UMA PROPOSTA DE MÉTODO DE PLANEJAMENTO PARA...

1º Simpósio Brasileiro de Tecnologia da Informação e Comunicação na Construção

10º Simpósio Brasileiro de Gestão e Economia da Construção

8 a 10 de novembro de 2017 ‐ Fortaleza ‐ Ceará ‐ Brasil

UMA PROPOSTA DE MÉTODO DE PLANEJAMENTO PARA CONSTRUÇÕES MODULARES (PMCON)

CARVALHO, Bruno Soares de (1); ITO, Armando Luis Yoshio (2); CARBONI, Marcio Henrique de Sousa (3); COIMBRA, Carolene (4); SCHEER, Sergio (5)

(1) Doutorando, UFPR-PPGECC, (+55) 41 3361-3110, [email protected]; (2) Doutorando, UFPR-PPGECC, [email protected]; (3) Mestre, UFPR-GTIC, [email protected]; (4) Mestre, UFPR-GTIC

[email protected]; (5) Professor Titular, UFPR–PPGECC, [email protected]

RESUMO

A indústria da construção civil, nos últimos anos, vem sendo marcada pela busca do desenvolvimento tecnológico e sua aplicação. Nesta transformação, a construção modular vem sendo discutida como uma das possibilidades para aumentar o grau de industrialização do setor. Dentro dessa perspectiva torna-se necessário desenvolver metodologias de fácil implantação e com resultados práticos para a construção modular. Este trabalho apresenta uma proposta de método de planejamento mais tangível para ações de execução de obra em construção modular em comparação aos procedimentos tradicionais, que proporciona maior precisão nas ações planejadas, redução de desperdícios, de falta de segurança, dos prazos de execução de obra e de custos por falhas de planejamento ou por uma produção artesanal. A associação entre construção modular, lean, BIM 4D e prototipagem rápida em escala reduzida, irá proporcionar maior proximidade entre uma condição real da obra e o modelo de planejamento desenvolvido PMCON (Planning for Modular Construction), uma vez que a geração de modelos físicos propostos por essa metodologia os diferenciam dos desenhos e tornam as ideias planejadas mais palpáveis que desencadeiam ações cognitivas e experimentações que podem contribuir para o desenvolvimento da atividade de planejamento na execução de obras. O método de pesquisa adotado neste trabalho foi o de modelagem e simulação. Como resultado desta pesquisa foi gerado um método de planejamento de obra para construções modulares que permite o suporte à tomada de decisões de maneira mais clara e definida ao gestor da obra.

Palavras-chave: Construção Modular, BIM 4D, Prototipagem rápida, Lean.

ABSTRACT

The construction industry in the last years has been marked by the search for technological development and your application. In this transformation, the modular construction has been discussed as one of the possibilities to increase the industrialization degree of the sector. Within this perspective, it is necessary to develop methodologies that are easy to implement and with practical results for modular construction. This paper presents a proposal for a more tangible planning method for actions of execution of works in modular construction in comparison to the traditional procedures, that provides greater precision in the planned actions, reduction of wastes, lack of security, execution deadlines and costs for planning failures or a farmhouse production. The association between modular construction, lean, BIM 4D and rapid prototyping in small scale, will provide greater proximity between a real condition of the work and the planning model developed PMCON (Planning for Modular Construction), once that the generation of physical models proposed by this methodology differentiate them from the drawings and make planned ideas more tactile that stimulate cognitive actions and experiments that can contribute to the development of the planning activity in the execution of works. The research method adopted in this work was modelling and simulation. As a result of this research was generated a method of work planning for modular constructions that allows the support to decision making in a more clearly and defined way for the construction manager.

Keywords: Modular Construction, BIM 4D, Rapid Prototyping, Lean.

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

1 INTRODUÇÃO

Com o desenvolvimento tecnológico e sua aplicação, muitas empresas, para serem mais competitivas, buscam a implantação de novas tecnologias construtivas e a modernização organizacional e gerencial. Entre estas novas tecnologias e técnicas de gestão se destacam BIM, lean e a industrialização da construção, representada neste artigo pelo conceito de construção modular, além de tecnologias já largamente utilizadas em outras áreas e que pelos seus benefícios começam a ser incorporadas nos processos de projeto, planejamento e execução da construção civil, como, por exemplo, a prototipagem rápida, mais especificamente as técnicas de impressão 3D.

Nesse processo é natural que ocorram resistências às mudanças em todos os aspectos, sejam eles internos da construtora, pelos projetistas ou mesmo pelo consumidor final, mas os benefícios gerados pelo uso da construção modular devem superar incertezas provenientes de mudanças disruptivas. Neste caso a alteração do processo de construção da edificação que no sistema tradicional possui características de uma produção artesanal e na construção modular passa a ser industrializado (SMITH e RICE, 2015).

Segundo Hernandes e Jungles (2005) essa perspectiva torna necessário desenvolver métodos e técnicas de fácil implantação e com resultados práticos, atendendo às necessidades das empresas. Assim este trabalho propõe uma forma de transformar ações de planejamento e simulação de maneira que sejam tangíveis para a equipe envolvida na obra e que o entendimento do plano possa facilitar a execução no canteiro.

2 REVISÃO BIBLIOGRÁFICA

2.1 Construção Modular

Todos os usos do termo modular referem-se de alguma forma a um componente autocontido de um sistema que tem uma interface bem definida em relação aos outros componentes. Este termo, no entanto, foi cooptado por muitas disciplinas, cada uma dando-lhe a sua própria sombra de significado. Modular tem significados descritos nas disciplinas de programação de computadores, música, filosofia, medicina, matemática e design. No setor de AEC (Arquitetura, Engenharia e Construção), um edifício baseado na construção modular é composto por múltiplas unidades volumétricas construídas e pré-montadas em fábricas, incluindo estrutura, instalações e acabamentos (NA LU; KORMAN, 2010), transportadas até a obra e içadas ao ponto de instalação.

Esta forma de construção utilizando unidades modulares pré-fabricadas conduz a benefícios como: redução dos cronogramas gerais, maior qualidade do produto, maior segurança na obra, redução de mão de obra no canteiro e diminuição no impacto ambiental causado pelas operações na construção (NA LU; KORMAN, 2010).

2.2 Lean Construction e Lean thinking

Neste trabalho identifica-se a potencialidade do uso do Lean thinking e também do Lean Construction, de forma que ambos os processos de gestão se complementam, sendo Lean Thinking utilizado no ambiente off-site e num segundo momento o uso do Lean Construction dentro do canteiro de obra. Segundo Smith e Rice (2015) obras envolvendo construção modular desenvolvem em média 70% das atividades em ambiente fabril e somente 30% da produção é feita no canteiro de obra. Portanto, para se realizar obras no conceito de construção modular, deve-se fazer uso de técnicas avançadas de produção industrializada, aumentando-se assim a competitividade e produtividade comumente presente em setores industriais.

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Diversos autores indicam que o aumento da produtividade e maiores ganhos financeiros são necessidades inerentes do mercado e metodologias lean provenientes de ambientes fabris são ideais para serem utilizadas em ambientes competitivos, com benefício de melhoria da produtividade e racionalização de materiais e recursos humanos, incluindo neste cenário a construção civil. (KOSKELA, 1992; GALLARDO, 2005; WOMACK e JONES, 2003)

Dentre as diversas ferramentas gerenciais, neste trabalho será utilizada a ferramenta linha de balanço, que foi apresentada por Lumsden (1968) no livro Método da linha de balanço e posteriormente foi incorporado seu uso as práticas de Lean Construction. De acordo com Ferreira (2011) e Hernandes (2002), sua principal característica é sumarizar um grupo de atividades similares em apenas uma barra, representada graficamente. Isso reduz o volume de documentos para controle, de modo a facilitar o acompanhamento da obra. O uso da linha de balanço permite identificar desvios de ritmo produtivo, também chamados de tarefas desbalanceadas. A linha de balanço também é conhecida como LOB - Line of Balance.

2.3 BIM

BIM é um processo que pode apoiar a coordenação de projetos, eliminando interferências físicas, extraindo especificações, quantidade e custos, ou ainda, gerando material gráfico diretamente do modelo tridimensional (NA LU; KORMAN, 2010). Enquanto o BIM 4D, processo que envolve a associação da dimensão tempo ao modelo tridimensional, neste caso de um projeto com técnicas de construção modular, o BIM pode auxiliar na simulação e planejamento do sequenciamento de atividades, entregas e instalação de módulos e seu progresso no canteiro de obras, proporcionando apoio nas decisões de gestão da obra (EASTMAN et al., 2011).

Lean Construction e BIM são dois dos principais processos que, de forma efetiva, estão contribuindo para transformar a indústria da AEC. São conceitos independentes, que podem ser adotados de forma isolada, mas uma associação entre ambos potencializa seus recursos e melhora processos de projetos e de construção, tendo em conta a grande quantidade de possibilidades de interações construtivas existentes (SACKS et al., 2010).

2.4 PROTOTIPAGEM RÁPIDA

Em áreas como Arquitetura e Design, existe o consenso sobre a importância da experimentação espacial durante o processo de concepção de projetos. Tradicionalmente, o modelo físico tem sua importância no processo de criação, pois facilitam a compreensão das partes ao todo do estudo (MONTANER, 2002). Além disso, permitem uma melhor compreensão espacial dos objetos, sejam arquitetônicos ou não, e também ampliam as possibilidades de criação por permitirem mais reflexão, análise e até mesmo validação das ideias (SILVA e AMORIN, 2010). Florio, Segall e Araújo (2007) citam que um dos aspectos mais significativos do modelo físico é seu caráter instrumental para a reflexão, não apenas sobre a criação em si, mas também para desencadear ações cognitivas, experimentações, que possam contribuir para o desenvolvimento de habilidades, competências e pensamento crítico. Ou seja, os modelos físicos possuem uma latente capacidade de tangibilidade das ideias.

A recente evolução e popularização na área de prototipagem rápida, que pode ser definida como um conjunto de tecnologias usadas para fabricar objetos físicos diretamente a partir de fontes de dados gerados por sistemas de projeto assistido por computador, permite aliar os benefícios dos modelos físicos, com a facilidade de confecção a partir de modelos BIM e equipamentos CNC, como fresas ou impressoras

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3D. Por isso que neste trabalho propõe-se aliar BIM e prototipagem rápida com o conceito de planejamento, a fim de conceber uma nova metodologia de planejamento da para construção modular.

3 MÉTODO DE PESQUISA

A construção foi modelada em BIM e os módulos prototipados em escala reduzida (1:50) para simular a sequência de montagem no canteiro de obra dos módulos pré-fabricados, fornecendo apoio ao planejamento executivo. Este método tornou o planejamento mais tangível aos participantes, permitindo verificações que em um ambiente virtual seriam menos eficazes.

Para melhor compreensão do método, foi gerada uma simulação de um processo de projeto e planejamento de uma edificação de ensino com quatro pavimentos modelado em ferramenta BIM (Figura 1), composta por 156 unidades modulares pré-fabricadas que formam a edificação. Esse trabalho foi realizado, com o auxílio dos software Autodesk Revit e Navisworks.

Figura 1 - Modelagem BIM da edificação com identificação dos módulos

Fonte: Os autores, 2017

Para melhor entendimento do processo de montagem das paredes e fechamentos internos e externos, foi realizada prototipagem por meio de uma impressora 3D (FDM-Fused Deposition Model). A impressão dos elementos componentes da estrutura dos módulos em 3D também serviu para entendimento do transporte, içamento e montagem. Cada módulo foi impresso em aproximadamente 12 horas de trabalho (Figura 2). Na sequência foi realizada a prototipagem de blocos de madeira através de fresa. Esses blocos possuíam dimensões exatas em relação ao módulo obtido a partir da impressão 3D.

Como a quantidade de módulos deste projeto era muito elevada, totalizando 156 unidades, optou-se por esta estratégia de modo a simplificar o processo de obtenção dos módulos para a simulação da atividade de sequenciamento da montagem, que inclui transporte, içamento e montagem. A impressão 3D de 156 unidades iria consumir recursos financeiros e temporais não disponíveis para este projeto. Desta forma, o módulo foi substituído na atividade de sequenciamento, por módulos de madeira com menos detalhes em relação ao projeto, mas que possuem tamanho dimensional idêntico e maior facilidade para obtenção do recurso manufaturado. Portanto, puderam ser utilizados para o sequenciamento da montagem, o que não prejudicou o processo e a pesquisa em nenhum aspecto.

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Figura 2 - Prototipagem rápida da estrutura de um módulo na escala 1:50


Foram realizadas a verificação do processo de montagem em escala reduzida e a validação do planejamento em BIM 4D. Além disso, com auxílio de um caminhão e guindaste miniaturas na escala 1:50, foi possível simular fluxos de trabalho lean e transporte entre fábrica e canteiro.

Este trabalho utiliza como estratégia de pesquisa a modelagem e simulação. Segundo Chung (2004), a modelagem e simulação são processos para criar e experimentar um sistema físico, neste caso a edificação, através de um modelo que nesta pesquisa está sendo identificado como o modelo digital BIM 4D e o modelo protótipo físico em escala reduzida. Um sistema pode ser definido como um conjunto de componentes ou processos que se interagem e que recebem entradas e oferecem resultados para algum propósito.

Neste trabalho, segundo Seila (1995), os sistemas são classificados como discretos por serem aqueles em que as variáveis envolvidas assumem valores finitos numeráveis. Os modelos são estocásticos, pois permitem que se dê entrada com uma coleção de variáveis que podem assumir diversos valores dentro de uma distribuição de probabilidades.

A simulação neste trabalho é considerada não terminante, significa que a partir de um determinado momento a simulação poderia continuar, indefinidamente, sem que estatisticamente o sistema venha a ter mudanças significativas de comportamento. (PEREIRA, 2000).

4 PMCON (PLANNING FOR MODULAR CONSTRUCTION)

O método de planejamento proposto para edificações em construção modular é baseado em uma rotina de ações que, aplicadas conjuntamente, poderão proporcionar ao construtor uma oportunidade de organização, precisão e redução de riscos envolvidos quando comparados com obras similares e que não adotam o planejamento proposto. Esta técnica foi batizada de PMCON (Planning for Modular Construction) e as suas etapas aparecem na Figura 3.

O módulo desta proposta de planejamento foi definido com as seguintes características: Altura: 3,0m; Largura: 2,50m; Comprimento: 7,50m; Peso estimado: até 10t, somado o conjunto caminhão e carga.

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Para melhor tangibilidade da sequência de montagem da construção modular, o PMCON sugere a simulação dessa montagem em modelo reduzido, com a utilização de módulos prototipados em madeira, utilizando um guindaste e um caminhão na escala 1:50. O objetivo é conseguir gerar uma grande variedade de possibilidades de montagem da edificação no canteiro de obras, de maneira ágil e eficiente, e o mais próximo possível do que será a realidade no canteiro e escolher a solução que melhor atenda aos requisitos de redução de tempo e precisão nas ações planejadas.

Figura 3 – Etapas do PMCON


O relato dos pesquisadores envolvidos neste trabalho é de que existe uma facilidade para instalar e retirar os módulos em escala reduzida, quando comparado com a experiência destes pesquisadores em realizar a sequência de montagem no modelo BIM 4D. Pois as peças são leves (350g) e pequenas e a montagem foi realizada por quatro pessoas simultaneamente levando aproximadamente 20 minutos para gerar uma simulação e montar toda a edificação e entender a sequência de montagem, enquanto no modelo digital apenas um pesquisador com experiência em modelagem trabalhou neste sequenciamento da simulação e consumiu mais de seis horas para ser modelada a mesma ordem de montagem da edificação no software Navisworks. A desmontagem dos 156 módulos do edifício possibilitou visualizar as movimentações dos equipamentos evitando que fiquem imobilizados por falta de espaço de manobra no canteiro, conforme Figura 4.

Com os registros de retirada de cada módulo do modelo físico do edifício, é feita a simulação em BIM 4D da sua montagem no software Navisworks. Neste caso, a cada módulo foi atribuído a dimensão tempo, numa sequência inversa à da desmontagem do modelo físico, permitindo a simulação da montagem dos módulos na ordem cronológica da obra. Desta forma pode-se ter um sequenciamento ideal evitando-se estoques de módulos no canteiro e movimentações desnecessárias com os módulos e equipamentos de grande porte. Sendo essa uma experiência que trouxe compreensão aos participantes do sequenciamento de montagem atingindo a ideia de tornar tangível o planejamento.

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As análises desta etapa devem considerar o tamanho do pátio da fábrica disponível para a estocagem de módulos, o tamanho do pátio de estocagem na obra e o sequenciamento dos módulos que devem ser produzidos.

Figura 4 - Sequência de montagem dos módulos


Estas ações revelam os melhores locais para posicionamento do guindaste, a quantidade ideal de estoque na obra, bem como entender a sequência de montagem. Após essa a definição de montagem, é proposto o uso da ferramenta Linha de Balanço, para execução do planejamento da obra e o estabelecimento do ritmo de produção. As informações para estabelecimento do ritmo de produção não são abordadas pelo PMCON.

Para finalizar o PMCON, deve-se retornar ao modelo BIM com as informações da sequência de montagem e adicionar o tempo de montagem, tornando-o um modelo BIM4D e com a obtenção da documentação formal necessária para a execução da edificação.

5 CONCLUSÕES

Nesta pesquisa, o PMCON se mostrou como uma técnica de planejamento viável, de baixo custo de implantação, além de tornar o planejamento da obra no modelo reduzido uma experiência real de sequenciamento e programação mais ágil do que a simulação digital, além da possibilidade do modelo reduzido permitir a colaboração entre diversos planejadores, melhorando a interação entre diferentes agentes do processo construtivo. Portanto, a tangibilidade facilitou o processo decisório sobre a ordem de montagem dos módulos e tempos de estoques no canteiro.

Como sugestão para trabalhos futuros recomenda-se realizar um estudo de caso sobre esta técnica de planejamento, aplicando-o diretamente em um projeto de construção modular para que se possa identificar vantagens e desvantagens no uso deste método. Além da possibilidade de inclusão no modelo BIM 4D os equipamentos de transporte e os elementos do canteiro no modelo virtual, para simulação do planejamento.

A prototipagem rápida como proposta se mostrou como um recurso muito útil para experimentações da montagem na construção modular, permitindo reflexões, discussões e ações cognitivas que contribuíram para o desenvolvimento do planejamento pela equipe. Cabe ressaltar que a prototipagem rápida não substitui o planejamento BIM 4D, mas se complementam.

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REFERÊNCIAS

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WOMACK J. JONES D. Lean Thinking. Banish waste and create wealth in your corporation. Free Press, New York, 2003.

ORIGEM DO ARTIGO

O presente artigo é originado de uma pesquisa de doutorado desenvolvida no programa de Pós-Graduação em Engenharia de Construção Civil da Universidade Federal do Paraná.

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