La progettazione strutturale nello scenario Open BIM

La rivoluzione digitale che negli ultimi anni ha investito la quasi totalità dei settori produttivi industriali, ha condizionato inevitabilmente anche l’evoluzione del settore delle costruzioni, determinando il passaggio da una consolidata realtà tradizionale, basata su modelli geometrici privi di sostanziali informazioni aggiuntive, ad una realtà innovativa fondata sul Building Information Modeling (BIM).

Cosa cambia con il BIM

Con l’avvento della tecnologia BIM e quindi della progettazione integrata basata su un modello centralizzato, la collaborazione tra le parti di un progetto ha effettuato un nuovo salto in avanti, questo grazie all’evoluzione digitale degli ultimi anni e ad un miglioramento generale dell’efficienza dei processi costruttivi.
Questo nuovo approccio metodologico dedicato alla programmazione, progettazione, realizzazione e manutenzione di un “asset” è fondato sulla realizzazione di un modello informativo contenente tutte le informazioni afferenti all’intero ciclo di vita dell’opera, dal progetto alla costruzione, fino alla sua demolizione e dismissione.

Il risultato finale di una progettazione BIM si traduce in un modello 3D e “object-oriented” dell’opera (nuova costruzione o esistente) portando con sé informazioni, parametri e attributi (caratteristiche meccaniche, localizzazione geografica, informazioni sul produttore, ecc.) che concorrono a definire ancora più specificatamente l’oggetto della modellazione. Le metodologie BIM forniscono, di conseguenza, un supporto informativo-digitale per il settore delle costruzioni in risposta ad una serie di problematiche ed esigenze reali che sono state acquisite negli anni. Esse promuovono la collaborazione e l’integrazione delle idee tra gli operatori dell’intera filiera delle costruzioni. 

Cos'è l'Open BIM

Ultima frontiera della progettazione integrata è rappresentata dall’Open BIM, ossia un approccio universale alla collaborazione durante le fasi di progettazione, realizzazione e gestione delle opere civili basato su flussi di lavoro, standards e procedure aperti; tutto ciò avviene grazie all’utilizzo di un particolare formato d’interscambio non proprietario l’IFC (Industry Foundation Classes). L’approccio Open BIM, in particolare, contempla al proprio interno l’espressione massima del concetto di interoperabilità tra le varie discipline coinvolte nel processo edilizio. Essendo tuttavia questo un approccio ancora in fase di sviluppo ad oggi risulta evidente come per tutte le discipline non sia possibile garantire un medesimo livello e qualità delle informazioni condivise.

In particolare, nel seguente articolo verranno esposte ed analizzate le diverse criticità dovute all’applicazione dell’approccio Open BIM alla disciplina della progettazione strutturale. Attualmente quest’ultima è caratterizzata da un processo di scambio delle informazioni che vede coinvolti software di BIM authoring, in relazione alla modellazione parametrica ad oggetti, e BIM tools, per il calcolo strutturale.

Tale processo è caratterizzato da una prima fase che prevede l’importazione e l’elaborazione di un modello analitico derivante da quello generato con software di BIM authoring e una seconda fase di analisi e verifica strutturale, effettuata con BIM tools, ma che non prevede un’integrazione significativa delle post-elaborazioni strutturali nel modello centralizzato (IFC) per incrementarne i contenuti informativi. Per determinati contenuti informativi, soprattutto per quelli di carattere strutturale, la qualità del processo di condivisione si riduce perché le classi di informazioni dedicate non risultano caratterizzate da un grado di sviluppo dettagliato che invece è riscontrabile tra applicativi della stessa software house. Pertanto aspetto fondamentale da considerare, nello sviluppo futuro dell’approccio Open BIM, sarebbe quello di rendere condivisibili, oltre che gli aspetti geometrici ed analitici del modello, anche i risultati dei calcoli e delle valutazioni strutturali eseguite su di esso, necessari alla determinazione della sicurezza strutturale del manufatto edilizio. In particolare, in relazione a ciò, il Dipartimento di Strutture per l’Ingegneria e l’Architettura dell’Università Federico II di Napoli sta avviando un progetto, in collaborazione con alcuni enti, per l’elaborazione di possibili nuovi scenari in relazione allo sviluppo futuro dello standard IFC e della qualità della condivisione dati. Esso è volto a migliorare l’efficienza dell’approccio Open BIM nella realizzazione dei processi di progettazione strutturale, nella trasmissione ed integrazione degli output di tale progettazione nella struttura dati dell’IFC.

Le opportunità dell’Open BIM e dell’interoperabilità

Generalmente le tradizionali metodologie d’interazione delle informazioni si basano principalmente o sull’impiego di applicativi (Application Programming Interface - API) o su specifici formati file per realizzare processi di trasformazione e integrazione dei sottomodelli in un unico modello federato. Questi due approcci nascono in realtà da un problema comune, ovverosia quello della compatibilità, che è limitata all’impiego solo di determinati software creati appositamente per comunicare tra loro, previo accordo di collaborazione tra le case produttrici.

Allo scopo di migliorare l’interoperabilità, è stata ideata l’iniziativa denominata Programma Open BIM, promossa da BuildingSMART e da alcune delle maggiori case software presenti sul mercato internazionale. In maniera più dettagliata l’Open BIM consiste in un approccio universale alla collaborazione durante le fasi di progettazione, realizzazione e gestione delle opere civili basato su flussi di lavoro, standards e procedure aperti. Esso permette la condivisione digitale dei dati senza limitazioni e rende possibile la collaborazione efficace dei soggetti coinvolti nella progettazione.

L’Open BIM porta con sé una serie di prerogative molto importanti tra cui la gestione dei dati e del modello digitale effettuata indipendentemente dal software di origine o da eventuali formati specifici, flussi di lavoro aperti e trasparenti, collaborazione digitale e integrazione del contenuto informativo in un unico database.

Tali aspetti costituiscono la base per un concetto fondante dell’approccio Open BIM ossia l’interoperabilità, cioè la capacità di scambiare dati tra diverse piattaforme e applicativi software durante l’intero ciclo di vita favorendo l’integrazione e l’accessibilità di tali informazioni, di progetto e di processo, a tutti gli attori coinvolti. 

Lo standard IFC (Industry Foundation Classes)

Pilastro fondamentale dell’approccio OpenBIM è l’utilizzo dello standard IFC (Industry Foundation Classes). Oggi esso rappresenta la principale soluzione disponibile sul mercato per favorire la progressiva adesione a questo tipo approccio, per migliorare l’interoperabilità tra i vari software impiegati nei processi costruttivi e, al contempo, soprattutto per fornire uno strumento che consenta di veicolare informazioni in continuo sviluppo. Infatti diverse sono state le versioni prodotte. L’ultima versione rilasciata sul mercato da BuildingSMART è denominata IFC 4 Addendum 2.

Dal punto di vista storico, l’iniziativa IFC nasce negli anni ’90 per mezzo di un consorzio industriale costituito da dodici società statunitensi che investì nella realizzazione di un apposito codice informatico per supportare lo sviluppo di applicazioni integrate. Dal 2005 la BuildingSMART International, organizzazione no-profit, ha ereditato il compito e l’obiettivo di sviluppare e promuovere l’IFC come modello di dati neutro, utile a raccogliere informazioni relative a tutto il ciclo di vita di un edificio.
Attualmente esso è disciplinato da uno standard internazionale ISO16739:2013, il quale definisce lo schema di dati concettuale ed un formato di scambio file per i dati di un modello informativo. Una caratteristica fondamentale delle Industry Foundation Classes inoltre è quella di essere un formato aperto non proprietario, ovvero basato su una specifica tecnica di pubblico dominio, libera da restrizioni legali per il suo utilizzo e realizzata in accordo al sopracitato standard internazionale.

Esso di fatti permette la collaborazione, l’interazione e la condivisione delle informazioni relative ai diversi campi specialistici tra le diverse figure professionali che intervengono su un unico modello digitale. Il modello creato in BIM risulta dunque essere un riferimento per i diversi professionisti coinvolti nella progettazione e, più in generale, per tutti gli operatori del settore AEC (Architecture, Engineering, Construction) e FM (Facility Management). Quindi tutti gli attori del processo edilizio hanno la possibilità di lavorare separatamente, realizzando i propri file locali di progetto. Ogni modifica o integrazione effettuata al progetto, dai singoli operatori, viene contestualmente trasferita al modello unico centrale minimizzando la perdita di informazioni e valutando eventuali criticità tra la congruenza dei dati e tra i diversi livelli progettuali. 

Inoltre è noto che il BIM generalmente supporta il processo di acquisizione ed elaborazione, in un modello multidisciplinare, delle informazioni afferenti all'intero ciclo di vita di un'opera, dalla fase di progettazione a quella di dismissione eventuale. Oltre alla sola rappresentazione geometrica tridimensionale, questo modello diventa interdisciplinare, condiviso e caratterizzato da un dinamismo nuovo che permette l’integrazione in qualsiasi momento di ulteriori informazioni.

Tutto ciò porta alla realizzazione di un modello virtuale dell’edificio prima della sua realizzazione attraverso la collaborazione di tutti i professionisti e soggetti coinvolti nella progettazione.

Per fare ciò esistono una vasta gamma di applicazioni per la digitalizzazione e l’elaborazione delle informazioni. Infatti si possono distinguere due classi di strumenti: software di BIM authoring e BIM tools.

I primi consentono la realizzazione di modelli virtuali 3D dotati di caratteristiche e proprietà relative ad una specifica disciplina (architettonica, strutturale, impiantistica, ecc.).

I secondi sono ausiliari e collegati ai primi (BIM authoring). Essi consentono di effettuare diverse tipologie di analisi disciplinari (strutturali, energetiche, ecc.), apportare aspetti specialistici e effettuare tutte le elaborazioni utili e necessarie che altrimenti non si avrebbe modo di realizzare.

Criticità attuali della progettazione strutturale nello scenario Open BIM

Facendo quindi un focus sulle fasi di progettazione e valutazione strutturale, le modalità di lavoro secondo approccio BIM prevedono, nella quasi totalità dei casi, di partire da un modello BIM strutturale dell’opera (realizzato con l’ausilio di software di BIM authoring) per poi procedere con la sua esportazione in un programma di calcolo strutturale (BIM tool) al fine di effettuare analisi e verifiche strutturali.

Ovviamente dal punto di vista operativo l’esportazione dovrebbe contemplare una serie di informazioni utili all’ambito strutturale. Nel passaggio di files nativi tra applicativi e/o programmi sviluppati dalla stessa casa software non sussistono molti problemi di condivisione. In un’ottica invece di tipo Open BIM, il transito dei dati tra i modelli avviene con files standard normati di carattere non proprietari (IFC). Tale standard include una serie di elementi strutturali come travi, pilastri, piastre, muri, solai e via discorrendo, ma com’è noto, il formato IFC comprende la codifica di tutti i dati riguardanti un’opera, dalla fase di progettazione a quella di gestione, e ciò fa in modo che esso necessiti di una struttura dati molto articolata e complessa, organizzata per categorie di informazioni denominate “classi”.

Entrando tuttavia più nel dettaglio, sullo scenario di un approccio in continuo sviluppo, emerge che non tutte le informazioni trattate dallo standard (IFC) hanno la facoltà di essere trasmesse tra i vari software con un livello di specificazione elevato. Difatti, mentre per alcuni tipi di dati il livello di dettaglio con cui vengono creati a partire dal software di origine viene mantenuto durante la trasmissione tra i vari programmi, per altre tipologie di informazioni la qualità del dato trasmesso viene inevitabilmente ridotta perché le classi di informazioni adibite a veicolarlo non sono sviluppate per raggiungere il grado di approfondimento nativo. In alcuni casi addirittura il trasferimento non è proprio consentito e le informazioni vengono perse durante la comunicazione tra i software. Questo accade perché pur essendo uno standard non proprietario accessibile a tutti e in grado di garantire l’interoperabilità tra software appartenenti a produttori differenti, l’IFC rappresenta anche lo strumento di trasmissione a cui corrisponde il maggior numero di informazioni perse durante il processo di condivisione.

Dunque il fatto che l’IFC sia un formato aperto non proprietario ne rappresenta indubbiamente il punto di maggior forza per il suo utilizzo, poiché è uno strumento di condivisione che può essere adoperato da qualsiasi tipo di software in grado di esportarne il formato, ma allo stesso tempo ne rappresenta anche il punto debole, dato che è anche una procedura di scambio dati affetta, come già anticipato, da una perdita di informazioni considerevole. 

Infatti l’ultima versione del formato rilasciata da BuildingSMART (IFC 4 Add 2) ha raggiunto un livello di approfondimento indubbiamente elevato per quanto riguarda le informazioni prettamente geometriche o comunque relative alla modellazione architettonica, mentre per quanto concerne l’aspetto strutturale (analisi, dei calcoli e delle verifiche strutturali) tale livello risulta inferiore. In particolare, in relazione ad una modellazione architettonica è possibile condividere materiali e geometrie diverse. Invece, relativamente alla fase di modellazione strutturale, il quadro di informazioni che possono essere scambiate nei processi Open BIM è molto ridotto: oltre agli elementi frame che costituiscono il modello analitico, sono condivisibili condizioni di vincolo, condizioni di carico e al più, ma non oltre, i risultati delle sollecitazioni derivanti dalla sola analisi statica lineare, senza tenere conto quindi di tutte le altre tipologie di analisi adoperabili su di un modello strutturale.

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