Gêmeo digital: modelo de dados inteligente pode moldar o mundo construído

• O que é gêmeo digital?
• O que é gêmeo digital em arquitetura, engenharia e construção?
• BIM e gêmeos digitais
• A história dos gêmeos digitais
• Os 5 níveis dos gêmeos digitais
• 4 vantagens dos gêmeos digitais
• O futuro dos gêmeos digitais

Há vinte anos, quando Steven Spielberg começou a adaptar para cinema o livro Minority Report – A Nova Lei, de Philip K. Dick, o consagrado cineasta reuniu as mentes mais brilhantes da ciência e da tecnologia para ajudá-lo a idealizar as cidades do futuro. A versão cinematográfica da Washington, D.C., de 2025 era de fato sombria, mas os habitantes também usufruíam das facilidades propiciadas por tecnologias digitais inteligentes, como carros sem condutor, anúncios personalizados por leitura da retina e casas com comando de voz.

Tecnologias que há duas décadas pareciam impossíveis e futuristas hoje são comuns, como os computadores controlados por gestos, os anúncios direcionados da Web e as geladeiras que fazem compra online quando o leite acaba.

Hoje os edifícios inteligentes “sabem” onde você mora, o que faz durante o dia e até a quantidade de açúcar que costuma colocar no café. Os edifícios e as cidades se tornaram mais inteligentes e mais autônomos, e o mesmo aconteceu com as ferramentas utilizadas no projeto, gestão e manutenção desses ativos e ambientes.

Não é novidade para ninguém que o setor de arquitetura, engenharia e construção (AEC) está atrasado em relação a outros setores da economia no que diz respeito à adoção da digitalização e da tomada de decisão orientada por dados. No entanto, a situação está mudando. Os profissionais do setor estão constatando que, para avançar, precisam começar a pensar – e a trabalhar – de um modo diferente.

Com a Internet das Coisas (IoT), a inteligência artificial (IA) e as tecnologias de computação em nuvem impulsionando a transformação digital do setor de AEC, os gêmeos digitais estão ganhando força. As ferramentas estão cada vez mais avançadas, e os projetistas e proprietários estão começando a entender como podem otimizar o mundo construído.

O que é gêmeo digital?

O gêmeo digital é uma representação digital de um ambiente ou ativo físico, como um carro, uma ponte ou um edifício. Considere o gêmeo digital não tanto como um modelo 3D tradicional, mas como um modelo de informações. Trata-se de uma referência de dados comuns criada durante uma etapa de planejamento de projeto e que se estende por todas as etapas do ciclo de vida de um ativo: do projeto à fabricação e construção e, em seguida, à operação e manutenção – inclusive até a futura utilização ou reutilização.

Ao contrário dos modelos de dados estáticos, os gêmeos digitais são entidades dinâmicas e ativas que evoluem em tempo real. Graças às tecnologias de IA, aprendizado de máquina e IoT, os gêmeos digitais aprendem, se atualizam e se comunicam com seus correspondentes físicos por meio do intercâmbio de dados durante todo o ciclo de vida do ativo. Com essas simulações dinâmicas, os usuários desses gêmeos virtuais podem resolver os problemas antes mesmo que ocorram, avaliar novas oportunidades e se preparar para o futuro.

O que é gêmeo digital em arquitetura, engenharia e construção?

Os gêmeos digitais  no setor de arquitetura, engenharia e construção (AEC) são réplicas abrangentes de ativos construídos, com seus respectivos sistemas.

O gêmeo digital pode assumir a forma de um destes ativos:

• edifício
• elemento de infraestrutura, como uma ponte
• ecossistema complexo de ativos conectados, como uma ferrovia, um parque empresarial ou uma cidade

Como funciona um gêmeo digital na construção civil

No setor de construção civil, os gêmeos digitais processam, entre outras, as seguintes informações:

• dados operacionais dos sistemas mecânico, elétrico, hidráulico e de climatização
• dados sobre peças e manutenção
• dados ambientais obtidos com sensores de IoT

Em uma nova construção, um gêmeo digital é criado no início do projeto, quando as equipes de AEC e os proprietários estabelecem em conjunto as metas de desempenho e de resultados. No decorrer do projeto, os dados são reunidos de forma contínua e mapeados no modelo, com o auxílio de uma plataforma como o Autodesk Tandem. Quando o controle do ativo é transferido ao proprietário, o gêmeo virtual reúne dados operacionais que podem ser utilizados para otimizar o desempenho, gerir a manutenção a longo prazo e orientar processos de desativação e futura utilização.

O gêmeo digital está sempre evoluindo em função dos dados fornecidos por seu correspondente físico. Por isso, é capaz de fazer simulações e predições em resposta às condições em tempo real. Um gêmeo digital poderia ser utilizado no setor de construção civil, por exemplo, no alinhamento da fachada solar de um edifício para acompanhar o movimento do sol, ou na modificação da circulação de ar na parte interna para minimizar a propagação de agentes patogênicos.

Outras possibilidades de uso dos gêmeos digitais para otimizar ativos construídos:

• configurar lojas para se beneficiar dos padrões de comportamento dos compradores
• automatizar o cultivo de hortaliças em ambiente fechado para alcançar as condições ideais de crescimento
• fazer a predição de problemas de manutenção em refinarias de petróleo
• projetar espaços de assistência médica para obter eficiência quanto ao fluxo de pacientes e às necessidades de pessoal

Como os gêmeos digitais conectam os fluxos de trabalho de projeto e construção

No que diz respeito ao fluxo de trabalho, os gêmeos digitais liberam dados que normalmente se encontram confinados em silos (ou em arquivos de papel). Com isso, as equipes ficam mais bem conectadas durante todo o ciclo de vida de um ativo, desde o projeto até a desativação. Os dados estáticos, como especificações de componentes e cronogramas de manutenção, são integrados aos dados dinâmicos, como taxas de ocupação e condições ambientais. Dessa forma, os gêmeos digitais capacitam a todos, dos projetistas aos proprietários, a tomar decisões mais bem fundamentadas que maximizem o desempenho e o ciclo de vida do ativo.

BIM e gêmeos digitais

O processo BIM (Modelagem de Informações da Construção) está impulsionando a digitalização do setor de construção. Essa tecnologia utiliza modelos multidisciplinares e colaboração em nuvem para fornecer informações sobre os ativos construídos e seus sistemas internos às equipes de projeto e gestão.

Os gêmeos digitais usam todo o potencial da tecnologia BIM, conectando dados e processos por meio de uma gestão dinâmica, bidirecional e em tempo real das informações. É possível criar gêmeos digitais sem BIM, mas o aproveitamento máximo do potencial desses modelos inteligentes começa com os fluxos de trabalho integrados e o compartilhamento de informações, que já fazem parte do processo BIM. Por isso, começar com BIM é um método bem mais eficiente.

O futuro do processo BIM e dos gêmeos digitais

No futuro, a maioria dos gêmeos digitais será integrada ao processo BIM para proporcionar a todos melhores informações em um ambiente padronizado. A importância desse tipo de informação ultrapassa os domínios de um projeto específico. Os dados capturados podem ser reutilizados nas fases de planejamento e projeto de novos empreendimentos, aplicando, assim, o aprendizado de dados para promover aprimoramento contínuo.

Cidade inteligente e gêmeos digitais: a parceria perfeita

Os gêmeos digitais não se restringem a situações isoladas. Os projetistas podem integrar vários gêmeos digitais para construir um ecossistema conectado e, com o tempo, otimizar o desempenho desse sistema.

Ao adotar uma perspectiva que vai além de um ativo específico, é possível começar a considerar o potencial mais amplo dessa tecnologia em termos econômicos, sociais e ambientais. Imagine a construção de uma cidade inteligente que pode ser administrada com informações em tempo real, análise e otimização do consumo de energia, redes sem fio, transporte público, sistemas de segurança e desempenho de infraestrutura – em tempo real por meio da modelagem de dados geográficos e sensores de IoT. As cidades inteligentes podem se adaptar até mesmo a mudanças das condições climáticas e fazer simulações em preparação para situações de emergência, como pandemias e desastres naturais.

Os gêmeos digitais podem reunir e interpretar dados sobre fatores como crescimento populacional, recursos naturais e condições climáticas. Dessa forma, podem contribuir para a construção de cidades mais resilientes e capacitar os vários setores a responder melhor aos desafios mundiais.

Isso já é uma realidade em várias cidades do mundo. Em Cingapura, a plataforma digital 3D de projeto Cingapura Virtual permite que usuários de diversos setores criem ferramentas para solucionar os complexos desafios da cidade, desde a reforma de parques até a criação de rotas de desocupação. Na Índia, a nova capital do estado de Andhra Pradesh, Amaravati, uma “cidade inteligente” de US$ 6,5 bilhões, está sendo criada com base em um gêmeo digital composto por mais de 1.000 conjuntos de dados que administram o processo de licenciamento, monitoram o andamento da construção e avaliam os planos de projeto para garantir o êxito do empreendimento nas condições climáticas extremas da cidade.

A história dos gêmeos digitais

A década de 1960

A ideia dos gêmeos digitais surgiu nos anos 1960, quando a NASA desenvolveu a “tecnologia do espelhamento” para simular os sistemas utilizados no espaço por meio de réplicas físicas complexas situadas em terra.

Esses simuladores tiveram um papel fundamental durante a famosa missão Apollo 13, quando os engenheiros usaram 15 modelos controlados por computador para avaliar e recriar as condições a bordo da nave espacial avariada, localizada a mais de 300 mil quilômetros de distância da Terra. Com essas informações, foi possível guiar a tripulação de volta para casa em uma das missões de resgate mais dramáticas da história dos Estados Unidos.

A década de 2000

O conceito de gêmeos digitais nos ciclos de vida de produtos costuma ser atribuído ao Dr. Michael Grieves, cientista‑chefe de fabricação avançada do Instituto de Tecnologia da Flórida, nos EUA, que lançou a ideia em uma conferência da SME (Sociedade dos Engenheiros de Fabricação) realizada em 2002. Naquela ocasião, Grieves propôs a criação de um centro de gestão do ciclo de vida que incluiria a representação física, a representação virtual e o intercâmbio de informações entre ambas.

Embora o potencial dos gêmeos digitais fosse evidente, a capacidade computacional, a conectividade e o armazenamento de dados necessário tornavam sua implementação muito dispendiosa para a maioria dos setores. Por isso, a ideia foi considerada um sonho impossível durante décadas. Nos últimos cinco anos, entretanto, as tecnologias de inteligência artificial (IA) e Internet das Coisas (IoT) viabilizaram o processo.

A década de 2020

A expectativa é que o mercado internacional de gêmeos digitais alcance US$ 48,2 bilhões até 2026.

Os gêmeos digitais estão consolidados na área de fabricação, mas ainda são uma novidade em arquitetura, engenharia e construção (AEC), que é um setor menos padronizado, mais fragmentado e que sempre demora a aderir a processos digitais. No entanto, o setor de construção civil está avançando com sua transformação digital – agilizada pelos modelos remotos impostos pela pandemia da COVID‑19. Com isso, empresas inovadoras estão apoiando a ideia de que esses gêmeos virtuais serão essenciais em todas as etapas de projeto, construção e operação. E muitas já começaram a buscar soluções.

Os 5 níveis dos gêmeos digitais

Os gêmeos digitais funcionam em cinco níveis de sofisticação. Os modelos mais simples são compostos de dados de várias fontes, e o mais avançado pode funcionar de modo autônomo.

Nível 1: gêmeo descritivo

O gêmeo descritivo é uma versão dinâmica e editável dos dados de projeto e construção – uma réplica visual de um ativo construído. Os usuários determinam o tipo de informação que desejam incluir e o tipo de dados que desejam extrair.

Nível 2: gêmeo informativo

Esse nível tem uma camada adicional de dados operacionais e sensoriais. O gêmeo captura e agrega os dados definidos e os verifica para garantir que os sistemas trabalhem juntos.

Nível 3: gêmeo preditivo

Esse gêmeo pode usar dados operacionais para obter informações. Imagine um carro que avisa quando está na hora de trocar o óleo.

Nível 4: gêmeo abrangente

Esse gêmeo simula cenários futuros e avalia questões hipotéticas.

Nível 5: gêmeo autônomo

Esse gêmeo tem a capacidade de aprender e agir em nome dos usuários.

Convém notar que os níveis 1 e 2 estão sendo utilizados no setor de AEC. Os níveis 3, 4 e 5, que recebem dados em tempo real dos sensores internos e tecnologias IoT, estão prestes a se tornar realidade.

Além da nova construção: intervenção inteligente

Os gêmeos digitais não se restringem aos ativos recém-construídos, também podendo ser aplicados a edifícios ou infraestruturas já existentes para a obtenção de informações sobre sua operação e possível uso.

A intervenção inteligente, quando aplicada a uma estrutura existente, aumenta o desempenho, minimiza a incerteza e melhora a gestão de riscos. É fácil notar que isso favorece todos os integrantes da cadeia de valor: empreiteiros, fornecedores, investidores, proprietários e ocupantes de edifícios.

Integrar um gêmeo digital a uma estrutura construída pode ser uma tarefa difícil, principalmente se não existirem arquivos digitais. A captura da realidade por meio da digitalização a laser ou da fotogrametria pode preencher essa lacuna, criando um modelo de nuvem de pontos com alto nível de precisão. Essa tecnologia foi utilizada recentemente na criação de um gêmeo digital da Catedral de Notre Dame de Paris para auxiliar nas reformas após o incêndio devastador de 2019.

Implementação de gêmeos digitais em estruturas existentes

É mais fácil implementar gêmeos digitais em alguns tipos de ativos já existentes – como uma estação de tratamento de água – que têm sistemas mais expostos. Qualquer que seja o ativo, se o objetivo é torná-lo mais econômico, mais sustentável e mais resiliente a longo prazo, o investimento vale a pena. Quando aplicados a sistemas mais amplos, os gêmeos digitais podem ajudar a tornar as sociedades mais sustentáveis, mais ágeis e mais sensíveis à evolução de suas necessidades.

4 vantagens dos gêmeos digitais

Os gêmeos digitais oferecem vantagens tanto a curto como a longo prazo. Os benefícios de curto prazo se concentram na operação, com o fornecimento de uma única fonte de informações confiáveis, que pode ajudar a reduzir os custos, os riscos e as incertezas, além de maximizar a eficiência. A longo prazo, os gêmeos digitais expandem os benefícios da tecnologia BIM para todo o ciclo de vida do ativo.

1. Para os proprietários: decisões mais inteligentes, melhor ROI (retorno sobre investimento)

Com os dados confinados em sistemas desconectados, os proprietários têm dificuldade para monitorar, gerir e, por fim, obter todos os benefícios possíveis de suas instalações. Os gêmeos digitais ajudam os proprietários a tomar decisões mais acertadas sobre os negócios desde a fase de planejamento e projeto, possibilitando o acesso a dados avançados e a análise de cenários que maximizam o desempenho e aumentam o ciclo de vida de seus investimentos.

2. Para os gerentes: operação mais inteligente, manutenção mais fácil

Desde o primeiro dia, os proprietários e operadores já podem iniciar a operação eficiente dos ativos, sem o inconveniente de uma documentação de manutenção confusa ou inexistente. A transferência do controle de dados analógicos, não classificados e desconectados impõe aos proprietários e operadores um desafio insuperável no que diz respeito à criação de uma solução integrada para monitoramento, gestão e ajuste de seu ativo. Com isso, os proprietários e operadores não conseguem perceber as vantagens dos edifícios inteligentes e acabam, portanto, tendo que lidar com problemas como sistemas e dados confinados em silos, informações imprecisas, falta de transparência e informações precárias sobre o desempenho de seu ativo.

Os gêmeos digitais fornecem um encadeamento digital que combina os dados agregados de forma simples, encarregando-se do trabalho pesado de rastrear processos, como a manutenção, e de otimizar o consumo de energia, liberando os operadores para se concentrarem em suas próprias tarefas.

Os dados sobre as instalações estão em constante evolução. Os gêmeos digitais avisam aos gerentes quando as mudanças são feitas e por quem. Os gerentes podem inclusive prever os ciclos de material e mão de obra, o que reduz o desperdício e aumenta a segurança.

3. Para empresas de AEC: melhor qualidade significa mais negócios

É simples: quando conseguem oferecer mais serviços com mais qualidade, as empresas de arquitetura, engenharia e construção (AEC) conquistam mais projetos. “Nossa base de clientes de AEC vê uma grande oportunidade de oferecer mais aos proprietários no que se refere às informações fornecidas”, comenta Robert Bray, diretor sênior e gerente geral do Autodesk Tandem. “Além dessa transferência de controle, o ativo digital, caso reflita o modelo construído, pode se conectar a sistemas operacionais e ajudar a esclarecer as dúvidas do proprietário.”

Quase 80% (PDF, pág. 6) do valor da vida útil de um ativo é obtido com as operações. Quando as empresas de AEC trabalham em conjunto com os proprietários no início do projeto para determinar as expectativas e prioridades de desempenho, conseguem ajudar mais os proprietários a maximizar seus investimentos por meio de uma maior economia de energia, uma manutenção mais eficiente e uma melhor qualidade de vida dos ocupantes.

4. Para todos: o benefício de longo prazo

À medida que os gêmeos digitais ganham impulso no setor de AEC, os projetistas e proprietários podem fazer planejamentos estratégicos de prazo ainda maior em relação ao desempenho de seus ativos e às implicações em um âmbito mais amplo. No futuro, os gêmeos digitais poderão moldar a fundação das cidades tornando-as mais resilientes aos desafios mundiais, desde o crescimento alarmante da população do planeta (PDF, pág. 1) e o escasseamento dos recursos naturais até a próxima pandemia.

O futuro dos gêmeos digitais

Os gêmeos digitais estão cada vez mais usando inteligência artificial (IA) e aprendizado de máquina. Com isso, tendem a evoluir da condição de ferramentas conceituais para se tornarem mais inteligentes e autônomos, acompanhando a expansão dos recursos de software.

O mercado dos gêmeos digitais está crescendo com a adoção das tecnologias IoT: a MarketsandResearch prevê que até 91% das plataformas IoT vão oferecer gêmeos digitais até 2026 e que esse recurso vai se tornar padrão na habilitação de aplicativos IoT até 2028.

Cidades progressistas estão adotando a ideia: a previsão é que o mercado de soluções baseadas em gêmeos digitais nas cidades inteligentes chegue a US$ 3,77 bilhões até 2026. Além disso, a ABI Research estima que haverá mais de 500 gêmeos digitais de cidades inteligentes em operação até 2025.

Ainda há um longo caminho a ser percorrido até que se alcance o aproveitamento de todo o potencial desses ecossistemas inteligentes conectados. No entanto, empresas inovadoras já estão buscando meios de se planejar para a utilização desses modelos.  O avanço da transformação digital no sentido da reformulação do setor de AEC resultará no aprimoramento das ferramentas e no surgimento de melhores práticas, o que ajudará os projetistas a sair de seus silos.

Os dados já existem. O desafio é integrar informações não padronizadas de diversas fontes a ferramentas comuns e procurar maneiras de usar esses dados para atender às necessidades do setor de AEC. Quem reconhece hoje as vantagens do aproveitamento de dados terá melhores condições de produzir uma versão mais inteligente do mundo construído do futuro.

Agradecimentos especiais à autora Sarah Jones por ter realizado pesquisas adicionais e escrito este artigo complementar.