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1º Congresso Português de Building Information Modelling 24 e 25 de novembro de 2016, Universidade do Minho, Guimarães

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DESENVOLVIMENTO DE INTERFACES DE REALIDADE VIRTUAL A PARTIR DE BIM E AVALIAÇÃO DA SUA APLICABILIDADE Fábio Alexandre Matoseiro Dinis (1), João Pedro da Silva Poças Martins(1) (1) Faculdade de Engenharia da Universidade do Porto, Porto Resumo

Os programas comerciais associados à tecnologia BIM (Building Information Modeling), apesar da sua constante atualização, são por vezes rivalizados por outro tipo de soluções informáticas tecnologicamente menos evoluídas e com mais anos de mercado. O know-how e o processo de familiarização com o software BIM, o custo da atualização do equipamento das empresas e da formação ao nível do pessoal são dos principais obstáculos no percurso pela implementação desta tecnologia. O desenvolvimento de novos processos de interação entre Realidade Virtual (RV) e software BIM poderá desempenhar um papel relevante na relação entre máquina e utilizador. Foi desenvolvida uma solução original que permite uma troca de dados bidirecional entre o software de modelação e a interface virtual. A solução explorada recorreu a equipamento de RV como o Oculus Rift DK2 (Development Kit 2) e o sensor de deteção de comandos gestuais Leap Motion. Realizou-se também um teste de utilização através de um caso de estudo e preenchimento de um inquérito onde 30 participantes avaliaram o grau e adequabilidade/naturalidade de cada um dos comandos programados. Entre outras conclusões, destacou-se a avaliação da globalidade dos comandos com 126 (60%) de um total de 210 votos (30 participantes, 7 comandos), com a classificação máxima (Natural, não necessita de treino) dos 4 graus da escala fornecida. 1. Introdução A utilização de BIM não se identifica como um fator transversal à indústria AEC (Arquitetura, Engenharia e Construção). A preferência por soluções informáticas como o CAD (Computer Aided Design), ou seja, que não exigem conhecimentos na área do BIM, é uma realidade para muitos intervenientes do setor. Seja pela aparente simplicidade do CAD na execução de


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determinadas tarefas, seja pela falta de familiarização com os procedimentos BIM, a implementação desta metodologia junto das empresas enfrenta ainda algumas barreiras. As soluções BIM requerem maior detalhe e quantidade de informação pelo que, necessitam de maior dispêndio de tempo para o desenvolvimento das várias fases do projeto. Neste ponto as soluções como o CAD podem ser preferíveis para utilizadores que ainda não fizeram a transição para o BIM, sendo que, muitas das vezes implicam menor detalhe ou mais tempo gasto na realização de tarefas que, de outra forma, seriam automáticas no caso de um modelo BIM. [1] O know-how e o processo de familiarização com os programas informáticos comerciais dedicados ao BIM representam alguns dos principais obstáculos no percurso pela sua implementação. Não menos relevante, o desempenho das máquinas, responsáveis pelo processamento da informação, poderão determinar a morosidade de execução de tarefas, dependendo da dimensão do projeto BIM. A atualização das empresas ao nível do pessoal e do equipamento informático acarreta custos muitas vezes incomportáveis com a capacidade financeira das mesmas. Neste sentido, a falta de capacidade monetária para comportar este ponto gera uma barreira para a generalização do BIM entre os intervenientes na indústria da construção. [2] Neste trabalho propõe-se a avaliação do uso da realidade virtual (RV) como complemento à interação com software comercial BIM. Deste modo, será avaliada a sua viabilidade em operações como visualização, edição de modelos 3D, diminuição do tempo de familiarização do utilizador com a mecânica do trabalho, o potencial do seu uso como ferramenta facilitadora do diálogo entre os diferentes intervenientes num projeto, entre outros. O desenvolvimento de uma interface capaz de mobilizar sinergias entre BIM e RV pretende dar resposta aos seguintes desafios:

x Falta de experiência e incentivo por parte do pessoal ativo nas empresas relativamente à transição para a implementação da metodologia BIM e sua operabilidade;

x Diminuição do tempo de adaptação e familiarização com uma nova ferramenta informática;

x Acessibilidade da tecnologia a novos públicos, desde utilizadores de nível profissional com vasta experiência em modelação, a estudantes, docentes, utilizadores de “um BIM mais teórico”, a trabalhadores da indústria da construção sem qualquer contato anterior com este tipo de tecnologia, etc.;

x Alternativa às restrições associadas à visualização limitada pelo confinamento de ecrãs 2D;

x Explorar novos métodos de trabalho entre máquina e o utilizador. 2. Aplicações da RV em Engenharia Civil, Arquitetura e na Indústria da Construção Como tecnologia catalisadora de novos métodos de trabalho, a RV não se encontra circunscrita a um número limitado de aplicações. A oferta de sensores, software e capacidade dos


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equipamentos atuais é suficiente para afirmar que a RV se poderia aplicar “a todo o tipo de objetivos”. Quer isto dizer que a RV não se encontra prescrita para determinado uso numa única área do conhecimento. De modo evidente, a razoabilidade dessa mesma aplicação terá que ser sempre avaliada. No entanto, recai sobre a imaginação o potencial que a RV poderá exercer sobre novas metodologias e renovação de processos de trabalho. 2.1 Ferramenta de Comunicação Na comunicação de ideias e melhoria da perceção espacial, a RV poderá assumir um papel determinante, atuando como mediador na transmissão de informação entre diferentes intervenientes do processo construtivo, eliminando dúvidas ou dificuldades. Esta tecnologia poderá auxiliar os projetistas em processos de decisão em fases muito iniciais do projeto. Rendering, consiste no processo de produção de uma imagem a partir de dados armazenados num computador e é atualmente uma ferramenta de comunicação visual de utilização comum. Um render, termo correspondente à imagem processada, poderá induzir o observador em erros por se encontrar confinado ao espaço bidimensional de um ecrã ou projeção. De facto, a interpretação de uma imagem plana, imprimida ou projetada, é sempre recriada pela capacidade de quem a está a visualizar e a interpretar a 3D. Ainda que simulada a terceira dimensão do espaço (imagem plana, recorrendo à perspetiva ou ao 3D), a imersão espacial é inexistente, comprometendo a perceção do espaço [3]. Recorrendo à RV através de HMD’s (Head Mounted Display) conectados a um software de modelação, é possível imergir o observador no projeto modelado. Desta forma, a perceção da informação assemelha-se ao que aconteceria no local de construção. O ponto de vista passa de um observador “externo” à cena (caso do equipamento de “visualização plana” como ecrãs, projetores, etc.), para um participante do próprio modelo. Neste sentido, determinadas questões que só se levantariam em obra surgem a montante, onde as alterações acarretam menores custos. 2.2 Investigação e Ensino A RV aplicada ao ensino, na área da Engenharia Civil e Arquitetura, por exemplo, poderá atuar como complemento, influenciando positivamente a apreensão de conhecimentos a partir da imersão e interatividade proporcionadas por este tipo de tecnologia. Um modelo tridimensional imersivo poderá desempenhar um papel relevante na evolução da perceção visual dos espaços e/ou elementos, existentes ou não. A sensação de imersão num ambiente virtual distingue-se claramente da realidade transmitida por um ecrã ou vários em associação. A apresentação de conteúdos que outrora seriam de difícil interpretação em formato 2D poderão ganhar, no que concerne a inteligibilidade, se apresentados recorrendo a tecnologia de RV. Exemplos com alguma complexidade visual e apresentação contida numa só imagem são raros e difíceis de concretizar. Na generalidade dos casos são precisos conjuntos de plantas, cortes e pormenores construtivos para possibilitar a plena compreensão de alguns elementos construtivos. Uma visualização mais interativa e representativa dos elementos, da sua configuração no real, poderá auxiliar o processo de compreensão da escala e características dos mesmos.


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O modelo virtual poderá ser útil não só em lições presenciais, mas também para aprendizagem à distância. Deste modo, a RV proporciona novas alternativas para um ensino técnico, de uma forma impraticável recorrendo a metodologias tradicionais [4]. Importa salientar a componente motivacional associada à interação com uma tecnologia dinâmica como a RV. A integração desta tecnologia em ambiente letivo contará certamente com o fator motivacional por parte da audiência, o que poderá influenciar positivamente a eficácia da transmissão da informação. A introdução de RV nas instituições de ensino possibilita aos estudantes considerar este tipo de tecnologia na sua vida profissional. 3. Criação de uma plataforma de interação No desenvolvimento da interface foi utilizado o motor de jogo Unity (versão 5.3.4f1). Este motor de jogo surge como intermediário para que os modelos BIM, importados para este em formato próprio, possam ser manuseados em ambiente virtual. Dada a forma expedita com que o Unity interage com equipamentos de RV é possível, através de pequenos passos, conectar o modo de visualização da cena a um HMD. Neste programa é criado um cenário destinado à produção de um ambiente de jogo. Dentro do cenário disponibilizado podem ser importados vários objetos vindos do software BIM desde que respeitem determinados tipos de formato de ficheiro como o FBX (Filmbox) e o OBJ (Object file). Estes formatos de ficheiro asseguram a interoperabilidade, permitindo que a geometria dos objetos “a transportar” seja preservada. Fatores como texturas e cores não são comportadas neste tipo de formato e caso sejam relevantes para um determinado projeto devem ser adicionadas recorrendo a programas dedicados como 3ds Max, Autodesk Maya ou através de aplicações como o Universal Material Converter. Para além do HMD Oculus Rift DK2 foi ainda utilizado um sensor de leitura de movimentos gestuais. O Leap Motion deteta os movimentos das mãos do utilizador através de duas câmaras e três LEDs de infravermelhos até uma distância de 80 cm, afastamento limitado pela propagação da luz LED no espaço. O aparelho recebe a informação captada pelos sensores sendo esta enviada via USB para o Leap Motion tracking software.


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Figura 1: Utilização do sensor Leap Motion na manipulação de objetos BIM no ambiente

virtual. Para alcançar uma interação distinta daquela que é tradicionalmente feita através de um computador, a relação obtida entre estas duas peças de hardware, Oculus Rift e Leap Motion, foi testada e consecutivamente sujeita a ajustes. O objetivo seria criar, ou reutilizar comandos para que, de forma natural, permitissem manusear a geometria de objetos de um projeto. Como representado na Figura 1, basta ao utilizador erguer as mãos até que estas estejam no seu campo de visão para que possam surgir no cenário virtual e interagir com o projeto a decorrer. A interação poderá ser feita adicionalmente recorrendo a um joystick, nomeadamente para operações de movimento do observador e rotação, cópia e translação de objetos. 4. Elaboração de um plugin para o Autodesk Revit 2016 Foi desenvolvido um plugin, usando a linguagem de programação C#, para estabelecer a comunicação entre o modelo BIM no Autodesk Revit 2016 e os correspondentes objetos no ambiente virtual criado através do Unity. Todas as operações reconhecidas pelo plugin e reproduzidas no Revit correspondem a gravações feitas em linhas de um ficheiro de texto, enviadas pelo Unity em tempo real a partir de um script. Os comandos de translação e rotação recorreram à API (Application Programming Interface) do Revit na sua programação. Assim, o comando translação estabelece que caso seja lida no ficheiro de texto uma operação de translação associada a um objeto, esta será representada no Revit através do vetor deslocamento entre a posição original e a final do objeto em causa. O comando rotação é executado sempre que se introduzam alterações na orientação de um objeto no espaço virtual. A nova orientação é registada no ficheiro de texto e atualizada imediatamente no modelo do Revit. A identificação de cada objeto no espaço virtual e no ambiente de modelação requer que os respetivos IDs sejam mapeados devidamente. O ficheiro FBX permite incluir os IDs de cada objeto na respetiva designação que é visível no Unity pelo que, para objetos definidos no Revit esse mapeamento é efetuado corretamente. Já para os novos


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objetos criados no ambiente virtual foi necessário desenvolver um expediente para garantir a sua correta identificação no software de modelação. Assim, ao reproduzir o comando cópia no ambiente virtual, um objeto com ID original igual a [4000] é registado como [-4000] no ficheiro de texto. De imediato o Revit irá criar uma cópia deste objeto, sendo reconhecido (plugin) que o ID [-4000] será interpretado pelo Revit como um novo ID de valor igual a [-1]. Desta forma, o resultado visível no Revit é uma cópia de um objeto já existente cujo ID corresponde a [-1]. Foi programado um contador para que caso se fizesse uma nova cópia, o ID da mesma seria [-2] e assim sucessivamente de forma cumulativa por cada nova cópia de um objeto já existente. Recorreu-se ainda à função Idling da API do Revit que permite que o código do plugin seja executado praticamente de forma contínua, desde que nenhum outro comando do Revit esteja a ser invocado [5]. Desta forma, caso sejam escritas novas linhas no ficheiro de texto, ou seja, operações de cópia, translação ou rotação no Unity, irá ocorrer uma resposta no Revit. Da perspetiva do utilizador o projeto será atualizado, comunicando entre os dois programas, Unity e Revit, de um modo próximo a uma comunicação em tempo real, embora ambos processem modelos separados. 5. Caso de estudo 5.1 Descrição Com o objetivo de obter uma resposta do utilizador final realizou-se uma prova de conceito transposta no formato de caso de estudo. Assim, e embora se reconheça que a dimensão da amostra não permita obter resultados estatisticamente significativos para a população alvo, depreenderam-se cuidadosamente algumas conclusões acerca da recetividade dos inquiridos face à interação proporcionada pelos comandos desenvolvidos. A importação do modelo integral seria incompatível com o intuito deste estudo pelo que, a cada participante no caso de estudo apresentou-se um modelo BIM do edifício O, cafetaria da FEUP (Faculdade de Engenharia da Universidade do Porto). Por forma a realçar a componente sequencial do teste o modelo encontrou-se dividido em dois espaços (Figura 2). Nestes decorreram os testes para avaliação do grau de interação/adequabilidade dos comandos programados. O modelo foi importado para o motor de jogo Unity a partir do Autodesk Revit 2016, via FBX. A fase prática do teste inicia-se na zona 1 (Figura 2, à esquerda) cuja intenção consiste na familiarização do utilizador com o ambiente em RV. Nesta zona decorram testes em dois momentos. Primeiramente o domínio de dois comandos básicos de interação: comando de movimento e comando de seleção, ambos com auxílio do joystick. O domínio do movimento pela cena e a capacidade de selecionar individualmente um objeto, representam duas funções fundamentais para a primeira experiência com a interface. O comando de movimento é ativado através do deslocamento do botão analógico esquerdo (Figura 3). O utilizador movimenta-se pelo cenário mudando de direção mediante a orientação da cabeça. O comando de seleção é ativado ao premir o botão A, e desativado caso o botão B seja pressionado (Figura 3). Um objeto


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ao ser selecionado no ambiente virtual terá a sua cor original modificada para amarelo (decretada por código RGB) auxiliando o utilizador na identificação. Num segundo momento decorreu o teste dos comandos de translação, rotação e cópia dos perfis H indicados na Figura 2 à esquerda. A translação destes objetos pode ser executada por dois processos. O primeiro consiste em selecionar um objeto e através do botão analógico esquerdo (Figura 3) arrastá-lo até à posição desejada. Como alternativa é possível selecionar um objeto pretendido e executar um pinch. O Leap Motion, caso se coloque uma das mãos em frente do sensor, unindo o polegar ao indicador, deteta a execução do comando gestual pinch. De seguida, basta mobilizar a mão numa direção e o objeto selecionado acompanhará o movimento de translação. O comando de rotação, semelhante ao de movimento, poderá ser ativado por dois meios. Ambos requerem que um objeto seja selecionado através do botão do joystick que executa o comando de seleção. Após a escolha do objeto a manusear, o utilizador poderá optar por uma das teclas destinadas ao comando de rotação através do joystick (Figura 3) gerando uma rotação do objeto selecionado segundo o seu próprio eixo vertical. Um segundo processo para ativar o comando de rotação é executado através do sensor Leap Motion. Estabelecendo gestualmente dois pinchs, o Unity deteta o ponto médio entre a posição das duas mãos. Em rigor, esta posição é calculada como o ponto médio entre a união de um polegar com um indicador de uma mão (pinch da mão esquerda, por exemplo) e o seu correspondente na mão direita (pinch detetado com a mão direita). O objeto selecionado irá rodar, para esquerda ou direita, atendendo ao deslocamento de uma mão em relação à outra. Para copiar um elemento previamente selecionado, será necessário recorrer ao comando cópia. Esta funcionalidade permite que o utilizador crie um número ilimitado de cópias de um objeto. O comando é ativado através do botão X do joystick, ou seja, um objeto é selecionado e poderá produzir-se uma cópia do mesmo pressionando o botão X.

Figura 2: Cenário correspondente à zona 1 (esquerda) e zona 2 (direita).

A zona 2 (Figura 2 à direita) foi concebida tendo como finalidade um teste integral da interface e das suas funcionalidades. O utilizador tendo à sua disposição todos os comandos programados teria que executar cada um dos tópicos indicados:

1. Criar uma cópia do lavatório existente;


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2. Alterar a posição da cópia, colocando-a sobre uma nova parede, para além da que suporta o lavatório original.

Figura 3: Comandos associados a cada botão do joystick. [6]

5.2 Aplicação da interface desenvolvida à Engenharia de Instalações- Revit MEP A interface de RV poderá ser utilizada em conjugação com variados tipos de software. A sua arquitetura é flexível, podendo ser ajustada para interagir adequadamente com a API específica de cada programa BIM. No trabalho desenvolvido optou-se por explorar o software Revit 2016 da Autodesk. Representa um dos programas BIM mais utilizados a nível mundial e disponibiliza uma licença de estudante gratuita. O Revit é também a ferramenta BIM mais utilizada para a produção de desenhos segundo o National BIM Report de 2016 no setor da construção do Reino Unido, seguindo o ArchiCAD e o Vectorworks [7]. Um aspeto relevante do MEP (Mechanical, Electrical and Plumbing) reside na particularidade de os objetos poderem estar ligados entre si, seja por tubagens, peças específicas de ligação como “tês”, “cotovelos”, etc. Essas ligações surgem quando dois elementos se fixam entre si ativando uma conexão. Esta dependência gera um movimento conjunto entre os objetos conectados. A agregação entre os elementos permite ao mover um só objeto, fazer com que todos os outros ligados ao primeiro se movimentem em conjunto. Na Figura 4 pode-se constatar o símbolo , referente ao ponto de conexão entre dois objetos. Importa referir que para além do movimento em simultâneo, as tubagens poderão modificar o seu comprimento adequando-se à nova localização do objeto a que se encontram conectadas.

Rotação de um objeto selecionado no sentido anti-horário.

Ativa o comando de seleção de um objeto.

Desativa o comando de seleção de um objeto.

Rotação de um objeto selecionado no sentido horário.

Ativa o comando de cópia.

Ativa o comando de movimento.


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Figura 4: Pormenor da conexão entre bacia de retrete e tubagem.

5.3 Análise de resultados Depois de realizarem as operações descritas no ponto 5.1, os participantes preencheram um questionário com o intuito de avaliarem a usabilidade do hardware e das ferramentas informáticas desenvolvidas. Dos equipamentos de RV utilizados, o comando Rotação (joystick) obteve a maioria das preferências dos participantes do caso de estudo, seguindo o comando Translação ativado a partir do sensor Leap Motion. O comando classificado com menor grau de naturalidade/adequabilidade foi o de Translação de objetos através do joystick (consultar Figura 5). Como nota final, pode salientar-se o fato de a grande maioria das classificações se ter feito através das opções “Requer pouco treino” e “Natural, não necessita de treino”. A globalidade dos comandos do caso de estudo foi classificada com 126 (60%) de um total de 210 votos (30 participantes, 7 comandos), com a classificação máxima dos 4 graus da escala (Figura 6).


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Figura 5: Classificação geral da adequabilidade/naturalidade de cada um dos comandos

desenvolvidos para RV.

Figura 6: Classificação acumulada da interface produzida em RV.

024681012141618202224262830

Movimento(joystick)

Seleção(joystick)

Rotação(joystick)

Rotação(Leap

Motion)

Criação decópia

(joystick)

Translação(joystick)

Translação(Leap

Motion)

Núm

ero

de re

spos

tas

Pouco intuitivo Requer muito pouco treino Natural, não necessita de treino

07

77

126

0

20

40

60

80

100

120

140

Nada intuitivo Pouco intuitivo Requer muitopouco treino

Natural, nãonecessita de treino

Núm

ero

de re

spos

tas


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6. Conclusão Através do recurso a hardware de realidade virtual (Oculus Rift e sensor Leap Motion) foi possível observar que utilizadores de diferentes ramos do conhecimento e de diferentes idades conseguiram operar com software BIM sem consciência de que o estavam a realizar. Dado as alterações no modelo em Unity reproduzirem-se automaticamente no projeto em Revit, é possível sem conhecimento prévio de trabalho com esta ferramenta BIM, executar modificações simples em projetos. A interface não detém o rigor geométrico da ferramenta Autodesk Revit, nem faria sentido dentro dos objetivos do presente trabalho. O rigor do projeto é conferido através de software dedicado como o Revit, ArchiCAD, AECOsim, Vectorworks, entre outros. Um dos principais objetivos alcançados passou pela evidência de uma modificação no projeto exercida através de RV e visualizada paralelamente num programa BIM. Importa referir que durante o caso de estudo apresentado detetou-se entre os 30 participantes um caso de náusea e enjoo provocado pelo chamado motion sickness. Pausas regulares, a habituação à tecnologia e a qualidade do computador onde a interface de RV está a ser utilizada exercem influência sobre esta reação. Em suma, o mercado para a RV está em expansão e a Engenharia Civil poderá usufruir de muitas das vantagens deste tipo de tecnologia. Este trabalho poderá contribuir para o desenvolvimento de interfaces mais complexas onde o leque de possibilidades será uma tarefa difícil de antever. Referências [1] Ireland, B. "Growing Pains Despite an increase in the software’s adoption, the electrical

industry is still experiencing barriers with BIM". EC&M Electrical Construction & Maintenance. http://www.ecmweb.com/design/growing-pains. (Março 2016).

[2] Clemente, J., Cachadinha N., "Building Information Modeling como ferramenta de visualização de realidade aumentada em obras de reabilitação – Um Caso de Estudo" (2012), Congresso Construção 2012, 4º Congresso Nacional, Coimbra 2012.

[3] Hampton, V., Rubenstone, J., Sawyer, T. "How Video Games Became Design and Construction Tools A new generation is hacking into its childhood toys—and driving better project decisions". ENR Engineering News-Record http://www.enr.com/articles/38932-how-video-games-became-design-and-construction-tools. (Março 2016).

[4] Sampaio, Alcínia Z., Ferreira, Miguel M., Rosário, Daniel P., Martins, Octávio P, "3D and VR models in Civil Engineering education: Construction, rehabilitation and maintenance", Automation in Construction, vol. 19, pp. 819 - 828, Novembro 2010. doi.: 10.1016/j.autcon.2010.05.006.

[5] Tammik, J. "Idling Event". The Building Coder Blogging about the Revit API. http://thebuildingcoder.typepad.com/blog/2010/04/idling-event.html. (Junho 2016).

[6] http://ecx.images-amazon.com/images/I/91RsGVBf1IL._SL1500_.jpg (Junho 2016). [7] National BIM Library. " The National BIM Report is the most comprehensive analysis

of the state of BIM within the UK construction sector", National BIM Report 2016. https://www.thenbs.com/knowledge/national-bim-report-2016. (Junho 2016).


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