Metodologie e strumenti per la digitalizzazione BIM dell’ambiente costruito

Che cosa differenzia una programmazione di un modello digitale BIM As-Is da una programmazione di un modello digitale BIM As-Built? Quali sono i metodi e gli strumenti a supporto del complesso processo di digitalizzazione degli edifici esistenti?

La ricostruzione digitale dell'ambiente costruito

La ricostruzione digitale di un edificio esistente presuppone l’acquisizione di un corpus informativo multidisciplinare ed eterogeneo il cui dettaglio è subordinato al grado di conoscenza da raggiungere. Se la documentazione geometrica e materica del volume visibile è documentabile da strumentazioni in sito che esulino da attività distruttive, la ricostruzione del comparto strutturale e delle reti di impianto diviene un’attività che il più delle volte richiede indagini invasive ed onerose. Qualità e quantità delle azioni da eseguire sono subordinate alla natura dell’edificio (per esempio se trattasi di struttura in muratura o in cemento armato) e dalla presenza o meno di documentazioni esistenti che possano fare chiarezza su singole parti dell’edificio consentendo una razionalizzazione delle prove a carattere distruttivo. 

Esistono tuttavia strumentazioni dedicate che consentono di indagare ed ispezionare le caratteristiche di involucro senza necessità di operare carotaggi e scarificazioni. Ne sono un esempio le strumentazioni diagnostiche capaci di documentare l’inerzia termica di superfici e materiali, quali termocamere, termocoppie e più in generale sensori di umidità e temperatura, o strumenti basati sulla risposta all’emissione di onde elettromagnetiche, quali i georadar in grado di ricostruire con buona approssimazione le geometrie di sotto-servizi.

La programmazione delle attività diagnostiche da eseguire su una struttura esistente sono quindi subordinate al livello di informazioni richieste e disciplinate dai documenti contrattuali stipulati con la committenza.  La traduzione di tali informazioni in contenuti grafici ed alfanumerici in uno o più modelli BIM deve essere disciplinata accuratamente dai Capitolati Informativi e in seconda istanza dai Piani di Gestione Informativa che ne costituiscono l’evoluzione più diretta.

Programmazione di un modello digitale BIM As-Is 

Le metodologie più comuni utilizzate per l’acquisizione delle geometrie di involucro sono quelle basate su output a nuvola di punti. L’ottenimento di una “point cloud” è oggi possibile con diverse tecniche facenti utilizzo di strumentazioni differenti più o meno a buon mercato. I Laser scanner a tempo di volo e modulazione di fase sono tra gli strumenti più utilizzati per questo tipo di attività, permettendo la ricostruzione di geometrie con accuratezze elevate accompagnate da informazioni anche su aspetti materici. Ogni punto è infatti un surrogato di informazioni spaziali quali la posizione rispetto ad un sistema di riferimento (coordinate x,y,z) e dati su colore (valori tonali R,G,B). 

Al fine di velocizzare le operazioni di scansione in sito nell’ultimo decennio una buona fetta di mercato è stata interessata da strumentazioni a carattere “mobile” quali il laser scanner con sensoristica SLAM e piattaforma inerziale, i quali permettono l’esecuzione di scansioni 3D in movimento, traducendo per un edificio le operazioni che un Laser Scanner LIDAR esegue per un’infrastruttura orizzontale. 

La fotogrammetria automatica è un’altra tecnica operativa per l’ottenimento di geometrie a nuvola di punti da un numero caratteristico di fotografie, che ha conosciuto un notevole incremento nell’utilizzo grazie alla commercializzazione dei droni per la topografia. Sebbene tale tecnica risulti molto accurata nella documentazione di nuvole altamente dense, non permette tuttavia di rilevare l’esatta posizione spaziale dei punti. Pertanto risulta sempre accappiata ad un rilievo geometrico strumentale sufficientemente preciso da permettere la correlazione e l’editing dei punti con i “caposaldi” rilevati.

Qualunque sia la tecnica di acquisizione utilizzata, una nuvola di punti costituisce oggi il miglior prodotto digitale su cui lavorare all’interno di un modellatore BIM. L’utilizzo di tale dato, quale luogo geometrico di punti di SNAP, permette all’operatore la ricostruzione fedele delle geometrie di involucro, traducendo un’informazione geometrica in un prodotto digitale “solido” con contenuti alfanumerici. 

Sebbene molti software di editing permettano oggi il riconoscimento automatico e la classificazione di oggetti da nuvola di punti, i livelli di dettaglio richiesti dai capitolati informativi immessi nel mercato per le digitalizzazioni BIM As-Is sono tali da richiedere sempre l’iterazione umana per il completamento del dato.

Figura 1 - Ex Gallettificio Militare di Torino: modello a nuvola di punti e modello BIM sovrapposto.

La conoscenza e la conseguente digitalizzazione di geometrie e caratteristiche di un edificio non visibili ad occhio nudo viene eseguita con differenti livelli di severità in funzione delle analisi richieste. Per esempio il rilevamento della trasmittanza termica dell’involucro opaco è ottenibile utilizzando sensori e termocoppie applicate direttamente sulle superfici di pareti, le quali sfruttando le differenze di temperatura tra interno ed esterno dell’edificio sono in grado di calcolare la trasmittanza del pacchetto murario. Tale informazione può essere referenziata all’interno di un database BIM correlando il valore numerico desunto dal software di analisi ad un corrispettivo parametro informativo collegato alla singola istanza di modello. Le modalità con cui trasferire le informazioni da un software di analisi numerica verso un modellatore BIM possono essere varie: da semplici attività di traduzione manuale a collegamenti più complessi da datalogger a modello che possono presupporre indirizzi URL o algoritmi di implementazione dati realizzati con software di visual-programming che sfruttano semplici fogli di calcolo elettronici come “ponte” per il trasferimento dell’informazione.

Le strumentazioni per la diagnositca non invasiva presuppongono però una conoscenza fisica non completa dell’edifico. Per poter documentare le singole stratigrafie di involucro è necessario ricorrere a micro-carotaggi ed analisi video-endoscopiche, le quali permettono di descrive geometria e natura del materiale indagato.

Evolvendo nelle attività di rilevamento invasivo, le componenti strutturali di un edificio possono essere riscostruite a partire da operazioni di scarifica delle superfici che consentano la localizzazione dei telai, quando si indaga per esempio un edificio in cemento armato. Tuttavia la limitazione nel numero di operazioni di tale tipo può essere garantita da una preventiva campagna di indagine termografica. Eseguita in periodi dell’anno in cui il gradiente di temperatura tra interno ed esterno di un edificio risulta elevato, le radiazioni infrarosse rilevate negli opportuni campi di emissività permettono di individuare le differenze tra i diversi materiali, consentendo la localizzazioni di travi e pilastri altrimenti non visibili ad occhio nudo.

Grazie alla presenza della nuvola di punti, le immagini termografiche possono essere “foto-rettificate” sui prospetti rilevati per fotogrammetria diretta o analitica: in questo modo all’analisi qualitativa si aggiunge l’informazione quantitativa su posizione e geometria degli elementi strutturali, per i quali è possibile avviare la conseguente modellazione BIM. Occorre tuttavia precisare che là dove non è possibile determinare forma, geometria e posizione di un elemento strutturale, la prove distruttive costituiscono l’unica modalità di conoscenza dell’immobile.

Figura 2 - Indagine termografica su edificio a struttura mista con localizzazione travi e pilastri. Digitalizzazione BIM del comparto strutture.

Il rilievo termografico per la digitalizzazione BIM As-Is offre un contributo rilevante anche nelle attività di ricostruzione delle reti di impianto. In particolar modo in funzione degli elevati gradienti di temperatura è possibile pervenire alla localizzazione delle reti di climatizzazione, individuando montanti sottotraccia e distribuzioni orizzontali a massetto. Tale operazione risulta molto più semplice se eseguita su edifici più datati in cui l’isolamento delle tubazioni risulta pressoché assente. Tuttavia ad una precisa localizzazione dei singoli elementi non può corrispondere un altrettanto accurata analisi dei diametri di condotto, la cui misurazione è resa impossibile dal diradamento termico all’interfaccia tra la tubazione stessa e il materiale attiguo. Per tale motivo la ricostruzione delle reti di impianto deve essere accompagnata, ove possibile, dalla correlazione con un’analisi documentale pregressa, o al peggio evolvere nel campo delle ipotesi, a meno di non volere eseguire prove distruttive per il rilevamento delle reti.

In edifici dal carattere più industriale, per i quali le distribuzioni di impianto risultano pressoché visibili, la digitalizzazione BIM evolve dalla nuvola di punti all’informatizzazione di attributi più analitici relativi ai parametri fisici che caratterizzano generatori, terminali di emissione e reti di distribuzione.

Nell’esempio seguente, relativo alla digitalizzazione BIM As-Is dell’Ex Gallettifcio Militare di Torino, le informazioni di centrale termica sono state informatizzate correlandone i dati rilevati al doppio digitale del generatore. I libretti di caldaia sono stati digitalizzati e conservati sotto forma di metadati all’interno della singola famiglia digitale.

Figura 3 - Traduzione del libretto impianti in attributi informativi. Digitalizzazione BIM MEP.

La completa descrizione geometrica, fisica e materica di un edificio, mediante la conseguente digitalizzazione BIM nelle diverse discipline indagate, permette la costruzione di quel database informativo richiesto dalla committenza quale “fascicolo del costruito”. La localizzazione di posizione, forma e attributi di ciascun prodotto digitale all’interno di un modello permette la selezione e l’estrazione di singoli pacchetti di informazioni utili alla documentazione di parti del costruito, necessaria base per interventi di manutenzione o future progettazioni.

Programmazione di un modello digitale BIM As-Built

La digitalizzazione di modelli BIM As-Built segue indirizzi di programmazione del tutto analoghi a quanto precedentemente descritto, ma la qualità e la quantità di informazioni, intese soprattutto come metadati, tende a risultare in alcuni aspetti molto più esaustiva, soprattutto nelle fasi di gestione del costruito. Costituiscono un esempio caratteristico i sistemi impiantistici, i quali, derivando da una progettazione esecutiva, contengono tutte le informazioni necessarie alla completa documentazione della tecnologia.

Analogamente ad attività di modellazione BIM As-Is, tutte le parti messe in opera possono essere digitalizzate da rilievi a nuvola di punti: le acquisizioni condotte in sito unite alle informazioni desumibili dall’apparato documentale quale è il progetto, garantiscono la fedele ricostruzione del “doppio digitale” dell’opera. 

Ciò che rende ancora più esaustiva la digitalizzazione As-Built è la quantità di attributi alfanumerici associabili alle singole famiglie di sistema. Ogni prodotto messo in opera è individuabile da marca, produttore, data di installazione, caratteristiche fisiche e meccaniche, schede tecniche e molto altro: tutte informazioni che se relazionate correttamente alla famiglia modellata permettono l’ottimale conservazione del dato.

Con un modello BIM as-built sufficientemente denso di attributi, è possibile monitorare la gestione del costruito attraverso una programmazione digitale delle manutenzioni. Nel caso del recupero della palazzina Ex G.I.L. di Mantova, progetto premiato con il BIM&DIGITAL AWARD 2019, è stato costruito un database “bibliografico” in ACDat contenente tutti i riferimenti ai singoli prodotti modellati. Tra i metadati collegati risultano presenti anche le schede di manutenzione in formato di foglio di calcolo, richiamabili direttamente dall’oggetto digitale o scorrendo la struttura gerarchica delle cartelle con cui è costruito il database in ACDat. 

Tale sistema permette di collezionare informazioni sui singoli prodotti messi in opera sempre aggiornate. Anche l’eventuale modifica geometrica dei modelli non tende ad inficiare la validità del sistema se i collegamenti URL tra il database informativo e quello BIM godranno sempre degli stessi indirizzi.

Figura 4 - Collegamenti URL nei parametri informativi degli oggetti digitali verso Database terzo.