HBIM nei progetti di recupero e restauro: gestione informativa e automatizzata dei processi di diagnostica

L'approccio Historic Building Information Modelling presenta dei vantaggi nell'implementazione di metodi e strumenti, non solo nella modellazione tridimensionale, ma anche nella gestione ed analisi di dati ed informazioni acquisite ed elaborate attraverso studi archivistici, indagini diagnostiche e simulazioni. A tal proposito, vengono presentati alcuni sistemi informativi BIM-based applicati a casi studio, in cui la gestione integrata del processo di recupero può avvenire mediante collegamenti del modello HBIM a database, applicativi programmati con linguaggio di programmazione visuale (VPL) e piattaforme cloud-based HBIM.

Progetto “The HBIM portal “, piattaforma basata sul web

Necessità di un approccio integrato

Le azioni di tutela, conservazione e valorizzazione dei beni storico-architettonici costituiscono un ambito complesso e articolato che necessita la costruzione di una conoscenza approfondita e multidisciplinare e l’impiego di strumenti flessibili ad aggiornamenti per la gestione delle informazioni e delle analisi acquisite in fase di rilievo, al fine di facilitare l’elaborazione di proposte progettuali siano esse rivolte al monitoraggio permanente, alla manutenzione programmata o agli interventi di recupero.

Attualmente il processo è molto critico a causa delle ambiguità dei flussi di lavoro, degli scambi di informazioni, della frammentarietà della documentazione pregressa, dislocata in archivi cartacei e digitali, e dell'uso di strumenti inadeguati. Tutti questi fattori possono provocare il rischio di errori, in primo luogo, nella valutazione dello stato di conservazione e, successivamente, nella decisione di strategie di intervento.

Professionisti e accademici ritengono che sia necessaria una riorganizzazione delle metodologie e degli strumenti tradizionalmente adottati. La ricerca di un approccio olistico può risolvere le criticità legate alla gestione di una molteplicità di risorse, che generano dati e metodi analitici per il consolidamento della conoscenza, al fine di comprendere le specificità e la complessità delle istanze specifiche del patrimonio costruito. L’obiettivo è l’implementazione di modelli tridimensionali virtuali che permettano di collazionare il modello as buit/as damaged dello stato di fatto con il modello predittivo progettuale, in modo da contenere e analizzare tutte le informazioni inerenti a caratteristiche storiche, geometrico-dimensionali, morfologico-figurative, tecnico-costruttive nell’intero ciclo di vita. In particolare, è fondamentale l'integrazione di metodi di valutazione delle prestazioni, diagnostica e monitoraggio, all'interno di un sistema strutturato per il controllo di qualità del progetto, in termini di ottimizzazione di tempi e costi, e di limitazione di errori nelle fasi di diagnosi e di progettazione degli interventi.

L’approccio Historic Building Information Modeling (HBIM) costituisce la risposta alle questioni evidenziate, in virtù delle proprietà di analisi, condivisione e collaborazione da remoto, potenziate dall’integrazione con il rilievo tridimensionale digitale e le Information and Communication Technologies (ICT).

Nell’approccio BIM il modello tridimensionale viene implementato ai fini della rappresentazione e dell’archiviazione di dati e informazioni, avvalendosi di strumenti flessibili e personalizzabili a supporto della progettazione. La modellazione non si limita alla restituzione geometrica dello stato di fatto, ma altresì comprende l’informatizzazione degli oggetti attraverso parametri strutturati in database relazionali. I dati acquisiti durante le attività di rilievo, ricerca archivistica e indagine diagnostica sono inseriti nel modello, sotto forma di parametri consultabili, aggiornabili e interrogabili.

La diffusione del BIM nel settore dell’edilizia esistente

Negli ultimi dieci anni si è discusso e sperimentato l'utilizzo del Building Information Modeling (BIM), che nasce e si sviluppa nei settori delle nuove costruzioni, delle infrastrutture e della produzione industriale, grazie all'evoluzione di strumenti e metodi digitali propri dell’Industria 4.0.   

Le attività di ricerca sono in linea con le esigenze e i problemi specifici affrontati a livello legislativo internazionale e nazionale che hanno dato l’impulso ad una trasformazione dell’approccio alla progettazione edilizia e infrastrutturale su scala globale.

In Europa, la Direttiva 2014/24/CE, induce i paesi membri a modernizzare le procedure di gestione degli appalti pubblici e investire sulla qualità e sull’informatizzazione.

In Italia, il DM 560/2017 definisce modalità e tempi di transizione da un approccio tradizionale ad un approccio digitale, attraverso metodi e strumenti elettronici specifici, nell’ambito dei lavori pubblici. Inoltre, la UNI 11337 costituisce un riferimento per gli aspetti legati al tema della gestione digitale dei processi informativi nella filiera delle costruzioni.

Tuttavia, nell’ambito del recupero e restauro, non sono state ancora redatte delle linee guida procedurali che stabiliscano una metodologia HBIM condivisa riguardante tutte le fasi del processo, a partire dal rilievo e dalla diagnostica fino al progetto e alla fase d’uso.

HBIM: modellazione geometrica e informativa di edifici storici

La formulazione di un adeguato flusso di lavoro basato sulla metodologia HBIM dovrebbe adottare metodi per la rappresentazione e l’archiviazione della conoscenza (elaborata a partire da documentazione cartacea originale, rilievo geometrico, test diagnostici, sensori di monitoraggio strutturale e ambientale, etc.) a supporto della diagnosi e delle scelte progettuali.

Il punto di partenza dell’approccio HBIM è il processo Scan to BIM/Point to BIM, che converte nuvole di punti e mesh poligonali - ottenute mediante tecniche di reverse engineering - in oggetti parametrici.

Studi pregressi, focalizzati sull’automatizzazione del processo Scan to BIM/Point to BIM, hanno portato a significativi avanzamenti nello sviluppo di software per la modellazione di oggetti con geometrie primitive semplici. Più complessa, invece, è la ricostruzione BIM di elementi architettonici caratterizzati da una morfologia irregolare, tipica degli edifici storici, che alcune linee di ricerca risolvono con le NURBS (Non Uniform Rational Basis Splines) e mesh. Altri studi hanno sottolineato la necessità di sviluppare e rendere fruibili librerie di oggetti parametrici dei componenti architettonici.

Successivamente alla fase di modellazione geometrica e informativa, è fondamentale che i dati contenuti nel modello possano essere gestiti, tenendo conto delle relazioni con gli oggetti parametrici costituenti il modello e mantenendo la struttura di database relazionale.

All’interno dei modelli HBIM, è possibile effettuare la mappatura del degrado in viste 2D e 3D, ma risulta ancora difficoltosa la modellazione automatica e parametrica, che ne consentirebbe l’informatizzazione e l’analisi dei dati relativi.

A supporto della diagnosi, il modello as damaged può essere integrato attraverso il parametro tempo ottenendo una rappresentazione 4D-HBIM, ovvero una simulazione temporale dinamica delle trasformazioni e degli interventi nel tempo, consultabili anche al fine di supportare il rilevamento dei danni connessi con precedenti e successive attività antropiche.

Metodi e potenzialità di sistemi informativi per la diagnosi in HBIM

Esistono differenti tipologie di sistemi informativi che consentono la gestione integrata e computazionale delle informazioni inserite in un BIM model, comprese quelle diagnostiche.

La scelta di un determinato sistema informativo dipende dal flusso di lavoro, dalle logiche collaborative e dal grado di integrazione di tecnologie per lo scambio di informazioni, aspetti che contribuiscono alla definizione dei livelli di maturità BIM.

Se l’implementazione dell’approccio BIM rispetta i criteri di maturità 2, le informazioni sono consultabili all’interno dell’oggetto parametrico, organizzate in tabelle strutturate nel modello in un unico ambiente BIM, oppure all’interno di database esterni ad esso connessi.

Nel primo caso, il modello as built comprende elementi di annotazione, che localizzano le prove diagnostiche effettuate attraverso profili di acquisizione o tag puntuali e contengono le informazioni riguardanti le modalità di esecuzione, le caratteristiche tecniche delle strumentazioni, commenti sui risultati, grafici e diagrammi (Fig. 1).

Fig. 1 – Generazione del report diagnostico all’interno di uno strumento BIM

I database relazionali (Relational Database Management System-RDBMS) consentono sia la consultazione dei dati che l’importazione e l’esportazione mediante protocolli di connessione dei database a un'origine dati esterna (che adoperano driver ODBC - Open DataBase Connectivity) o interfacce proprietarie dei software di modellazione. La gestione dei dati del modello può avvenire attraverso l’utilizzo di fogli di calcolo, oppure utilizzando plug-in dei software BIM, il cui vantaggio è la possibilità di mantenere la correlazione tra oggetti tridimensionali e informazioni. In entrambi i casi, è possibile l’utilizzo di linguaggi di interrogazione dei Database come SQL (Structured Query Language) che consistono in strumenti di programmazione standardizzati. I metodi basati sull’utilizzo di database relazionali sono di facile utilizzo da parte degli utenti, anche meno esperti, poiché si fonda sull’elaborazione di fogli di calcolo gestiti attraverso script, predefiniti e agevolmente reperibili, per estrarre, confrontare, modificare ed integrare i dati in esso contenuti.

Tale tecnologia è stata sperimentata per introdurre il parametro tempo, oltre che proprietà descrittive, per la ricostruzione e simulazione delle fasi costruttive e di interventi eseguiti su edifici storici (Fig. 2).

Fig. 2 – Connessione del modello HBIM a database esterni e simulazione temporale

Le funzionalità dei software BIM possono essere estese attraverso software di piccole dimensioni per elaborare le informazioni, in maniera personalizzabile e flessibile, chiamati add-ins (anche detti add-ons o plug-ins), adoperando librerie software di un linguaggio di programmazione (le Application Program Interface - API) oppure il Visual Programming Language (VPL). Lo sviluppo di add-in richiede formazione ed esperienze specifiche e consolidate per la sintassi scritta di linguaggi di programmazione; mentre, il VPL, utilizzando simboli grafici, è di più facile apprendimento e consente un controllo della fattibilità del programma in tempo reale, grazie alle notifiche di errori.

La tecnologia basata sullo sviluppo di applicativi in VPL può costituire lo strumento per implementare il sistema inferenziale di supporto alla diagnosi, allo scopo di ridurre l’incertezza nella identificazione delle cause di degrado/dissesto e nella scelta di interventi. La diagnosi avviene attraverso la conversione della base di conoscenza in regole inferenziali di "causa / effetto", il che porta a selezionare tra i metodi di inferenza logica, quella basata su regole. Il processo di diagnosi è supportato da una base di conoscenza costruita a priori in funzione delle competenze degli esperti, evitando errori di valutazione. Infatti, gli operatori sono chiamati a formulare una prima ipotesi sulla tipologia di degrado o dissesto, richiamando all’interno del software BIM parametri predefiniti riguardanti le evidenze che contribuiscono all’individuazione delle reali cause.

Tra le evidenze della fase di pre-diagnosi ricadono le forme con cui il degrado/dissesto si presentano ad una prima ispezione visiva e l’analisi storico-archivistica e normativa. L’insieme di indagini diagnostiche e simulazioni su modelli matematici aggiungono ulteriori evidenze nella fase di diagnosi. L’operatore ripone una certa confidenza su ciascuna evidenza, assegnata con valori in un intervallo da 0 a 1, in funzione dell’affidabilità dei risultati di analisi e prove, perché influenzati da condizioni al contorno e livello di esperienza del tecnico, che possono portare ad una limitata congruenza con i risultati di ulteriori indagini.  Ciascuna regola composta per la pre-diagnosi e la diagnosi viene valutata con un fattore di certezza. La combinazione di questi fattori conduce alla definizione del valore finale di certezza dell’ipotesi iniziale e all’individuazione delle cause, rispetto alle quali lo strumento suggerisce gli interventi opportuni. Le informazioni su cause ed interventi vengono automaticamente riportate nel modello HBIM e rese disponibili alla consultazione.

Fig. 3 – Sistema inferenziale in VPL per la diagnosi automatica nel modello HBIM

CONTINUA LA LETTURA NEL PDF ALLEGATO