anÁlise dos fluxos fÍsicos em canteiro de obra por meio do...

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

ANÁLISE DOS FLUXOS FÍSICOS EM CANTEIRO DE OBRA POR MEIO DO USO DE SIMULAÇÕES BIM 4D E COM BASE EM

ALGORITMOS GENÉTICOS

VIANA, Camille (1); SOUZA, Clara (2); PÉREZ, Cristina (3); COSTA, Dayana (4)

(1) Universidade Federal da Bahia (UFBA), (71)99342-4847, [email protected]; (2)UFBA, [email protected]; (3)UFBA, [email protected]; (4) UFBA, [email protected]

RESUMO

A necessidade de um planejamento logístico envolve a redução das perdas nas atividades de transporte, ocasionadas, entre outros motivos, por transportes excessivos e problemas no acesso e na mobilidade dentro do canteiro de obras. Os transportes excessivos estão intrinsecamente relacionados à escolha de um layout de canteiro deficiente. Muitos são os estudos que tem focados seus esforços no planejamento do layout do canteiro. No entanto, ainda existe espaço para novas investigações no que se refere ao uso de novas tecnologias para a melhora do planejamento e controle da logística de canteiro. Desse modo, o objetivo deste trabalho é avaliar a utilidade das simulações BIM 4D e com base em Algoritmos Genéticos para representação dos fluxos físicos no canteiro de obras, visando identificar possíveis conflitos espaço-temporais, bem como otimizar o posicionamento dos estoques no layout do canteiro. Esta pesquisa utiliza como estratégia a simulação baseada em um caso real de empreendimento de Habitação de Interesse Social na Região Metropolitana de Salvador, Brasil. Os modelos 3D foram desenvolvidos no software Revit Architecture, sendo associados aos fluxos do canteiro usando a tecnologia BIM 4D do NavisWorks. A plataforma algorítmica Rhinoceros foi utilizada para realizar as otimizações dos elementos do layout. As principais contribuições desse estudo são: (a) uso dos modelos BIM 4D para a simulação dos transportes desenvolvidos por equipamentos; (b) otimização do posicionamento dos estoques de material; e (c) comparação entre os fluxos reais realizados no canteiro e os fluxos obtidos a partir da simulação algorítmica. Esse trabalho faz parte de um trabalho de conclusão de curso e iniciação científica associados a um projeto de doutorado, apoiado pela CAPES e UFBA.

Palavras-chave: BIM 4D, Logística, Fluxos Físicos, Algoritmos Genéticos (AG)

ABSTRACT

The requirement of a logistics planning involves the reduction of waste in transport activities, caused among other things by the excessive transport and access and mobility problems at the construction sites. Excessive transports are intrinsically associated to the choice of a deficient construction site layout. There are many studies that have focused their efforts in site layout planning. However, there is still room for further inquiries as regards the new technologies uses for the improvement of the construction site logistic planning and control. Thus, the aim of this work is to evaluate the usefulness of the 4D BIM simulations and based on Genetic Algorithms for representation of the physical flows at the construction site, aiming to identify possible space-time conflicts, and optimize the placement of stocks in the layout of the construction site. This research uses simulation as a strategy based on a Social Interest Housing development in the Metropolitan Region of Salvador, Brazil. The 3D models were developed in Revit Architecture, being associated to the jobsite flows using the 4D BIM technology of NavisWorks. The algorithmic platform Rhinoceros was used to perform the layout elements optimizations. The main contributions of this study are: (a) 4D BIM models use for the transport developed by equipment simulation; (b) optimization of the material stocks placement; and (c) comparison among actual flows carried out in the construction site and the flows obtained from the algorithmic simulation. This work is part of a under graduation dissertation project associated with a doctoral project, supported by CAPES and UFBA.

Keywords: 4D BIM, Logistic, Physic flows, Genetic Algorithms (GA)

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

1 INTRODUÇÃO

A necessidade de um planejamento logístico envolve a redução dos desperdícios. Os transportes excessivos estão intrinsecamente relacionados à escolha de um layout de canteiro deficiente, uma vez que instalações bem projetadas resultam em um manuseio de materiais mais eficiente, reduzidos tempos de transportes e menores tempos de ciclo de produção (BORTOLINI; SHIGAKI; FORMOSO, 2016).

A fim de contribuir para resolver as carências sofridas pela indústria da construção, tecnologias da informação e comunicação, como o Building Information Modeling (BIM) e as tecnologias baseadas em Algoritmos Genéticos (AG), têm se tornado comum dentro dos canteiros com propósito auxiliar a tomada de decisões. Assim, a metodologia BIM utiliza informação paramétrica num esforço para produzir valor agregado. Entre as diferentes existentes dimensões, a modelagem 4D no planejamento da produção objetiva fornecer um ambiente virtual para simulação e visualização de processos de produção e operações canteiro (EASTMAN et al., 2011).

Pérez, Fernandes e Costa (2016) identificaram por meio da revisão da literatura o potencial de uso de 4D BIM para operações logísticas e redução de perdas de transporte em canteiros de obra. Segundo os referidos autores, os trabalhos que usam 4D BIM podem ser classificados segundo a etapa na qual foi utilizada a ferramenta, podendo ser na etapa de projeto ou na etapa de construção. Os trabalhos que utilizaram o 4D BIM na etapa de projeto lidam com o planejamento do layout em um nível operacional. Nesse sentido, Cheng e Kumar (2015) apontam que o planejamento do layout não deve ser apenas realizado num nível estratégico e tático, e sim também no nível operacional visando a alcançar um fluxo de trabalho constante.

Por outro lado, as tecnologias de simulação baseadas em Algoritmos permitem simular soluções buscando aperfeiçoá-las com base em parâmetros inseridos. Dentre eles, podem ser citados os Algoritmos Genéticos, uma classe particular dos Algoritmos Evolutivos, os quais utilizam da biologia evolutiva como inspiração, utilizando comandos como heridetariedade, crossing over, mutação, seleção natural, dentre outros. Os Algoritmos Genéticos permitem varrer uma região e elementos buscando aquele com características mais próximas o possível do ótimo, servindo por tanto, como uma ferramenta no auxílio de tomada de decisões quanto melhor posicionamento de elementos dentro do layout do canteiro. Os programas que se baseiam nos Algoritmos Genéticos utilizam algoritmos visuais, não necessitando de expressões matemáticas (HICKS, 2005; LINDEN, 2008).

Trabalhos relacionados a software de simulação algorítmica para a problemática da logística de canteiro são encontrados na literatura, mas estes em sua maioria utilizam os Algoritmos Numéricos, tais como feito por Zouein e Tommelein (1999). Autores como Osman, Georgy e Ibrahim (2003) e Azadivar e Wang (2000) abordaram o uso dos AG no estudo da logística e layout visando melhores rotas ou otimização de layouts de canteiro. Segundo revisão da literatura realizada por Calixto e Celani (2014) esses métodos vêm sendo aplicados na logística desde a década de 60, mas continuam até os dias de hoje a serem estudados devido o positivo sucesso nos resultados obtidos e no potencial que ainda não foi completamente explorado.

Apesar da abordagem dessas temáticas terem sido estudadas e exploradas, existe ainda dúvidas sobre a eficiência e utilidade do seu uso e sobre as possíveis melhorias proporcionadas por essas tecnologias de simulação para a otimização dos fluxos físicos e disposição de elementos nos canteiros. Dessa forma, o presente trabalho busca investigar como as tecnologias BIM 4D e com base em Algoritmos Genéticos podem

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ser utilizadas para a otimização de layout de canteiro e dos fluxos físicos. Para tal, foram realizadas simulações com essas ferramentas para análise dos fluxos e otimização do posicionamento do estoque de materiais no canteiro.

2 METODOLOGIA

O estudo foi realizado dentre os meses de setembro de 2016 a abril de 2017 e envolveu as seguintes etapas: (a) seleção do canteiro; (b) coleta de dados; (c) simulações BIM 4D e algorítmica; (d) análise dos resultados; e (e) entrevista com responsáveis, conforme Quadro 1.

Quadro 1 – Descrição das etapas desenvolvidas Etapa Data Descrição/Produto

(a) Seleção do canteiro

26/ago a 18/set

Escolha de um canteiro com grande extensão, no qual a otimização dos fluxos físicos desempenha papel extremamente importante.

(b) Coleta de dados

20 a 30/set com duração média de 6h/visita

Coleta de evidências a partir de visitas ao campo e registros fotográficos e videográficos. Foram coletadas informações sobre: etapas e sequência de execução do processo estudado; vias de acesso; equipamentos utilizados; duração e distâncias percorridas.

(c) Simulações 03/out a 07/dez

Simulação em 4D: transportes realizados pelos equipamentos. Simulação Algorítmica: distâncias desde os locais de estoque até as áreas de trabalho e dos eventuais locais ótimos para disposição dos estoques de materiais no canteiro.

(d) Análise dos resultados

07/dez a 20/dez

Os resultados obtidos foram estudados e expressados qualitativamente e quantitativamente, com a geração de relatórios.

(e) Entrevista 03/abril Percepção dos envolvidos acerca das tecnologias estudadas Fonte: Os autores

Como resultado da etapa de seleção do canteiro, o empreendimento escolhido para o estudo é caracterizado como Habitação de Interesse Social localizado na Região Metropolitana de Salvador, Bahia, contando com 30 blocos e aproximadamente 58.000 m² de área, conforme apresentado pela Figura 1.

Figura 1 - Layout do canteiro do empreendimento estudado

Fonte: Os autores

Durante a etapa de coleta de dados, o estudo acompanhou o processo de execução das fundações em Radier em concreto moldado in loco, o qual envolvia os subprocessos de: (a) montagem das formas; (b) instalação das armaduras; e (c) concretagem. O plano de ataque da obra estava dividido em duas fases de execução: (a) fase I, encontrada durante a realização do estudo, caracterizado pela execução dos blocos à direita do canteiro (sinalizados na Figura 1); e (b) fase II, caracterizado pelos blocos à esquerda.

Para o desenvolvimento das simulações foram utilizadas como ferramentas os software NavisWorks (NW) para a simulação BIM 4D, e para a simulação algorítmica, o Rhinoceros juntamente com o seu plugin Grasshopper. A escolha por esses software se deu devido a: (a) disponibilidade de licenças estudantis gratuitas; e (b) semelhança de comandos do software NavisWorks com outro software bastante utilizado na academia, o Revit Architecture, o que facilitou o manuseio para modelagem dos elementos e simulação, reduzindo o tempo de aprendizado dessa ferramenta. Os objetivos e atividades realizadas em cada uma das simulações são apresentados no Quadro 2.

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Quadro 2 - Objetivo e atividades realizados em cada uma das simulações Tipo de Simulação BIM 4D Algorítmica

Objetivo Representar, de forma dinâmica, como as atividades de fluxo são realizadas pelos equipamentos no canteiro visando identificar os tempos, distâncias e rotas envolvidas nas atividades de transporte

Determinar a localização otimizada do estoque visando minimizar as distâncias percorridas durante as atividades de transporte

Descrição da

Modelagem

Importação para o software Navisworks do modelo 3D confeccionado em Revit e do cronograma desenvolvido no software de planejamento Microsoft Project;

criação de sets (conjunto de elementos para serem configurados posteriormente sem necessidade de selecioná-los novamente) no NavisWorks para a simulação das atividades de transporte desenvolvidas pelos equipamentos;

animação dos equipamentos com o comando Animator do NavisWorks através de diferentes snapshots (capturas de telas) ao longo do percurso traçado. Cada animação indica um movimento diferente, em um intervalo de tempo e distância específicos, compondo todos os itens inseridos no cronograma;

linkagem manual dos sets com cada uma das atividades importadas do Microsoft Project através do comando TimeLiner (linha do tempo que permite conectar tarefas do planejamento às animações) do NavisWorks.

Importação da planta do canteiro em formato .DWG ao software Rhinoceros;

delimitação em planta da área disponível para posicionamento do estoque das armaduras (Figura 2a);

alocação de um ponto genérico simulando o estoque dentro das áreas disponibilizadas;

identificação dos blocos residenciais a serem atendidos pelo estoque;

inserção do comando para minimizar as distâncias entre estoque e os blocos;

criação de malha retangular para inserção de restrições sobre os percursos desenvolvidos (Figura 2b) para circundar os blocos e não atravessá-los, conforme realizado por Abotaleb, Nassar e Osny (2016);

otimização e obtenção do local ótimo para posicionamento do estoque através do otimizador Galapagos (ferramenta interna ao plugin Grasshopper que “varre” a região procurando aquele elemento que mais se aproxime do ´ótimo), em termos de coordenadas cartesianas X e Y.

Elementos Simulados

Equipamentos envolvidos com o subprocesso (Tabela 1): forma: escavadeira armadura: caminhão Munck concretagem: bomba lança, caminhão

betoneira e caminhão pipa

Áreas disponíveis para alocação do estoque das armaduras

Percursos desenvolvidos durante o transporte entre bloco e estoque

Fonte: Os autores

Figura 2 - Criação da superfície gradeada (a); comando Planar (b)

Fonte: os autores

A análise dos resultados das simulações envolveu a avaliação das simulação em relação sua utilidade e facilidade de uso. A utilidade pode ser avaliada com base na possibilidade de benefícios aos gestores do empreendimento advindos do uso dos simuladores, auxiliando em tomadas de decisões, bem como a possibilidade de melhoria de visualização dos fluxos. A análise da facilidade de uso possui como critérios a mão

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de obra demandada para aprendizado, requisitos necessários para a modelagem e tempo de processamento para otimização. Para apoiar a análise, foi realizada entrevista com uma engenheira e uma estagiária da empresa construtora na qual o estudo foi realizado.

A Tabela 1 a seguir apresenta um comparativo dentre alguns elementos simulados em 4 dimensões no software NavisWorks e a situação real encontrada em canteiro

Tabela 1 - Elementos simulados e reais Transporte das Formas Estoque das Armaduras Concretagem

Real

Simulado

Fonte: Os autores

3 RESULTADOS

3.1 Simulação BIM 4D

Durante esta etapa foram quantificados os tempos, distâncias e velocidades dos equipamentos envolvidos nas atividades de transporte para execução da fundação estudada a partir da simulação no NavisWorks. Este levantamento visou caracterizar os percursos realizados e compreender como os equipamentos estavam sendo utilizados no canteiro. Observou-se que o subprocesso Montagem das Formas conta apenas com uso do equipamento escavadeira, totalizando 3 percursos desenvolvidos. O subprocesso Instalação das Armaduras faz uso do caminhão Munck e totaliza 9 percursos. Por fim, o subprocesso Concretagem utiliza os caminhões Bomba-lança, Betoneira e Caminhão pipa, totalizando 3, 5 e 1 percursos respectivamente. A Figura 3 apresenta 2 dos 3 percursos realizados pela escavadeira.

Figura 3 - Percursos realizados pela escavadeira

Fonte: Os autores

A realização destas simulações possibilitou identificar que as rotas percorridas pelos equipamentos não eram as ótimas em termos de menores distancias. Entretanto a ferramenta utilizada não permite outras análises, como por exemplo, o aperfeiçoamento destas rotas de forma automática. Uma das principais limitações do uso da simulação 4D neste processo se deu devido ao fato do processo estudado ser basicamente composto de etapas sequenciais, onde não é possível a detecção de interferências entre os elementos. Outra limitação se deve ao processo ser exaustivamente manual,

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prejudicando a simulação dos equipamentos, carecendo assim de análises mais profundas que pudessem gerar maiores contribuições ao estudo. Dessa forma, uma vez que foi notada que a melhoria perpassava pela otimização do layout do canteiro, fez-se necessária a simulação por meio de outra ferramenta, optando-se pela simulação algorítmica.

3.2 Simulação Algorítmica

Esta simulação tratou de minimizar a soma das distâncias totais percorrida pelos funcionários desde o local de armazenagem do material, neste caso a armadura, até as principais áreas de trabalho, sendo considerado neste estudo cada um dos blocos que estavam sendo construídos. Considerou-se que cada bloco apresenta a mesma demanda de material e que todos os funcionários sempre descrevem a mesma rota durante o processo estudado, necessitando esta rota começar no estoque e terminar nos blocos.

Cabe-se esperar que o modelo algoritmo ao representar a menor distância entre o estoque e o bloco represente uma linha reta, no entanto, sabe-se que o canteiro é um cenário complexo e na maioria das vezes os transportes não são realizados dessa maneira, por esse motivo foram inseridas restrições no modelo a fim desviar os possíveis obstáculos encontrados no caminho.

Inseridas tais restrições, a simulação obtém o ponto otimizado para alocação do estoque das armaduras. Entretanto, durante a fase de visitas ao canteiro, percebeu-se que o local no qual se encontrava o estoque no canteiro não parecia ser o mais eficiente, uma vez que se encontrava em um dos extremos do canteiro. Assim, foi realizada uma comparação entre as distâncias atuais realizadas pelos funcionários com relação às distâncias que seriam percorridas caso se optasse pela solução encontrada pelo software. A Figura 4 mostra a o posicionamento do estoque real e o local otimizado obtido pela simulação algorítmica. A Tabela 3 apresenta as distâncias envolvidas nos percursos com as distintas configurações do estoque no canteiro.

Figura 4 - Disposição real x otimizada do estoque Tabela 2 - Comparativo entre os estoques otimizado e real

Distância (m) Estoque Mín Máx Média Total Real 23 368 174,7 3145Otimizado 33 228 93,5 1683

Fonte: Os autores

A partir da Tabela 3, percebe-se que as distâncias obtidas na solução otimizada correspondem a cerca de 48% de redução quando comparada às distâncias reais encontradas no canteiro durante as visitas. Dessa forma, percebe-se que o uso da simulação algorítmica permite obter consideráveis resultados na redução dos transportes dentro do canteiro, auxiliando no aumento da eficiência.

4 DISCUSSÃO

A partir da realização do estudo, pode-se avaliar a utilidade e a facilidade de uso proporcionada pelas simulações em BIM 4D e com base em Algoritmos Genéticos, conforme Quadro 3.

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Quadro 3 - Quadro resumo sobre a utilidade e facilidade de uso de cada software Constructos NavisWorks Grasshopper

Utilidade Melhoria da visualização e compreensão das etapas executadas, permitindo visualizar os acontecimentos associados à uma linha do tempo/cronograma.

Possibilidade de identificação de melhorias a partir da visualização dinâmica da simulação.

Dados quantitativos sobre as distâncias percorridas.

Possibilidade de simular, de forma estática, previamente o posicionamento de elementos do canteiro e encontrar a solução otimizada para o problema.

Possibilidade de identificação de melhorias a partir da visualização da simulação.

Dados quantitativos sobre as distâncias percorridas reais e as possíveis soluções.

Facilidade de Uso

Mão de obra demandada

Em torno de 18 dias, com uma dedicação média de 6h/dia.

Em torno de 10 dias, com uma dedicação média de 6h/dia.

Tempo de processamento

Aproximadamente 5 horas. Aproximadamente 30 minutos

Requisitos necessários à modelagem

Modelagem dos equipamentos e elementos do canteiro

Áreas disponíveis para alocação do estoque no canteiro.

Sequência executiva dos processos a serem modelados. Equipamentos utilizados no transporte Layout do canteiro e os locais onde os materiais serão utilizados. Cronograma da obra a fim de verificar se a configuração do layout irá

sofrer mudanças ao longo da execução da obra.Fonte: Os autores

Observa-se que em termos de Utilidade, há a possibilidade de identificação de melhoria a partir da visualização proporcionada por ambos os software utilizados, entretanto a visualização proporcionada por eles é distinta, uma vez que o NavisWorks é 4D com visão dinâmica enquanto que o Grasshopper é estática. Já dentro de Facilidade de Uso, percebe-se que o fato do tempo de processamento para simulação do NavisWorks ser maior quando comparado ao Rhinoceros pode ser explicado pela excessiva quantidade de informações e elementos modelados naquele software. Em contrapartida, o algoritmo desenvolvido pode ser considerado de baixa complexidade, o que não demanda muito tempo de processamento.

Ainda de acordo com o Quadro 3, ambos software necessitam de requisitos prévios para que sua simulação seja possível, o que torna seu uso limitado. A necessidade de se conhecer sobre os equipamentos utilizados advém da possibilidade de mudança nos percursos realizados na movimentação dos materiais devido a presença de declives ou obstáculos que venham a impedir a passagem de equipamentos de grande porte.

5 CONCLUSÃO

As ferramentas de simulação BIM 4D e com base em Algoritmos Genéticos utilizadas neste trabalho possibilitam a obtenção de distintas informações em relação às atividades de logística e layout do canteiro. Em relação à simulação com a tecnologia BIM 4D a principal contribuição deste trabalho foi a utilização desses modelos no gerenciamento dos fluxos de atividades em canteiro de obras atualmente utilizados para a representação de atividades de processamento. Esta simulação BIM 4D permitiu simular as rotas reais realizadas pelos equipamentos, assim como novas possíveis alternativas de forma manual.

Por outro lado, a simulação realizada no Grasshopper baseia-se nos conceitos da programação linear para resolver o problema do transporte de armaduras durante o processo de fundação em concreto. A análise do estudo de caso confirmou que a

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simulação realizada através do Grasshopper é uma ótima ferramenta para encontrar a alocação ótima de estoque e, por conseguinte, reduzir distâncias e tempos na movimentação de material entre o estoque e as áreas de trabalho. Os presentes autores esperam estender o modelo para incluir outros estoques e elementos do canteiro, porém o novo algoritmo ainda não é apresentado neste artigo.

Por fim, a partir da entrevista realizada com os gestores do empreendimento estudado com o intuito de validar as simulações realizadas no estudo e captar a percepção dos envolvidos quanto ao uso das ferramentas de simulação utilizadas, conclui-se que os gestores verificam grande potencial no uso das simulações para o planejamento e controle da logística no canteiro de obras. No entanto, em vista da necessidade da agilidade das informações na gestão da logística no canteiro, a simulação BIM 4D apresentou algumas limitações relacionadas a quantidade de tempo demandado na modelagem e simulação dos fluxos, e portanto, no fornecimento de informações úteis para a tomada de decisão relacionadas as atividades de transporte. Por esse motivo, os gestores da obra consideram a simulação realizada com base em Algoritmos Genéticos de maior utilidade, principalmente para a etapa inicial de planejamento do canteiro, permitindo o estudo dos possíveis posicionamentos dos estoques antes da implantação dos mesmos.

Assim, devido a este trabalho fazer parte de um trabalho de conclusão de curso associado a um projeto de doutorado, novos estudo serão realizados visando identificar as principais contribuições das simulações no planejamento e controle da logística no canteiro assim como no auxilio ao gerenciamento do projeto a curto prazo.

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