La digitalizzazione informativa come strumento di valorizzazione del Patrimonio Architettonico

Creazione di un modello parametrico HBIM di un edificio storico: l'esempio di Villa Rufolo

Negli ultimi anni, è sempre più evidente quanto la digitalizzazione sia un efficace strumento di supporto per la tutela e la valorizzazione del patrimonio culturale. Villa Rufolo, un gioiello architettonico situato lungo la costiera amalfitana, rappresenta un esempio significativo di questo fenomeno. La sua posizione strategica sul Mar Mediterraneo durante il Medioevo ha favorito uno scambio culturale e commerciale intenso con il Medio Oriente, lasciando una traccia indelebile sulla sua architettura.

I caratteri arabo-bizantini di Villa Rufolo sono tutt’oggi visibili, soprattutto nel chiostro moresco, che rappresenta un'inestimabile testimonianza del suo valore storico-culturale. La digitalizzazione del patrimonio architettonico ha reso possibile la conservazione e la divulgazione di tali valori.

Sebbene con il termine digitalizzazione si intenda principalmente la creazione di modelli virtuali che possono essere esplorati da remoto, facendo affidamento soprattutto su applicazioni nell’ambito della metodologia del Building Information Modelling (BIM), questa pratica presenta ancora delle sfide, come l'interoperabilità, la gestione dei dati e la mancanza di processi automatizzati soprattutto per quello che riguarda il patrimonio storicizzato (in questo caso la metodologia prende il nome di Historic BIM – HBIM).

È dunque di fondamentale importanza prevedere la realizzazione e gestione di sistemi di raccolta dati flessibili e adattivi per un’interfaccia efficiente tra software e dati fisici.

La pratica del cosiddetto "Scan-to-BIM" si focalizza sulla “cattura” dello spazio fisico attraverso “scansioni 3D” e procedure di modellazione numerica finalizzate allo sviluppo di modelli parametrici “intelligente”. Questa metodologia è alla base della ricostruzione accurata di strutture complesse, quali Villa Rufolo, costituendo un supporto indispensabile per il monitoraggio e la stesura di progetti finalizzati alla conservazione e valorizzazione.

Metodologia Scan-To-HBIM-to-Real-Time-Rendering

La metodologia proposta si può riassumere brevemente come Scan-To-HBIM-to-Real-Time-Rendering.

In particolar modo, a partire da una nuvola di punti, nel caso del chiostro, di tipo fotogrammetrico, si è passati a una prima modellazione dell'oggetto di studio con un livello di dettaglio sufficiente a rappresentare compiutamente i sistemi costruttivi presenti all'interno della villa.

Successivamente, si è utilizzata l'ortofoto fotogrammetrica quale riferimento metrico accurato per implementare sia il livello di dettaglio metrico delle facciate, sia la definizione degli elementi di dettaglio preventivamente realizzati a partire da file DXF ottenuti come vettorializzazione dalla stessa nuvola di punti.

Nel dettaglio, la metodologia proposta si è sviluppata in tre fasi:

1. Rilievo Fotogrammetrico: la prima fase ha riguardato il rilievo fotogrammetrico effettuato con sistema di aeromobile a pilotaggio remoto (SAPR) DJI Phantom 4. Questo è stato accuratamente georeferenziato utilizzando punti di controllo esterni misurati con un ricevitore Geomax Zenith 25. Successivamente, sono state prodotte le ortofoto nordorientale, sudorientale, sudoccidentale (la facciata che purtroppo ha subito le maggiori modifiche a causa del crollo) e nordoccidentale del Chiostro Moresco.

2. Modellazione HBIM: Nella seconda fase, si è proceduto alla modellazione dell'oggetto di studio secondo un approccio manuale dell'applicazione Scan-to-BIM. Questo processo, dal generale al particolare, ha visto l'implementazione di famiglie parametriche generate ad hoc o provenienti da librerie condivise di smart objects e opportunamente ricalibrate. Ad esempio, sono state adoperate colonne doriche e corinzie, modificate puntualmente per adattarsi alla geometria ricercata.

3. Integrazione delle fasi precedenti: la terza fase ha riguardato infine l'integrazione delle due fasi precedenti finalizzato a un incremento del livello informativo associato agli oggetti BIM modellati.

Questa ultima fase è ulteriormente suddivisibile in tre step ricorsivi riportati a seguire.

1. L'utilizzo della texture fotogrammetrica, in vera grandezza, ha fornito una base metricamente accurata per l'incremento del livello di dettaglio generale e per la rifinitura degli elementi decorativi originariamente modellati da file DXF, contenenti profili vettoriali.
    
2. L'impiego di materiali di tipo Physically Based Rendering (PBR) o Physically Shaded Rendering (PBS) generici che utilizzano diverse immagini, definite mappe, per una resa materica fotorealistica e fisicamente accurata. Mappe come la “albedo” (texture), “rugosità” e “rilievo” (bump) sono state impiegate per simulare le proprietà dei materiali reali. Infine, le mappe di “occlusione ambientale” sono servite a rendere in maniera più realistica gli effetti di rifrazione della luce dell'ambiente circostante sulle superfici.
    
3. Per quanto riguarda le vere e proprie facciate del chiostro, nel terzo step individuato dalla procedura di incremento del livello informativo (LOIN), si è optato per la realizzazione ad hoc di materiali PBR cosiddetti fotogrammetrici. In dettaglio, per la “albedo” si è utilizzata l'ortofoto fotogrammetrica; le mappe di “rugosità” sono state ottenute attraverso un'attenta analisi manuale delle ortofoto per definire le superfici più o meno ruvide, assegnando una quantità maggiore o minore di bianco. Lo stesso procedimento è stato seguito per la definizione delle mappe di “rilievo”, rappresentate come mappe “delle altezze”, in cui i pixel scuri indicano una maggiore profondità della superficie dell’oggetto (maggiore distanza dall’osservatore), mentre i pixel chiari indicano una maggiore sporgenza (maggiore prossimità all’osservatore).

Il software utilizzato per la modellazione, Autodesk Revit, ha offerto la possibilità di attribuire ai materiali un ulteriore tipo di mappa o pattern “di ritaglio”, permettendo inoltre di rendere i profili irregolari e frastagliati delle facciate longitudinali e la facciata sudoccidentale del chiostro, tramite aree che vanno dal bianco (opacità massima) al nero (trasparenza massima).

L’implementazione della metodologia proposta ha consentito pertanto un approccio completo e accurato alla digitalizzazione e alla valorizzazione del chiostro di Villa Rufolo.

Risultati e riflessioni sulla metodologia applicata

I risultati dell'applicazione sono oggetti parametrici e informativi ottimizzati per una resa fotorealistica. Un vantaggio significativo della procedura proposta è la possibilità di utilizzare un plug-in di real-time rendering, come Enscape per Revit, per visualizzare le informazioni metriche e materiche corrette dell'oggetto modellato senza necessità di esportazioni e quindi potendo interagire con gli oggetti parametrici apportando modifiche in contemporanea. Questo garantisce che il modello rimanga pienamente parametrico e informativo, mentre la texturizzazione fotogrammetrica fornisce un ulteriore livello semantico-informativo.

A valle della modellazione realizzata, è stato quindi possibile simulare un breve viaggio digitale per avventurarsi all'interno del chiostro di Villa Rufolo, così come è stato modellato. Questo tour virtuale è stato realizzato sfruttando ulteriori potenzialità dell'applicativo di real-time rendering impiegato. È importante notare che l'applicazione di “materiali fotogrammetrici” si è limitata ai prospetti che si affacciano sul chiostro, mentre agli elementi posteriori e/o visibili solo in sezione sono stati assegnati materiali PBR generici.

Tra le potenzialità di questa proposta ritroviamo sicuramente quella di costituire un supporto metricamente affidabile per stilare progetti di conservazione e restauro. Questa metodologia nasce infatti come tentativo di coniugare il mondo della modellazione informativa con livello di dettaglio metrico e materico necessario per la realizzazione di interventi di Facility Management per la gestione presente e futura del patrimonio storico.

È importante notare come le mappe predisposte per la restituzione fotorealistica del modello parametrico costituiscano ulteriori livelli semantici autonomi, capaci di contribuire all'arricchimento informativo. Ad esempio, la mappa della “rugosità” può essere impiegata per documentare fenomeni di degrado superficiale dei materiali, mentre la mappa del “bump” può essere uno strumento per l'analisi strutturale delle murature e di eventuali fenomeni deformativi.

L'applicazione di questa metodologia offre vantaggi significativi per la tutela e la conservazione del patrimonio culturale, consentendo una visualizzazione dettagliata e precisa dell'edificio e dei suoi elementi architettonici e fornendo un valido supporto per ulteriori analisi inerenti allo stato di conservazione del bene architettonico nel lungo periodo.

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