Monitoreo y control de progreso y tiempos de tareas en proyectos
constructivos a partir de UAV y modelos BIM: Caso de estudio edificio AD
PORTAS Universidad de la Sabana
Holman LATORRE, César ARANGO. Bogotá. ColombiaPalabras clave: Tecnologías de bajo costo, Fotogrametría, BIM, UAV
Abstract
The monitoring of construction sites have been an important tool to control the time and process of each construction projects. The traditional way to control the construction time progress is the time lapse with stationary cameras, however the recent increases and advances in the Unmanned Aerial Vehicles (UAV) and their civil applications is giving a new options to develop new ways of monitoring construction projects. Also, the recent advances in the BIM technologies give the construction sector new ways to carry the project information through all the project process minimizing possible mistakes and delays. The combination of both technologies could allow more accurate results in the monitoring and control on construction projects. The aim of this investigation is to present the results and a discussion of a Case-of-Study in the Universidad de La Sabana in Bogotá, Colombia, where both technologies, BIM Models and UAV point-clouds were combined to find a practical application. The methodology used was obtaining every two weeks information with the UAV, with flights above the construction site, processing each flight day information with the software Pix4D to an Ortho-Mosaic and a 3D point cloud to compare with the BIM model and the project schedule. In that way it could be possible to determine if the activities are on time. The final conclusions may lead to new investigations and a possible UAV monitoring methodologies and applications in future construction sites.
Resumen
Las nuevas tecnologías y aplicaciones de aplicaciones y software en la industria de la construcción en las últimas décadas ha tenido un avance exponencial, donde cada vez se hace más importante poder controlar los avances de los proyectos con el fin de dar cumplimiento a las proyecciones realizadas en cuanto a presupuesto, cronograma de tareas asignadas (tiempos), alcance de los proyectos, y asimismo esto genera un impacto en la seguridad durante la ejecución del proyecto, mitigando los riesgos, además de generar una integración de todas las áreas que hacen parte en la ejecución. Dicha tecnología, denominada BIM cada vez se está convirtiendo en un eje central y coyuntural entre los actores de diferentes
proyectos civiles. Asimismo, la implementación de vehículos aéreos no tripulados a usos civiles en los últimos años también ha ido aumentando, generando avances y progreso en diferentes aplicaciones, como agricultura, fotogrametría, GIS entre otros. En este documento, se realiza un caso de estudio en la Universidad de la Sabana, donde se encontrará un vértice coyuntural entre las tecnologías BIM y el rastreo y obtención de información mediante vehículos aéreos no tripulados, UAV por sus siglas en inglés, para monitorear y controlar el
Cumplimiento de las fases de construcción del proyecto AD Portas y así poder dar un primer paso a una integración de dos tecnologías y su aplicación en obras civiles.
Introducción
El monitoreo de proyectos de construcción durante toda la fase constructiva es esencial para obtener la mayor cantidad de información posible sobre los cronogramas, los avances del proyecto, posibles holguras y demás información que permita realizar un diagnóstico sobre el progreso y la vida del proyecto, con el fin de tener un record y realizar los cambios y actualizaciones necesarias con el fin de afectar lo menos posible la programación inicial de obra. Las técnicas tradicionales para obtener la información sobre el proceso y control de los tiempos de tareas (inicio, fin, duración, etc), durante la fase de construcción ha sido la fotografía por “Time-Lapse”, es decir a través de la instalación de cámaras estáticas en diferentes puntos de la obra con el fin de obtener el registro visual y fotográfico del avance del proyecto. No obstante, este método no es suficiente debido a que no permite obtener información sobre ciertos puntos del proyecto, por ejemplo las últimas placas fundidas o detalles de gran altura. Al usar la tecnología de vehículos aéreos no tripulados (UAV) por su sigla en inglés, se puede obtener información de dichos puntos donde no se puede llegar con las cámaras estáticas tradicionales, con una calidad bastante alta de fotografía al realizar vuelos periódicos sobre la obra.
La aplicación de esta larga colección de imágenes del sitio junto con modelos en 4D BIM (Building Information Modeling), para el monitoreo del estado de trabajo en progreso, crea una oportunidad imprescindible para desarrollar métodos de trabajo donde se pueda grabar sistemáticamente, analizar y comunicar las desviaciones del progreso del proyecto. (Jacob J. Lin K. K.-F., 2016)
Por otro lado, los sistemas aéreos no tripulados (UAS) por sus siglas en inglés, están experimentando un incremento en implementación en la industria de la construcción como una herramienta para la gestión de proyectos, y ha sido estudiada y explorada por investigadores y profesionales de la industria. (Nathan Blinn, 2016)
La combinación entre ambas tecnologías, UAS y BIM ha sido explorada en varias oportunidades y en los recientes años ambas tecnologías han sido usadas en pequeña escala para la gestión de proyectos constructivos.
Marco Teórico
UAV
Los sistemas aéreos no tripulados (UAS) son una tecnología emergente conocidos por sus roles en aplicaciones de tecnología militar (Nisser & Westin, 2006), sin embargo éstos componen un rango amplio en los cuales se incluyen diferentes tipos de vehículos no tripulados, entre esos los UAV. Los UAV o Unmanned Aerial Vehicles por sus siglas en inglés, son vehículos aéreos (de ala fija o rotor) controlados autónomamente sin tripulación a bordo, los cuales tienen diferentes usos. (Amy Hocraffer, 2016). Una característica especial de los UAV que los difiere de los demás sistemas aéreos no tripulados, es la configuración autónoma que pueden tener para realizar los vuelos, sin necesidad de realizarse manualmente por un operador.
Phantom-3 PRO
Debido a la disponibilidad de equipos en el lugar de la obra, el vehículo con el cual se recogieron los datos fue el Phantom-3 Pro. Las especificaciones técnicas son las siguientes:
BIM
Building Information Modeling (BIM por sus siglas en inglés) es uno de los desarrollos más prometedores en Arquitectura, Ingeniería y campos de la construcción. Está cambiando el concepto como los contratistas e ingenieros están llevando a cabo sus negocios, pero sus
aplicaciones aún son relativamente nuevas. BIM fue introducido a la industria hace aproximadamente una década principalmente para distinguir los modelos arquitectónicamente ricos en 3D del tradicional dibujo en 2D. Su aplicación ha generado un salvavidas en proyectos complicados gracias a la habilidad que existe en corregir errores en la etapa de diseño y programar correctamente la construcción. (Elsevier, 2012)
Control y Monitoreo de Proyectos
En la metodología de Control y Monitoreo de proyectos definido por la guía PMBOK, se define como un grupo de procesos que está compuesto por aquellos requeridos para rastrear, analizar y dirigir el progreso y el desempeño del proyecto, para identificar las áreas que requieran ser modificadas y aplicar los cambios correspondientes. (Project Management Institute, 2013). Es el proceso de dar seguimiento, revisar e informar los avances para dar cumplimiento a los objetivos de desempeño del proyecto, permitiendo que se cumplan las proyecciones tanto en el cronograma, presupuesto y los alcances. Según la metodología PMBOK, se deben tener en cuenta los siguientes aspectos para poder monitorear un proyecto:
1. Comparar el desempeño real del proyecto con respecto al plan para la dirección del proyecto
2. Evaluar el desempeño para determinar la necesidad de una acción preventiva o correctiva y en su caso recomendar aquellas que se consideran pertinentes
3. Identificar nuevos riesgos y analizar, revisar y monitorear los riesgos existentes del proyecto, para asegurarse de que se identifiquen los riesgos, se informe sobre su estado y se implementen los planes apropiados de respuesta a los riesgos
4. Mantener, durante la ejecución del proyecto, una base de información precisa y oportuna relativa al producto o a los productos del proyecto y a su documentación relacionada
5. Proporcionar la información necesaria para sustentar el informe de estado, la medida del avance y los pronósticos
6. Proporcionar pronósticos que permitan actualizar la información relativa al costo y al cronograma actual;
7. Monitorear la implementación de los cambios aprobados cuando éstos se producen; e
8. Informar adecuadamente sobre el avance del proyecto y su estado a la dirección del programa, cuando el proyecto forma parte de un programa global.
Trabajos Previos
Durante Mayo y Noviembre del 2014 se realizó un monitoreo en cuatro proyectos diferentes, los cuales tres estaban ubicados en la ciudad de Atlanta, Georgia, USA y el cuarto proyecto estaba ubicado en Salvador, Brasil. Se presenta una caso de estudio exploratorio para identificar el potencial de sus aplicaciones en inspecciones visuales obtenidos a través de los UAS para tareas en gerencia de construcción. El caso de estudio involucra el desarrollo de una base de datos de inspecciones visuales durante vuelos del UAS en sitios de construcción de EEUU y Brasil.
El resultado revela aplicaciones potenciales de los UAS especialmente en el monitoreo del progreso de proyectos, logísticas de puestos de trabajo, evaluación de condiciones de seguridad y calidad de inspección a través de tareas gerenciales secundarias.
En dicho caso de estudio, se realizó una revisión bibliográfica previa, luego se dividió el proceso de inspección en dos etapas: Durante la primera etapa se realizaron diferentes vuelos sobre 4 proyectos para recolectar activos visuales, luego se desarrolló la biblioteca de los activos visuales obtenidos de los cuales se seleccionó un subgrupo de activos para realizar entrevistas. La segunda etapa consistió en el desarrollo del cuestionario: (Preguntas demográficas, preguntas de activos visuales, preguntas sobre los beneficios de los activos visuales, comparación con los servicios de fotografía); luego se seleccionaron los proyectos y las entrevistas; se realizaron entrevistas con el personal del proyecto de construcción. (Irizarry & Bastos Costa, 2016).
Se concluyó que es necesario educar y tener constante comunicación con el personal de trabajo de la obra antes de realizar los vuelos y se requiere estandarizar a futuro el uso de los UAS en los lugares de trabajo con el fin de disminuir el riesgo de accidentes.
Un primer acercamiento a la interacción entre modelos BIM y datos obtenidos con drones, lo realizaron K. Themistocleous, A. Agapioua , D. Hadjimitsisa al modelar una iglesia en Chipre con fotografías obtenidas con un UAV y éstas procesarlas mediante el software AGISOFT generando un modelo BIM el cual se usará para posteriores remodelaciones y adecuaciones a la capilla. La conclusión del proyecto es la interacción que puede haber entre modelos BIM y los datos recolectados por un UAV. Sin embargo, para poder realizar un modelado detallado es necesario obtener fotografías de todos los ángulos posibles a la estructura. (K. Themistocleous, 2016).
Lugar de monitoreo
El monitoreo se realizó en la Universidad de la Sabana, ubicada en el municipio de Chía, en el departamento de Cundinamarca, Colombia. El proyecto llamado AD Portas es edificio nuevo de cuatro niveles, que hace parte de la ampliación de la planta física de la Universidad de la Sabana, y contará con 32000m² de construcción. Éste edificio será destinado para la
Escuela de Ciencias Económias y Administrativas y la Facultad de Derecho. El diseño contempla cuatro sub edificios de cinco plantas cada uno1.
Ilustración 1. Ubicación proyecto
Metodología de trabajo
La metodología de trabajo consistió en replicar la metodología propuesta por Jacob J,Lin, Kevin K. Han y Mani Golparvar-Fard en su publicación titulada “A Framework for Model-Driven Acquisition and Analytics of Visual Data Using UAVs for Automated Construction Progress Monitoring”. Dicha metodología se basa en la obtención de imágenes con un vehículo no tripulado (UAV) al sobrevolar una construcción en progreso. La información obtenida la procesaron en nube de puntos para poder determinar el estado de la construcción y se comparó con el modelo BIM del proyecto.
No obstante en el caso de la obra AD Portas, no se realizaron toma de datos desde ángulos horizontales; únicamente se realizaron vuelos del UAV sobre la obra para obtener una vista en planta de todo el proyecto y se obtuvo una nube de puntos densificada para realizar el análisis del avance de obra.
A continuación se muestra la metodología de trabajo propuesta en la publicación mencionada:
Ilustración 2 Diagrama de la metodología guía propuesta2
Siguiendo la misma imagen, en el caso del monitoreo del proyecto AD Portas, se podría ilustrar:
Ilustración 3 Diagrama de la metodología adoptada
Inicialmente se realiza un cronograma de visitas a la obra para obtener los datos de los vuelos realizados por el Phantom 3Pro como se muestra a continuación:
Ilustración 4. Cronograma de trabajo
Con base a los datos obtenidos, se ingresan al software Pix4D para realizar el modelo en 3D, y así poderlo comparar con el modelo BIM de la estructura, el cual fue proporcionado por la empresa contratista AE Ingeniería. Con el modelo en digital proporcionado por la firma
contratista, se hace un análisis en el software REVIT para obtener un modelo del proyecto, y éste se divide en las diferentes áreas según el cronograma establecido, para poder analizar el avance de cada área (o etapa) del proyecto en obra y corroborarlo con el modelo digital. A continuación se muestra el modelo en 3D del proyecto, donde se puede apreciar los colores que resaltan las etapas de fases de construcción.
Ilustración 5 Modelo 3D del proyecto AD Portas
Para analizar cada etapa, se exporta la nube de puntos generada por el software Pix4D al software CivilCAD 3D, para obtener una vista orto mosaica (o en planta) de toda la estructura en cada fase, de tal forma que se pueda observar gráficamente el avance teórico del proyecto. Una vez culminada cada etapa, se evalúan los datos obtenidos por el equipo Phantom 3Pro (las imágenes digitales) con respecto al modelo en REVIT para identificar y corroborar el progreso de la etapa finalizada.
Se debe tener en cuenta que el análisis del progreso del proyecto es absolutamente cualitativo, es decir no se obtendrán datos ni especificaciones técnicas respecto a los planos. Es análisis se hará mediante observación y comparación entre los datos del UAV, los planos en 3D, y la vista en planta general del proyecto.
Ilustración 6. Plano estructual en planta
Es importante resaltar que el edificio AD Portas se encuentra dividido en cuatro secciones diferentes:
Frente Aulas
Ilustración 8 Programa general edificio AD Portas
Frente Capilla
Ilustración 10. Programa construcción frente capilla
Frente Auditorio
Ilustración 12 Programa de construcción frente auditorio
Frente Oficinas
Ilustración 14 Programa de construcción frente oficinas
Datos
A continuación se muestran los datos obtenidos por semana durante los diferentes vuelos realizados entre las fechas de Agosto 31 del 2016 y Octubre 11 del 2016. Luego de realizar los vuelos, las fotografías obtenidas por el UAV se procesaron en el software Pix4D el cual permitió generar una imagen Orto Mosaica, y ésta corresponde a la superposición de todas las fotografías tomadas y dando como resultado una imagen global de todo el proyecto. Con esta imagen Orto Mosaica se creó una nube de puntos en el programa AutoCAD Civil 3D con el fin de hacer una evaluación de las elevaciones en cada punto de la obra, y con esto poder comparar con el modelo BIM de los planos iniciales respecto a las actividades en la programación inicial del proyecto. Debido al tiempo limitado en el que se tomarán los datos de muestra, solo se considerarán los avances de la estructura del Piso 1 y Piso 2en las fechas que corresponden del 31 de Agosto al 25 de Octubre.
Agosto 31
En la semana del 31 de Agosto se tomó el primer registro fotográfico aéreo de la obra con el UAV, siendo el punto de partida para la evaluación del progreso de la obra. A continuación en la Fotografía 1 se observa el modelo Orto Mosaico del proyecto luego de realizar el traslape entre todas las fotografías parciales obtenidas. Aquí se puede observar que la obra se encuentra fundiendo las vigas de cimentación en la parte central del Frente Aulas, y ya se
encuentran anclando los hierros para las columnas en Frente Capilla y Frente Oficinas. Por otro lado, el Frente Auditorio aún se encuentra en etapa de Consolidación
Ilustración 15 Orto Mosaico Agosto 31
Con la imagen anterior, se procesa la nube de puntos para obtener las elevaciones en los diferentes puntos de la estructura y tener una imagen de los puntos con diferenciales de altura. A continuación se presenta la convención de colores según las elevaciones calculadas por el UAV y la nube de puntos de todo el proyecto. Se puede observar que en la mayor parte del proyecto no existen diferenciales de elevación considerables debido a que en la etapa en la que se encuentra la mayor parte de la estructura está al mismo nivel de la superficie del suelo, a excepción de la franja color amarillo, la cual corresponde a la excavación de la cimentación faltante.
Por defecto, el programa AutoCAD Civil 3D genera un cambio de elevaciones cada 8.0 m y 9.0 m según la información de las cotas suministradas por el UAV. Por esta razón, no se puede obtener una mayor precisión en los diferenciales de altura en algunos sectores del proyecto.
Septiembre 16
Durante la semana del 16 de Septiembre según el cronograma inicial, el proyecto debe estar en la etapa de Formaleta y Armado Vigas Aéreas Piso, actividad que debió iniciar en Septiembre 6 del 2016 y finalizar en Octubre 18 del 2016. A continuación se muestra el registro fotográfico que corresponde a lo que debería ser la finalización de la actividad previamente mencionada se observa que se está cumpliendo con el cronograma establecido. Se presenta avance en dos secciones específicas del Frente Oficinas y del Frente Aulas como se muestra en los círculos de color rojo y aún se encuentran en cimentación en otra sección del Frente Aulas como se muestra en el círculo amarillo. En cuanto al Frente Auditorio, durante Agosto 31 y Octubre 15 corresponde a la cimentación, y en las imágenes obtenidas se puede observar que para la fecha del 16 de Septiembre están cumpliendo con el cronograma establecido
Ilustración 17 Orto Mosaico Septiembre 16
En la siguiente imagen se puede observar la superposición del orto mosaico con la nube de puntos, donde las secciones de color amarillo corresponden a las secciones más altas del proyecto, y las secciones de color rosado corresponden a las secciones profundas de la construcción, según la tabla de convenciones de colores previamente expuesta, y éstas secciones coinciden con el orto mosaico.
Gracias a la nube de puntos y el análisis de elevación se puede caracterizar algunos detalles que con solo la fotografía en Orto Mosaico no es posible, como son las columnas, las cuales al observarse verticalmente desde la altura del UAV no se puede determinar con facilidad su estado actual. No obstante, gracias a la elevación en las secciones amarillas es posible determinar que ya están construidas, como se muestra a continuación
Ilustración 19 Superposición nube de puntos sobre orto mosaico
Por lo anterior se puede estimar que se está cumpliendo con el cronograma en las actividades FORMALETA Y ARMADO VIGAS AEREAS PISO 1 en el Frente Aulario porque; se registra un complimiento en la actividad PANTALLAS Y COLUMNAS PISO 1 en el Frente Oficinas y también un cumplimiento de la actividad CIMENTACIÓN en el Frente Auditorio
Octubre 1
Durante la semana de Octubre 1 del 2016 según el cronograma inicial corresponde a las actividades FORMALETA Y ARMADO VIGAS AEREAS PISO 1; FUNDIDA VIGAS AEREAS; ALVEOLARES; CAPA DE COMPRESION Y LOZAS MACIZAS Y PANTALLAS Y COLUMNAS en el Frente Aulario. De todas las actividades previamente mencionadas se pueden observar claramente avance en las formaletas y armado de las vigas aéreas en el piso 1 como indican los círculos rojos.
Ilustración 20 Orto Mosaico Octubre 1
Adicionalmente se puede observar un avance en el Frente Auditorio, el cual se encuentra en las actividades CIMENTACIÓN; y PANTALLAS Y COLUMNAS PISO 1, las cuales actualmente están en progreso como se muestra en el círculo amarillo. Nuevamente, al analizar las imágenes Orto Mosaicas no es posible determinar los detalles de las armaduras de las vigas aéreas pero gracias a la nube de puntos de elevaciones traslapada conla imagen se pueden observar que si están en proceso de armado como indican los círculos azules.
Ilustración 21Superposición Nube de Puntos sobre Orto Mosaico
En la siguiente imagen se observa en la nube de puntos las secciones con mayores elevaciones en el proyecto, las cuales corresponden a los avances del proyecto, específicamente en el Frente Aulas, Frente Oficinas y Frente Capilla.
Ilustración 22 Nube de puntos
De lo anterior se puede determinar que hasta la fecha se están cumpliendo con los tiempos en las diferentes actividades programadas en el cronograma inicial, sin embargo en la sección central del Frente Aulas aún no se presentan avances significativos en el armado de vigas.
Octubre 11
Durante la semana del 11 de Octubre las actividades aún siguen siendo las mismas que en la semana del 4 de octubre por lo que en esta sección solo se evaluarán los avances en dichas actividades. A continuación se puede observar que si existen avances en las actividades, especialmente en el Frente Auditorio se observa un avance en la cimentación (Círculo azul); en el Frente Capilla hay un avance en la cimentación (Círculo amarillo) y en el Frente Oficinas (circulo naranja) el armado de vigas también ha avanzado. Por otro lado, en el frente Aulas en la sección central, no se presentan avances que corresponderían al armado de las vigas (Círculo Rojo), solo en la fundida del placa (Circulo verde) como se muestra a continuación.
Ilustración 23 Orto Mosaica Octubre 11
En la siguiente nube de puntos se pueden observar las elevaciones de los armados de las vigas y la losa maciza en los Frentes Aulas y Oficinas, sin embargo debido al bajo detalla miento se presenta la misma densificación que en la semana del 4 de Octubre.
Ilustración 24 Nube de puntos
Se puede concluir que hasta la fecha se han cumplido los tiempos y las tareas establecidas en el cronograma inicial en los cuatro frentes sin presentar un retraso visible. Sin embargo, nuevamente no se presenta avance en el armado de las vigas en la sección central del Frente Aulas, indicado con el círculo rojo.
Conclusiones
En el corto periodo de tiempo en el que se realizó el seguimiento del proyecto AD Portas en la Universidad de la Sabana, se presentan cumplimientos a las diferentes actividades establecidas en el cronograma inicial, sin detectarse retrasos visibles. No obstante, el uso del UAV no permite obtener datos precisos en cuanto a las elevaciones ni en los detalles de algunos elementos estructurales, tal como se previó al inicio de la investigación.
Gracias a que el seguimiento y análisis de este documento se realizó en etapas tempranas del proyecto, donde los diferenciales de altura en la estructura no son tan altos, no se puede determinar un método objetivo para el análisis de avances de tal forma que se pueda estudiar detalladamente la causa de algún posible retraso en el cumplimiento de las tareas. Sin embargo, el uso del UAV puede aplicarse de forma ilustrativa el avance del proyecto durante las etapas tempranas, y poder tener una visión más global del mismo.
La inclinación de la cámara al ser totalmente vertical y tomarse los datos únicamente sobrevolando a gran altura no permite desarrollar un modelo en 3D, lo cual se recomienda en próximas investigaciones y/o seguimientos a proyectos, tomar datos desde diferentes ángulos, y así poder generar un modelo 3D donde se pueda comparar con el modelo BIM y tener un concepto más visual sobre el avance. Esto puede ser útil en proyectos de construcción vertical, donde documentar el progreso desde un ángulo lateral puede dar más información sobre el avance.
Aún existen varias áreas por investigar en el uso de los UAV y sus implementaciones en los proyectos constructivos, además porque se requieren de herramientas adicionales como programas
sofisticados capaces de procesar la información. Pero hasta el momento, los análisis que se hagan, se podrán realizar de manera subjetiva, especialmente como un análisis de imagen y no con datos de mediciones exactas.
El modelo inicialmente planteado, queda por comprobar al continuar con los seguimientos al proyecto AD Portas hasta su finalización.
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