L’utilizzo di Digital Twin e di strumenti BIM interoperabili per la valutazione del rischio delle strutture di ponti esistenti

Sicurezza e monitoraggio dei ponti esistenti: le Linee Guida del Consiglio Superiore LL.PP

Il 6 maggio 2020, il Consiglio Superiore dei Lavori Pubblici ha approvato le Linee Guida per la valutazione del rischio, l'analisi della sicurezza e il monitoraggio dei ponti esistenti. Queste linee guida sono state successivamente adottate con Decreto Ministeriale il 17 dicembre 2020.

Fin dal suo concepimento e dal Decreto Attuativo del 2020 si ritiene che si debba procedere alla sperimentazione delle procedure relative alle Linea Guida su alcune tratte significative individuate in funzione della presenza di infrastrutture, della loro tipologia e rappresentatività e delle condizioni di criticità relative al traffico.

Il percorso di completamento di queste Linee Guida ha avuto il suo passaggio finale con l’emanazione delle istruzioni operative redatte da ANSFISA e adottate con Decreto del 21 settembre scorso del Presidente del Consiglio Superiore dei Lavori Pubblici su proposta di ANSFISA stessa - così come previsto dal Decreto del Ministro delle Infrastrutture e della Mobilità sostenibili 1 luglio 2022 (GURI del 23 agosto 2022) di approvazione delle Linee Guida ponti - non vanno a modificare il documento iniziale, bensì lo completano al fine di renderlo più agevole e immediato, per consentirne una maggiore diffusione e standardizzazione per la verifica e la manutenzione delle opere sulle strade e autostrade.

Le Linee Guida offrono uno strumento prezioso per tutti gli attori dell'industria delle costruzioni. Vanno oltre la mera documentazione dei ponti esistenti e forniscono un metodo per determinare una "Classe di Attenzione" correlata alla sicurezza delle infrastrutture. Ciò viene raggiunto attraverso un approccio completo, a più livelli, criteri multipli e multi-oggettivi.

Il ruolo del BIM nell'applicazione delle Linee Guida

L’applicazione delle Linee Guida si riflette in una procedura nella quale l’applicazione della metodologia BIM, e più estesamente la possibilità di sfruttare i vantaggi offerti dalla digitalizzazione, può fornire notevoli benefici a tutti gli attori coinvolti in questa attività.

I vantaggi nel perseguire questa direzione si possono ritrovare in tutte le diverse fasi: raccolta dati, determinazione della Classe di Attenzione, modellazione, georeferenziazione, integrazione e condivisione dei dati, gestione documentale, classificazione strutturale, generazione e organizzazione delle informazioni, analisi strutturale e geotecnica dell’opera, interventi di progettazione e ristrutturazione.

Se pensiamo quindi ad un ipotetico flusso il punto di partenza è la definizione di un efficace modello virtuale dell’opera.

Nel caso dei ponti esistenti si fa riferimento alla possibilità di definire un modello 3D parametrico, individuando il corretto livello di dettaglio dell’opera. Trattandosi di strutture esistenti, la base dati di partenza può essere di varia natura: disegni originali dell’opera, rilievi o campagne di rilievo che, tramite l’adozione di tecnologie ormai piuttosto consolidate, sono in grado in breve tempo di produrre nuvole di punti anche molto dettagliate di manufatti.

Altro obiettivo è il poter realizzare un interscambio digitale completo tra i dati, preferibilmente in modo automatizzato.
Questo scambio dati dovrebbe avvenire tra differenti ambienti di lavoro: piattaforme di BIM Authoring Strutturale, BIM Infrastrutturale, software di BIM Collaboration, software di Analisi Strutturale, strumenti di Gestione Documentale, strumenti di generazione e gestione della WBS.

La pietra angolare concettuale del suddetto processo è la condivisione delle informazioni, un aspetto sempre piuttosto critico se pensiamo all'intero ciclo di vita di un progetto edilizio, ancora di più se si pensa alla gestione digitale di dati relativi ad un’opera realizzata moltissimi anni fa. Inoltre, coinvolgere una varietà di stakeholder provenienti da discipline e attività diverse rende questa operazione particolarmente delicata.

Lo scambio di dati deve, per quanto possibile, deve avvenire sfruttando formati aperti. Nel contesto del BIM, questo approccio metodologico è comunemente denominato openBIM. Grazie al formato Industry Foundation Classes (IFC), viene garantito un processo aperto e interoperabile.

L'IFC funge da descrizione digitalizzata e standardizzata dell'ambiente costruito, che comprende sia edifici che infrastrutture civili. Si attiene a uno standard internazionale aperto (UNI EN ISO 16739-1: 2020) progettato per essere indipendente dal fornitore e utilizzabile su una vasta gamma di dispositivi hardware, piattaforme software e interfacce per vari casi d'uso. In modo specifico, lo schema IFC rappresenta un modello dati standardizzato che codifica logicamente:

• identità e semantica (nomi, identificatori univoci leggibili da macchina e tipi di oggetti o funzioni),
• caratteristiche o attributi (come materiale, colore e proprietà termiche),
• relazioni (coprendo posizionamento, connessioni e proprietà),
• oggetti (come colonne o travi),
• concetti astratti (legati a prestazioni e costi),
• processi (inclusa installazione e funzionamento),
• persone (comprendenti proprietari, progettisti, appaltatori, fornitori, ecc.).

Le piattaforme (open) BIM possono esportare, importare e trasmettere dati nel formato IFC. Spetta agli utenti decidere cosa condividere. Il formato IFC è uno standard è internazionale e descrive in modo esaustivo la struttura spaziale, le gerarchie, le classi, gli attributi, le relazioni e le funzioni tipiche del mondo AECO (Architettura, Ingegneria, Costruzione e Operazione).

Un altro aspetto cruciale è la Classificazione Strutturale. I sistemi di classificazione svolgono un ruolo centrale nella costruzione edilizia poiché consentono l'identificazione univoca degli oggetti all'interno di un modello.
Facendo riferimento a schemi logici già consolidati, quali quelli descritti in normative come la UNI-EN-ISO 12006 o la UNI11337, si può derivare un sistema di classificazione ibrido, che tenga conto delle indicazioni di entrambi questi riferimenti normativi; questo approccio possiamo pensare di applicarlo a tutte le fasi del ciclo di vita di un manufatto, compresi la manutenzione e la demolizione.

Gemello Digitale: tecnologie abilitanti e vantaggi

Un altro importante obiettivo che si può realizzare sfruttando la procedura suggerita dalle LLGG è la possibilità di generare un Digital Twin, risultato che è strettamente legato alla possibilità per l’opera esistente di prevedere l’installazione di un sistema di monitoraggio.

Un Digital Twin può essere inteso come la rappresentazione digitale di un oggetto appartenente al mondo reale; in quanto gemello digitale, esso deve essere in grado di restituire in un ambiente virtuale informazioni e dati di diversa natura relativi all’opera reale.  

I Digital Twin, in quanto modelli virtuali di un asset fisico, hanno certamente somiglianze con il Building Information Modeling (BIM), che da alcuni anni viene utilizzato dai professionisti del settore edile.

Differenza tra modello BIM e Digital Twin

Mentre un modello BIM immagazzina, fornisce e gestisce dati statici, il Digital Twin, connettendosi ai sensori, fornisce dati in tempo reale che i responsabili della costruzione (i Progettisti o i loro clienti) possono utilizzare per tenere traccia dell’opera in tempo reale. Il gemello digitale potenzia notevolmente le capacità descrittive già raggiungibili tramite l'uso dei modelli BIM.

Tecnologia Digital Twin permette di utilizzare strumenti innovativi per la raccolta e l'archiviazione di dati in tempo reale. Grazie a queste informazioni, è possibile elaborare analisi dettagliate e fornire indicazioni precise, creando una rappresentazione digitale fedele di un oggetto fisico.

Il Digital Twin apre la strada a nuove possibilità di monitoraggio e analisi, migliorando l'efficienza e l'efficacia nella gestione di progetti e infrastrutture. Queste tecnologie includono l’Internet of Things (IoT), l’Intelligenza Artificiale (AI), l’Extended Reality (XR) ed il Cloud. A seconda del tipo di applicazione in cui è chiamato in causa, un Digital Twin può usare in modo più o meno approfondito una o più di queste tecnologie.

Si tratta di uno strumento di grande efficacia perché consente la piena digitalizzazione e gestione di dati e documenti e la realizzazione di una sinergia completa tra oggetti fisici e virtuali.

La possibilità di spingere sempre più l’adozione della digitalizzazione su opere esistenti permette anche di traguardare il tema della sostenibilità.

I DT intelligenti e ingegnerizzati possono fungere da cruscotto di monitoraggio dello stato di salute di un’opera, consentendo una valida analisi dell’efficienza degli interventi di miglioramento; il gemello digitale agevola il coinvolgimento della comunità all’interno delle proprie interfacce interattive.

Il Digital Twin (DT) rappresenta uno strumento avanzato che migliora il supporto agli investimenti, permettendo la virtualizzazione di vari interventi progettuali mirati al ripristino delle capacità strutturali di un bene esistente. Questo avviene attraverso la creazione di scenari realistici, che consentono di valutare l'integrazione dell'intervento nel contesto esistente e di comprendere i potenziali impatti. Inoltre, il DT facilita l'attivazione di scenari simulati per prevedere eventi critici, consentendo così di apportare le necessarie modifiche e ottimizzazioni al progetto in anticipo. Questa tecnologia risulta quindi essenziale per una pianificazione e gestione progettuale più informata, precisa e reattiva alle varie necessità.

Vi sono molteplici tecnologie in grado di realizzare un Digital Twin.

Una tra le più significative è quella basata sull’utilizzo di modelli BIM. Si tratta dell'approccio tecnologico che prevede l'adozione di specifiche tecnologie BIM di modellazione corredate da workflow di dati ben strutturati.

Un altro tipo di tecnologia che consente la creazione di un Digital Twin consiste nel partire dall'elaborazione di un modello di calcolo (modello numerico) al fine di realizzare un gemello digitale dove si combina l'esecuzione automatica di analisi (non lineari) agli elementi finiti con tecnologie per la calibrazione con la sensoristica mediante analisi inversa.
Avendo a disposizione un modello numerico. Il modello viene calibrato in tempo reale, minimizzando la discrepanza rispetto ai dati misurati. Il Digital Twin si aggiorna automaticamente utilizzando i dati misurati dai sensori installati sull'opera. Il modello di calcolo è in questo caso l'oggetto virtuale principale.

Questo modello segue nel tempo l'evoluzione del ponte monitorato, correlando molteplici indicatori per il calcolo della sua salute e sicurezza. Attraverso avanzati algoritmi di intelligenza artificiale, è poi possibile prevedere il comportamento futuro dell'opera, ottimizzando eventuali interventi di manutenzione.

I Digital Twin possono anche essere realizzati avvalendosi di tecnologie afferenti all’industria del gaming, con il beneficio di poter ottenere modelli navigabili estremamente realistici, molto leggeri e particolarmente intuitivi da utilizzare.

Questi modelli possono essere realizzati sulla base di differenti set di informazioni anche a partire da delle semplici fotografie piuttosto che da riprese video dell’opera. Questo tipo di approccio è di grande interesse nel nostro settore perché non sempre per un certo asset fisico, di cui si vuole creare il gemello virtuale, si può disporre di un input dato da modelli BIM o anche disegni.

Una tecnologia molto performante in questo ambito si basa essenzialmente sulla "fotogrammetria terrestre" per creare modelli accurati e di alta qualità a un costo contenuto. Le fotografie scattate con una fotocamera digitale, in combinazione con una serie di misurazioni di riferimento, sono sufficienti per la creazione del Digital Twin.

I gemelli digitali delle tipologie descritte forniscono numerosi vantaggi durante tutto il ciclo di vita dell’opera, dalla progettazione all’esercizio:

• in fase di progettazione possono essere usati per testare diversi scenari e individuare quello ottimale per lo scopo della costruzione, riducendo tempi e costi di progettazione;.
• in fase di costruzione possono essere usati per monitorare il processo di costruzione e identificare in anticipo eventuali problemi facendo in modo che il progetto sia completato nei tempi e nel budget previsti;
• in fase di manutenzione il gemello digitale viene continuamente arricchito di dati e diventa una riproduzione fedele della realtà che permette di identificare tempestivamente eventuali problemi e aiuta a prolungare la vita di un edificio riducendo i costi operativi;
• i Digital twin possono implementare al loro interno differenti funzionalità, consentendo di simulare scenari progettuali differenti;
• è possibile gestire molteplici soluzioni specifiche per le varie esigenze, permettendo ai responsabili di anticipare le decisioni e indirizzare al meglio il progetto, divenendo un efficace strumento di discussione o dibattito pubblico.

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L'articolo prosegue con la descrizione di una procedura BIM based per la creazione di un digital twin di un ponte esistente.