Smart BIM objects for intelligent modular construction

Abstract

From a general perspective, AEC is one of the largest industries and surprisingly, when compared to other industries such as the automobile and airplane production, it shows one of the lowest productivity rates. One of the main solutions for increasing productivity rate is to shift the production processes from traditional to manufacturing processes. But there is a problem: Each building is a unique product and the usual manufacturing approach – Mass Production – cannot be directly adapted to the AEC industry. Thanks to new technologies, a new method has emerged: ETO or Engineered-To-Order. In this approach, the products can be fabricated corresponding to the design of the final product (building). An important challenge should be solved before: in ETO approach, the properties of the elements should be extracted from design documents. Hopefully, this problem can be solved with BIM and Artificial Intelligence. Building Information Modelling (BIM) takes advantage of powerful digital processes and new technologies in programming, such as Object-Oriented Programming languages (OOP). With BIM, it is possible to create a complete 3D model enriched by various non-graphic information of the final product. Associating BIM to Engineered-To-Order method makes the overall processes smoother and easier. In addition, there are other technologies embedded in BIM that make processes completely automatic: Parametric Design and Artificial Intelligence that led to Smart BIM Objects. By applying these technologies, designing and modelling elements can be done automatically in an optimized way. Within the current context, as the AEC industry increasingly takes advantage of intelligence adaptable digital representative of building elements. This work tries to implement AI in the work of panelling floors automatically. The research focuses on exploring how BIM capabilities and Artificial intelligence can support the production processes, in the ETO approach. To be more precise, this dissertation tries to utilize the BIM environment to make the process of panelling a floor or a wall with openings automatic. In ETO production method, it is very difficult to find a balance between the design freedom and the production limits. How is it possible to integrate the limits of production process into the design process? There are various approaches but the one used in this research, is Artificial Intelligence. The challenge is to design panels to be applied in building elements (wall, floor, and roof), considering the production rules and some restrictions. This research tries to associate the shape of elements with the production process of panels while considering the designer’s desires and the fabricator’s rules. Therefore, an algorithm was developed to create ETO panels fitted to construction elements that the designer created for the building, considering the various rules of production process. The algorithm collects the shape of element, starts to divide it to some smaller parts appropriate for panelling, modifies and finalize them for panelling. Then starts to arrange the panels and defines the size of them in an optimised way responding to production rules and limits. The algorithm developed uses the Python programming interface of Grasshopper and for the inputs and outputs, uses Tekla Structures as a BIM authoring software. This automated process not only reduces the time of work and resulting costs, but also produces more precise and optimized results. This algorithm is capable to incorporate rules that are defined by the user and calculates the result that correspond to those rules.

A AEC é uma das maiores indústrias mundiais e , em comparação com outras indústrias, como a da manufatura, apresenta uma das menores taxas de produtividade. Uma das principais soluções para aumentar a taxa de produtividade é mudar os processos de produção . Cada edifício é um produto único e a abordagem usual de manufatura - Produção em massa - não pode ser adaptada diretamente para a indústria de AEC. Graças às novas tecnologias, surgiu um novo método: o ETO ou Engineered-To-Order. Nesta abordagem, os produtos podem ser fabricados correspondendo ao projeto final do produto de construção. Um desafio importante deve ser resolvido na abordagem ETO, as propriedades dos elementos devem ser extraídas dos documentos de projeto. Este problema pode ser resolvido com BIM e com Inteligência Artificial. O Building Information Modeling (BIM) tira proveito dos poderosos processos digitais e das novas tecnologias de programação, como as linguagens de programação orientada a objetos (OOP). Com o BIM, é possível criar um modelo 3D completo e enriquecido por diversas informações não gráficas do produto final. Associar o BIM ao método Engineered-To-Order torna os processos mais fáceis. Além disso, existem outras tecnologias embutidas no BIM que tornam os processos totalmente automáticos: Design Paramétrico e Inteligência Artificial que deram origem aos Objetos BIM Inteligentes. Ao aplicar essas tecnologias, o projeto e a modelação de elementos podem ser feitos de forma automática e otimizada. No contexto atual, como a indústria de AEC aproveita cada vez mais a inteligência digital adaptável representativa de elementos de construção. Este trabalho buscou implementar IA utilizando para desenvolver a aplicação automática de painéis de parede, de pavimento e de cobertura. Esta pesquisa concentra-se em explorar como os recursos BIM e a inteligência artificial podem apoiar os processos de produção na abordagem ETO. Esta dissertação tenta utilizar o ambiente BIM para automatizar o processo de revestimento de um piso ou parede com aberturas. No método de produção ETO, é difícil encontrar o equilíbrio entre a liberdade do design e os limites de produção. Como é que se pode transferir os limites do processo de produção para o projetista? Existem várias abordagens, mas a que é escolhida nesta pesquisa é a Inteligência Artificial. O desafio consiste em projetar painéis para algum tipo de elemento de construção (parede, piso e telhado), considerando as regras e restrições da produção. Esta pesquisa tenta vincular a forma dos elementos ao processo de produção dos painéis, tendo em consideração a visão do projetista e as regras do fabricante. Para tal, foi desenvolvido um algoritmo que permite criar painéis ETO ajustados aos elementos que o projetista definiu para a edificação, incorporando as regras do processo de produção. O algoritmo inclui a forma do elemento, começando por dividi-lo em partes menores e apropriadas ao painel, as modifica e finaliza para o painel. Em seguida, começa a organizar os painéis e define o tamanho dos mesmos de forma otimizada, atendendo às regras e limites de produção. O algoritmo desenvolvido usa a interface de programação Python do Grasshopper para as entradas e saídas e usa o Tekla Structures como um software de autoria BIM. Este processo automatizado reduz o tempo de trabalho e os custos resultantes, e também produz resultados mais precisos e otimizados. O algoritmo é capaz de incorporar regras que são definidas pelo utilizador e calcular o resultado que corresponde a essas regras.