Il lavoro presenta un framework BIM integrato per il predimensionamento strutturale preliminare, basato sull’uso coordinato di Revit, Dynamo e software FEM. La procedura consente di trasformare un input architettonico, anche 2D, in un modello strutturale preliminare, automatizzando la generazione di pilastri, travi, solai, fondazioni, modello analitico e dati utili alle prime valutazioni sismiche.

Il metodo risolve una criticità frequente nelle fasi iniziali: il disallineamento tra scelte architettoniche e schema resistente. Il valore per il tecnico è nella possibilità di ottenere feedback quantitativi anticipati senza sostituire la progettazione strutturale di dettaglio.

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BIM per predimensionare strutture e ridurre errori

Dal CAD al BIM: la transizione verso il modello informativo

Il Building Information Modelling (BIM) rappresenta una delle innovazioni più significative e dirompenti che hanno interessato l'industria delle costruzioni nel ventunesimo secolo. Lungi dall'essere un semplice strumento di modellazione tridimensionale, il BIM si configura come una metodologia di gestione digitale che integra in un unico modello virtuale tutte le informazioni relative a un'opera edile, dai dati geometrici a quelli prestazionali, fino ai costi e agli aspetti legati alla manutenzione. Questa integrazione supera la frammentazione informativa tipica dei processi tradizionali basati su elaborati 2D, promuovendo il concetto di interoperabilità e una collaborazione senza precedenti tra tutti gli attori nel ciclo di vita del costruito.

Il passaggio dal disegno tradizionale al modello informativo equivale a una transizione concettuale. Se il CAD (Computer-Aided Design) ha digitalizzato il processo di disegno, il BIM ha digitalizzato l'intero processo costruttivo. Il modello è un database centralizzato in cui ogni elemento non è un semplice oggetto grafico, ma un'entità intelligente dotata di attributi specifici: il materiale, il produttore, le proprietà termiche o la resistenza al fuoco. Una modifica a un singolo componente, si propaga automaticamente in tutto il modello, garantendo una coerenza e una accuratezza dei dati impossibili da ottenere con i metodi convenzionali.

L'adozione del BIM produce benefici tangibili e misurabili su più fronti. Uno degli impatti più rilevanti è la significativa riduzione dei tempi e dei costi di progettazione e costruzione. L'uso del modello per la simulazione e l'analisi predittiva (come il clash detection, cioè la rilevazione automatica delle interferenze tra le diverse discipline) permette di identificare e risolvere le criticità in fase preliminare, evitando costose rilavorazioni e ritardi in cantiere. Numerosi studi hanno confermato che l'implementazione del BIM può portare a una riduzione dei costi totali del progetto e a una diminuzione degli errori di coordinamento fino al 50%.

Oltre all'efficienza economica, il BIM si rivela uno strumento cruciale per migliorare la qualità e la sostenibilità delle opere. La capacità di integrare nel modello dati relativi alle prestazioni energetiche, alla carbon footprint dei materiali e all'analisi del ciclo di vita (LCA) consente ai progettisti di ottimizzare l'edificio per ridurre l'impatto ambientale fin dalle prime fasi del progetto. Questo approccio è fondamentale per rispondere alle crescenti esigenze normative in materia di efficienza energetica e sostenibilità.

Inoltre, il modello BIM, una volta completata la fase di costruzione, si trasforma in un gemello digitale dell'edificio reale, diventando uno strumento indispensabile per la fase di Facility Management, ottimizzando la manutenzione, la gestione degli asset e la pianificazione degli interventi futuri.

Per questi motivi l'importanza del BIM è stata riconosciuta a livello istituzionale e normativo. L'Italia, con l'introduzione dell'obbligatorietà del BIM per gli appalti pubblici di importo superiore a determinate soglie, si è allineata a un trend globale che vede l'applicazione della metodologia come un requisito strategico per la trasparenza, la tracciabilità e l'innovazione del settore. Il BIM non è più un vantaggio competitivo opzionale, ma si sta affermando come lo standard professionale per chiunque operi con ambizione nel settore AEC (Architecture, Engineering and Construction).

Il BIM per le applicazioni strutturali

Sebbene la metodologia BIM sia nata e si sia sviluppata inizialmente in ambito architettonico e impiantistico, la sua applicazione all'ingegneria strutturale rappresenta una delle frontiere più promettenti e complesse del settore. L'integrazione del BIM nei processi di progettazione strutturale non si limita alla semplice modellazione 3D degli elementi strutturali, ma mira a creare un modello analitico intelligente, in grado di supportare l'intero flusso di lavoro, dal predimensionamento ai particolari costruttivi delle armature derivanti da analisi di dettaglio.

Studi recenti hanno evidenziato come l'adozione del BIM in ambito strutturale porti a significativi miglioramenti in termini di efficienza e precisione. Ad esempio, la capacità di esportare il modello geometrico in formati interoperabili come l'IFC (Industry Foundation Classes) consente di trasferire i dati a software di calcolo strutturale, eliminando la necessità di rimodellare manualmente la struttura per l'analisi. Questa automazione riduce drasticamente il rischio di errori di input e accelera il passaggio dalla fase di progettazione a quella di analisi.

Un’area di particolare interesse riguarda la modellazione e gestione delle armature. La densità e la complessità delle armature in elementi in calcestruzzo armato, specialmente in zone sismiche, richiedono un livello di dettaglio elevato. Metodologie avanzate, spesso supportate da strumenti di programmazione visuale come Dynamo, consentono la generazione parametrica delle armature, automatizzando la distribuzione delle staffe, la creazione dei nodi di armatura e la verifica della conformità con le normative tecniche. Ciò non solo velocizza il processo di progettazione, ma assicura una maggiore coerenza tra il modello analitico e quello esecutivo.

Inoltre, il BIM sta dimostrando il suo valore anche nella progettazione sismica. Alcuni studi presenti in letteratura hanno sottolineato come un modello BIM ben strutturato possa contenere informazioni non solo sugli elementi portanti, ma anche sulle componenti non-strutturali (CNS), la cui integrità è cruciale per la sicurezza e la funzionalità dell'edificio dopo un evento sismico. La possibilità di modellare parametricamente l'ancoraggio di pareti divisorie, controsoffitti e sistemi impiantistici permette di valutare il loro comportamento in caso di terremoto e di identificare potenziali vulnerabilità in anticipo, superando i limiti della progettazione sismica tradizionale, spesso focalizzata esclusivamente sulla struttura portante.

In sintesi, il BIM per le applicazioni strutturali si sta evolvendo da un semplice strumento di rappresentazione a una piattaforma integrata che consente una progettazione più intelligente, precisa ed efficiente. La sua piena integrazione, tuttavia, richiede ancora lo sviluppo di flussi di lavoro specifici e l'uso di strumenti parametrici per automatizzare le operazioni più complesse e ad alto rischio di errore, come la modellazione delle armature e la verifica sismica delle componenti non-strutturali.

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Proposta di un tool per l’automatizzazione della progettazione in ambiente BIM

Nell’ottica di dimostrare l’efficacia della metodologia BIM anche in ambito strutturale è stato sviluppato uno strumento che permette di effettuare un predimensionamento sismico delle strutture partendo dai modelli informativi relativi all’ambito disciplinare architettonico. Questo strumento permette quindi di far emergere delle eventuali incompatibilità tra progettazione architettonica e strutturale già dalle prime fasi progettuali riducendo il rischio di ritardi progettuali e varianti. Lo strumento proposto, denominato OMNIS, si fonda sull’uso combinato di Autodesk Revit come piattaforma di modellazione, Dynamo come ambiente di programmazione visuale per l’automazione dei processi e ModeSt come software di calcolo strutturale. La comunicazione tra i diversi ambienti è garantita da procedure di interoperabilità basate su file di scambio, che permettono il trasferimento bidirezionale di dati geometrici e dei risultati delle analisi strutturali.

Il sistema si articola in sei differenti tool per il predimensionamento strutturale e integra inoltre un tool relativo alla valutazione del comportamento non strutturale. In Fig. 1 è riportato il workflow di progettazione strutturale, organizzato come sequenza (Tool 1–6) da eseguire in modo sequenziale. Il flusso ha inizio dall’acquisizione dell’input architettonico (elaborati 2D o modello 3D) e dalla sua preparazione, con l’obiettivo di ottenere un modello strutturale preliminare avanzato, coerente e idoneo alle successive verifiche di dettaglio preparazione, con l’obiettivo di ottenere un modello strutturale preliminare avanzato, coerente e idoneo alle successive verifiche di dettaglio.

In Fig. 2, invece, si riporta il workflow relativo alle verifiche di tipo non strutturale, organizzato come una sequenza di passaggi finalizzati alla valutazione preliminare delle principali criticità prestazionali che non attengono alla capacità portante. Il flusso parte dallo stesso input (2D o 3D) e, attraverso operazioni di preparazione e interrogazione del modello, restituisce indicatori e segnalazioni utili alla progettazione sismica degli elementi non strutturali e alla riduzione di errori/rework nelle fasi successive.

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Esempio illustrativo: ex Casa del Fascio di Como come banco di prova del workflow BIM-FEM

L’esempio applicativo adottato si fonda sull’ex Casa del Fascio di Como (oggi sede della Guardia di Finanza), edificio di riferimento del Razionalismo italiano, progettato da Giuseppe Terragni e realizzato tra il 1932 e il 1936.

L’organismo presenta pianta quadrata e sviluppo pluripiano, con una composizione rigorosa basata su proporzioni e su un equilibrio controllato tra pieni e vuoti. Le facciate alternano parti opache e superfici vetrate/vetrocemento, rendendo leggibile la logica distributiva interna e la gerarchia degli spazi.

Per la regolarità geometrica e la chiarezza dell’impianto, l’edificio si presta efficacemente a illustrare una procedura ripetibile di generazione del modello strutturale preliminare e di verifiche iniziali all’interno del workflow BIM proposto. Come già anticipato, il processo è organizzato come una pipeline di script eseguiti in sequenza, ciascuno dedicato a una specifica fase di elaborazione:

Il primo strumento riveste un ruolo centrale nell’intero framework, in quanto costituisce il punto di raccordo tra la progettazione architettonica e quella strutturale. Il Tool 1 è stato concepito per consentire la generazione automatica di un modello strutturale a telaio direttamente a partire da un modello architettonico informativo o, in alternativa, da un input bidimensionale. Questo approccio consente di anticipare le valutazioni strutturali alle primissime fasi del processo progettuale, quando le scelte architettoniche sono ancora modificabili con costi e impatti ridotti.

Dal punto di vista metodologico, il Tool introduce un cambio di paradigma rispetto alla prassi tradizionale, nella quale la progettazione strutturale viene spesso avviata solo dopo il consolidamento delle scelte architettoniche. In questo caso, invece, il modello BIM diventa un ambiente condiviso di verifica preliminare, all’interno del quale è possibile individuare sin da subito eventuali incompatibilità geometriche, distributive o strutturali tra le due discipline.

Il Tool consente la creazione automatica degli elementi principali del sistema resistente, quali pilastri, travi e solai, oltre alla definizione delle fondazioni, che possono essere configurate come plinti isolati, plinti collegati da travi, travi rovesce o platee. La generazione del modello avviene secondo criteri parametrici, che garantiscono coerenza geometrica tra gli elementi e continuità strutturale tra i vari livelli dell’edificio. In questa fase, l’intervento del progettista è ridotto alle scelte strategiche, mentre le operazioni ripetitive e soggette a errore vengono demandate allo strumento automatico.

Risultati del predimensionamento e passaggio alle analisi successive

Un aspetto di particolare rilievo è la possibilità di eseguire un predimensionamento preliminare degli elementi strutturali, basato sui carichi verticali calcolati automaticamente dal Tool in relazione alla suddivisione delle aree di influenza e su formulazioni semplificate derivate dalla letteratura tecnica e dalla normativa vigente. Questo predimensionamento non ha l’obiettivo di sostituire la progettazione strutturale di dettaglio, ma di fornire un primo ordine di grandezza delle sezioni resistenti, utile per valutare la fattibilità strutturale delle scelte architettoniche e per orientare le successive fasi di progetto.

Una volta generato il modello strutturale preliminare, il framework mantiene un elevato grado di flessibilità. Il progettista può infatti intervenire manualmente sul modello per inserire elementi aggiuntivi, come setti in calcestruzzo armato, oppure per modificare localmente le dimensioni di travi e pilastri. Questa possibilità è particolarmente importante, poiché consente di superare una delle principali criticità dei sistemi automatici, ovvero la tendenza a produrre modelli troppo rigidi o eccessivamente standardizzati. Nel caso in esame, il Tool genera elementi globalmente analoghi, ma lascia al progettista il controllo delle scelte strutturali specifiche, preservando il ruolo decisionale dell’utente.

Nel seguente caso studio, a partire dalla planimetria sviluppata in ambiente CAD della Casa del Fascio di Como, si dimostra l’efficacia dello strumento automatico. Il risultato è evidente, e permette di ottenere in tempi ridotti un primo modello strutturale completo, comprensivo di fondazioni e di un predimensionamento coerente con i carichi gravitazionali.

Questo modello ha costituito la base per le successive analisi sismiche e per le fasi di ottimizzazione, consentendo di valutare sin dalle prime iterazioni progettuali l’impatto delle scelte architettoniche sul comportamento strutturale globale.

Il Tool 1 assume quindi il ruolo di supporter decisionale nelle fasi preliminari della progettazione, capace di integrare architettura e struttura all’interno di un unico ambiente informativo. La sua introduzione nel workflow consente di anticipare le verifiche strutturali più semplici e ripetitive, ridurre il numero di iterazioni successive e migliorare la qualità complessiva del processo progettuale.

Il Tool 2 rappresenta il naturale proseguimento del processo avviato con la generazione del modello strutturale preliminare e costituisce il primo vero passaggio di integrazione tra modellazione BIM e valutazione del comportamento sismico dell’edificio. L’obiettivo principale di questo strumento è quello di determinare, in maniera automatizzata e coerente con il quadro normativo vigente, le azioni orizzontali equivalenti agenti sulla struttura, fornendo al progettista un primo livello di analisi utile a orientare le successive fasi di verifica e ottimizzazione.

Dal punto di vista metodologico, il Tool implementa, per semplicità, una analisi statica lineare basata sull’approccio delle forze statiche equivalenti, così come previsto dalle Norme Tecniche per le Costruzioni. Tale scelta risulta coerente con la finalità del framework, che non è quella di sostituire analisi avanzate di dettaglio, ma di introdurre una procedura rapida, ripetibile e integrata all’interno dell’ambiente BIM, capace di fornire informazioni strutturalmente significative già nelle fasi preliminari del progetto.

Il Tool 2 utilizza direttamente le informazioni contenute nel modello BIM generato dal Tool 1, quali la distribuzione delle masse, le altezze interpiano e la geometria complessiva dell’edificio. A partire da questi dati, vengono determinati i tagli di piano e la loro distribuzione lungo l’altezza della struttura. Contestualmente, il tool calcola i centri di massa e di rigidezza per ciascun impalcato, consentendo di individuare eventuali eccentricità significative tra i due, che rappresentano uno degli indicatori principali di comportamento torsionale sfavorevole in condizioni sismiche.

Uno degli aspetti più rilevanti del Tool 2 è la capacità di associare tali informazioni direttamente agli elementi strutturali verticali, quali pilastri e setti. Le sollecitazioni orizzontali vengono infatti ripartite sugli elementi resistenti in funzione delle loro caratteristiche geometriche e di rigidezza, permettendo di ottenere una stima delle azioni interne agenti su ciascun elemento. Questo passaggio risulta fondamentale per le successive fasi di ottimizzazione, in quanto consente di individuare fin da subito gli elementi maggiormente sollecitati e potenzialmente critici.

Nel contesto del caso studio analizzato, l’applicazione del Tool 2 ha permesso di valutare rapidamente l’effetto delle azioni sismiche sulla struttura generata automaticamente. In particolare, la determinazione dei tagli di piano e delle eccentricità tra centro di massa e centro di rigidezza ha evidenziato un comportamento strutturale sostanzialmente regolare, coerente con la geometria in pianta dell’edificio. Tali risultati hanno confermato la validità delle scelte preliminari adottate nella fase di modellazione e hanno fornito una base solida per la successiva esportazione del modello verso il software di calcolo strutturale.

È importante sottolineare come il Tool 2 non si limita a produrre un output numerico, ma contribuisca a rafforzare il ruolo del modello BIM come contenitore attivo di informazioni strutturali. Le grandezze calcolate non restano confinate a un ambiente esterno, ma vengono integrate nel flusso informativo del progetto, rendendo il modello uno strumento di supporto alle decisioni progettuali e non un semplice elaborato grafico.

In sintesi, il Tool introduce una prima valutazione strutturale del comportamento sismico dell’edificio all’interno del processo BIM, riducendo il divario tradizionale tra modellazione e analisi. La sua integrazione nel framework consente di anticipare le verifiche, migliorare la consapevolezza progettuale e preparare in modo strutturato le successive fasi di analisi FEM e ottimizzazione delle sezioni.

Il Tool 3 svolge una funzione apparentemente secondaria rispetto agli strumenti di analisi e verifica, ma riveste in realtà un ruolo cruciale all’interno del framework proposto, poiché garantisce la strutturazione informativa del modello BIM e ne assicura la leggibilità, la tracciabilità e la robustezza nelle fasi successive del processo progettuale. In un workflow automatizzato e iterativo, infatti, la gestione coerente delle istanze e delle informazioni associate agli elementi strutturali rappresenta una condizione necessaria per il corretto funzionamento degli strumenti successivi.

Dal punto di vista concettuale, il Tool 3 introduce una procedura sistematica di codifica e classificazione degli elementi strutturali, basata su criteri gerarchici che tengono conto della tipologia dell’elemento (pilastro, trave, solaio, setto, fondazione), del livello di appartenenza e dell’ordine logico di generazione. Tale codifica non ha un mero scopo descrittivo, ma costituisce il fondamento per tutte le operazioni automatiche che coinvolgono l’estrazione, la modifica e la verifica degli elementi nel modello.

Uno dei principali problemi riscontrabili nei modelli BIM sviluppati in maniera tradizionale è infatti la mancanza di una struttura informativa coerente, soprattutto quando il modello viene progressivamente arricchito o modificato. In questi casi, la presenza di nomi duplicati, istanze non riconoscibili o classificazioni incoerenti rende complessa l’interazione con strumenti automatici e aumenta il rischio di errori nelle fasi di analisi e documentazione. Il Tool 3 affronta questa criticità introducendo un sistema di organizzazione automatica che agisce sull’intero modello strutturale.

Nel framework proposto, il Tool 3 viene applicato immediatamente dopo la fase di analisi statica preliminare. In questo modo, il modello strutturale viene “normalizzato” prima di essere utilizzato per la generazione del modello analitico e per le successive verifiche. Ogni elemento viene associato a un’identità univoca, che rimane stabile anche in caso di modifiche geometriche o dimensionali, permettendo di mantenere la continuità informativa lungo tutto il processo progettuale.

Nel caso studio analizzato, l’applicazione del Tool 3 ha consentito di organizzare in modo sistematico tutti gli elementi verticali e orizzontali del telaio strutturale, facilitando sia la lettura del modello sia l’individuazione degli elementi maggiormente sollecitati nelle fasi successive. In particolare, la codifica per livello ha reso immediata la distinzione tra pilastri appartenenti a impalcati diversi, aspetto fondamentale per la successiva fase di rastremazione verticale e per l’ottimizzazione delle sezioni.

È importante sottolineare come il Tool 3 non introduca nuove informazioni strutturali in senso stretto, ma operi una razionalizzazione del dato esistente, rendendolo utilizzabile in modo affidabile dai tool successivi. In questo senso, esso può essere interpretato come un elemento di controllo di qualità del modello BIM, che riduce l’ambiguità informativa e aumenta la ripetibilità delle procedure automatiche.

In sintesi, il Tool 3 contribuisce in modo determinante alla solidità del framework proposto, trasformando il modello BIM in una struttura informativa ordinata e coerente. Tale organizzazione costituisce la base indispensabile per le fasi di interoperabilità con il software di calcolo, per l’ottimizzazione automatica delle sezioni e per la restituzione finale del progetto, confermando come anche le operazioni apparentemente “gestionali” rivestano un ruolo strategico nei processi di progettazione automatizzata.

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Nel pdf continua parlando di:

• Tool 4- Tool 5 - Tool 6
• Conclusioni

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FAQ TECNICHE: BIM per predimensionare strutture e ridurre errori | Ingenio

Quando conviene utilizzare un workflow BIM per il predimensionamento strutturale?

Un workflow BIM per il predimensionamento strutturale è particolarmente utile nelle fasi preliminari del progetto per nuove realizzazioni, quando le scelte architettoniche sono ancora modificabili. Permette di ottenere rapidamente un primo modello strutturale abbastanza coerente con gli scopi finali, al fine di ridurre il numero delle successive iterazioni tra architettura e struttura.

Quale ruolo ha Dynamo in un workflow BIM strutturale?

Dynamo consente di automatizzare operazioni ripetitive e parametrizzabili all’interno del processo BIM. Nel contesto strutturale può supportare la generazione di elementi, la codifica delle istanze, l’estrazione di dati, la costruzione del modello analitico e la gestione di procedure iterative tra modellazione e calcolo.

Quali sono i principali vantaggi di un workflow automatizzato nelle prime fasi progettuali?

I principali vantaggi riguardano la riduzione delle attività manuali ripetitive e potenzialmente soggette a errori, la maggiore coerenza tra modello architettonico e schema strutturale, la possibilità di individuare criticità in anticipo e la tracciabilità delle scelte progettuali. L’automazione, tuttavia, deve essere sempre guidata e verificata dal progettista ed in nessun caso tendono a sostituirlo.

Il predimensionamento strutturale in ambiente BIM può sostituire il calcolo strutturale di dettaglio?

No. Il predimensionamento BIM non sostituisce la progettazione strutturale esecutiva né le verifiche di dettaglio previste dalla normativa. Il suo obiettivo è fornire un supporto decisionale e operativamente snellente iniziale ed esclusivamente preliminare, utile per orientarsi sullo schema strutturale da adottare, sugli ordini di grandezza delle sezioni e sulla compatibilità tra modello architettonico e modello strutturale.

Perché modellare in BIM ed esportare solo successivamente nel software FEM è importante nella progettazione strutturale?

L’interoperabilità BIM-FEM consente di trasferire dati geometrici e informativi dal modello BIM al software di calcolo, riducendo rimodellazioni manuali, errori di input e incoerenze tra modelli. La modellazione preliminare in ambiente BIM permette inoltre di sfruttare strumenti parametrici e di gestione geometrica più flessibili, lasciando al software FEM il compito specifico dell’analisi e della verifica strutturale.