UMA FERRAMENTA DE REALIDADE VIRTUAL PARA O PROJETO DE CANTEIRO DE OBRAS

Eduardo Toledo Santos Escola Politécnica da Universidade de São Paulo, Departamento de Engenharia de Construção Civil

Av. Prof. Almeida Prado, trav.2, n.83 – 05508-040 São Paulo -SP, tel: (11)3091.5284, fax: 3091.5715 e-mail: eduardo.toledo@poli.usp.br

RESUMO

Esse artigo descreve uma ferramenta computacional para o projeto de canteiro de obras baseada em tecnologia de Realidade Virtual. Pesquisas anteriores mostraram o impacto do planejamento do layout do canteiro na produtividade e no custo da construção. Apesar de exigido por lei, o layout do canteiro é um documento pouco executado com a devida antecedência e cuidado e, menos ainda, atualizado de acordo com a real evolução da obra e do canteiro. Entre as razões para essa conduta estão a dificuldade de criação e manutenção deste documento, geralmente feito no local pelo engenheiro de obra. Motivado por esse contexto, decidiu-se criar um software inovador que, sem tirar o poder de decisão do engenheiro encarregado, o auxiliasse no desenvolvimento e atualização do projeto do canteiro. Constatando-se as deficiências do tradicional layout em planta para representar uma entidade tridimensional e dinâmica como o canteiro, selecionou-se algumas tecnologias de baixo custo ligadas à Realidade Virtual como base para o desenvolvimento desta aplicação. A interação num ambiente 3D realístico propicia ao usuário uma visualização privilegiada do espaço disponível para alocação de materiais, instalações, veículos e equipamentos no ambiente da obra. Neste trabalho será descrito o ambiente de programação deste sistema bem como os recursos implementados na primeira etapa do desenvolvimento da ferramenta.

ABSTRACT

This paper describes a computational tool for construction site planning based on Virtual Reality technology. Previous research has shown the impact of construction site layout design on productivity and on the construction cost. Although demanded by law, the site layout is not prepared as carefully and as early as needed and even less updated according to the real site evolution. Among the reasons for this behavior are the difficulty for creating and maintaining this document, usually prepared on site by the resident engineer. Motivated by this scenario, it was decided to create an innovative software that, without taking out the decision power of the engineer in charge, could help him to create and update the site layout. Some low cost technologies related to Virtual Reality were chosen to base the system development as a way to overcome the limitations of the traditional 2D layout for representing something so spatial and dynamic as is the construction site. The interaction in a 3D, realistic environment gives the user a privileged view of the available space for allocating materials, facilities, vehicles and equipment in the site. In this article it will be described the programming environment as well as the features implemented in the first development phase of this tool.

Palavras-chave: canteiro de obras, realidade virtual, layout

1. INTRODUÇÃO

Pesquisas no Brasil (MAIA, 2003; SILVA; CARDOSO, 1998; CRUZ et al., 1998), bem como no Reino Unido (RETIK; SHAPIRA, 1999) e nos Estados Unidos (SHAPIRA; LAUFER, 1993) mostram que documentos de planejamento relacionados ao canteiro de obras normalmente não são preparados com a devida antecedência (geralmente só quando se iniciam as obras) e também não são atualizados de acordo com a real evolução dos canteiros durante o empreendimento. A atualização do layout do canteiro é tarefa tediosa (RETIK; SHAPIRA, 1999) e trata-se de um documento de caráter temporário, como são as instalações que documenta. Estas podem ser explicações plausíveis para a negligência na manutenção deste documento, apesar de exigido por normas legais no Brasil (NR-18). Por outro lado, tal ferramenta de planejamento, se bem utilizada, tem impacto significativo para a produtividade, economia e segurança de obras civis (CIOCCHI, 2004). A decisão correta quanto aos locais de armazenagem de materiais (areia a granel, sacos de cimento, blocos, ferragens, compensados, etc.) e produção (central de argamassa, betoneira, serralheria, dobradeira, etc.) em relação às áreas de consumo no canteiro pode garantir maior produtividade ao reduzir tempos de movimentação de materiais (SERRA, 1997), menor desperdício pela redução de perdas no transporte e prevenção de imprevistos e, finalmente, aumento da segurança, através da previsão de rotas de deslocamento de pessoas e materiais e da estocagem de insumos. Da mesma forma, a alocação correta de equipamentos, elevadores e gruas é fundamental para a segurança e produtividade da obra e, em alguns casos, até a sua construtibilidade.

A hipótese principal da pesquisa relatada neste artigo é que a disponibilidade de um aplicativo computacional que facilite o desenvolvimento e desenho do layout do canteiro, bem como sua atualização de forma simples, permitiria extrair deste documento todo o seu potencial como ferramenta de planejamento (FREITAS; SANTOS, 2003, 2004). Em paralelo, o reconhecimento da importância do layout do canteiro e conseqüente alocação de tempo e recursos para seu desenvolvimento nos empreendimentos da construção civil são condições importantes para a incorporação dos resultados da pesquisa aqui proposta no mercado e correspondente benefício da sociedade.

O processo tradicional de projeto do layout de canteiro de obras adota, quando muito, ferramentas CAD 2D para concepção e desenho dos arranjos projetados. No entanto, trata-se de um processo com duas propriedades importantes, às quais o tradicional layout 2D não dá suporte: tridimensionalidade e dinamismo. A primeira característica se refere ao fato de que uma obra civil é um espaço 3D e nele deverão ser alocados os vários elementos do canteiro, de alojamentos e áreas de armazenamento de materiais a equipamentos e elevadores. A característica de dinamismo dá-se pelo fato de que o layout do canteiro altera-se com a evolução da obra, devendo-se projetar vários arranjos no mesmo espaço, para momentos diferentes, além dos imprevistos característicos da construção civil, sujeita a toda sorte de influências (climáticas, humanas, comerciais, etc.) que podem causar alterações no cronograma estabelecido. Dessa forma, adotou-se como premissa para a interface do sistema uma tecnologia gráfica e interativa, e que suporte a visualizaçao tridimensional do ambiente projetado. A Realidade Virtual (RV) é tecnologia mais adequada para esta função, pois suporta as 2 características mencionadas anteriormente. A visualização 3D permitida por um ambiente virtual facilita a tarefa de otimizar requisitos espaciais e avaliar a relação entre elementos (IQBAL; HASHMI, 2001). A interatividade intrínseca da RV, além de proporcionar uma interface intuitiva ao usuário, permite integrar naturalmente a dinâmica evolutiva do canteiro. Por fim, trata-se de excelente ferramenta de comunicação, constituindo-se numa forma de representação gráfica mais intuitiva que o layout 2D em papel, garantindo a compreensão por aqueles operários que efetivamente devem implantar o canteiro, normalmente de baixa instrução e com pouco treinamento.

2. REALIDADE VIRTUAL

A Realidade Virtual – ambientes gerados por computador envolvendo um ou mais sentidos humanos

e gerado em tempo real de acordo com as ações do usuário (BERTOL, 1997) – é uma tecnologia que pode ser realizada em diferentes níveis de sofisticação, com custos correspondentes ao grau de imersão proporcionado. As chamadas “RV não-imersiva” e “RV de mesa” (Desktop VR) (NETTO et al., 2002) são tecnologias que proporcionam as vantagens interativas da Realidade Virtual que interessam a este projeto porém com muito baixo custo, já que se utilizam de monitores convencionais e, possivelmente, de óculos estereoscópicos simples para percepção de profundidade, auxiliando o

posicionamento de elementos no ambiente 3D. Considerando o estágio atual do mercado da construção civil no Brasil, este é possivelmente o ambiente mais sofisticado que se pode pretender para a aplicação proposta, apesar da disponibilidade em nosso país de instalações de RV bastante avançadas em instituições acadêmicas (LSI, 2007; NTAV, 2007) e em indústrias das áreas automobilística, aeronáutica e de petróleo.

O uso de Realidade Virtual na Construção Civil têm sido pesquisado há mais de uma década, mas sua implementação prática ainda tem que amadurecer (BOUCHLAGHEM et al., 2000). Korves e Loftus (2000, p.425) comentam que “RV se tornou um termo negativo, lembrando algo que prometeu muito mas ainda não cumpriu. Isto ocorre em parte devido às expectativas exageradas e em parte pela falta de investigações cuidadosas de onde aplicar a RV para obter um benefício visível. Atualmente, a pesquisa em RV está direcionada a encontrar aplicações de qualidade onde os benefícios comprovados da RV em relação a sua capacidade superior de interação e visualização pesem mais que as restrições desta tecnologia”. A pesquisa proposta neste projeto vai justamente nesta direção, procurando utilizar as potencialidades da RV para enfrentar um problema com características extremamente adequadas à sua aplicação. Num contexto mais amplo, procura integrar ferramentas da Tecnologia da Informação (TI) na Construção Civil, área tradicionalmente atrasada em relação às outras indústrias no que se refere ao uso da TI para alavancar ganhos competitivos, aumentando a produtividade do setor.

Waly (2001, p.51) comenta que “a experiência tem mostrado que recursos limitados de visualização e interação com o usuário têm sido um grande impedimento para a aplicação efetiva de sistemas de software na indústria da construção”. Assim, é preciso desenvolver sistemas que avancem na direção do realismo visual e interatividade mais intuitiva. Um alto grau de interação entre o projetista e os componentes projetados é fundamental para os sistemas de apoio ao projeto do século 21; esta interação é facilitada por um representação de objetos de alto nível e uma interface intuitiva (POHL et al., 2000). Estas são características inatas dos sistemas de realidade virtual.

3. ARQUITETURA PROPOSTA

O objetivo principal do projeto é o desenvolvimento de um aplicativo computacional baseado na tecnologia de realidade virtual para o apoio ao projeto de canteiros de obras civis, em particular de edifícios comerciais e residenciais.

Tal software deverá se integrar com outras ferramentas utilizadas no processo de projeto e gestão (CAD e aplicativos de gestão de projetos/cronogramas) e dispor de interface simples e intuitiva, permitindo a geração de layouts iniciais e sua atualização.

O sistema buscará uma arquitetura deliberadamente simples para que efetivamente possa ser incorporado à rotina dos profissionais do mercado de construção civil. Os enfoques adotados por outras pesquisas na mesma área buscam de imediato a integração de todo o processo de projeto e execução da construção. Ocorre que, apesar de avançados sistemas existirem no ambiente acadêmico internacional (DAWOOD et al., 2001; FERNANDO et al., 2001; LIGGETT, 2000; SRIPRASERT; DAWOOD, 2001; TAWFIK; FERNANDO, 2001; TOMMELEIN, 1999; WOKSEPP; TULLBERG, 2001; WHYTE, 2001; ZHANG; LIU; COBLE, 2002; ZOUEIN; TOMMELEIN, 1999; ZOUEIN; TOMMELEIN, 2001), bem como sistemas comerciais para planejamento da construção (CAD4D, ex: ConstructSim1), eles ainda não são uma realidade corrente nos mercados internacionais e, muito menos, em países em desenvolvimento como o Brasil.

Deve-se enfatizar que o aplicativo proposto não pretende automatizar a tarefa de concepção do layout, haja vista que a cultura em voga na construção civil requer a adesão do engenheiro de obra para a efetiva implantação do layout projetado. Pohl et al. (2000) destacam que sistemas CAD ou de suporte ao projeto que têm sucesso apóiam ao invés de substituir o tomador de decisões humano; o sistema de suporte à decisão deve focar a identificação e não a resolução automática dos conflitos.

1 http://www.commonpointinc.com

Assim, o software deve ser uma ferramenta de apoio ao processo de projeto do canteiro ao invés de oferecer soluções prontas ao profissional encarregado desta tarefa. O suporte a esta atividade se dará através de mecanismos que facilitam a visualização tridimensional do espaço da obra e de seus elementos, indicação dos itens que necessitam ser alocados e suas quantidades a cada momento, cálculo automático de áreas e volumes de materiais e equipamentos de construção, bem como de distâncias e indicação de área de serviço de gruas e interferências, entre outras. O sistema deverá permitir a visualização do canteiro em qualquer momento específico de tempo, de acordo com o cronograma da obra, recebimento e consumo de materiais, bem como instalação e remoção de equipamentos.

A arquitetura do sistema proposto é orientada a objetos. A criação de um canteiro no sistema é feita através de duas tarefas essenciais: instanciação de objetos e seu posicionamento no espaço e no tempo. Um objeto pode ser desde um monte de areia até um escritório inteiro, passando por operários, equipamentos, veículos, o terreno e a própria edificação. Ao inserir um objeto, suas propriedades devem ser configuradas (quantidade/área/volume, tipo, etc). A expressão “posicionamento no tempo” refere-se ao fato de que o layout do canteiro não é estático, pois pode variar a cada fase, de acordo com o andamento da obra. Assim, o operador deve indicar em que data cada objeto será alocado em determinada posição.

Para auxiliar o planejamento, o sistema poderá oferecer um conjunto de recursos que vão desde medição de distâncias até a verificação de obediência a determinadas normas regulamentadoras. O cálculo das dimensões ocupadas pelos materiais é feito automaticamente pelo sistema, a partir da quantidade e tamanho dos elementos básicos.

Além dos objetos, o sistema registrará uma lista de atividades. Toda atividade tem um período delimitado e requer recursos humanos, materiais e, possivelmente, equipamentos. As atividades são ligadas a materiais e podem determinar seu consumo, reduzindo sua quantidade automaticamente. Por exemplo, a atividade “Construção da parede n.34” que, de acordo com o cronograma físico da obra, dura 5 dias e exige 800 blocos e 0,5 m3 de areia para ser realizada, automaticamente reduz estas quantidades de materiais das pilhas de blocos e de areia neste período, potencialmente liberando espaço no canteiro para a alocação de novos materiais. Dessa maneira, o sistema apóia o projetista do canteiro indicando-lhe em cada momento quais materiais, equipamentos e pessoas devem estar minimamente alocados na obra, de acordo com o cronograma físico planejado. Cabe ao operador realizar a alocação destes recursos no espaço do canteiro.

Uma atividade especial no sistema é a de movimentação. Esta atividade é associada a materiais, equipamentos e locais e serve para levar em conta o tempo e recursos necessários para movimentar materiais no canteiro, bem como planejar rotas. Por exemplo, a construção da “parede n.34” exemplificada anteriormente, requer o transporte dos blocos de seu local de armazenamento (pilha) até o local de construção da mesma. Se, para esta tarefa, for alocado um operário com um carrinho de mão e o uso de um elevador para chegar à laje onde deve ser construída a parede, o sistema poderá automaticamente calcular o tempo de transporte deste material, bem como mostrar a animação da atividade e correspondente realocação do material. Com este recurso, o planejador pode simular diversos pontos de armazenamento bem como trajetórias no canteiro, procurando otimizar o tempo de transporte, bem como garantir a construtibilidade no tempo previsto e a segurança da operação.

Bibliotecas com objetos (materiais, equipamentos, veículos, acessórios, operários e instalações temporárias padronizadas) estarão disponíveis para compor os canteiros. O usuário também poderá importar a geometria de objetos 3D modelados por ele com sistema CAD, configurando suas características.

O auxílio à visualização proporcionado pelo ambiente virtual é um dos maiores benefícios do sistema. Permite visualização facilitada e oportunidade de colaboração entre membros da equipe de projeto, permitindo a antecipação de interferências e outros problemas que podem surgir no momento de execução da obra. Também possibilita que o projetista não precise ser tão experiente para que possa identificar potenciais problemas de layout, melhorando a construtibilidade do projeto. Múltiplas posições de câmera poderão ser armazenadas, permitindo a visualização do canteiro de diversos pontos de vista (de dentro, simulando um passeio no terreno; panorâmica, para uma visão geral do

alto; superior, simulando o layout 2D). A visualização deve contar com nível de realismo adequado. Para isso, os objetos disponíveis nas bibliotecas serão texturizados. O ambiente vizinho ao canteiro pode ser representado com o detalhamento necessário (presença de edificações que podem interferir com a grua, por exemplo) ou simplesmente simulado visualmente através de uma foto panorâmica tirada no local, permitindo inclusive a execução de estudos do canteiro para fins de marketing. Também as fontes de luz podem ser simuladas no sistema, permitindo o projeto da iluminação do canteiro, bem como sinalização interna.

A figura 1 mostra os principais dados de entrada e saída do sistema. Os dados de entrada deverão idealmente provir de outros softwares usados no projeto e gestão da obra. Assim, pretende-se que o cronograma físico (com indicação de consumo de recursos) possa ser importado do MS Project ou Primavera e a topografia do terreno, bem como a projeção da edificação ou andar tipo, de arquivos DWG (CAD).

Figura 1 – Dados de entrada e saída do sistema

4. PROTÓTIPO

Atualmente está em desenvolvimento um protótipo da ferramenta proposta, que pode ser usada tanto como aplicativo independente como acessada na web através de um browser com o plugin adequado instalado.

O sistema permite a navegação no ambiente que contém o terreno do canteiro e as edificações da vizinhança previamente modelados em qualquer modelador que permita a exportação em formato .3ds, .dwg ou .wrl (VRML), entre outros. Bons exemplos são os produtos 3D Max e SketchUp. Os objetos podem conter atributos com propriedades de materiais (cores, acabamento superficial, etc.) e também mapeamento de textura, aumentando o realismo.

Os 3 botões do mouse permitem, respectivamente, navegar pelo ambiente, alterar a direção de observação e a altura do observador. A figura 2 mostra uma visão geral de um ambiente criado para demonstração do sistema, que está em fase inicial de desenvolvimento. Essa é uma área real, existente

na cidade de Houston, TX (EUA), onde o autor desenvolveu parcialmente o sistema. A fotografia aérea mapeada no solo e no topo dos edifícios foi obtida no Google Maps (http://maps.google.com).

Figura 2 – Visão geral do terreno do canteiro e suas imediações

A barra de espaço permite chamar o menu principal do aplicativo, onde estão disponiveis opções para salvar ou carregar uma configuração de canteiro (isto é, os materiais, equipamentos e instalações, em suas respectivas posições), acessar a biblioteca de materiais e veículos para inserção no canteiro e restauração de posições de câmera pré-definidas (figura 3).

Figura 3 – Visão do canteiro ao nível do solo e o painel principal

A inserção de novos elementos no canteiro é feita através da seleção do item numa biblioteca (figura 4) e, para posicioná-lo, basta ao usuário clicar em uma posição qualquer na área do canteiro. Após a inserção, o objeto pode ser movido, bastando para isso clicar sobre ele e arrastá-lo para a posição desejada.

O botão direito do mouse, ativado sobre um objeto qualquer inserido, permite visualizar um menu com opções para rotacionar o objeto, apagá-lo, etc.

Figura 4 – Painel de seleção de elementos da biblioteca

4.1. Ambiente de Programação

Estão disponíveis inúmeras tecnologias para o desenvolvimento de aplicativos 3D/RV para uso local (standalone) ou para acesso através da Web. Para garantir baixo custo e longevidade do aplicativo, deve-se idealmente optar, no desenvolvimento, pela adoção de padrões abertos como VRML – Virtual

Reality Modeling Language (ISO/IEC 14772:1997) e X3D - Extensible 3D (ISO/IEC 19775:2004) e, conseqüentemente, por ferramentas que suportem o desenvolvimento nestes padrões. Tal escolha pode permitir também o acesso ao software através da web, facilitando seu uso e ampla divulgação. Essas linguagens descrevem, em arquivos de texto, a geometria e os materiais dos objetos que compõem o mundo virtual que representam. Plugins disponíveis gratuitamente para os principais browsers são usados para a visualização e navegação pelos ambientes criados. A ligação com scripts ou programas em linguagem Java permite adicionar comportamentos aos objetos, provendo a necessária interatividade ao aplicativo.

Há a opção também por uso de bibliotecas abertas como a OpenSG (www.opensg.org) ou a OpenSceneGraph (www.openscenegraph.org) que estão num nível hierárquico acima das bibliotecas gráficas mais ligadas ao hardware com a OpenGL e oferecem os recursos necessários de rendering, iluminação, controle de câmeras, etc. Nesse caso, é necessário conhecer linguagens de programação completas e orientadas a objeto como C++ ou Java. A vantagem é o melhor desempenho do aplicativo final e a total flexibilidade de programação em termos de recursos disponíveis.

O uso de utilitários para desenvolvimento de aplicações 3D permite grande ganho de produtividade na medida em que todas as tarefas relativas à síntese de imagens (rendering, iluminação, tonalização, texturas, etc.) é feita de forma automática pelo ambiente, bem como a detecção de colisão entre

objetos, navegação, interação com usuário, etc. Assim, o uso destes ambientes de desenvolvimento dispensam qualquer tipo de programação sofisticada, permitindo a obtenção rápida de resultados. No desenvolvimento deste aplicativo optou-se por uma solução deste tipo, denominada EON Studio (www.eonreality.com). Neste sistema, a programação de interação mais sofisticada é feita através da linguagem JScript (http://msdn2.microsoft.com/en-us/library/hbxc2t98.aspx).

4.2. Requisitos de Hardware

Quanto aos requisitos de hardware, pode-se dizer que, atualmente, com a grande disseminação de jogos para computador, há oferta no mercado de placas gráficas com extraordinário poder de processamento gráfico e baixo custo, permitindo que aplicações da natureza proposta possam ser executadas em equipamentos padrão. Como periférico opcional desejável, é especificado um par de óculos obturadores a cristal líquido (LCD shuttergasses) que permitem que o usuário possa perceber profundidade nas imagens da tela de seu computador (percepção estereoscópica). Esse recurso facilita o posicionamento dos objetos no espaço tridimencional do canteiro. Há diferentes modelos deste acessório, com preços a partir de apenas US$35,002. A interface proposta para o sistema dispensa o uso de dispositivos de posicionamento 3D pois os objetos sempre estarão apoiados em superfícies (chão ou laje), requerendo-se, assim, apenas seu posicionamento sobre a superfície 2D, operação que pode ser realizada com o mouse convencional.

5. CONCLUSÕES

O potencial de aplicação da Tecnologia da Informação na Construção Civil é enorme. Desde as fases iniciais de concepção de um empreendimento, passando pelos estudos de viabilidade, esboços, concepção artística do edifício; no desenvolvimento dos projetos de arquitetura, estruturais e de instalações; na simulação de desempenho, projetos para a produção, concepção do canteiro e gestão da obra; e na fase de uso com a avaliação pós ocupacional, o gerenciamento de facilidades e a automação predial; até a demolição e reciclagem final de seus resíduos.

O desenvolvimento teórico e de software para a prova de conceitos de aplicação de TI à Construção tem sido constante nas instituições de pesquisa, já há várias décadas. No entanto, a integração efetiva de todos esses avanços pelo mercado tem se mostrado excessivamente lenta. A realidade hoje é um enorme atraso do setor da construção civil na adoção destes recursos em relação a outros setores industriais e um descompasso maior ainda em relação ao conhecimento desenvolvido na academia. Da mesma forma, os fornecedores de soluções comerciais não têm motivação para investimentos mais pesados na criação de recursos que foquem mais especificamente as necessidades de AEC, haja vista o pouco uso que tecnologias comuns como o CAD 3D ainda encontra neste mercado.

Para combater essa situação, cabe aos pesquisadores da área propor soluções que respeitem a cultura própria do setor, reconhecendo suas limitações, mas que ofereçam uma visão moderna do que é possível. Ainda assim, é fundamental que as tecnologias empregadas nestas soluções sejam adequadas ao seu uso e que permitam superar as barreiras detectadas para sua aceitação.

A ferramenta descrita neste trabalho busca seguir essa orientação, e procura aproximar cada vez mais a Tecnologia da Informação do cotidiano da Construção Civil, de forma a fomentar seu uso e mitigar o atraso hoje observado na adoção de soluções tecnológicas neste campo, muitas vezes já de uso amplo e rotineiro em outros setores da economia mas ainda obscuras nas práticas da construção nacional.

6. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS

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AGRADECIMENTOS

Ao Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico - CNPq, entidade governamental brasileira promotora do desenvolvimento científico e tecnológico, pelo financiamento a este projeto.