam 418 citações, 2 publicações são do autor Martin Fisher somando 377 citações e 5 publicações são do autor Lauri Koskela somando 301 citações. O número de citações foi verificado na plataforma Google Scholar.

Quadro 2 – Lista dos 5 artigos mais citados na revisão de literatura

Citações Qualis CAPES Artigo

254 A2 Rafael Sacks, Lauri Koskela, Bhargav A. Dave, Robert Owen. Interaction of lean and building information modeling in construction. Journal of Construction Engineering and Management, v. 136, n. 9, p. 968-980. 2010.

194 A2 Burcu Akinci, Martin Fischer, John Kunz. Automated generation of work spaces required by construction activities. Journal of Construction Engineering and Management, v. 218, n. 4, p. 306-15. 2002.

183 B3

Khanzode A., Martin Fischer, Reed D. Benefits and lessons learned of implementing building virtual design and construction (VDC) technologies for coordination of mechanical, electrical, and plumbing (MEP) systems on a large healthcare project. Journal of Information Technology in Construction, v. 13, n. 22, p. 324-342. 2008.

149 A2 K. W. Chau, M. Anson, J. P. Zhang. Four-dimensional visualization of construction scheduling and site utilization. Journal of Construction Engineering and Management, v. 130, n. 4, p. 598-606. 2004.

148 A1 Rafael Sacks, Milan Radosavljevic, Ronen Barak. Requirements for building information modeling based lean production management systems for construction. Automation in Construction, v. 19, n. 5, p. 641-655. 2010.

Fonte: Os autores.

Observa-se, na Tabela 1, a frequência de publicações por autor, incluindo co-autores. Em determinada area de conhecimento a Lei de Lotka (1926) ou Lei do Inverso do Quadrado (1/n2) sugere que um menor número de pesquisadores tem maior produção acadêmica, enquanto um maior número de pesquisadores tem menor produção (JUNIOR et al., 2016). Araújo (2006) destaca que diversos aperfeiçoamentos foram feitos à Lei de Lotka (1926), entre eles Price (1976), com estudos desenvolvidos entre 1965 e 1971, concluiu que 1/3 da literatura e produzida por menos de 1/10 dos autores e 60% dos autores produzem um unico documento. Analisando os dados da Tabela 1, a produção média é de 1,3 artigos por autor e 80,5% dos autores contribuíram apenas com 1 artigo (representado 60,3% dos artigos publicados), enquanto 15,3% dos autores contribuíram com 33,3% dos artigos e 12 autores contribuíram com 4 a 6 artigos cada.

Tabela 1 – Frequência observada de publicações por autor, incluindo co-autores

Nº de publicações por autor

Nº de autores

Total de artigos % de autores % de artigos

x y x.y ∑(x.y) %y ∑(%y) %x ∑(%x) 1 248 248 248 80,5% 80,5% 60,3% 60,3% 2 37 74 322 12,0% 92,5% 18,0% 78,3% 3 11 33 355 3,6% 96,1% 8,0% 86,4% 4 6 24 379 1,9% 98,1% 5,8% 92,2% 5 4 20 399 1,3% 99,4% 4,9% 97,1% 6 2 12 411 0,6% 100,0% 2,9% 100,0%

TOTAL 308 411

100,0%

100,0% Fonte: adaptado de Alvarado (2006).

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1

1

1

1

1

1

1

1

1

1

1

1

2

2

2

3

3

3

3

5

5

5

5

7

7

9

13

14

21

21

36

ArábiaSauditaColômbia

DinamarcaEgito

EmiradosÁrabesHolanda

ItáliaLituânia

NovaZelândiaNoruega

SingapuraTailândiaPortugal

SuéciaSuíçaChile

FinlândiaIndia

LuxemburgoCanadáFrança

IsraelTaiwan

AustráliaJapão

AlemanhaChina

CoréiadoSulBrasil

ReinoUnidoEstadosUnidos

NºdeTrabalhosPublicadosa)5555555666667788910101010111516

28121

3D4DPlanning

ConstructionProjectConstructionScheduling

DesignVirtualReality

VisualManagementConstruction

IndustryFoundationClass(IFC)ProductionPlanningandControl

ProjectManagementConstructionSafety

4DModelingPlanning

ConstructionPlanningScheduling

LastPlannerSystem4DBIM4DCAD

4DSimulationSimulationWorkspace

ConstructionManagement4D

LeanConstructionBuildingInformationModeling

NºdevezesemqueaPalavra-Chavefoiutilizadab)

Dentre os autores que mais publicaram, destacam-se: Hyounseok Moon e Marlon Camara Garrido, com 6 publicações cada, Heng Li, Jianping Zhang, Lauri Koskela e Leen-Seok Kang com 5 publicações cada. A classificação dos tipos de empreendimentos nos quais a modelagem 4D BIM foi aplicada está na Figura 2 (a) e a Figura 2 (b) apresenta o número de trabalhos publicados por tipo de pesquisa, na qual o “Estudo de Caso” e o tipo de pesquisa mais abordada na aplicação da ferramenta. Observando a Figura 2 (a), constata-se que a modelagem 4D BIM vem sendo aplicada em diversos tipos de empreendimentos, sendo mais empregada nas obras residenciais multifamiliares (28% dos casos).

Figura 2 – a) Tipo de empreendimento aplicado o 4D BIM. b) Nº trabalhos publicados por tipo de pesquisa

ResidencialMultifam iliar

28%

Comercial

22%

Governamental

15%

Infraestrutura

15% Residencial

Unifam iliar

10%

Industrial

6%

Hospital

5%

Outros

21%

a) 1

2

7

7

9

19

23

74

Descritiva

DesignScienceResearch

Revisãodeliteratura

Simulação

Survey

Exploratória

Pesquisa-ação

EstudodeCaso

b)

Fonte: Os autores.

A Figura 3 (a) apresenta os países envolvidos nas pesquisas compreendidas dentro do portfólio bibliográfico, sendo os Estados Unidos o país com maior número de publicações (36), seguido do Reino Unido (21) e do Brasil (21), da Coréia do Sul (14) e da China (13). O gráfico apresentado pela Figura 3 (b) contempla apenas palavras-chave que foram utilizadas 10 vezes ou mais. “Building Information Modeling” e a palavra-chave mais recorrente, seguida por “Lean Construction” e “4D”. A revisao de literatura também demonstrou que 35% dos artigos publicados estão relacionados à lean construction.

Figura 3 – a) Nº de publicações por país. b) Nº de vezes em que a Palavra-Chave foi utilizada. c) Tipos de aplicação para modelagem 4D BIM

a)

b)

c)

Fonte: Os autores.

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Os tipos de aplicação para a modelagem 4D BIM na construção civil estão apresentados na Figura 3 (c). Nota-se que o seu uso nos artigos estudados é variável, sendo “Gerenciamento dos Espac s de Trabalho” e “Anal ses de Seguranca” os mais recorrentes.

5 CONCLUSÕES O número de trabalhos que aplicam a modelagem 4D BIM na ICC vem crescendo, especialmente nos últimos 10 anos. A partir do estudo bibliométrico do portfólio bibliográfico observa-se que o 1/3 dos artigos estão concentrados em 2 veículos de publicação (Automation in Construction e International Group for Lean Construction) e 2/3 dos artigos estão dispersos em 56 veículos de publicação, corroborando com a Lei de Bradford de 1926. Além disso, 80% dos autores contribuíram com um artigo e 1,5/10 produziram 1/3 dos artigos, contra os 60% e 1/10 prognosticados por Price (1976). Pode-se evidenciar, ainda, que uso do 4D BIM está sendo realizado em diversos tipos de obras: edifícios verticais residenciais e comerciais, obras governamentais, como universidades e centros de pesquisa, hospitais, obras de infraestrutura, como pontes, estradas e estações de trem e obras industriais, como galpões. Na análise do conteúdo dos artigos, não se pode identificar um padrão na aplicação da ferramenta. Um dos fatores que pode favorecer a esta customização do uso é o fato de cada projeto ser único e apresentar diferentes desafios e oportunidades com a modelagem 4D BIM. Contudo, algumas aplicações são mais recorrentes, como: no uso para o gerenciamento dos espaços de trabalho e das atividades de fluxo; nas análises de segurança e detecção de colisões entre equipamentos; na melhoria do planejamento da obra através da visualização do cronograma e no monitoramento do progresso da obra, visando automatizar o processo de atualização do cronograma. Ademais, verificou-se que 35% dos artigos relacionam as aplicações do 4D BIM com conceitos advindos da lean construction. Gestão visual, Last Planner System®, gerenciamento dos fluxos físicos do canteiro e melhoria no fluxo de informações são benefícios e ferramentas que estabelecem conexões entre os dois conceitos. A principal contribuição deste trabalho foi a análise e exposição dos usos do 4D BIM pela ICC nos últimos 20 anos. Igualmente, foram apontados os caminhos em que as pesquisas no tema estão evoluindo e verificou-se a ausência de uma metodologia que oriente a aplicação da ferramenta em projetos da construção civil.

6 LISTAGEM COMPLETA DAS PUBLICAÇÕES SELECIONADAS A listagem completa das publicações selecionadas encontra-se em: <https://www.dropbox.com/s/l88gxfrtv7dk0aa/4D%20BIM%20LEAN%20.%20Refer%C3%AAncias.pdf?dl=0>

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ORIGEM DO ARTIGO O presente artigo é originado de uma pesquisa de mestrado em desenvolvimento no programa de Pós-Graduação em Engenharia Civil da Universidade Federal de Santa Catarina. Agradecimentos ao CNPq e à CAPES, pelo apoio recebido.

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