SIMULAÇÃO VISUAL NA CONSTRUÇÃO DE EDIFÍCIOS

Transcrição

1 XIV Congreso Internacional de Ingeniería Gráfica Santander, España 5-7 junio de 2002 SIMULAÇÃO VISUAL NA CONSTRUÇÃO DE EDIFÍCIOS Pedro Gameiro Henriques (1), Alcínia Zita Sampaio (2) Universidade Técnica de Lisboa, Portugal Instituto Superior Técnico/ICIST, Departamento de Engenharia Civil e Arquitectura (1) Correio electrónico: pgameiro@civil.ist.utl.pt; (2) Correio electrónico: zita@civil.ist.utl.pt RESUM0 A presente comunicação descreve um projecto de investigação em curso cujo principal objectivo é desenvolver um sistema para apoio ao projecto e acompanhamento através da simulação visual do desenvolvimento de actividades na construção. Na sua elaboração recorre-se à aplicação de técnicas de modelação geométrica e realidade virtual na visualização do projecto e no estabelecimento de uma interface amigável para o acesso à informação sobre a construção que seja útil aos profissionais da construção civil. Palavras chave: projecto e desenvolvimento de novas ferramentas, optimização no projecto da construção, simulação visual do processo construtivo, sistema de apoio ao projecto. ABSTRACT The present communication describes an investigation project oriented to the development of a computer-aided system to assist the design and construction process. It is based on the visual simulation of the construction activity. Geometric modeling and virtual reality techniques are used on the visualization of the design process in order to define friendly interfaces to data construction of interest to the professionals. Key words: Design and development of new tools, optimization in construction design, visual simulation in construction process, computer-aided design. 1 Introdução Habitualmente as aplicações académicas e comerciais de DAC (desenho assistido por computador) para construção, apresentam a visualização do estado final do projecto, nomeadamente a representação 3D do edifício e percursos animados de observação pelo exterior e seu interior. No entanto, as ferramentas de planeamento da construção (escalonamento temporal, controlo de progresso,...) trabalham com todo o processo construtivo, desde a concepção até à sua fase final.

2 Não só as ferramentas e modelos computacionais não estão habilitados a seguirem as mudanças geométricas do edifício ou estrutura durante o processo de construção, como também a representação das actividades nem sempre é compatível ou mesmo possíveis de modelar por esses auxiliares de projecto. Na simulação visual do processo construtivo é requerida a habilidade de dinamicamente produzir alterações na geometria do empreendimento. 2 Objectivos do projecto de investigação O principal objectivo do projecto Virtual reality in optimization of construction project planning - POCTI/1999/ECM/36300, ICIST/FCT [1], em curso no Instituto Superior Técnico (Universidade Técnica de Lisboa), no âmbito de actividades do Departmento de Engenharia Civil e Arquitectura, é desenvolver um sistema para planeamento e acompanhamento das actividades de construção através da simulação visual do seu desenvolvimento. O contributo inovador consiste na aplicação das técnicas de modelação 3D e realiadade virtual na representação da informação relativa à construção que seja útil aos profissionais da construção civil. Uma vez, desenvolvido por completo este sistema, este permitirá o controlo e a interacção com o desenrolar de um projecto de construção, nomeadamente, no que se refere às seguintes acções: 1 Iteractivamente e de uma forma partilhada, investigar várias alternativas para a sequência de construção e para a organização do estaleiro através da simulação dos fluxos de materiais e pessoas inerentes ao processo de construção; 2 Verificar e optimizar o planeamento de distribuição de espaços, integrando dinamicamente o progresso construtivo com actividades em estaleiro; 3 Eliminar a duplicação de tarefas de apoio às actividades (transporte, armazenagem, limpeza) e os tempos de inactividade; 4 Acompanhar as fases de construção através de modelos tridimensionais do edifício que possibilitem o acesso, de um modo interactivo, à informação quantificada sobre o estado de evolução de cada um dos elementos da construção; O sistema a desenvolver constitui uma ferramenta de apoio à execução da construção baseada na visualização e simulação de processos construtivos por recurso a tecnologias de modelação geométrica. Pretende-se que o sistema protótipo sirva como ambiente base para o planeamento e acompanhamento da construção de edifícios, quer a nível de edifícios novos, quer a nível de reabilitação. Servirá, ainda, o mesmo como elemento didáctico a alunos de Engenharia Civil nas disciplinadas no domínio da construção de edifícios. A apresentação a profissionais do sector permitirá a validação do sistema e o seu desenvolvimento futuro de modo a abranger problemas específicos da construção e áreas relacionadas que interessem incluir. 3 Realidade virtual 3.1 Conceito e resumo histórico A realidade virtual pode ser descrita como um conjunto de tecnologias que apoiadas no uso de computadores, simulam a realidade existente ou a realidade projectada [2]. Esta nova ferramenta permite aos utilizadores do computador, a participação em ambientes tridimensionais, possibilitando-lhes que interajam com objectos virtuais a níveis até agora desconhecidos no meio informático: rodar puxadores para abrir portas, acender ou apagar uma luz, dirigir um protótipo de automóvel ou deslocar objectos numa habitação. Para tal, integra elementos de vídeo, audio e a modelação tridimensional para a geração 2

3 da realidade, inicialmente mediante periféricos específicos (manípulos, capacetes e luvas) e, actualmente, através da Internet. Atribui-se a sua origem ao simuladores de voo desenvolvidos há cerca de 50 anos pelas forças armadas americanas. O início da realidade virtual é atribuída a Ivan Sutherland, com a introdução em 1965 do primeiro capacete de imersão tridimensional, posteriormente divulgado na industria de periféricos com a designação de Head Mounted Display (HMD). Um percursor, Nicholas Negroponte (e colaboradores), produziu nos anos 70 um mapa virtual de percursos de visita guiada sobre um modelo da cidade Aspen, no Colorado. Em 1989, Jaron Lanier, um importante impulsionador desta nova tecnologia, designa-a por Realidade Virtual (RV, [3]). Nos anos 90, com o surgimento da Internet, é definida uma linguagem de programação específica VRML (Virtual Reality Modelling Language). É uma linguagem tridimensional e interactiva orientada para a modelação e a visualização de objectos, situações e mundos virtuais na Internet. Faz uso de coordenadas matemáticas para criar objectos tridimensionais no espaço [3]. Constitui um novo meio de comunicação que permite construir e experimentar novas realidades modeladas por computador. A linguagem VRML constitui a primeira definição normalizada do espaço tridimensional na Internet. Encontra-se regulamentada pela Internet Engineering Task Force (IEFT). 3.2 Principais características tecnológicas dos sistemas de realidade virtual A RV é, simultaneamente, imersiva e interactiva: imersiva, porque através de dispositivos especiais permite que o utilizador tenha a sensação de se encontrar fisicamente presente num mundo imaginado, modelado pelo sistema; interactiva, porque a RV não se limita apenas a uma visualização passiva desse mundo mas permite que o utilizador possa interagir com ele (tocar e/ou mover objectos, por exemplo). Adicionalmente, o mundo virtual responde em tempo real a tais acções. A interacção e a imersão constituem as características mais importantes da RV [4]. Tecnicamente a participação activa de um utilizador num ambiente virtual, ou seja, a sensação de imersão ou presença nesse ambiente, consegue-se com base em dois factores: 1 A integração de técnicas informáticas (algoritmos) orientados à obtenção de imagens de alto nível de realismo visual (ray-tracing, radiosidade, aplicação de texturas, etc.); 2 A integração de uma série de dispositivos físicos resultantes da aplicação de tecnologias específicas: tecnologia visual (capacetes HMV, figura 1), tecnologia sensorial (sensores de posicionamento e de força), tecnologia mecânica (sistemas de transmissão de movimento, como o rato 3D ou luvas). Figura 1: Periférico utilizado na manipulação de espaços virtuais 3

4 Uma das áreas de aplicação mais frequentes da incorporação da linguagem VRML como meio de representação e visualização de modelos animados tridimensionais é a Arquitectura (figura 2). O leque de aplicações potenciais estende-se desde edificações em pequena escala até ao nível de desenvolvimento de projectos urbanísticos. Contudo, a RV não constitui apenas uma boa interface mas apresenta aplicações que admitem soluções de problemas reais em campos tão distintos como a Engenharia (figura 2), a Medicina ou a Psicologia. Figura 2: Modelos 3D de edifícios - aspectos arquitectónico, construtivo e de reabilitação 4 Planeamento e acompanhamento da obra 4.1 Desenvolvimento do sistema CAD Na definição do programa de elaboração do projecto de investigação teve-se em consideração um percurso por etapas de modo a satisfazer os seguintes objectivos: 1 Criar um ambiente virtual do local de construção (incluindo as áreas de implantação da obra e estaleiro). Por recurso a plantas da área de construção e anexos, efectuar a sua representação plana. De acordo com os desenhos do projecto de execução e arquitectónico, sobre ela deverá ser edificada a construção. Para tal, devem ser identificados os elementos construtivos (paredes, janelas,..), a maquinaria (grua, escavadora,...) e material da obra (tijolos, cimento, ferros,...) e serem modelados em 3D (figura 3). A actual tecnologia aponta para o VRML como um suporte adequado para descrever ambientes virtuais interactivos e a três dimensões na Internet. Figura 3: Espaço de actuação virtual e modelos 3D de maquinaria 2 Permitir a manipulação do espaço mediante a alteração, inserção e remoção dos elementos que compõem esse espaço. O sistema VR a utilizar deve permitir manipular aqueles elementos de acordo com o planeamento previsto para a execução da obra (figura 4). Várias soluções da progressão da edificação e da organização do estaleiro podem, assim, ser analisadas. A solução para este tipo de situações passa pelo desenvolvimento de 4

5 mecanismos que possam restringir de algum modo o tipo de operações que o utilizador tenta efectuar na sua intervenção. A linguagem Java é actualmente a mais adequada para adicionar comportamentos complexos aos objectos de uma cena VRML. Figura 4: Visualização de uma obra virtual em três fases de progressão construtiva 3 Possibilitar que os resultados da análise interactiva possam ser registados. Interessa que a informação relativa às diferentes propostas estudadas, quer da progressão da construção quer da organização do estaleiro, possam ser obtidas na forma de dados para que estes possam ser manipulados de acordo com os formatos usualmente apresentados pela documentação incluída no projecto de construção. Torna-se, assim, necessário estabelecer uma comunicação entre o programa de modelação virtual e programas de organização e definição de desenhos e planeamento da obra. 4 Permitir o acompanhamento interactivo da evolução dos elementos e fases construtivas. Identificar sobre o modelo tridimensional do edifício os elementos construtivos que o compõem e associar atributos a esses elementos. Os atributos identificam, descrevem e quantificam a evolução de cada uma das actividades construtivas relacionadas com a construção de cada elemento. Esses dados são recolhidos periodicamente na obra (autos de medição) e colocados na base de dados do sistema. Os dados da obra podem ser catalogados de acordo com a proposta de classificação especificada na referência [7] baseada na normativa ISO TR [8]. O acesso a esses dados é efectuada de um modo interactivo através da navegação no modelo tridimensional da obra. 5 Aprendizagem de técnicas de construção através de ambientes virtuais. Com esta proposta de trabalho pretende-se demonstrar de que forma as novas tecnologias de informação abrem perspectivas para o desenvolvimento de novas estratégias no planeamento do processo construtivo das edificações. Espera-se, ainda, que a implementação do protótipo possa contribuir para apoiar o ensino de disciplinas na área da construção civil. O recurso ao modelo desenvolvido irá permitir aos alunos estudar e experimentar estratégias alternativas de processos de construção e de planeamento dos mesmos no espaço de obra virtual. 4.2 Aplicação do sistema CAD O sistema desenvolvido no âmbito deste projecto poderá ser utilizado como ferramenta de apoio a actividades pós-construção. A informação recolhida durante a construção estará disponível para diversas entidades relacionadas com a exploração do edifício, nomeadamente, os gestores e os administradores de condomínio. 5

6 Sendo o sistema constituído por um modelo tridimensional, assente numa base de dados, este irá permitir qualquer consulta sobre os projectos de especialidade e as especificações dos constituintes de cada elemento da construção. É possível, por exemplo, no caso de um problema de infiltração conhecer a localização de tubagens de água e outras e proceder à análise da situação previamente à intervenção no local. 5 Perspectivas futuras O presente estudo abre novas perspectivas a desenvolvimentos futuros, nomeadamente, no que respeita à monitorização da obra por controlo à distância [5]. Os sistemas de realidade virtual e telepresença (VR/TP system [6]) permitem ao utilizador integrar imagens obtidas por sistemas de telepresença com ambientes virtuais, gerados por meio de computadores. Por recurso a sistemas de telepresença, é, ainda, possível observar a obra a partir de qualquer ponto de vista e em diferentes fases de execução. O sistema permite, assim, efectuar uma inspecção à distância do local da construção. 6 Conclusões O protótipo resultante da aplicação do programa de investigação em curso permitirá representar espaços tridimensionais realistas com o intuito de validar, através de uma simulação visual da progressão da construção, a proposta de planeamento definida e criar novas propostas de planeamento de difícil análise através dos métodos convencionais e permitirá, ainda, o acompanhamento da obra. A criação de um modelo de construção virtual traz benefícios no projecto de novas construções. Pois, planear virtualmente o seu processo construtivo permite, por exemplo, identificar e eliminar tempos de inactividade e, assim, optimizar a sequência de actividades e possibilita a organização adequada do espaço de estaleiro. Acrescente-se, ainda, que a informação numérica associada à execução da obra pode ser manipulada através de uma interface amigável permitindo um fácil acesso a dados para fins de monitorização, fiscalização e gestão de todo o empreendimento. Referências 1) HENRIQUES, Pedro & SAMPAIO, A. Zita, Programa do projecto: Virtual reality in optimization of construction project planning. POCTI/1999/ECM/36300, ICIST/FCT, Lisboa, ) BURDEA, Grigore. & COIFFET, Philippe, Virtual reality technology. John-Wesley & Sons, ISBN , ) VINCE, J., Virtual reality systems. ACM SIGGRAPH Books series, Addison-Wesley, ISBN , ) HENRIQUES, Pedro & SAMPAIO, A. Zita. Realidade virtual e o projecto de construção. I Congresso Nacional de Construção, Instituto Superior Técnico, pg , Lisboa, ) RETIK, Arkady, Planning and monitoring of construction projects using virtual reality. Project Management Journal, (3) 1997, pg ) MAIR, G. et al, Hybrid virtual reality and telepresence utilising mobile phone technology. Conference on Telemanipulator and Telepresence Technology V, pg , Boston,

7 7) CORVACHO, Helena et al. Criação de uma base de dados de produtos de construção: estrutura e utilização. I Congresso Nacional de Construção, Instituto Superior Técnico, pg , Lisboa, ) ISO TR Classification of information in construction industry,