Impiego di Gemelli Digitali e strumenti BIM Interoperabili nella valutazione del rischio ed il monitoraggio di infrastrutture esistenti

Il 6 maggio 2020, il Consiglio Superiore dei Lavori Pubblici ha dato il via libera alle nuove Linee Guida per la valutazione del rischio e l'analisi della sicurezza dei ponti esistenti, culminando nella loro adozione ufficiale con un Decreto Ministeriale il 17 dicembre 2020. Le Linee Guida rappresentano uno strumento fondamentale per i Professionisti del settore edile, andando oltre il semplice inventario dei ponti esistenti. Propongono un metodo innovativo per definire una "Classe di Attenzione" per la sicurezza delle infrastrutture, basato su un'analisi dettagliata e multilivello, criteri diversificati e obiettivi multipli. L'implementazione delle Linee Guida manifesta un approccio in cui l'adozione della metodologia BIM, e più ampiamente, i benefici della digitalizzazione, offrono vantaggi significativi a tutti i partecipanti coinvolti. Questi benefici si estendono su vari aspetti: dalla raccolta dati alla definizione della Classe di Attenzione, dalla modellazione e georeferenziazione alla gestione e condivisione delle informazioni, dall'organizzazione documentale alla classificazione strutturale, fino all'analisi strutturale, geotecnica e agli interventi di progettazione e rinnovamento. Al centro di questo processo vi è la creazione di un modello virtuale efficace dell'infrastruttura, partendo dalla gene- razione di un modello 3D parametrico che catturi il dettaglio necessario dell'opera. Per le strutture preesistenti, la raccolta dati iniziali può variare, includendo disegni originali o dati da rilievi accurati, che con tecnologie avanzate possono trasformarsi rapida- mente in dettagliate nuvole di punti. Un altro aspetto chiave è la realizzazione di uno scambio di dati digitale e completo, preferibilmente automatizzato, tra diversi ambienti di lavoro come piattaforme di BIM Authoring, software di collaborazione e analisi strutturale, strumenti di gestione documentale, e di generazione della WBS. La condivisione delle informazioni, fondamentale in ogni fase del ciclo di vita del progetto, diventa ancora più critica quando si tratta di dati digitali di opere costruite in passato. L'interoperabilità e la collaborazione tra diversi stakeholder, provenienti da vari settori e discipline, sono essenziali per la riuscita di questo processo.

Monitoraggio infrastrutturale: con il Digital Twin è possibile raccogliere dati in tempo reale e una rappresentazione digitale dettagliata

Uno degli obiettivi chiave resi possibili dalle “Linee Guida per la valutazione del rischio e l'analisi della sicurezza dei ponti esistenti” è la creazione di un Digital Twin (Gemello Digitale) per le strutture esistenti, che è intrinsecamente legata all'installazione di sistemi di monitoraggio avanzati. Il Digital Twin, essendo una copia digitale di un oggetto reale, ha il compito di replicare in un ambiente virtuale varie informazioni e dati relativi all'opera fisica. Questi modelli virtuali, che condividono somiglianze con il Building Information Modeling (BIM) ormai ampiamente utilizzato nel settore dell'edilizia, si distinguono per la loro capacità di fornire dati in tempo reale tramite la connessione a sensori. Questa funzionalità permette ai gestori di progetto di monitora- re l'infrastruttura in tempo reale, superando i limiti dei modelli BIM che gestiscono principalmente dati statici.

Il Digital Twin, quindi, eleva le capacità dei modelli BIM consentendo l'uso di tecnologie di raccolta dati in tempo reale e fornendo analisi dettagliate per una rappresentazione digitale accurata di un oggetto fisico. Questa avanzata tecnologia apre nuove strade per il monitoraggio e l'analisi, migliorando significativamente l'efficienza e l'efficacia nella gestione di progetti e infrastrutture. La sinergia tra Internet of Things (IoT), Intelligenza Artificiale (AI), Extended Reality (XR), e il Cloud, consente al Digital Twin di adottare queste tecnologie in vario grado a seconda dell'applicazione specifica, trasformandolo in uno strumento potentissimo per la completa digitalizzazione e gestione dei dati.
Inoltre, l'impulso verso una maggiore adozione della digitalizzazione nelle opere esistenti apre nuove prospettive in termini di sostenibilità.

I Digital Twin intelligenti possono servire come pannelli di controllo per monitorare lo stato di salute di un'infrastruttura, migliorando l'efficienza degli interventi di miglioramento e facilitando l'engagement della comunità attraverso interfacce interattive.

Questi gemelli digitali non solo supportano gli investimenti migliorando la virtualizzazione degli interventi progettuali e la valutazione delle capacità strutturali di un bene esistente, ma permettono anche di simulare scenari realistici per prevedere eventi critici e ottimizzare il progetto. Le tecnologie che stanno dietro la realizzazione di un Digital Twin sono molteplici, con l'approccio BIM che offre un percorso tecnologico di modellazione supportato da workflow di dati strutturati.

Altre tecnologie consentono la creazione di Digital Twin partendo da modelli di calcolo per combinare analisi automatiche agli elementi finiti con tecniche di calibrazione sensoristica. Questi modelli, calibrati in tempo reale, offrono un'evoluzione costante del monitoraggio, utilizzando algoritmi di AI per prevedere comportamenti futuri e ottimizzare la manutenzione.

Esistono anche approcci basati sull'industria dei videogiochi per ottenere modelli navigabili estremamente realistici. Questi possono essere sviluppati da varie fonti di informazione, inclusi semplici set fotografici, attraverso la fotogrammetria terrestre, fornendo un modo efficace e comodo per creare modelli digitali di alta qualità.

In conclusione, i Digital Twin offrono vantaggi inestimabili in tutte le fasi della vita di un'opera: dalla progettazione, dove permettono la simulazione di scenari vari per identificare la soluzione ottimale, alla costruzione, dove facilitano il monitoraggio del progresso e la prevenzione di problematiche di varia natura, fino alla manutenzione, dove arricchiscono continuamente il modello digitale con dati aggiornati per una gestione proattiva dell'infrastruttura. Questa tecnologia diventa quindi un pilastro per la gestione informata e ottimizzata dei progetti, permettendo una pianificazione e un'operatività più agili e informate.

Procedura BIM based per la creazione del Digital Twin di un ponte esistente

Per delineare il processo di creazione di un modello digitale secondo le Linee Guida, è fondamentale iniziare con una fase di raccolta dati completa e dettagliata. Questa fase implica un'indagine sul campo approfondita per assicurarsi che tutte le informazioni rilevanti relative all'infrastruttura siano accuratamente documentate. L'obiettivo è raccogliere un insieme di dati che possa servire da solida base per la modellazione digitale dell'opera.

Dopo aver raccolto le necessarie informazioni dall'indagine ispettiva, si procede con l'implementazione della procedura BIM. Questa fase segue un percorso preciso, che può essere visualizzato e meglio compreso attraverso la Figura 1.

La creazione di un modello digitale inizia con l'essenziale processo di georeferenziazione. Utilizzando dati dalla documentazione originale, si procede alla ricerca di informazioni georeferenziate specifiche per l'area di interesse attraverso l'accesso a geoportali. I dati raccolti possono includere file WMS (Web Map Service), ortofoto RGB, dati da rilevamento LIDAR e shapefiles, che possono rappresentare, per esempio, la rete stradale o il Digital Terrain Model (DTM).

Queste informazioni sono fondamentali per costruire il primo modello, di tipo infrastrutturale, e per assi- curare la compatibilità all'interno di un ecosistema collaborativo. Una piattaforma utilizzata per la gestione di dati infrastrutturali è Trimble Quadri, che permette di gestire diversi tipi di file e di triangolare i dati del terreno per creare un DTM dettagliato focalizzato sull'area specifica di interesse.

Combinando dati orografici con elementi significativi della rete stradale e informazioni WMS, è possibile identificare e georeferenziare con precisione il ponte. Questo stabilisce un primo database di riferimento per strumenti di modellazione BIM strutturale. I dati possono essere visualizzati georeferenziati attraverso un'interfaccia web, arricchita dalla possibilità di includere ulteriori livelli informativi come Open Street Map o Bing Aerial.

Un collegamento diretto con Trimble Connect facilita lo scambio di modelli DTM in formati aperti co- me IFC e LandXML, posando le basi per la modellazione strutturale del ponte e il primo step verso la creazione del suo gemello digitale.
Per sviluppare un modello BIM strutturale accurato si può ricorrere a Tekla Structures di Trimble, potenziato dall'uso del plug-in Bridge Creator. Questo strumento permette di estrarre sezioni trasversali lungo assi di riferimento e facilita la modellazione di geometrie complesse, come oggetti con rinforzi a doppia curvatura.

Dopo l'importazione del profilo di elevazione, si procede alla modellazione accurata dei componenti principali del ponte, quali travi, piloni, fondazioni e pali. Il processo continua con la modellazione di elementi secondari come giunti e supporti, creando un modello dettagliato lungo l'intera campata.

Il modello viene poi condiviso attraverso Tekla Model Sharing, consentendo la collaborazione in tempo reale tra specialisti BIM e coordinatori, semplificando il processo di progettazione e modellazione e promuovendo un ambiente di lavoro cooperativo.

L'adozione di impostazioni personalizzate per la modellazione di ponti esistenti introduce funzionalità avanzate come le visualizzazioni customizzate del modello, le configurazioni personalizzate per i disegni, la personalizzazione dei report, e l'esportazione dei dati in formato IFC. Queste opzioni, insieme alla personalizzazione delle Property Sets per la Work Breakdown Structure (WBS) e per la classificazione, rivestono un ruolo chiave nel contesto di un progetto globale, favorendo la condivisione e la collaborazione interdisciplinare efficace.

L'esportazione in formato IFC e l'uso di Property Sets specifiche per la WBS e la classificazione strutturale sono particolarmente rilevanti. Essi facilitano l'interazione con altre discipline nel ciclo di costruzione, risultando essenziali per una gestione del pro- getto informata ed efficiente. Le Property Sets di classificazione, in particolare, possono essere implementate su diversi livelli, inclusa l'identificazione del tipo di ponte, gli insiemi di oggetti nel modello, e gli oggetti singoli, conformemente allo standard IFC (UNI EN ISO 16739).

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