Rakennushankkeen digitaalisista varjoista digikaksosiin

Rakentaminen ei ole samalla tavalla hallittua kuin muu teollinen tuotanto. Ero tulee selväksi, kun tarkastelee projektien ja tehtävien johtamista ja aikataulutusta. Aikataulut eivät yleensä kuvaa työmaan todellisuutta, ja useat tehtävät jäävät kokonaan aikataulujen ulkopuolelle.

Aalto-yliopiston aiempi tutkimus on selvittänyt sensorein ja kameroin kerätyn tiedon avulla rakentajien todellista ajankäyttöä ja liikettä rakennustyömaalla. Tulosten perusteella enemmistö asentajien työajasta kuluu tehtäviin ja liikkumiseen, joka ei tuota arvoa hankkeen etenemiselle.

Tilannekuvasta automaattiohjaukseen

Tuottavuuden jatkuva parantaminen edellyttää ajantasaista tietoa, jota on työmaalta saatavissa 360 asteen kameroilla ja muilla datankeruuvälineillä. Yhdistämällä tämä data aikatauluun ja muihin suunnitelmiin on mahdollista muodostaa tilannekuva, digitaalinen varjo, joka konkretisoituu esimerkiksi Power BI -näkymäksi.

Digitaalinen kaksonen on varjoa edistyneempi. Siinä fyysisestä todellisuudesta kerätty datamassa tuottaa automaattisesti päätelmiä, ohjaa automaattisesti fyysistä prosessia ja hälyttää poikkeamista.

Tutkijoiden mukaan prosessin digitaalinen kaksonen voisi mullistaa rakentamisen johtamisen. Sitä voisi käyttää työmaan toiminnan ja materiaali- ja aliurakoinnin ohjaukseen. Koneoppimisen kautta urakoitsijat voisivat ennustaa todennäköisiä aikataulu-, kustannus-, laatu- ja työturvallisuusongelmia. Kaksonen mahdollistaisi myös johdonmukaisen oppimisen aiemmista hankkeista, mikä on edelleen harvinaista.

Tutkimus avaa uusia uria

Rakennuksen digitaalinen kaksonen on ymmärretty rakennuksen tietomallina, jota käytön aikana rikastetaan reaaliaikaisesti kerätyllä tiedolla.  Kaksonen pohjautuu tällöin siis melko staattiseen malliin. Kaksosen hyödyntäminen dynaamisessa suunnittelu- ja rakentamisvaiheessa on jäänyt vähemmälle huomiolle.

Building 2030 -konsortion rahoittama tutkimushanke Tuotantoprosessin digitaalinen kaksonen selvitti, miten digikaksoskonsepti voisi toimia rakentamisessa ja suunnittelussa ja miten se eroaa tilannekuvasta.

Hankkeessa tutkijat toteuttivat korkean rakentamisen logistiikan digitaalisen kaksosen ja selvittivät konseptin soveltumista suunnitteluun. Kaksi diplomityötä tarkasteli urakoitsijan tietovaatimuksia ja testasi elementtiasennuksen digitaalista kaksosta.

Onko tietoa jo riittävästi?

Digitaalinen kaksonen edellyttää systemaattisesti tuotettua tietoa, jota tietojärjestelmän on kyettävä lukemaan automaattisesti, ilman ihmisen tulkintaa.

Joni Laine selvitti diplomityössään, miten rakennusliikkeillä on tähän mahdollisuuksia. Tähän hän kehitti työkalun, jonka avulla voi määrittää yrityksen digitaaliset valmiudet kuudesta johtamisen kannalta kriittisestä näkökulmasta:

• Ympäristö
• Aikataulu
• Työn edistyminen
• Laatu
• Turvallisuus
• Kustannukset

Laine vertasi neljää saman rakentajan työmaata ja yhtä digitaalisesti edistynyttä hanketta. Yhteenveto valmiuksien ja automaation tasoista on oheisessa kaaviossa.

Laineen päätelmä oli, että rakennusliikkeiden on vaikea investoida digitaalisten kaksosten kehittämiseen, koska järjestelmät eri hankkeissa vaihtelevat suuresti. Edistyneillä työmailla on jo nyt mahdollista päästä liikkeelle, mutta laajamittainen käyttö edellyttää ainakin yrityskohtaista vakiointia.

Elementtirakentamisen automatisointia

Arttu Huovinen selvitti diplomityössään testien ja tiedonkeruun avulla käytännön haasteita, joita elementtirakentamisen digitaalisen kaksosen toteuttamiseen sisältyy. Tavoitteena oli toimintapa, jossa tiedot suunnittelusta, tuotannosta ja asennuksesta ovat jatkuvasti ajan tasalla prosessin automaattista suunnittelua ja ohjausta varten. Visiona oli digitaalinen kaksonen, joka voisi itsenäisesti tilata oikean määrän elementtejä, ehdottaa muutoksia aikatauluihin ja päivittää kustannuslaskelmia ja -ennusteita.

Testikohteena oli pilari-palkkirunkoinen teollisuushalli, jonka elementit tulivat kolmelta tehtaalta. Ne syöttivät elementtitiedot käsin yhteiseen portaaliin, josta työmaan oli mahdollista hakea niitä päivittäin.

Testi paljasti digitalisaatiossa selviä puutteita: tehtaiden sisäiset elementtitunnisteet eivät mahdollistaneet automaattista linkitystä tietomalliin, tiedon syöttö ei ollut reaaliaikaista eikä historiatieto tallentunut järjestelmään. Huovisen mukaan tietoa standardisoimalla ja automaation avulla digitaalinen varjo ja kaksonen olisi kuitenkin mahdollista toteuttaa nykyjärjestelmin.

Korkean rakentamisen logistiikan tehostamista

Korkeiden rakennuskohteiden sisävalmistusvaiheen pullonkaula on pystylogistiikka. Pahimmassa tapauksessa työntekijät hukkaavat merkittävän osan päivästään hissien odotteluun eivätkä materiaalit liiku optimaalisesti työkohteisiin.

Building 2030:n aiempi tutkimus oli tuottanut simulointimallin korkean rakentamisen pystylogistiikkaan. Tämä hanke käytti syntynyttä mallia luodakseen digitaalisen kaksosen prototyypin Skanskan rakennuskohteesta.

Tutkijat vertasivat työmaahissinä käytetyn Alimakin tuottamaa dataa simuloinnin ennusteisiin. Tätä dataa täydensi opiskelijan tekemä aikaotantamittaus, joka dokumentoi väliseinä- ja sähköasentajien liikkeet ja niiden syyt työmaalla.

Simuloinnin tulokset vastasivat hyvin toteutumaa. Logistiikan digitaalinen kaksonen voisi auttaa hissien määrän mitoituksessa ja erilaisten tila- ja työaikajärjestelyjen logististen vaikutusten arvioinnissa. Koska kaksosen käyttö säästäisi useiden asentajien työaikaa, sen kehittäminen kaupalliseksi tuotteeksi olisi harkinnan arvoista.

Suunnittelu

Suunnitteluprosessin digitaalinen kaksosen on luonteeltaan erilainen kuin rakentamisessa, jossa työn eteneminen näkyy visuaalisesti. Tutkijat päätyivät todentamaan suunnittelun tilannetta ja etenemistä tietomalleista. Muita mahdollisia tietolähteitä voisivat olla  projektipankin tiedostot, mallinnusohjelmien käyttötilastot ja suunnittelukokousten pöytäkirjat.

Tutkimuksessa kehitettiin parametreja, joilla oli mahdollista seurata mallielementtien muutoksia versioiden välillä. Erityinen simulointimalli auttoi ennustamaan suunnittelun etenemistä. Lisäksi määriteltiin lukuja, joita varta vasten luotu tietokoneohjelma tuotti IFC-malleista.

Suunnitteluprosessin digitaalinen kaksonen mahdollistaisi suunnittelun analysoinnin ja ennustamisen lähes reaaliajassa. Tämä voisi auttaa muun muassa suunnittelua vaivaavien lukuisten muutosten juurisyiden selvittämisessä.

Tulevaisuus

Toistaiseksi suunnittelu- ja rakennusprosessin digitaalisia kaksosia ei ole käytössä. Erilaisia dataa kerääviä ja analysoimia järjestelmiä on toki jo olemassa mutta ne keskittyvät yhteen rakentamisen osa-alueeseen, kuten etenemisen tai turvallisuuden seurantaan.

Matkaa digitaalisista varjoista kohti aitoja kaksosia on vielä runsaasti. Erilaisten järjestelmien tuottama data on saatava yhteiskäyttöiseksi, jotta prosessiautomaatio olisi mahdollista. Tätä varten ohjelmistokehittäjien olisi sovittava yhteisistä tiedon käsitteistä ja rajapinnoista. Lisäksi lähes kaikki järjestelmät tarvitsevat sijaintitietoa, joka sekin olisi yhtenäistettävä. Tutkimusryhmän aiemmin DiCon-hankkeessa kehittämän ontologian käyttöönotto olisi hyvä askel yhteentoimivuuden suuntaan.

Building 2030 jatkaa digitaalisiin kaksosiin liittyvää tutkimusta muun muassa Suunnittelu 2.0 -projektissa.

LATAA TUTKIMUSRAPORTTI