Framework for an eXtended Reality (XR) solution for holistic safety management in construction

Abstract

(English) Cycles in the construction sector and economy disguise what appears to advance in occupational risk prevention when, unfortunately, the AECO sector maintains very high accident rates. The zero accident target is the most important indicator of robust implementation of accident safety. This objective implies that organisations and workers cover the whole spectrum of circumstances, from reactive measures to proactive design practices and developing a culture of prevention. The technological and methodological renewal of the industry through paradigms such as Building Information Modelling (BIM) and the deployment of Construction 4.0 represents a unique opportunity to work on occupational safety in depth, as a key dimension integrated into the construction process and not as a complementary annexe to the project and the execution of the work. Extended Reality (XR), understood as the technology that provides the user interface for the visualisation, immersion and interaction with the digital content of construction projects, is a central element in covering training, design and monitoring solutions for the new generation of workers who must use Construction 4.0 technologies. Some developments, both academic and commercial, show the potential of using XR experiences for construction safety. However, the adoption processes of the technologies require a reflection and technological framework to facilitate their use and massification, designing flexible and automatable workflows that allow the agile generation of XR content to deploy the culture above and design for prevention. The purpose of this doctoral thesis is to develop a framework for the generation of extended reality solutions for the holistic management of safety in construction, including both technological features interoperable with BIM information, data and dimensions, and methodological ones, incorporating essential narrative structures to provide solutions with the cultural and human dimension. This objective is broken down into four other specific objectives: (a) To identify the methodological-technological context of the sector; (b) To identify and characterise the factors that affect safety in construction; (c) To analyse the XR mechanisms to address them; (d) To propose a technological and functional framework for an extended reality (XR) solution for safety in construction and to demonstrate the proposed framework through implementation examples. As a result, it presents: (a) A methodological-technological reference framework for Construction 4.0 with some fifty associated technologies, components and challenges; (b) The identification, description and classification of a hundred factors that influence the safety of construction projects (fSCPs), as well as their link with precedents of XR experiences that consider them. It highlights the low integration with BIM and an arbitrary treatment to cover the needs given by the fSCPs; (c) a framework for the generation of extended reality solutions with the fundamentals for holistic construction safety management, considering the precedents in (a) and (b); (d) an analysis of the factors for the automation of VR experiences for construction safety; and (e) three examples of specific XR content developments on such a framework to evaluate and demonstrate their applicability.

(Español) Los ciclos del sector de la construcción emparejados con los ciclos económicos disfrazan lo que parecen avances en prevención de riesgos laborales cuando, desafortunadamente, el sector AECO mantiene unos muy altos índices de accidentabilidad. El objetivo de cero accidentes es el indicador más garantista de una robusta implementación de seguridad contra accidentes. Este objetivo implica que las organizaciones y trabajadores cubran todo el espectro de circunstancias, desde medidas reactivas hasta prácticas proactivas de diseño y desarrollo de una cultura para la prevención. La renovación tecnológica y metodológica de la industria mediante paradigmas tales como el Modelado de información de construcción (BIM) y el despliegue de la Construcción 4.0 supone una oportunidad única para trabajar la seguridad laboral en profundidad, como una dimensión clave integrada en proceso constructivo, y no como un anexo complementario al proyecto y a la ejecución de la obra. La realidad extendida (XR), entendida como la tecnología que proporciona la interface de usuario para la visualización, inmersión e interacción con los contenidos digitales de proyectos constructivos, constituye un elemento central para cubrir soluciones formativas, de diseño y monitorización de la obra para la nueva generación de trabajadores que deba emplear las tecnologías de la Construcción 4.0. Existen diversos desarrollos, tanto académicos como comerciales, que muestran el potencial del uso de experiencias XR para la seguridad en construcción. Sin embargo, los procesos de adopción de las tecnologías requieren de una reflexión y marco tecnológico que faciliten su uso y masificación, diseñando flujos de trabajo flexibles y automatizables que permitan la generación ágil de contenidos XR para desplegar la cultura y el diseño para la prevención antes mencionados. Esta tesis doctoral tiene como propósito desarrollar un marco para la generación de soluciones de realidad extendida para la gestión holística de la seguridad en la construcción, que incluya tanto prestaciones tecnológicas interoperables con la información, datos y dimensiones BIM, como metodológicas, incorporando estructuras narrativas esenciales para dotar las soluciones con la dimensión cultural y humana. Este objetivo se desglosa en otros cuatros de carácter específico: (a) Identificar el contexto metodológico-tecnológico del sector; (b) Identificar y caracterizar los factores que afectan a la seguridad en la construcción; (c) Analizar los mecanismos XR para abordarlos; (d) Proponer un marco de trabajo tecnológico y funcional para una solución de realidad extendida (XR) para seguridad en la construcción y demostrar el marco propuesto a través de ejemplos de implementación. Como resultado, se presenta: (a) Un marco de referencia metodológico-tecnológico para la Construcción 4.0 con una cincuentena de tecnologías asociadas, componentes y desafíos; (b) La identificación, descripción y clasificación de un centenar de factores que influyen en la seguridad de los proyectos de construcción (fSCPs), así como su vínculo con precedentes de experiencias XR que los consideran. Destaca la baja integración con BIM y un tratamiento arbitrario para cubrir las necesidades dadas por los fSCPs; (c) un marco para la generación de soluciones de realidad extendida con los fundamentos para la gestión holística de la seguridad en la construcción, considerando los antecedentes en (a) y (b); (d) Un análisis de los factores para la automatización de experiencias de VR para la seguridad en la construcción; y (e) tres ejemplos de desarrollos específicos de contenidos XR sobre tal marco para evaluar y demostrar su aplicabilidad.