INTEGRAÇÃO ENTRE A SIMULAÇÃO COMPUTACIONAL E A VISUALIZAÇÃO 4D NO APOIO À ELABORAÇÃO DO PROJETO DO SISTEMA DE PRODUÇÃO

QUALIDADE DE PROJETO NA ERA DIGITAL INTEGRADA DESIGN QUALITY IN A DIGITAL AND INTEGRATED AGE III Simpósio Brasileiro de Qualidade do Projeto no Ambiente Construído VI Encontro de Tecnologia de Informação e Comunicação na Construção Campinas, São Paulo, Brasil, 24 a 26 de julho de 2013

INTEGRAÇÃO ENTRE A SIMULAÇÃO COMPUTACIONAL E A VISUALIZAÇÃO 4D NO APOIO À ELABORAÇÃO DO PROJETO DO SISTEMA DE PRODUÇÃO1 Raquel Hoffmann Reck UFRGS, NORIE [email protected]

Fábio Kellerman Schramm UFPel, GeCon [email protected]

Carlos Torres Formoso UFRGS, NORIE [email protected]

RESUMO Considerando o ambiente peculiar de produção na construção civil torna-se fundamental projetar e simular seus sistemas produtivos de forma antecipada. Nesse sentido, a obtenção de informações mais assertivas e condizentes com a realidade da obra pode trazer benefícios para a gestão. A simulação computacional tem sido empregada como ferramenta de gestão para análise de cenários alternativos na construção civil, auxiliando diversos níveis de tomada de decisão. Entretanto, seu emprego tende a ser pouco explorado durante o projeto do sistema de produção, principalmente devido à dificuldade de interpretação dos dados e da pouca experiência dos tomadores de decisão sobre o potencial dessa ferramenta. Por esse motivo, existe a necessidade de aumentar a compreensão dos resultados, através do uso de ferramentas que auxiliem, de forma visual, a melhor compreensão dos resultados. Assim, o objetivo deste artigo é apresentar a visualização 4D como uma ferramenta para apoiar a análise de cenários alternativos da simulação de um empreendimento habitacional. Como contribuição, este trabalho apresenta uma proposta de integração entre a simulação e visualização 4D, e discute como diferente informações do sistema de produção podem ser representadas através da visualização 4D. Além disso, os principais benefícios e dificuldades percebidas na sua implementação, também são discutidos. Palavras-chave: visualização 4D. simulação de eventos discretos. gestão da produção.

ABSTRACT In the peculiar environment of construction production is fundamental to design and simulate their production systems in advance. In this sense, data and information more assertive and consistent with the reality of the site can bring benefits to management. The computer simulation has been used as a management tool for the analysis of alternative scenarios in

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RECK, R.H.;SCHRAMM, F.K.; FORMOSO, C.T. Integração entre a Simulação Computacional e a Visualização 4D no Apoio à Elaboração do Projeto do Sistema de Produção. In: SIMPÓSIO BRASILEIRO DE QUALIDADE DO PROJETO NO AMBIENTE CONSTRUÍDO, 3.; ENCONTRO BRASILEIRO DE TECNOLOGIA DE INFORMAÇÃO E COMUNICAÇÃO NA CONSTRUÇÃO, 6., 2013, Campinas. Anais... Porto Alegre: ANTAC, 2013. p. 1-7.

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construction, helping various levels of decision making. However, their use tends to be explored poorly during the design of the production system, mainly due to difficulties in interpretation of data and poor experience of decision makers about the potential of this tool. Therefore, it is needed to increase the understanding of results through the use of visual tools. The objective of this paper is to present the 4D visualization as a tool to support the analysis of simulated alternative scenarios. As a contribution, this work presents a proposal for integration between simulation and 4D visualization, and discusses how different information production system can be represented. Moreover, the main perceived benefits and difficulties in their implementation are also discussed. Keywords: 4D visualization. discrete event simulation. production management.

1 INTRODUÇÃO 1.1 Peculiaridades da construção civil A visão de que o processo de construção é um fenômeno ordenado, linear e previsível, que pode ser dividido em contratos, atividades e pacotes de trabalho que, por sua vez, podem ser gerenciados em uma estrutura top down tem reduzindo o sucesso desses empreendimentos em termos de tempo, custo e qualidade (WOOD; GIDADO, 2010). Koskela (2000) afirma que as características desfavoráveis inerentes aos sistemas produtivos na construção são: a alta variabilidade, alta complexidade e pouca transparência. Alguns autores somam a essas características a interconectividade e interdependência entre seus elementos (ROBINSON, 2003; WILLIAMS, 1999; WILLIAMS, 2002; RICHARDSON et al., 2000; WOOD; GIDADO, 2010) como aspectos fundamentais para entender a complexidade na construção. Koskela (2000) completa, afirmando que se a complexidade, a variabilidade e a falta de transparência não forem mitigadas, podem resultar em perdas na produção. Assim, o processo de construção deve ser percebido como um fenômeno complexo, dinâmico e não linear (WOOD; GIDADO, 2010) e existe a necessidade de entender como a complexidade está presente e afeta os sistemas de produção na construção. Um sistema complexo pode ser definido como constituído de um grande número de partes que interagem de uma forma não simplificada (SIMON, 1982). Wood e Gidado (2010) acrescentam que a definição de um projeto complexo deve se referir à interação, interdependência e inter-relação entre partes desse projeto. Richardson et al. (2000) ressalta que deve-se focar nas interações entre as partes do sistema e como essa relação determina a identidade do sistema como um todo. Portanto o efeito de várias mudanças no sistema é maior que a soma dos efeitos de cada mudança individualmente (WILLIAMS, 1999). A complexidade inerente à construção faz com que o planejamento seja uma tarefa difícil para os gerentes destes projetos devido à necessidade de antecipar e visualizar prováveis eventos futuros (LI et al., 2009). Este tipo de projeto ainda demanda um nível excepcional de gerenciamento e a aplicação de sistemas convencionais desenvolvidos para projetos comuns

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são considerados inapropriados para projetos complexos (MORRIS; HOUGH, 19872 apud BACCARINI, 1996). Por isso, existe a necessidade de utilizar ferramentas e técnicas de gestão que possam apoiar o gerenciamento dos projetos da construção civil, a partir da melhoria do entendimento desse sistema através da sua correta modelagem. Assim, o objetivo deste artigo é apresentar uma proposta de uso da visualização 4D como uma ferramenta para apoiar a análise de cenários alternativos da simulação computacional, bem como descrever como essa integração pode ser realizada, tendo como base evidências provenientes de um estudo de caso. 1.2 Uso da simulação como ferramenta de apoio à tomada de decisão A simulação consiste em uma técnica para avaliar o comportamento dos sistemas de produção, considerando os fatores que condicionam o seu comportamento. Trata-se de uma técnica que usa computadores para imitar ou simular diversos tipos de operações ou processos do mundo real (LAW; KELTON, 2000). Também pode ser definida como uma experimentação de um sistema operacional, representada através do tempo, com o propósito de melhor entender ou melhorar esse sistema (ROBINSON, 2003). Por meio de modelos de simulação pode-se representar a complexidade de um sistema de produção (ROBINSON, 2003). Dessa forma, a simulação é uma importante ferramenta de análise para aqueles responsáveis por projetar e operar sistemas complexos. Segundo Robinson (2003), por se tratar de uma técnica que reproduz o comportamento operacional do sistema sob estudo, torna possível a comparação de projetos alternativos e a determinação do efeito de diferentes políticas no seu desempenho. Para Law e Kelton (2000) o benefício mais importante do uso da simulação em um ambiente de manufatura é que esta permite a um gerente ou engenheiro obter uma visão sistêmica do efeito que mudanças locais ocasionam no sistema de produção. De acordo com SHI e ZHANG (1999) a simulação de processos de construção é uma técnica efetiva para planejamento e a melhoria do seu desempenho. Dessa forma, a simulação é capaz de representar explicitamente a variabilidade, interconexões entre componentes e complexidade de um sistema (ROBINSON, 2003). A simulação computacional ainda apresenta vantagens com relação a outras abordagens. É mais vantajosa com relação à experimentação no mundo real, pois (ROBINSON, 2003): (a) é mais barata; (b) o consumo de tempo é menor; (c) existe maior controle sobre as condições do experimento; e (d) permite a experimentação em sistemas que ainda não existem. Já quando comparada a outros tipos de modelagem de sistemas, a simulação apresenta as seguintes vantagens (ROBINSON, 2003): (a) pode modelar a variabilidade sem aumentar a complexidade do sistema; e (b) 2

Morris, P. W. G.; Hough, G. H. The Anatomy of Major Projects. Chichester: Wiley, 1987.

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não necessita de suposições restritivas para a modelagem, ou seja, não necessita de simplificação e utilização de suposições para isso. Essa técnica apresenta algumas desvantagens como (ROBINSON, 2003): (a) os softwares de simulação não são, necessariamente, baratos e os custos de desenvolvimento e uso de modelos pode ser alto, principalmente se um consultor é utilizado no processo; (b) é uma atividade que consome tempo e os benefícios não são imediatos; (c) a maioria dos modelos de simulação requer uma significativa quantidade de informação, que podem não estar disponível ou necessita ser tratada para utilização; e (d) a simulação requer habilidades como modelagem conceitual, validação, conhecimentos de estatística e trabalhar com pessoas e gerentes de projetos. Kamat e Martinez (2000) ainda apontam o “efeito de caixa preta” referente aos resultados da simulação, onde o usuário pode ter suspeitas quanto à credibilidade dos resultados. Com o uso de ferramentas que permitam visualizar as características geométricas do sistema modelado e a natureza dinâmica de todas as entidades envolvidas no processo de construção, espera-se que exista uma acessibilidade maior dos resultados da simulação (KAMAT; MARTINEZ, 2000). 1.3 Modelos 4D como uma alternativa para a construção SHI e ZHANG (1999) afirmam que uma forma efetiva para superar o “efeito de caixa preta” é animar o processo de simulação, para que o usuário possa visualizar as interações dinâmicas. Uma forma de animação no processo de construção são os modelos 4D, que permitem a vinculação do tempo a cada componente geométrico do projeto. Koo e Fischer (1998) afirmam que a partir do momento em que os modelos 4D comunicam um plano por meio dos objetos, aspectos temporais e físicos do projeto estão intimamente conectados, aumentando a possibilidade de detectar antecipadamente problemas. Esses mesmo autores afirmam que o modelo 4D é um reflexo da sequência de construção presente no cronograma. Isso permite que os participantes envolvidos tenham clareza de sua lógica e, por meio do 4D, alcancem um consenso na interpretação dos pressupostos do cronograma (KOO; FISCHER, 1998). Os modelos 4D podem apoiar três atividades relacionadas à tomada de decisão (KOO; FISCHER, 1998): a visualização, a integração e a análise. Como ferramenta de visualização, a sequência construtiva pode ser visualizada e interpretada pelos diferentes intervenientes do projeto. Essa visualização permite a antecipação dos conflitos de tempo e espaço e a transmissão do impacto de alterações no cronograma. A visualização do cronograma através dos objetos permite que o 4D funcione como ferramenta de integração entre os intervenientes do projeto, formalizando as informações, auxiliando nas decisões e promovendo feedback ao projeto. Já como ferramenta de análise, o 4D permite análise de custo e produtividade, antecipação de situações de risco para a segurança, alocação de recursos no canteiro e simulações.

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2 MÉTODO O estudo de caso apresentado neste trabalho foi desenvolvido durante um módulo de capacitação sobre simulação e visualização 4D como ferramenta de apoio ao projeto de sistemas na construção civil. A capacitação foi realizada para um conjunto de empresas participantes, o qual o empreendimento a seguir foi escolhido para participar da etapa de implementação e reflexão da aplicação prática. Esta capacitação apresentou conceitos básicos de simulação e exemplos práticos de utilização da simulação e visualização 4D no ambiente da construção civil. 2.1.

Descrição do Estudo de Caso

O empreendimento estudado consistiu de um edifício residencial, com 28 pavimentos, sendo 2 subsolos de garagem, 3 primeiros andares ocupados por áreas de uso comum, os 22 seguintes pavimentos-tipo e cobertura, num total de 44 unidades habitacionais. O edifício foi construído com estrutura de concreto armado, alvenaria de vedação de blocos cerâmicos, além de esquadrias externas de alumínio e cerâmica de revestimento. O empreendimento teve inicio em 28 de março de 2011 e prazo final previsto para 20 de janeiro de 2014. A Figura 1 apresenta a implantação do empreendimento e uma vista da fachada. Figura 1: planta baixa do empreendimento e vista da fachada

Fonte: dados da construtora participante do estudo

A partir da identificação da tipologia do empreendimento, foi observado que a modelagem das atividades de fachada seria mais vantajosa devido à possibilidade de exploração visual das ferramentas que estavam sendo utilizadas. Assim, as atividades vinculadas aos elementos externos como,

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alvenaria de vedação, esquadrias e revestimento de cerâmica, foram o foco deste estudo. As atividades internas, com interface com as atividades de fachada, foram apenas representadas no modelo de simulação. Foram realizadas sete reuniões com a equipe de planejamento e execução do empreendimento a fim de coletar informações, de tomar decisão quanto as estratégias produtivas e apresentar resultados. Ainda foram demandadas 22 horas para a modelagem do empreendimento em 3D, 35 horas para o desenvolvimento do modelo de simulação e geração de cenários e 17 horas para a modelagem 4D. 3 PROCESSO DE MODELAGEM DO SISTEMA DE PRODUÇÃO A modelagem do sistema em estudo foi iniciada pelo desenvolvimento do modelo de simulação, a qual apresenta a sequencia de execução da unidade repetitiva, nesse caso os pavimentos; distribuição triangular de probabilidade e lotes de produção e transferência de cada atividade e distribuição das equipes de trabalho. A Figura 2 apresenta o modelo de simulação final do empreendimento desenvolvido no software Rockwell Arena®. Figura 2: modelo de simulação

Fonte: elaborado pelos autores

Durante esta primeira etapa de modelagem, discussões sobre as atividades internas com interface com as atividades de fachada foram realizadas. A Figura 3 representa este tipo de discussão através da linha de balanço realizada a partir dos dados de saída do modelo de simulação. A atividade de contrapiso não estava explícita na linha de balanço original do empreendimento e o impacto dessa atividade na quantidade de trabalho em progresso não era conhecida pela equipe de planejamento e produção do empreendimento. Assim, foram gerados três cenários com lotes de produção da atividade de

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contrapiso diferentes (ver Figura 3): (a) lote de produção de cinco pavimentos, referente ao cenário A; (b) lote produção de três pavimentos, referente ao cenário B; e (c) a atividade de contrapiso sendo realizada em conjunto com a alvenaria externa, cenário C. A comparação entre esses cenários permitiu perceber uma redução do trabalho em progresso médio de 31,5 dias úteis - cenário A- para 15,8 dias úteis - cenário B - e zero - cenário C -, respectivamente. Como consequência, houve uma redução de 109 dias úteis de execução das atividades internas, quando comparados os cenários A e C. Figura 3: comparação entre cenários de contrapiso

Fonte: elaborado pelos autores

Na sequência, foram discutidas as atividades relacionadas à fachada. Primeiramente, foi modificada a unidade-base dessas atividades, pois antes do estudo a fachada seria executada por quatro panos principais relacionados aos pontos cardeais e dois panos complementares, que correspondiam aos locais de montagem dos equipamentos de transporte vertical, ou seja, os guinchos. Durante o estudo, optou-se pela execução da fachada de forma integral, a partir da execução de todas as fachadas correspondentes a cada pavimento de uma vez, e, posteriormente, os dois panos complementares dos guinchos. A Figura 4 apresenta estas duas formas de produção da fachada.

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Figura 4: unidade de produção da fachada

(a) unidade antes do estudo

(b) unidade modificada

Fonte: elaborado pelos autores

Os dois cenários simulados de fachada foram (ver Figura 5): (a) execução das unidades de produção de forma sequencial; e (b) execução de cada pano dos guinchos após a montagem dos elevadores internos. O prazo total do empreendimento e da execução da fachada é menor para o cenário B, o qual existe uma redução de 119 dias de trabalho com relação ao cenário A. Figura 5: comparação entre cenários de fachada com base na Linha de Balanço

Fonte: elaborado pelos autores

Em paralelo à modelagem de simulação, foi realizada a modelagem do empreendimento em 3D através dos projetos arquitetônicos, com o auxílio do software ArchiCAD. A modelagem 4D foi realizada com o uso do software Synchro, conectando os elementos às atividades de fachada. Já a alocação dos equipamentos de proteção coletiva e movimentação vertical foram definidas levando-se em conta as normas técnicas pertinentes e experiência da equipe de produção e planejamento do empreendimento, com o auxílio do software Google Sketchup.

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Figura 6: modelo 4D do cenário B da fachada

A – execução da supra estrutura e montagem das bandeijas

D – detalhe da execução do emboço e cerâmica do 16º pavimento

B – montagem do balancim

C – execução do emboco e ceramica do 16º pavimento

Fonte: elaborado pelos autores

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A Figura 6 apresenta imagens de diferentes períodos no cenário B de execução da fachada, onde é possível observar em todas as imagens os itens a seguir: (a) os elementos sendo construídos, em verde; (b) os equipamentos de movimentação vertical e proteções coletivas ao longo do tempo; (c) a nova unidade de produção da fachada; e (d) possíveis conflitos espaciais entre atividades e equipamentos. A Figura 7 apresenta de forma resumida como foi elaborado o fluxo de modelagem do sistema de produção estudado. Nessa figura é possível identificar as entradas e saídas de informações de cada uma das etapas. Para o modelo de simulação, foi necessário inserir em planilhas eletrônicas as durações e lotes de produção e transferência de cada atividade. Já do modelo de simulação foi extraído as durações de início e fim de cada atividade para a elaboração da linha de balanço de cada cenário. Estas mesma durações foram inseridas no modelo 4D, conjuntamente com os equipamentos do canteiro e o modelo 3D. Figura 7: proposta de integração entre as ferramentas

Fonte: elaborado pelos autores

4 DISCUSSÃO Analisando o desenvolvimento da modelagem deste estudo, é possível observar que existe uma complementaridade de informações entre a linha de balanço e o modelo 4D. Enquanto a linha de balanço apresenta ritmos de produção, sequência de execução ao longo das unidades produtivas e possíveis interferências entre equipes, a visualização 4D apresenta a sequência de execução dos elementos de acordo com a sua conformações espacial dentro do canteiro, podendo mostrar de forma visível a interferência entre equipes de trabalho nos seus postos de trabalho e equipamentos. A visualização do trabalho sendo produzido é facilitada através do emprego do modelo 4D, quando comparado com a linha de balanço, já que cada uma dessas ferramentas apresentam propósitos diferentes de representação espacial. Enquanto na linha de balanço o foco é o fluxo de trabalho das equipes de produção em uma sequência ordenada de unidades repetitivas,

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no caso o eixo y; no modelo 4D o foco é onde esta equipe está produzindo dentro do canteiro de obras. Assim no 4D é possível observar possíveis conflitos de segurança ou equipamentos entre as atividades. As informações representadas no modelo 4D durante este estudo apenas exploraram a visualização e integração, como discutidas anteriormente por Koo e Fischer (1998). Quanto à visualização, esta permitiu a interpretação da sequência produtiva por todos os envolvidos no estudo e possíveis antecipações de conflitos espaço e tempo das atividades de fachada e os equipamentos necessários para a sua proteção e produção. Também foi possível integrar os intervenientes no estudo e formalizar as informações das escolhas de cada estratégia de execução. Como benefícios do estudo pode-se destacar que a modelagem do sistema permitiu que os envolvidos pudessem explicitar pressupostos do sistema construtivo e entender as interações dinâmicas entre as diferentes partes do mesmo. Atividades como o contrapiso e a mudança da unidade de produção da fachada, foram bem explorados e explicitados através das ferramentas de linha de balanço e modelos 4D, respectivamente. Com o modelo 4D foi possível sintetizar as decisões tomadas para a produção do empreendimento e trouxe a conformação espacial dos elementos e equipamentos dentro do canteiro. Já com a simulação foi possível modelar as estratégias escolhidas pela equipe de uma forma a representar a variabilidade do sistema, através das distribuições de probabilidade e programação do modelo. Durante a elaboração do estudo observou-se dificuldades quanto à implementação da utilização conjunta das ferramentas. A primeira delas foi o grande esforço para a modelagem, totalizando 74 horas. Como consequência, houve a dificuldade de inserir o modelo 4D desde o início do processo de simulação. Com essa inserção antecipada, poder-se-ia ter analisado melhor cada cenário e as conclusões dessas análises poderiam ser usadas para retroalimentar o processo de simulação, validando o modelo ou modificando possíveis suposições equivocadas. Em paralelo a simulação e pela falta da utilização do modelo 4D desde o início da modelagem, foi necessário utilizar ferramentas auxiliares de visualização como a representação da implementação e as unidades de produção das fachadas (Figura 4) e a locação dos equipamentos de proteção coletiva e de movimentação vertical em um modelo 3D no SketchUp. 5 CONCLUSÕES O presente trabalho trouxe a discussão o uso conjunto da simulação computacional e dos modelos 4D, para a elaboração do projeto do sistema de produção de um empreendimento da construção civil. Com o objetivo de apresentar a visualização 4D como uma ferramenta para apoiar a análise de cenários alternativos da simulação, o processo de modelagem do empreendimento em estudo e a proposta de integração entre os diferentes softwares utilizados foi discutida.

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Esta proposição de integração entre ferramentas de planejamento trouxe a tona como as informações são representadas em cada uma delas. Enquanto na linha de balanço o foco é a produção da equipe de trabalho numa sequência ordenada de unidades repetitivas, no modelo 4D o foco é onde esta equipe está produzindo dentro do canteiro de obras. Como consequência, na linha de balanço é possível observar os ritmos de produção das atividades, enquanto no 4D é possível visualizar onde cada equipe está trabalhando no canteiro de obras e, com isso, identificar possíveis conflitos de espaço e tempo com relação a outras atividades ou a equipamentos necessários. 6 AGRADECIMENTOS Os autores gostariam de agradecer à empresa que possibilitou a realização deste trabalho; a FINEP que auxiliou com apoio financeiro através do Projeto de Tecnologia da Informação na Construção; e a Capes pela concessão de bolsas de pesquisa. REFERÊNCIAS BACCARINI, D. The concept of project complexity a review. International Journal of Project Management, v. 14, n. 4, p. 201-204, 1996. KAMAT, V. R.; MARTINEZ, J. C. 3D Visualization of Simulated Construction Operations. In: WINTER SIMULATION CONFERENCE, 32. Anais... p.1933-1937, 2000. Orlando: WSC. KOO, B.; FISCHER, M. Feasibility Study of 4D CAD in Commercial Construction. Stanford: CIFE, 1998. KOSKELA, L. An exploration towards a production theory and its application to constructionTechnical Research Centre of Finland, 2000. Dissertation (Doctor of Technology) – Technical Research Center of Finland, Espoo. LAW, A. M.; KELTON, W. D. Simulation Modeling and Analysis. 3rd ed. New York: McGraw Hill, 2000. LI, H.; CHAN, N.; HUANG, T. et al. Optimizing construction planning schedules by virtual prototyping enabled resource analysis. Automation in Construction, v. 18, n. 7, p. 912-918, 2009. RICHARDSON, K. A.; CILLIERS, P.; LISSACK, M. Complexity Science: A “ Grey ” Science for the “Stuff in Between”. In: INTERNATIONAL CONFERENCE ON SYSTEMS THINKING IN MANAGEMENT, 1. Anais... p.532-537, 2000. Geelong, Austália. ROBINSON, S. Simulation: The Practice of Model. Chichester: John Wiley and Sons, 2003. SHI, J. J.; ZHANG, H. Iconic Animation of Construction Simulation. In: WINTER SIMULATION CONFERENCE, 1999. Anais... p.992-997, 1999. Phoenix: WSC. SIMON, H. A. Sciences of the Artificial. 2nd ed. Cambridge: MIT Press, 1982. WILLIAMS, T. M. The need for new paradigms for complex projects. International Journal of Project Management, v. 17, n. 5, p. 269-273, 1999. WILLIAMS, T. M. Modeling Complex Projects. Chichester: John Wiley & Sons, 2002. WOOD, H.; GIDADO, K. Project Complexity in Construction. IN: INTERNATIONAL CONSTRUCTION CONFERENCE, 2010. Anais... p.1-13, 2010. RICS.