Automation and Information Approaches to Support Maintenance and Production Management in the Construction Industry

Abstract

[ES] La industria de la construcción es un amplio sector industrial que abarca desde el diseño y la gestión de grandes infraestructuras como puentes hasta la construcción de viviendas civiles. Es mundialmente reconocido como un sector impulsor fundamental del Producto Interno Bruto, pero también se encuentra entre los de menor rendimiento y retraso en la adopción y explotación de mejoras tecnológicas. Estas limitaciones están induciendo a las partes interesadas a tomar prestadas e integrar muchas mejoras de otros campos industriales en el sector. Esta tendencia de digitalización se está extendiendo a lo largo de todo el ciclo de vida del proceso de construcción e identifica un enfoque desafiante debido al cambio de paradigma necesario de los sistemas físicos a los ciberfísicos. El concepto Industria 4.0 impulsó esta tendencia por lo que tanto en la academia como en la industria de la construcción se ha concretado como Construcción 4.0. Toma prestada de la Industria 4.0 la adopción de muchas tecnologías habilitadoras clave como Internet de las Cosas, Inteligencia Artificial y Fabricación Aditiva. Esta tesis investiga specíficamente esta integración tecnológica, centrándose en la aplicación de tales tecnologías habilitadoras en el campo de la construcción y considerando diferentes etapas en el ciclo de vida en diferentes tipologías de infraestructura. A partir de una investigación bibliográfica sobre sistemas inteligentes "holísticos" en la construcción de Edificios Inteligentes, a la manera de Gemelos Digitales, se estudia la influencia y la aplicación de tecnologías habilitadoras y herramientas TIC operativas relacionadas, como Internet de las Cosas y Big Data, desde una perspectiva de todo el ciclo de vida de las construcciones. Se estudia la fase de mantenimiento de grandes infraestructuras en materia de seguridad estructural y detección de fallos, mediante el desarrollo de un método de detección de daños en puentes ferroviarios de celosía metálica mediante inteligencia artificial. Luego se presenta una innovadora tecnología de fabricación aditiva para construcciones de gran altura. Consiste en una mejora de la tecnología de las grúas torre estándar con una extrusora personalizada, mientras que todo el sistema está controlado por un agente de inteligencia artificial. Concluimos que la Construcción 4.0 aún se encuentra en su etapa embrionaria. Se pueden obtener resultados más avanzados en la implantación tecnológica sobre infraestructuras existentes para su gestión de operación y mantenimiento debido al enfoque relacionado principalmente con la sensorización y análisis de datos. La innovación en la fase integrada de diseño/construcción sigue siendo más desafiante, debido a la necesidad de un paradigma completamente nuevo e innovaciones industriales en muchos campos diferentes.

[CA] La indústria de la construcció és un ampli sector industrial que abasta des del disseny i la gestió de grans infraestructures com a ponts fins a la construcció d'habitatges civils. És mundialment reconegut com un sector impulsor fonamental del Producte Intern Brut, però també es troba entre els de menor rendiment i retard en l'adopció i explotació de millores tecnològiques. Aquestes limitacions estan induint a les parts interessades a amprar i integrar moltes millores d'altres camps industrials en el sector. Aquesta tendència de digitalització s'està estenent al llarg de tot el cicle de vida del procés de construcció i identifica un enfocament desafiador a causa del canvi de paradigma necessari dels sistemes físics als ciberfísics. El concepte Indústria 4.0 va impulsar aquesta tendència pel que tant en l'acadèmia com en la indústria de la construcció s'ha concretat com a Construcció 4.0. Ampra de la Indústria 4.0 l'adopció de moltes tecnologies habilitants clau com a Internet de les Coses, Intel·ligència Artificial i Fabricació Additiva. Aquesta tesi investiga específicament aquesta integració tecnològica, centrant-se en l'aplicació de tals tecnologies habili- tants en el camp de la construcció i considerant diferents etapes en el cicle de vida en diferents tipologies d'infraestructura. A partir d'una investigació bibliogràfica sobre sistemes intel·ligents "holístics" en la construcció d'Edificis Intel·ligents, a la manera de Bessons Digitals, s'estudia la influència i l'aplicació de tecnologies habilitants i eines TIC operatives relacionades, com a Internet de les coses i Big Data, des d'una perspectiva de tot el cicle de vida de les construccions. S'estudia la fase de manteniment de grans infraestructures en matèria de seguretat estructural i detecció de fallades, mitjançant el desenvolupament d'un mètode de detecció de danys en ponts ferroviaris de gelosia metàl·lica mitjançant intel·ligència artificial. Després es presenta una innovadora tecnologia de fabricació additiva per a construccions de gran altura. Consisteix en una millora de la tecnologia de les grues torre estàndard amb una extrusora personalitzada, mentre que tot el sistema està controlat per un agent d'intel·ligència artificial. Concloem que la Construcció 4.0 encara es troba en la seua etapa embrionària. Es poden obtindre resultats més avançats en la implantació tecnològica sobre infraestructures existents per a la seua gestió d'operació i manteniment degut a l'enfocament relacionat principalment amb la sensorització i anàlisi de dades. La innovació en la fase integrada de disseny/construcció continua sent més desafiadora, a causa de la necessitat d'un paradigma completament nou i innovacions industrials en molts camps diferents.

[EN] The construction industry is a wide industrial sector ranging from the design and management of major infrastructures, such as bridges, to civil dwelling construction. It is worldwide acknowledged as a fundamental driving sector for the Gross Domestic Product, but it is also among the less performing and delayed ones in the adoption and exploitation of technological improvements. These limitations are inducing stakeholders to borrow and integrate many enhancements from other industrial fields into the sector. This digitalization trend is spreading through the entire life cycle of the construction process and identifying a challenging approach because of the paradigm shift needed from physical to cyber-physical systems. The Industry 4.0 concept boosted this trend so that both in the academy and in the construction industry it has been specified as Construction 4.0. It borrows from the Industry 4.0 the adoption of many key enabling technologies such as Internet of Things, Artificial Intelligence and Additive Manufacturing. This thesis investigates specifically this technological integration, focusing on the application of such enabling technologies in the construction field and considering different stages in the life cycle in varying infrastructure typologies. Starting from a literature investigation on "holistic" intelligent systems in Intelligent Buildings construction, in a Digital Twin fashion, the influence and the application of enabling technologies and related operative ICT tools such as Internet of Things and Big Data are studied, from a perspective of the whole constructions' life cycle. The maintenance phase of major infrastructures is studied concerning structural safety and fault detection, by developing a method to detect damages in railway steel truss bridges via artificial intelligence. An innovative additive manufacturing technology for high-rise constructions is then presented. It consists of an improvement with a custom extruder of standard tower crane technology, while the whole system is driven by an artificial intelligence agent. We conclude that Construction 4.0 is still at its embryonic stage. More advanced results are obtainable for the operation and maintenance management of existing infrastructures because of the already mature approach related to sensorization and data analysis. Innovation in the design/construction phase remains more challenging,because of the need for a completely new paradigm and industrial innovations in many different fields.