Il BIM per il calcolo strutturale – parte 1/2

Introduzione                                                                                                                                                                                                                                                             
Il BIM in Italia ha una discreta diffusione presso i progettisti ed è usato quasi esclusivamente per la progettazione architettonica, mentre le sue funzionalità possono essere ben più ampie.
Esaminiamone le ragioni.
Storicamente i produttori di software BIM (quasi tutti esteri) hanno privilegiato il settore architettonico, offrendo soluzioni sempre più avanzate ed oggi mature per essere utilizzate in modo seriamente professionale.
La seconda è dovuta alla mancanza di proposte dei produttori di software di calcolo (italiani) per soluzioni BIM per le altre aree come quella strutturale e impiantistica. Resta infine il dubbio che il mondo professionale non abbia ancora realmente compreso tutte le potenzialità che il BIM offre, in particolare l'interoperabilità, cioè la possibilità di interazione tra i diversi progettisti che intervengono nelle diverse fasi del progetto.
Potenzialmente il BIM può essere applicato come supporto progettuale per tutte le fasi di un edificio, dalla progettazione alla demolizione. Inoltre il BIM si può applicare anche per le opere infrastrutturali.
In questo documento saranno trattati gli aspetti principali dei software BIM per il progetto architettonico e per il progetto strutturale, evidenziando le problematiche generali. La questioni sono tali e tante che alcune parti sono fortemente sintetizzate, per cui alcuni temi saranno meglio sviluppati in seguito, dando loro lo spazio necessario. Quando si parla di BIM si inizia cercando di definirlo, qui invece cercheremo di spiegare come funziona il BIM da due punti di vista: metodologico e tecnologico.
L'aspetto metodologico riguarda l’organizzazione delle diverse componenti del progetto, cioè la sequenza delle varie operazioni progettuali e come il BIM può aiutarne lo svolgimento.
L’aspetto tecnologico si riferisce al software, cioè ai programmi che rendono operativo il BIM. Senza software e hardware adeguati non sarebbe possibile trattare i dati relativi alle diverse fasi progettuali.

Le tecniche di rappresentazione del progetto edilizio
È utile esaminare, in una breve carrellata, le diverse tecniche di rappresentazione degli oggetti edilizi, necessità da sempre sentita per poter comunicare alla committenza e all'impresa esecutrice ciò che si intende realizzare.

La metodologia tradizionale
Da sempre sono stati realizzati modelli in scala che rappresentano plasticamente la costruzione (fig. 2). Il costo e la complessità riducono però l’applicazione di questa tecnica, anche se oggi potrebbe ritornare d’attualità grazie alle stampanti tridimensionali di nuova generazione in grado di riprodurre fedelmente un progetto architettonico a partire appunto dal progetto BIM.
Il disegno su carta è il miglior mezzo per la comunicazione dei progetti, e nei secoli sono state sviluppate diverse tecniche grafiche (fig. 3) ma solo alla fine del settecento il matematico Gustav Monge ha sviluppato un sistema di rappresentazione rigoroso, la geometria descrittiva, ancora ampiamente utilizzata ai giorni nostri (fig. 4).
Tutti i professionisti hanno operato e operano con questa tecnica che consente di produrre elaborati grafici chiari ed univoci come piante, prospetti, sezioni.
Dagli anni 80 l'introduzione di sistemi grafici computerizzati (CAD) non ha fatto altro che trasferire sul computer quanto prima veniva prodotto manualmente, velocizzando le operazioni di disegno e offrendo strumenti per aumentare la produttività, senza però modificare l'impostazione del sistema.
Uno dei limiti che il CAD presenta è la genericità degli elementi grafici introdotti. Ad esempio, una linea che indica una porta ha lo stesso valore di una linea che indica una struttura in c.a
Questo perché il CAD utilizza primitive grafiche (linee, cerchi, curve, ecc.) senza attribuire loro un significato logico cioè la destinazione del simbolo grafico. È l’operatore che attraverso sue convenzioni può fornire un significato logico attraverso alcune opzioni, come l’uso dei blocchi e dei layer, ma con scarsa flessibilità operativa e senza nessuna regola standardizzata.

Figura 2 ( a sinistra), Figura 3 (a destra)

Figura 4 ( a sinistra), Figura 5 (a destra)

La progettazione tradizionale
Per meglio comprendere la logica del BIM è utile ricordare che il progettista rappresenta mentalmente l’idea del suo progetto in tridimensionale (1) e tradizionalmente lo comunica attraverso piante e sezioni in modo manuale o con il CAD (2)
Esistono oggettive difficoltà, a partire da questi elementi, nel ricostruire l'edificio secondo la realtà tridimensionale. Inoltre i disegni possono essere numerosi e non essendo collegati tra loro, le modifiche possono richiedere molto tempo.

La progettazione con la metodologia BIM
Con il BIM (fig. 7) il progettista parte sempre (1) da ciò che intende realizzare ma la modalità di rappresentazione sarà un oggetto virtuale tridimensionale, un vero e proprio modello seppur virtuale (3), costituito da oggetti elementari (muri, solai, pilastri, scale, elementi di arredo (2)) che il software BIM mette a disposizione (fig. 8).
La disponibilità di librerie di oggetti parametrici facilità quindi la costruzione del modello.
Piante, prospetti, sezioni saranno quindi prodotti in automatico grazie alla capacità del software di elaborare il modello 3D ricavandone i dati necessari.
Per questo si può dire che il CAD sta al BIM come un disegno sta a un modello.
Nel seguito di questo articolo si userà quindi il termine modello intendendolo come elemento costitutivo del progetto.
Ma la differenza tra CAD e BIM non si ferma qui; il modello BIM può comprendere tutte le informazioni necessarie per la costruzione, quindi il modello architettonico può essere integrato con il modello strutturale e il modello degli impianti.
Inoltre è possibile associare ad ogni oggetto ulteriori informazioni, come la descrizione dei materiali utilizzati, il costo unitario, i tempi di realizzazione, i dati per la pianificazione che possono diventare oggetto di successive elaborazioni. Ad esempio è possibile ottenere quasi automaticamente il computo metrico.
Queste componenti (prezzo e tempo) costituiscono nuove dimensioni che si aggiungono alle tre spaziali.
I vantaggi sono immediatamente evidenti.

Figura 7 ( a sinistra), Figura 8 (a destra), Figura 9 (sotto)

Un unico modello integrato
il modello BIM può comprendere tutti gli elementi progettuali, non solo quindi il modello architettonico ma anche quello strutturale ed impiantistico (fig. 9), concentrando quindi in un unico file tutte le informazioni.

Riduzione della duplicazione dei dati
I dati compresi nel modello architettonico (geometrie, materiali, ecc.) sono trasmessi automaticamente alle altre componenti del modello (strutture ed impianti) evitando ripetizioni ed errori

Controllo delle interferenze
Operando con un unico modello integrato si ha la possibilità di verificare in anteprima le eventuali interferenze invece di scoprirle drammaticamente solo a in fase esecutiva. Si riducono in questo modo tempi e costi.

Generazione automatica dei disegni
Per molti aspetti gli elaborati tradizionali come piante, prospetti, sezioni sono ancora necessari, ma sono generati automaticamente a partire dal modello BIM nel numero desiderato.

Aggiornamento automatico degli elaborati
Apportando variazioni al modello 3D anche i disegni derivati sono automaticamente aggiornati, ma vale anche il viceversa, cioè operando direttamente su di un prospetto o su di una pianta, anche il modello complessivo sarà aggiornato, compreso il computo metrico, che potrà essere anche estimativo se gli oggetti di partenza contengono le informazioni relative ai prezzi unitari.

Interoperabilità
Questo termine indica il processo di collaborazione che, grazie al BIM, si può attivare tra i progettisti delle diverse aree (architettonico, strutturale, impiantistico).
La forma più semplice di Interoperabilità (fig. 10) si realizza quando dal modello architettonico si trasferiscono i dati necessari per realizzare il modello strutturale e il modello impiantistico. L'operazione è biunivoca in quanto è possibile integrare questi progetti nel modello architettonico. Tutti i dati possono poi confluire in un unico computo metrico.
Un livello superiore di interoperabilità (fig. 11) prevede un BIM server, cioè un concentratore unico dei dati in cui convergono tutti i modelli, potendo così comprendere i documenti progettuali dell'intero ciclo di vita della costruzione, compresi i dati relativi alla fase costruttiva ed alla manutenzione. Questa soluzione può utilizzare infine Internet potenziando ancora il sistema ed offrendo la disponibilità di tutti i dati in qualsiasi momento a chiunque sia interessato.
Esaminando i parametri di flessibilità e collaborazione tra i progettisti nelle diverse modalità di rappresentazione del progetto (fig. 12) si può notare che con il CAD si ha maggiore flessibilità rispetto al BIM mentre il livello di collaborazione possibile è minimo. Con il BIM invece i diversi progettisti possono collaborare molto più facilmente anche se a scapito di una lieve riduzione della flessibilità ma con produttività crescente e quindi con una riduzione dei costi significativa.
Altro aspetto rilevante (fig. 13) e la caratteristica del BIM di accumulare tutte le informazioni che si generano nelle diverse fasi di progettazione ottenendo quindi, senza particolari difficoltà, un database integrato che comprende tutti gli elaborati progettuali.
Al contrario la progettazione tradizionale tende a disperdere le informazioni in quanto ogni progettista opera singolarmente.

Figura 10 ( a sinistra), Figura 11 (a destra)

Figura 12 ( a sinistra), Figura 13 (a destra)

Dal BIM architettonico al BIM strutturale
Come già detto il modello BIM può comprendere le informazioni relative al modello architettonico, al modello strutturale e al modello degli impianti. Ad oggi non esiste ancora un software in grado di gestire contemporaneamente i tre aspetti, quindi per ogni tipo di modello si dovrà utilizzare un software adeguatamente predisposto. Il processo di integrazione dei modelli è illustrato in fig. 14 con i diversi passaggi dal modello architettonico al modello strutturale e ritorno.
Dal punto di vista operativo il passaggio dei dati tra i modelli avviene con file standard e normati, condivisi tra i diversi produttori di software. Tra questi il più diffuso è il formato IFC (Industry Foundation Classes Data Model), realizzato da BuildingSmart©.
Il formato IFC è molto potente e articolato in quanto comprende tutti i dati che possono verificarsi in un progetto, ma questo lo rende anche molto complesso, al punto che ogni produttore di software lo interpreta secondo una propria visione e convenienza. Questo ha creato nel tempo dei “dialetti”, cioè delle interpretazioni personali, che a volte rendono difficoltoso il trasferimento dei dati.
Dal punto di vista informatico significa che per trasferire i dati occorre sviluppare dei traduttori per ogni specifico software.

Figura 14 ( a sinistra), Figura 15 (a destra)

Il trasferimento dei dati
Il processo avviene partendo dal modello architettonico ed esportando il modello in formato IFC (fig. 15).
In genere i software consentono di definire dei filtri per gli oggetti esportati, evitando di trasferire dati inutili, come gli elementi di arredo o altri elementi non significativi per le strutture.
Il file IFC così prodotto viene letto dal software per il calcolo strutturale e rielaborato per quanto riguarda il modello strutturale.
Terminata la progettazione strutturale è possibile esportare un file ancora in formato IFC ed integrarlo nel modello architettonico.
Questa operazione, semplice a prima vista, nasconde invece una serie di criticità da approfondire al fine di sfruttare tutte le potenzialità offerte dal BIM.
Esaminando con maggior dettaglio il passaggio architettonico-strutturale occorre considerare che ogni software archivia i dati secondo un proprio formato e quindi sono necessari traduttori veri e propri per il loro trasferimento tra i vari data base (fig. 16).
Questa è un'operazione non banale a causa della complessità dei file IFC e della specifica interpretazione del formato IFC realizzata dai diversi produttori di software BIM.
In particolare poi i dati che derivano dal modello architettonico si possono dividere in due categorie. La prima è relativa ai dati che si riferiscono ad oggetti non strutturali ma che possono essere utilizzati come riferimento per il modello strutturale. Ad esempio le murature di tamponamento devono contenere i pilastri ma in genere non sono considerate portanti.
La seconda categoria si riferisce agli elementi strutturali veri e propri; ad esempio nel modello architettonico potrebbero già essere presenti pilastri e travi, specie per le strutture in acciaio. In questo caso il passaggio è diretto e completamente automatico.

Figura 16 ( a sinistra), Figura 17 (a destra), Figura 18 (sotto)

Gli oggetti strutturali nel formato IFC
Lo standard IFC comprendere i principali elementi strutturali come travi, pilastri, elementi lineari generici (fig. 18).
È prevista anche la possibilità di trasferire dati relativi a piastre, muri, solai piani e inclinati (fig. 19 - 20).
A seguito della progettazione esecutiva di travi e pilastri è previsto un intero capitolo dedicato ai dettagli di armatura con la possibilità di rappresentarli spazialmente all’interno degli elementi stessi.

Figura 19 ( a sinistra), Figura 20 (a destra)

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