Produzione digitale del progetto di un ponte, un caso studio BIM-based

L'importanza del BIM nella gestione del ciclo di vita di una infrastruttura

In Italia il D.M. n. 560/2017 rende obbligatorio dal 1° gennaio 2019 l’utilizzo di metodi digitali per gli appalti per lavori complessi di valore maggiore di 100 milioni di euro. Risulta pertanto chiaro come le opere infrastrutturali (tratti stradali, ponti, viadotti, tratti ferroviari, gallerie) rispondono al doppio criterio di lavoro complesso - come da art. 3 del Decreto Legislativo 50/2016 - e di soglia economica.

L’analisi dello stato dell’arte ha evidenziato come il concetto di BIM, in correlazione con le tecnologie già in essere per la gestione dell'infrastruttura, possa aiutare a rendere più affidabili, sostenibili e sicure le prestazioni dell’opera infrastrutturale. In relazione all’applicazione del BIM nell’industria delle costruzioni, qualora venisse applicato un modello informativo all’opera si andrebbero infatti a ridurre i costi e i rischi durante la manutenzione.

Ci sono vantaggi solo se la metodologia BIM è applicata a livello di filiera

L’uso della metodologia BIM tuttavia dimostra come questi vantaggi si abbiano quando essa è applicata a livello di filiera - progettuale, realizzativa, manutentiva – mentre diminuiscono quando siano solo alcuni operatori del processo ad utilizzarlo. È d’altra parte evidente come gli appalti di costruzione e gestione delle infrastrutture siano di carattere pubblico, delineando pertanto una strada più agevole rispetto alla dispersione delle responsabilità e degli incarichi dell’edilizia.  

Lo sforzo che le Università sono chiamate a svolgere riguarda la sintesi di due necessariamente diverse conoscenze: da un lato quella dei principi e delle pratiche BIM per la gestione dei modelli e dei loro usi (interoperabilità, gestione informativa, valore della semantica e della parametricità, ottimizzazione progettuale), dall’altro la comprensione dei metodi di progettazione di una infrastruttura.

Nell’ambito della progettazione di ponti e viadotti si tratta quindi di forzare la collaborazione, all’interno della didattica, delle tesi di laurea e dei progetti di ricerca, adeguando i sistemi di modellazione BIM alle logiche di progettazione e realizzazione di un’infrastruttura – si pensi ad esempio alla delicata produzione di un modello digitale strutturale agli elementi finiti. Si capisce pertanto il motivo per il quale BuildingSmart International stia investendo negli ultimi 5 anni nel progetto Overall Infrastructure, nel quale vengono coordinate le istanze provenienti dalle logiche di strade, ferrovie, ponti e gallerie. In questo senso il tracciato – IfcAlignment - diventa una classe comune imprescindibile, fungendo da organizzatore al pari di una griglia – IfcGrid - per il progetto di strutture. Ne deriva quindi una seconda guida per il comportamento delle Università, quello di rivolgersi tanto alla teoria quando alla pratica professionale, rappresentata non solo dalle società di ingegneria ma anche dalle società di sviluppo e distribuzione dei codici di rappresentazione e gestione. In questo senso la collaborazione messa in atto dal Dipartimento ICEA dell’Università di Padova con CSPFea risulta strategica per una diffusione coordinata e capillare delle migliori pratiche di gestione BIM, in modo da rendere leggero il passaggio verso questa metodologia. 

Fig. 1 Vista dall'alto con struttura definitiva

Fig. 2. Vista planimetrica del progetto con alignment

Un caso applicativo del BIM per un ponte

La gestione dell’intero ciclo di vita dei ponti, oltre ad essere un tema attuale, è uno degli argomenti più dibattuti dalla bibliografia, poiché il BIM può supportare efficacemente la gestione completa, dalla progettazione alla demolizione passando per la gestione delle risorse e delle fasi costruttive in cantiere fino al monitoraggio strutturale. Il BIM, infatti, aiuta a fornire un database completo che può essere utilizzato durante l'intero ciclo di vita del ponte; ovvero che, i dati, raccolti e archiviati durante le fasi di progettazione e costruzione, possono essere efficacemente utilizzati durante la fase di funzionamento e manutenzione. Inoltre, grazie all’organizzazione e la gestione del flusso di dati, è un sistema che garantisce collaborazione e interoperabilità. 

In Italia, come analizzato nella bibliografia, si ritiene che i BIM-uses per i ponti riguardino principalmente l’attività di facility management, ovvero l’insieme delle attività necessarie, relative alla gestione e manutenzione durante tutto il ciclo di vita dell’infrastruttura, e l’analisi strutturale. Quest’ultima presenta problematiche che derivano dalla complessità e variabilità del passaggio informativo tra gli oggetti del modello solido e lo schema strutturale del modello analitico per cui nasce la necessità di usare classi specifiche per i ponti alle quali associare dei metodi per l’esportazione del relativo modello analitico.

Tuttavia, per riuscire a definire al meglio le strategie di modellazione più opportune è necessario definire come dovrebbe essere strutturato un ponte e quali sono le sue componenti.

Il ponte, le sue componenti e la loro modellazione in BIM

Un ponte è una struttura che fornisce il passaggio sopra un ostacolo fisico, come ad esempio un fiume o un'area di intersezione del traffico, avente una lunghezza di campata uguale o superiore a una certa distanza. 

Fig. 3. Spaccato prospettico delle travi

È possibile classificare queste opere sulla base dell’ostacolo sovrapassato, della via servita, del materiale impiegato e dello schema statico. Tenendo presente che gli elementi costitutivi possono variare a seconda delle diverse tipologie di ponte, si cerca di definire un elenco generalizzato degli elementi più comuni riferiti ai tipi di ponte maggiormente diffusi. Generalmente, quindi, la struttura del ponte può essere suddivisa in due macroelementi; uno che riguarda la parte inferiore (substructure) che comprende le spalle e le pile con le rispettive fondazioni, e uno per la parte superiore (superstructure) che include gli apparecchi d’appoggio e l’impalcato.

Ciò serve a definire quelli che sono gli elementi specifici della modellazione BIM per i ponti - l’alignment o tracciato, gli elementi longitudinali e gli elementi puntuali.

L’alignment costituisce il sistema di riferimento per l’intera progettazione e segue regole ben precise della progettazione stradale, che in Italia è normata in toto dal D.M. 6792 del 05/11/2001, ed alla quale è indissolubilmente legata la progettazione di ponti. Al tracciato, infatti, sono riferiti sia gli elementi longitudinali, che lo seguono lungo tutto il tracciato come ad esempio l’impalcato, sia gli elementi puntuali che sono associati ad un punto specifico lungo di esso come le pile e le spalle.

Il passaggio fondamentale sarà quindi individuare e costituire le classi (pila, trave, baggiolo) e le relazioni, tra tracciato ordinatore (alignment) e gli elementi, che si instaurano durante la progettazione di un ponte.

Il ponte che viene preso in esame per la modellazione è di recente costruzione ed è costituito da due campate rispettivamente di 42 e 47 m che sono sorrette da una pila e due spalle in cemento armato. È composto da due corsie gemelle, ma l‘attenzione è stata rivolta ad una sola delle due. L’impalcato della sovrastruttura è costituito da travi in acciaio assemblate, irrigidite e controventate sopra le quali viene gettata una soletta in calcestruzzo.

L’utilizzo di un comune software BIM per edifici, in questo senso, da un lato rende la modellazione più complessa, dall’altro, però, permette un’analisi e una comprensione migliori dei meccanismi celati all’interno dei software BIM per i ponti. La struttura, infatti, può essere ottenuta solo grazie alla creazione dell’alignment, degli elementi costitutivi del ponte e dalle relazioni che intercorrono tra di essi, per esempio a partire dall’asse stradale, viene determinata la posizione delle travi d’appoggio della soletta. Successivamente sono stati creati dei punti di riferimento che permettessero di costruire, in un sistema necessariamente parametrico, gli oggetti puntuali quali baggioli, spalle, pile e plinti di fondazione. I punti di controllo diventano, quindi, occasione di validazione della progettazione, ma anche di costruzione e varo dell’opera all’interno di procedure di modellazione nelle quali il progettista di ponti debba necessariamente riconoscersi. 

Fig. 4. Esploso assonometrico

In un software per la progettazione architettonica, la problematica principale relativa a questo aspetto consiste nel fatto che non è possibile regolare parametricamente l’orientamento delle spalle e della pila rispetto all’alignment. Questo significa che se, per esempio, dovesse essere modificata la linea del tracciato, l’intero sistema di riferimento si orienterebbe seguendo il nuovo asse ad eccezione degli elementi puntuali che verrebbero solamente traslati nella nuova posizione perdendo l’orientazione precedente. Al contrario i software BIM dedicati alla progettazione di ponti hanno già al loro interno questa caratteristica di rendere l'intero modello parametrico in maniera dipendente dalla posizione dei punti notevoli del tracciato. 

Un altro aspetto da tenere in considerazione, oltre a mantenere una certa parametricità in termini geometrici, riguarda la definizione degli elementi che costituiscono il ponte. È stata riscontrata l’esigenza di associare ad essi delle classi, preferibilmente standardizzate, alle quali collegare dei metodi che, nel caso in oggetto, riguardano, l’esportazione del modello analitico della struttura, per la successiva analisi strutturale all’interno di un software specifico, e l’inserimento nel modello delle armature. Nel primo caso, la problematica principale è relativa al fatto che non tutti gli elementi del ponte sono stati classificati e standardizzati per definire una relazione univoca tra gli oggetti del modello e i corrispondenti oggetti del modello analitico. Ad esempio, per quanto riguarda gli apparecchi d’appoggio che hanno sia funzione d’appoggio sia di dispositivi antisismici, durante la modellazione non è stato possibile inserire all’intero della classe di elemento baggiolo la funzione analitica di link tra il muro della spalla/pila e le travi. Nel secondo caso, invece, la complicazione è dovuta dal fatto che durante l’esperienza di modellazione, non era presente uno strumento adeguato che permettesse la realizzazione di tavole esecutive dell’armatura, descrivendo in modo grafico e annotativo le armature secondo la comune pratica professionale.

In conclusione, il caso studio dimostra tutte le difficoltà di interpretare, a livello metodologico, le richieste informative del progetto di un ponte in termini BIM, nell’ordine: strutturazione delle informazioni legate ad un alignment, organizzazione delle informazioni secondo una struttura spaziale, dettaglio grafico, generazione e allineamento con il modello strutturale.

Questo articolo si trova in Digital Modeling n. 25 edito da CSPFea. > Scarica la tua copia gratuita