Universidade do Minho - Escola de Engenharia

MESTRADO INTEGRADO EM ENGENHARIA CIVIL

Plano de Trabalhos para Dissertação de Mestrado – 2016/17

Tema: BIM na Gestão de Obras: Digitalização 3D como Ferramenta integrada para o controlo do Planeamento e Orçamento da Obra

Aluno(a): Ana Catarina Martins da Silva

Número do Aluno(a): A68431

Orientador(a): Professor Doutor João Pedro Pereira Maia Couto

Co-orientador(a): Engenheiro José Carlos Lino

1. IntroduçãoNos últimos anos, o setor da construção mundial tem sofrido um elevado decréscimo, devido à recessão da economia mundial, provocando assim a queda dos principais indicadores do sector, nomeadamente o número de empresas, o número de pessoas ao serviço e o volume de negócios (Romão, 2015).

O setor da construção em Portugal sempre teve um impacto elevado na economia do país, tal como se pode verificar através do número de trabalhadores que este setor abrange. Em 2007, a população no setor da construção representou cerca de 11.3 % relativamente ao total da população empregada. Ao longo dos últimos anos, o peso deste setor tem vindo a diminuir, sendo que em 2013 registou-se uma diminuição significativa de 54.7 mil indivíduos (Figura 1) (Gil, 2015).

Assim sendo, há uma necessidade da indústria da arquitetura, engenharia e construção (AEC) se reinventar fazendo face a um número crescente de mudanças e desafios, tanto tecnológicos como institucionais. Com a evolução tecnológica, esta indústria tem progressivamente optado por caminhos de automatização e modernização, sendo que o objetivo tem sido encontrar soluções que dinamizem os processos de troca de informação entre os atores do projeto (engenheiros, arquitetos, construtores), que decorrem ao longo do ciclo de vida de um edifício (Azenha, Lino, & Caires, 2015) (Rodas, 2015).

Posto isto, surgiu o BIM, Building Information Modeling (Figura 2), sendo um processo de desenvolvimento colaborativo e multidisciplinar de projetos, em que se obtém um modelo digital do edifício contendo toda a informação das diferentes especialidades envolvidas na empreitada. Este novo modelo de trabalho abrange várias áreas, nomeadamente a gestão, planeamento e controlo. Isto torna possível extrair e controlar os custos, bem como realizar o faseamento construtivo do edifício. Permitindo também planear várias tarefas e gerir as diversas equipas de trabalho, diminuindo significativamente o tempo total da construção.

Ao longos dos anos, desenvolveram-se várias metodologias nomeadamente os diagramas de Gantt, CPM, (Crithical Path Methods) e PERT (Program Evaluation and Review Technique), e por último o LOB (Line of Balance) (Dias, Almeida, Sousa, & Cruz, 2016). As técnicas de PERT e CPM são muito semelhantes, sendo por vezes nomeadas como um conjunto PERT/CPM. Ambos os métodos, de base estatística, determinam a duração das atividades e tarefas, mas o CPM, apenas considera uma estimativa mais provável, enquanto que o PERT calcula a média entre a estimativa mais otimista, mais pessimista e mais provável. Pode então ser dito que o CPM é um método determinístico e o PERT é um método probabilístico (Ferreira, 2011).

Os diagramas de Gantt são a metodologia mais utilizada, consistindo na elaboração de um gráfico de barras com os diversos trabalhos, a duração estimada dos mesmos, bem como a sua posição no trabalho previsto. Apesar de os gráficos de barras serem muito úteis, estes têm algumas falhas, nomeadamente, em projetos mais complexos, pois existem interligações entre atividades. Tornando-se então difícil identificar essas relações no gráfico além de que, este, também não indica a importância de cada uma no controlo da duração (Couto, 2013).

Por último, segue-se a metodologia LOB (Figura 3 e Figura 4), sendo um método de programação, que tem como objetivo obter ou avaliar a taxa de fluxo dos produtos acabados numa linha de produção (Ferreira,2011). Os gráficos LOB permitem identificar rapidamente a localização das equipas de trabalho para uma determinada data, o intervalo de tempo que separa as diferentes equipas de produção, bem como os seus ritmos de trabalho. Sendo assim, é um método gráfico de calendarização, que através de diagramas com linhas, proporciona ao gestor ter em conta o fluxo de trabalho dos diferentes tipos de atividades realizadas pelas diversas equipas de trabalho em diferentes localizações (a Figura 3 e Figura 4 demostras alguns exemplos dos diagramas de linhas) (Sousa & Monteiro, 2011).

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Os diagramas de Gantt e o LOB estão integrados nas fases do BIM 4D e 5D, sendo com isto possível reduzir os tempos, bem como os custos totais de uma obra.

O BIM 4D consiste na adição do tempo ao modelo 3D, tornando assim, possível a visualização do processo de construção em qualquer ponto no tempo. Esta ferramenta BIM trata as fases de planeamento e de faseamento construtivo para controlo da produção no local de obra e apoio das decisões que deverão ser tomadas ao longo das diversas fases, de uma forma eficaz e sustentada pelo modelo, sendo assim possível, extrair quantidades, recursos e níveis de produtividade (Trimble, Vico Software - 4D, 2017).

Relativamente ao BIM 5D consiste na integração dos custos no modelo, permitindo assim controlar os custos com o decorrer da construção. O BIM 5D vem facilitar o processo da quantificação dos custos, passando a ser um automatizado, diminuindo assim os erros que estão associados quando esta tarefa é realizada manualmente. Com estas ferramentas é possível demostrar ao proprietário ou ao dono de obra o que acontece com o planeamento e com o orçamento caso se altere algo, bem como realizar de forma muito rápida e eficaz diversas estimativas dos custos totais da obra (Trimble, Vico Software - 5D, 2017).

Um dos updates à modelação 3D que se tem vindo a estudar é a implementação e aplicação da tecnologia 3D Laser Scanning (Figura 5), em que se permite a obtenção de nuvens de pontos (Figura 6) a partir da varredura das superfícies dos objetos por feixes de raios laser, permitindo assim um levantamento automático, relativamente rápido, do local analisado (Groetelaars & Amorim, Tecnologia 3D Laser Scanning:Características, Processos e Ferramentas para Manipulação de Nuvens de Pontos, 2011). Em que o levantamento automático de edifícios já existentes consiste num processo de engenharia reversa, em que a partir do edifício ou objeto real, se constrói e interpreta a ideia anterior à sua realização, isto é, o seu projeto. Os dados obtidos no Laser Scanning são utilizados de forma a atualizar desenhos e os modelos as-built, ou então gerar documentos digitais, caso não exista modelos as-built (Dezen-Kempter, Soibelman, Chen, &Filho, 2015).

Atualmente há uma tendência para a utilização de nuvens de pontos na construção, nomeadamente no planeamento e controlo de obra. Como é uma área recente, ainda existem alguns problemas no seu processo e utilização, como a dificuldade de detetar objetos de forma muito peculiares e o facto de alguns serem de elevadas dimensões, provocando que o seu processamento seja demasiado prolongado, bem como a extrema dificuldade senão impossibilidade de classificar e identificar objetos sem utilização de sensores (Sepasgozara, Lim, Shirowzhan, & Kim, 2014) (Baltsavias, 1999).

Apesar das suas limitações, esta tecnologia é uma alternativa para os processos de levantamento manual, uma vez que permite absorver uma grande densidade de informações rapidamente, regista com precisão os formatos reais dos objetos, as duas irregularidades e imperfeiçoes que possam ocorrer durante o processo construtivo, bem como as deformações e possíveis desgastes ao longo do ciclo de vida dos edifícios (Groetelaars & Amorim, 2012).

Existe outro método para o levantamento automático, nomeadamente a fotogrametria digital (Figura 7) (strictu senso), em que basicamente são fotografias. A fotogrametria digital oferece outros tipos de oportunidade com softwares que são capazes de usar obter diferentes tipos de imagens com câmeras. O uso desta tecnologia apresenta inúmeras vantagens tais como o fluxo de dados e um controlo de qualidade, alto potencial de automação e boas características geométricas. A alta resolução das câmeras digitais, utilizadas em aplicações de fotogrametria digital apresentam uma melhor qualidade de imagem com alta resolução, o que melhora a perceção dos vários pormenores do edifício. Os métodos que são utilizadas nos softwares fotogramétricos digitais variam de acordo com o tipo e características do edifício ou construção (Yastikli, 2007).

Apesar das vantagens da fotogrametria digital existem algumas limitações associadas à mesma. A técnica de restituição a partir de fotos convergente é mais adequada para a identificação de objetos com formas poliédricas e/ou ponte de fácil identificação. Para o levantamento de formas mais peculiares a nuvem de pontos é mais eficaz e apropriada, pois esta apresenta uma precisão e rapidez no levantamento de grandes quantidades de dados, em comparação com a fotogrametria digital (Groetelaars & Amorim, 2012).

Estas tecnologias podem ser muito úteis na gestão de obras pois, desta forma permite comparar o que foi planeado construir até determinada data, com o que realmente está construído, podendo assim, criar novos cenários para minimizar ao máximo os possíveis atrasos da construção.

Esta dissertação irá focar-se na implementação do 3D Laser Scanning no planeamento e controlo da obra associado ao BIM.

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2. ObjetivosO objetivo global desta dissertação consiste na criação de um procedimento que garanta uma boa gestão de obra, aplicando de forma eficaz as várias técnicas de planeamento e controlo utilizando as ferramentas do BIM 4D e 5D. Pretende-se que este procedimento seja orientado para a aplicação em grandes empresas de construção em Portugal. Este procedimento consiste na realização de diversas tarefas, tais vão ser apresentadas e discutidas de seguida.

Além deste, existem outros objetivos parciais que se procuram atingir com esta dissertação. A realização de um diagrama de Gantt ou o LOB, interligado com um modelo 3D, de forma a gerir da melhor forma a duração e calendarização das diversas tarefas a executar. O levantamento automático, durante a fase de execução do edifício, de forma a atualizar o diagrama de Gantt ou o LOB, anteriormente planeado, de modo a corrigir e recuperar os eventuais atrasos da construção. A realização de um vídeo ilustrativo do faseamento construtivo da obra em questão, em que é possível ver a evolução e construção dos diversos elementos do projeto (pilares, vigas, lajes...). Procurar efetuar análises a nível do BIM 5D, de modo a estimar e extrair quantidades e custos, criando assim gráficos dinâmicos da evolução dos custos totais e das diversas tarefas ao longo do período de construção da obra.

3. MetodologiaNuma primeira fase efetuar-se-á uma pesquisa bibliográfica intensa na busca de artigos científicos e informações nacionais e internacionais relativamente ao tema desta dissertação. Esta pesquisa terá origem no repositório de dissertações de várias universidades e também será apoiada por vários sites de pesquisa de artigos científicos, nomeadamente o scopus e o google académico. Será então pesquisado o BIM 4D e 5D, ou seja, BIM na fase de construção, bem como poderá ser aplicado e integrado o Laser Scanning no planeamento e controlo de obra.

Para avaliar se o procedimento proposto é mais vantajoso e mais eficaz relativamente aos modelos tradicionais, efetuar-se-ão alguns inquéritos a gestores de obra e responsáveis por este processo, de modo a poderem dar a sua opinião sobre procedimento atual e qual as melhorias que gostariam de ver introduzidas com o BIM. Para isso os gestores de obra irão comparar os resultados e valores obtidos do modelo BIM a realizar nesta dissertação com os resultados obtidos a partir dos métodos tradicionais que as empresas em questão utilizam.

Após a pesquisa bibliográfica e recolha das opiniões profissionais, seguir-se-á a realização do planeamento das várias tarefas (BIM 4D), bem como a avaliação dos custos (BIM 5D), em que a partir do modelo 3D de um caso de estudo será efetuado o diagrama de Gantt ou o LOB e gráficos de custos, com o auxílio das ferramentas BIM.

Serão listados e avaliados diversos softwares especializados para estes tipos de trabalhos, tais como o VICO OFFICE, Navisworks, Synchro e outros, uma vez que em alguns destes não é possível criar o gráfico LOB, nomeadamente o Navisworks, já o VICO OFFICE permite a realização de tal gráfico.

Seguidamente será implementado o levantamento automático do construído, ou seja, o Laser Scanning, em que se obterá uma nuvem de pontos na fase de execução do edifício. Com o propósito de comparar a situação real da construção com o que previamente foi planeado e modelado. Após esta análise, atualizar-se-á o diagrama de Gantt realizado na segunda fase, de forma a corrigir e minimizar os atrasos existentes na fase em que foi efetuado o Laser Scanning, de modo a estes atrasos não se alastrarem ao longo da construção.

Por último, segue-se a análise de resultados, bem como a conclusão dos resultados obtidos. Nesta fase também se voltarão a realizar inquéritos e entrevistas aos responsáveis por este processo de gestão de obra abordado anteriormente, de forma a avaliar se o procedimento desenvolvido é mais vantajoso do que o processo que essa empresa possuí e se consideram ser possível aplicá-lo.

4. Resultados EsperadosCom esta dissertação espera-se obter vários resultados, sendo que o principal consiste na interligação da digitalização 3D da obra (Laser Scanning) com o modelo previamente modelado e com isto atualizar os diagramas de Gantt, à medida que a obra se vai executando, de modo semi-automático, de modo a tornar o processo mais rápido e eficiente. A elaboração deste procedimento tem como objetivo garantir que os

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atrasos nas diferentes tarefas não se acumulem, podendo assim tomar medidas para os minimizar ao longo da construção.

Além destes resultados, também se espera conseguir obter gráficos dinâmicos dos custos associados às tarefas ao longo da obra. Com a aplicação das ferramentas BIM associado à digitalização 3D (Laser Scanning) pretende-se obter um procedimento capaz de abranger as necessidades do planeamento e controlo de obra, tornando assim esta fase da obra mais eficaz e com menor suscetibilidade ao erro humano. A grande vantagem é tornar estes processos cada vez mais eficientes e rápidos, de modo a diminuir os tempos e custos da obra total.

5. Faseamento e Calendarização

5.1 FaseamentoFase I: Pesquisa Bibliográfica, Estado da Arte e Entrevistas IniciaisEsta fase inicia-se em meados de Fevereiro de 2017, sendo que esta deverá ser concluída em meados de Abril 2017 (8 a 10 semanas).

Como o Estado de Arte é uma parte fulcral da dissertação, esta terá atualizações constantes e serão adicionadas informações ao longo da dissertação. As entrevistas serão realizadas no fim desta pesquisa, ou seja imediatamente antes da realização da parte prática da dissertação (caso de estudo).

Fase II: Caso de estudo 4D e 5DNesta fase serão efetuados o diagrama de Gantt e análise dos custos do modelo 3D da obra em questão através de softwares. Posto isto, esta fase inicia-se após a realização do estado de arte, e será efetuado durante o mês de Abril e meados de Maio (5 semanas).

Fase III: Caso de estudo: Levantamento automático do edifício – Laser ScanningNesta fase é necessário realizar o levantamento do edifício e por isso talvez seja necessário a deslocação até à obra. Após realizar o Scanning do edifício em questão, será necessário exportá-lo e sobrepô-lo ao modelo 3D original, de forma a comparar ambos os modelos. Posteriormente o diagrama de Gantt previamente elaborado será atualizado de acordo com o estado atual da obra, sendo esta fornecida pela nuvem de pontos obtida do Laser Scanning. Esta fase iniciará a meio de Maio e terminará em Junho (5 semanas).

Fase IV: ConclusõesNesta fase serão realizadas a análise dos resultados obtidos e conclusões do trabalho. Terá uma duração de 2 semanas, terminando no início de Julho.

Fase V: Realização da parte escrita da dissertaçãoA parte escrita da dissertação decorrerá ao longo de todas as fases de trabalho, sendo que está previsto terminar em meados de Setembro.

5.2 Calendarização

Meses Set

Semanas 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29Fase I X X X X X X X X X X

Fase II X X X X X

Fase III X X X X X

Fase IV X X

Fase V X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X

Tempo

Abril Maio Junho Julho AgostoFev Março

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Referências Bibliográficas

Azenha, M., Lino, J. C., & Caires, B. (2015). BIM na Engenharia Civil: Projeto e Construção.

Baltsavias, E. P. (1999). A comparison between photogrammetry and laser scanning. Journal of Photogrammetry & Remote Sensing, 12.

Couto, J. P. (2013). Técnicas de Medição e Orçamentação de Obras.

Dezen-Kempter, E., Soibelman, L., Chen, M., & Filho, A. V. (2015). 3D Laser Scanner, Photogrammetry and BIM for Historic.

Dias, L. A., Almeida, N. M., Sousa, V. F., & Cruz, C. O. (2016). Organização de Gestão de Obras.

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Gil, C. (2015). Relatório Anual do Sector da Construção em Portugal | 2014.

Groetelaars, N. J., & Amorim, A. L. (2011). Tecnologia 3D Laser Scanning: Características, Processos e Ferramentas para Manipulação de Nuvens de Pontos.

Groetelaars, N. J., & Amorim, A. L. (2012). Um Panorama sobre o Uso de Nuvens de Pontos para a Criação de Modelos BIM.

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PROBIM. (32 de Agosto de 2015). 10 PASSOS PARA O BIM. Obtido de PROBIM: http://www.probim.eng.br/artigos/10-passos-para-o-bim/

Rodas, I. A. (2015). Aplicação da Metodologia BIM na Gestão de Edifícios.

Romão, T. G. (2015). Evolução do Sector da Construção em Portugal: Aplicação do Modelo Structure-Conduct-Performance.

Sepasgozara, S. M., Lim, S., Shirowzhan, S., & Kim, Y. M. (2014). Implementation of As-Built Information Modelling Using.

Sousa, H., & Monteiro, A. (2011). Linha de Balanço - Uma Nova Abordagem ao Planeamento e Controlo na Construção.

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Yastikli, N. (2007). Documentation of cultural heritage using digital. Journal of Cultural Heritage, 5.

Figuras e Tabelas

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Figura 1. Emprego na Construção / Emprego Total (%) (Gil, 2015).

Figura 2. Áreas do BIM (PROBIM, 2015).

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Figura 3. Gráfico de Linha de Balanço (Sousa & Monteiro, 2011).

Figura 4. Informação retirada após inspeção visual do gráfico de linha de balanço (Sousa & Monteiro, 2011).

Figura 5. Laser Scanning (e-architect, 2017).

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Figura 6. Exemplo de nuvem de pontos (MaxiCAD, 2017).

Figura 7. Exemplo de fotogrametria digital (Digi3D.NET, 2017).

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