Scan to BIM. Rilievo digitale e ricostruzione BIM di un edificio multipiano

Il presente contributo illustra le modalità operative con cui il team MUSA Progetti ha curato la digitalizzazione BIM dell'edificio "Ex Albergo Scuola" di Siracusa. Tale attività rientra all'interno di un più vasto progetto di ristrutturazione globale dell'edificio che vede impegnate le società Progettisti Associati Tecnarc, Aires Ingegneria e MUSA Progetti nelle fasi di progettazione definitiva ed esecutiva. Alle operazioni di rilevamento in sito ed alle successive fasi di ricostruzione del dato hanno inoltre collaborato l’ing.Sara Ambrosio e l’ing.Antonella Chessari.

 
Edificio "Ex Albergo Scuola" di Siracusa

Dal rilievo digitale al modello BIM dell'edificio "Ex Albergo Scuola" di Siracusa

Con una superficie lorda di 6.534mq ed un volume di 26.790mc, l'edificio si colloca lungo la principale arteria di accesso al centro cittadino, occupando l'area urbana nei pressi della Stazione Centrale della città di Siracusa. Realizzata sul finire degli anni '60, la struttura, oggi in evidente stato di degrado, presenta una tipologia costruttiva a telaio in cemento armato con un'impostazione planimetrica che sembra richiamare i canoni compositivi tipici del razionalismo italiano di inizio secolo scorso. L'attività di rilevamento in sito è stata condotta mediante acquisizioni statiche omidirezionali con laser scanner 3D terrestre con successiva ricostruzione delle nuvole di punti secondo processi basati sulla ridondanza geometrica tra mappe successive.

Le procedure eseguite per la rappresentazione dello stato di fatto sono di seguito illustrate.

Rilievo morfometrico 3D: l'acquisizione dati in cantiere

Il rilievo morfometrico 3D dell’edificio oggetto di intervento è stato eseguito con Laser Scanner 3D Terrestre TrimbleTX8 di Classe 1. Le acquisizioni sono state condotte suddividendo idealmente le range map di progetto secondo i piani di riferimento della palazzina. In questo modo sono stati realizzati 7 progetti differenti (uno per ogni piano di edificio) tra loro georeferenziati.

Questa operazione ha permesso di ottimizzare i tempi e le capacità di processazione del dato in fase di editing, consentendo una più agevole navigazione della nuvola completa (merged map) durante nelle successive fasi di digitalizzazione BIM.

Durante la pianificazione dell'attività di rilevamento sono state individuate le superfici di collegamento tra i diversi piani, localizzate per praticità lungo le rampe di scale. Su queste sono stati apposti specifici target planari, utilizzati in fase di restituzione per la reciproca referenziazione tra i piani di edificio. Al numero minimo di 3 punti noti (target) per la sovrapposizione delle mappe sono stati cautelativamente aggiunti ulteriori 2 target per piano in modo da minimizzare l'errore dovuto alle rototraslazioni delle range map.

Ciascun piano, della dimensione approssimata di circa 1000mq ha richiesto mediamente dai 50 ai 60 stazionamenti. Ogni livello è stato successivamente digitalizzato sfruttando la collimazione tra punti omologhi presenti tra due o più scansioni successive.

Grazie alla fotocamera da 10mpx integrata alla macchina sono state eseguite ricostruzioni di mappe in scala colori RGB, andando in questo modo a documentare anche lo stato di degrado delle superfici "visibili" interessate dall'intervento. Le operazioni di acquisizione digitale sono state condotte con un'accuratezza di 22mm@30m: questa impostazione interna al Laser Scanner ha garantito l'ottimale digitalizzazione dello stato di fatto in termini di qualità/tempo, impiegando circa 3 minuti per uno stazionamento omnidirezionale. Con tale accuratezza, le superfici interne ed esterne dell'edificio sono state rilevate in circa 7giorni lavorativi.

La nuvola di punti 3D e le immagini, oltre a rappresentare una documentazione dello stato dei luoghi a data certa, grazie ai parametri di georeferenziazione di cui sono corredati, costituiscono il database da cui estrarre, anche in tempi diversi e successivi, i dati localizzativi, qualitativi e metrici relativi alle diverse classi di elementi tipologici di specifico interesse.

Parametri di scansione Laser Scanner Trimble TX8

Registrazione della nuvola di punti RGB proveniente dalle scansioni digitali in sito

I dati provenienti dalle strumentazioni utilizzate per il rilevamento in cantiere sono stati elaborati secondo diverse procedure di registrazione, con l'obiettivo di digitalizzare un progetto a nuvola di punti completo in tutte le sue parti (merged map).  Le acquisizioni provenienti dalle stazioni laser scanner (range map) sono state registrate all'interno del software proprietario Trimble Realworks.

Con l'obiettivo di ottimizzare le successive fasi di digitalizzazione BIM del dato, l'edificio è stato idealmente destrutturato secondo i piani di riferimento e collegati all'interno di uno spazio digitale comune, in modo da minimizzare il contributo offerto dall'hardware nelle fasi di visualizzazione.

Trimble Realworks ha consentito di velocizzare le fasi di registrazione delle diverse range map in una nuvola digitale univoca: attraverso il metodo della ridondanza geometrica tra due o più mappe, il software automatizza la sovrapposizione delle diverse scansioni per punti omologhi. Per poter condurre al successo tale operazione di auto-registrazione è necessario che la percentuale di sovrapposizione tra due mappe successive non sia inferiore al 10%. Come ausilio al successo delle procedure di auto-registrazione, l'utilizzo di target planari lungo le superfici dell'edificio ha permesso una sicura e veloce individuazione delle omologie tra le mappe rilevate. Gli errori  al di sopra del centimetro, rilevati in porzioni di mappa a seguito di protocolli di auto-registrazione sono stati facilmente corretti attraverso procedure di collimazione manuale (Cloud based registration) che attraverso la selezione di punti omologhi tra due range map ha permesso all'operatore di ottimizzare le sovrapposizioni necessarie alla ricostruzione completa del dato.

Interno dell’edificio e digitalizzazione a nuvola di punti

 
Collimazione manuale di 2 range map mediante algoritmo Cloud Based Registration. Software: Trimble Realworks 11

Completata la registrazione di ciascun piano di edificio, le differenti range-map sono state collegate in altezza sfruttando la georeferenziazione dei target posizionati lungo le rampe di scale. Questa operazione ha pertanto previsto una zona di sovrapposizione tra le nuvole di punti di ciascun piano proprio in corrispondenza dei citati vani scala. Utilizzando per ciascun target omologo l'identica posizione spaziale  del punto rilevato, mediante inserimento manuale delle coordinate x,y,z, è stato possibile collegare i differenti piani di edificio.

 
Scomposizione del progetto secondo i piani di riferimento dell’edificio

 
Merged map: la nuvola di punti completa dell’edificio

 
Sezione 3d della nuvola di punti completa

Digitalizzazione BIM della Nuvola di Punti

Terminata la registrazione della nuvola di punti completa in ogni sua parte (merged map) ciascuna mappa di piano è stata collegata mediante formati proprietari all'interno dei modellatori BIM utilizzati per la digitalizzazione dell'involucro e delle strutture. 

La segmentazione delle nuvole di punti secondo i piani caratteristici dell'edificio e la successiva reciproca georeferenziazione delle range map ha garantito la corretta gestione dei dati nella fase di programmazione dei modelli BIM, permettendo un editing privo di "lag di esercizio". Inoltre, al termine della fase ricostruttiva e prima dell'esportazione verso gli applicativi BIM, ciascun progetto (range map) è stato discretizzato in mappe con inter-distanza punti pari a 1cm rispetto all'accuratezza utilizzata in fase di scansione (1 punto ogni 22mm a distanza di 30m dallo strumento). In questo modo ogni piano di edificio (circa 1200mq) è stato contenuto in termini di dimensioni al di sotto del Gigabyte.

Le nuvole di punti ottenute sono diventate luogo geometrico di punti di snap da cui partire per la digitalizzazione BIM dei dati. Proprio la capacità ricostruttiva intrinseca ai software BIM Authoring ha permesso, rispetto ai più tradizionali sistemi CAD, di avviare la fase di digitalizzazione dei dati senza necissità di costruzione di mesh. Questa avrebbe senza dubbio dilatato i tempi di ricostruzione (pulizia del rumore di fondo dalle nuvole, segmentazione in parti dei modelli per l'attività di meshing), ma anche "appesantito" la gestione dei dati nella virtualizzazione dei modelli disciplinari.

Parallelamente al rilievo geometrico è stata condotta in sito una campagna di indagini invasive volte alla diagnositica di stratigrafie e dello stato di conservazione dei calcestruzzi e degli acciai. Tale procedura ha permesso di completare la digitalizzazione BIM dei modelli stato di fatto, consentendo la corretta mappattura dei materiali strutturali e di quelli di involucro.

I modelli redatti sono stati quindi collegati in codifica IFC 2x3 Coordination View 2.0 sui solutori FEM per le analisi energetiche e le verifiche di vulnerabilità sismica. Le singole entità digitali di modello sono state restituite a partire dalla nuvola di punti con livello di maturità informativa pari a LOD F come da UNI 11337-4:2017. Secondo tale classificazione ogni entità rappresenta la virtualizzazione aggiornata dello stato di fatto di un oggetto in un tempo definito; ogni significativo intervento di manutenzione, riparazione e sostituzione eseguito nel tempo, come anche il livello di degrado associato sono relazionati ai dati di modello sotto forma di attributi informativi.

 
Metodologia di analisi adottata