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Possibili implementazioni dell’approccio BIM nelle fasi di gestione e manutenzione delle infrastrutture di trasporto

Nel Dipartimento di Ingegneria dell’Università degli Studi Roma Tre continuano le attività di ricerca e sviluppo sulle metodologie BIM applicate alle infrastrutture di trasporto, oltre che nelle fasi di progettazione anche per l’ottimizzazione delle fasi di monitoraggio e gestione

metodologia BIM

Premessa e stato dell’arte

In precedenti contributi è stata ampiamente illustrata l’attenzione posta nelle attività di ricerca e docenza del gruppo Strade, Ferrovie, Aeroporti del Dipartimento di Ingegneria dell’Università degli Studi Roma Tre, con specifico riguardo alla possibilità di implementare i processi e le metodologie del Building Information Modeling (BIM) anche alle infrastrutture di trasporto.

Se tale aspetto poteva sembrare prematuro o irraggiungibile ai tempi della prima pubblicazione su questa stessa rivista [1] dove si è illustrata una prima applicazione sulle potenzialità della metodologia BIM nella progettazione di una infrastruttura viaria oggetto di una esercitazione tecnica in un Corso di Laurea in Ingegneria Civile dell’Università degli Studi Roma Tre, a distanza di qualche tempo il panorama sembra essere molto più chiaro, indicando quanto descritto non più come una possibilità traguardabile, ma ormai come una necessità.

Come si avrà modo di comprendere anche nel prosieguo di questa pubblicazione, il consolidamento di un impianto normativo [2 e 3], affiancato da ulteriori elementi nel frattempo emersi, suggeriscono di approfondire adeguatamente ulteriori aspetti di maggior dettaglio.

Infatti sembra ormai non essere più sufficiente implementare il processo di rivoluzione digitale nelle sole fasi di progettazione di fattibilità tecnica ed economica di una infrastruttura di trasporto, che si è verificato consentire una più consapevole e efficace verifica dei tracciati nonché un più rapido, e al tempo stesso completo, passaggio alle fasi progettuali successive, come quella definitiva.

Alla luce delle ulteriori necessità emerse, era stata quindi proposta una seconda pubblicazione su questa rivista [4] dove si sono esplorati e illustrati ulteriori elementi affrontati sotto il profilo della ricerca, riguardanti sia l’implementazione di diverse applicazioni come la modellazione dei presidi idraulici e in generale l’inserimento dell’idraulica di piattaforma nei modelli creati [5], sia le ulteriori implementazioni delle dimensioni digitali 4D e 5D per la gestione dei tempi e costi di progettazione [6], fino a un possibile coinvolgimento dell’ambiente GIS nel modello e nel processo digitale considerato [7].

In questo frangente era già emersa l’assoluta necessità di una “apertura” del processo BIM a ulteriori ambiti e fasi di lavoro, in maniera da consentirne una più ampia applicazione ed una continuità nel tempo.

BIM
1. L’avvento del BIM nel mondo delle infrastrutture ha aperto nuovi orizzonti sulle modalità di progettazione e di manutenzione delle opere

Quanto premesso serve ad inquadrare le attuali volontà e necessità che propongono di prevedere l’utilizzo di questa metodologia innovativa non più solamente alla fase progettuale propedeutica alla realizzazione dell’opera, ma anche alla gestione della stessa con specifico riferimento alle attività di monitoraggio e manutenzione necessarie.

È proprio in questo contesto che alcune ulteriori disposizioni normative [8] traguardano l’utilizzo da parte dei gestori delle opere infrastrutturali, seppur inizialmente in via sperimentale, di strumenti, metodi e modalità BIM-oriented per gli scopi prefissati.

Proprio nel cosiddetto “Decreto Genova” [8] si legge che “[…] il Ministero delle infrastrutture e dei trasporti sovraintende alla realizzazione e gestione, in via sperimentale, di un sistema di monitoraggio dinamico da applicare alle infrastrutture stradali e autostradali, quali ponti, viadotti, rilevati, cavalcavia e opere similari, individuate dal Ministero stesso con apposito Decreto, che presentano condizioni di criticità connesse al passaggio di mezzi pesanti.

A tal fine, i soggetti che a qualsiasi titolo gestiscono le infrastrutture stradali e autostradali individuate dal Ministero forniscono al Ministero stesso i dati occorrenti per l’inizializzazione e lo sviluppo del sistema di monitoraggio dinamico, dotandosi degli occorrenti apparati per operare il controllo strumentale costante delle condizioni di sicurezza delle infrastrutture stesse anche utilizzando il Building Information Modeling – BIM […]”.

In quest’ottica diventa ormai inevitabile porsi i problemi di applicabilità dei sistemi BIM oltre che alle infrastrutture puntuali, anche a quelle lineari, individuando così il nuovo traguardo del cosiddetto Infra-BIM.

Preliminari considerazioni sull’effettiva applicabilità della metodologia BIM al monitoraggio e alla gestione delle infrastrutture viarie, non possono trascurare che in quanto opere di notevole estensione, tali elementi necessitano di un’elevata quantità di informazioni, che dovrà essere opportunamente gestita e ottimizzata.

A tal riguardo sembra prefigurarsi, tra l’altro, una sorta di “spinta” dell’implementazione della metodologia alle reti infrastrutturali tramite le imposizioni normative [3] che prevedono già, a partire dallo scorso Gennaio 2021, l’applicabilità del sistema BIM per le opere complesse con importo a base di gara di almeno 15 milioni di Euro, arrivando nel prossimo 2025 a una applicazione pressoché globale per tutte le tipologie di opere.

È quindi chiaro come coinvolgere anche gli aspetti gestionali e manutentivi di una infrastruttura di trasporto diventa cruciale e, sebbene sia apparente l’effettiva potenzialità del BIM nella gestione e manutenzione di un’opera civile, non è possibile ignorare le difficoltà di diversa natura che si possono incontrare nell’applicazione di questa metodologia a realtà così complesse.

Nei prossimi paragrafi saranno quindi illustrate le peculiarità, potenzialità, ma anche i possibili limiti attuali per l’implementazione operativa del sistema di gestione per la manutenzione e il monitoraggio di infrastrutture lineari di trasporto.

digitalizzare
2A e 2B. Il workflow del processo di creazione (a sinistra) e l’aggiornamento (a destra) del modello per la gestione dell’infrastruttura

La necessità di “digitalizzare” le infrastrutture per la creazione di modelli utili alle fasi di gestione del costruito

Come premesso, l’avvento del BIM nel mondo delle infrastrutture ha aperto nuovi orizzonti sulle modalità di progettazione e di manutenzione delle opere, traguardando la possibilità di gestire le stesse durante l’intero ciclo di vita.

La possibilità di coordinare in un unico ambiente digitale una varietà di dati e di informazioni provenienti da vari ambiti professionali (infrastrutturali, strutturali, impiantistici, ecc.) consente di visionare globalmente tutti gli aspetti che concernono l’infrastruttura stessa, assicurando una più agevole e accurata gestione dell’intero asset infrastrutturale.

Risulta quindi auspicabile ricostruire in ambiente virtuale digitale un modello tridimensionale “informativo” di una strada, come ad esempio ipotizzato in questo contributo, oppure di una alternativa infrastruttura lineare come una ferrovia, risultato di un processo di modellazione che guarda oltre a quanto previsto dai tradizionali strumenti Computer Aided Design (CAD), tipicamente utilizzati in questi ambiti lavorativi, per i quali l’unica proprietà informativa restituita è quella di carattere geometrico.

La componente fondamentale della metodologia BIM è l’apporto di dati e informazioni che arricchiscono il modello tridimensionale in relazione alle fasi del processo di realizzazione e successiva gestione, costituendo quindi un modello virtuale che deve operare come un contenitore di informazioni, in grado di aggiornarsi dinamicamente.

Questo processo deve necessariamente essere adottato anche nell’ambito della gestione di un’opera esistente, soprattutto se inserito in un contesto come quello italiano dove la manutenzione delle opere risulta uno degli aspetti maggiormente diffusi e di principale interesse, e che sempre più spesso rappresenta una criticità operativa e gestionale, purtroppo testimoniata dai tragici episodi accaduti negli ultimi anni nel nostro Paese.

Difatti, un processo BIM correttamente implementato può consentire una più agevole supervisione in continuo di una determinata infrastruttura e delle opere puntuali che ne competono.

L’integrazione del BIM consente di attivare un sistema di monitoraggio dinamico in cui le informazioni rilevate, basate su specifici indicatori, possono essere direttamente riferite al modello virtuale, che si aggiornerà di conseguenza.

Ciò consente la corretta gestione dei flussi informativi, impedendo, o perlomeno riducendo al minimo il rischio di perdita di dati e definendo inoltre una tracciabilità di azioni, che siano esse di monitoraggio o di manutenzione, che costituiscono una serie storica alla quale è possibile far riferimento per interventi futuri, e che quindi rappresenta un bagaglio informativo fondamentale per la “vita” dell’opera.

digital twin
3. La restituzione di un modello digitale su un DTM

La creazione di un modello informativo dell’infrastruttura in esame rappresenta quindi la base per programmare un piano di manutenzione dell’opera con indicazioni specifiche per ogni sua componente, in quanto il modello stesso sarà in grado di contenere sia tutte le parti costitutive, a partire dagli elementi strutturali a quelli di arredo, che le informazioni essenziali relative a modifiche, implementazioni e interventi eseguiti.

Le eventuali azioni “CAD to BIM”

Il processo di digitalizzazione di un’opera o di una rete, considerato anche che nel nostro Paese, ma non solo, sono estremamente prevalenti le opere realizzate piuttosto che quelle in progettazione e realizzazione, può essere effettuato attraverso l’utilizzo di elaborati provenienti da tecniche di progettazione “tradizionali” che fanno uso di strumenti CAD.

A partire da questi, come si è visto anche nei precedenti contributi [1 e 4] è possibile ricostruire in ambiente virtuale un modello tridimensionale “informativo” (Figura 2A sopra).

La riproduzione digitale dell’infrastruttura partendo da elaborati CAD richiede l’adempimento di alcune procedure che, sebbene possano risultare onerose in una prima fase, vengono giustificate dagli innumerevoli benefici che conseguono l’operare un modello informativo come quello prodotto in un processo BIM.

Gli elaborati progettali necessitano l’assegnazione di un sistema di coordinate di riferimento in grado di rendere agevole lo scambio di dati sia durante il processo di ricostruzione del modello digitale sia nelle successive fasi di gestione dello stesso, consentendone l’eventuale aggiornamento a seguito di potenziali azioni di monitoraggio.

La geolocalizzazione rappresenta quindi il punto di partenza per un corretto approccio di digitalizzazione di un’opera esistente. Uno degli aspetti fondamentali per la modellazione di un’infrastruttura è sicuramente la costruzione del DTM (Digital Terrain Model), che rappresenta la superficie di terreno nella quale l’infrastruttura stessa si inserisce. Per effettuare questa operazione sono necessari dei dati di partenza, auspicabilmente presenti negli elaborati progettuali a disposizione, sotto forma di punti quotati ottenuti da rilievi topografici.

Qualora non si disponesse di quest’ultimi, sono generalmente ormai disponibili su tutto il territorio nazionale dati open source forniti tipicamente dalle regioni che consentono allo stesso modo di produrre un’accurata ricostruzione del terreno, nonché la eventuale possibilità di integrare gli stessi con rilievi topografici ad hoc.

A partire dalla superficie digitale, e dagli oggetti bidimensionali riportati negli elaborati CAD, come profili planimetrici, altimetrici e sezioni tipo che caratterizzano l’infrastruttura da digitalizzare, con l’ausilio di avanzati strumenti di BIM Authoring è possibile ricostruire il modello tridimensionale della stessa (Figura 3).

Su un modello digitale di questo tipo, è quindi possibile effettuare tutte le operazioni necessarie atte a garantire una corretta gestione dell’infrastruttura dal punto di vista della manutenzione, inserendo al suo interno una molteplicità di dati, come risultati provenienti da monitoraggi o azioni manutentive pregresse e future.

laser scanner
4. Il rilievo Laser Scanner mobile su infrastruttura stradale un vantaggio che garantisce un più immediato riconoscimento

Le eventuali azioni di “rilievo del patrimonio esistente”

Molto spesso gli elaborati in formato CAD che consentono la riproduzione digitale dell’infrastruttura mediante il processo CAD to BIM non sono disponibili. Questo è molto frequente soprattutto nel caso di infrastrutture viarie che sono state progettate o realizzate precedentemente all’avvento di sistemi informatici in grado di realizzare disegni tecnici di questo tipo.

Dato che la rete viaria italiana, sia intesa come viabilità principale come quella autostradale, sia intesa come viabilità secondaria di collegamento locale, risale sino agli anni successivi al Dopoguerra, è presumibile la mancanza dei dati necessari per la digitalizzazione delle infrastrutture nelle modalità descritte in precedenza.

In questo contesto risulta fondamentale poter ricavare le informazioni necessarie partendo da rilievi ad alto rendimento, ma contestualmente ad alta precisione, da effettuarsi direttamente in sito (Figura 2A sopra). Questi sono in grado di restituire una molteplicità di dati che consentono di riprodurre in maniera fedele tutti gli elementi caratteristici dell’infrastruttura.

A tal proposito, si vuole sottolineare ad esempio l’importanza dell’utilizzo di strumenti come il Laser Scanner (in versione terreste o soprattutto mobile), capaci di rilevare modelli tridimensionali a scale di dettaglio differenti. Rilievi di questo tipo possono essere utilizzati sia nella fase di ricostruzione del modello digitale, così come per l’integrazione di un precedente processo CAD to BIM.

Il semplice, ma oggi ancora parzialmente oneroso dal punto di vista economico, passaggio di un veicolo strumentato su una infrastruttura stradale anche a velocità di traffico, permette di immagazzinare cospicue quantità di dati restituite come nuvole di punti dalle quali è possibile ricostruire le caratteristiche sia geometriche che al contorno dell’infrastruttura (Figura 4 sopra).

Un ulteriore e fondamentale utilizzo dei rilievi è quello che consente di gestire la fase di monitoraggio e manutenzione dell’infrastruttura (Figura 2B sopra). Questi, infatti, oltre a poter essere utilizzati come strumenti di creazione del modello digitale, trovano un’applicazione ancor più importante nell’aggiornamento dello stesso durante il ciclo di vita dell’opera.

In un processo BIM propriamente svolto è infatti necessario che qualsiasi tipo di informazione ricavata a seguito di un’ispezione o di un’eventuale modifica dello stato d’arte a seguito di un’azione manutentiva o correttiva, vengano riportate all’interno del modello virtuale, aggiornandolo in tempo quasi reale.

Tra i molteplici strumenti che consentono di raggiungere gli obiettivi prefissati, ancora una volta si individuano i sistemi ad alto rendimento, capaci di rilevare accuratamente e rapidamente le caratteristiche dell’infrastruttura. Si è già menzionato, a proposito, il Laser Scanner, il quale consente anche di effettuare un confronto tra rilevamenti in tempi diversi per valutare eventuali variazioni geometriche e costruttive dell’opera.

Ulteriori dati possono essere forniti da strumenti come il Ground Penetrating Radar (GPR), al fine di valutare le condizioni della sovrastruttura stradale quali lo spessore degli strati ed eventuali ammaloramenti anche profondi (Figura 5).

Altri sistemi ad alto rendimento sono rappresentati da veicoli multifunzione (ARAN, SUMMS, ecc.), caratterizzati da una notevole versatilità in merito alle informazioni che sono in grado di rilevare dall’infrastruttura. Attraverso questi è possibile valutare ad esempio lo stato della pavimentazione, descrivendone la regolarità, il grado di fessurazione, l’indice di aderenza trasversale ed ulteriori dati, fondamentali nella descrizione del modello.

Al fine di garantire il corretto utilizzo dei dati ricavati dalle suddette modalità di ispezione all’interno di un processo di monitoraggio e manutenzione in ambiente BIM, è fondamentale che questi, una volta rilevati, siano dotati di opportuna georeferenziazione. Questo consente un efficiente inserimento degli stessi all’interno del modello digitale.

Procedendo in questa direzione, si potrà garantire una serie storica delle ispezioni e dei risultati di eventuali azioni manutentive effettuate durante la gestione dell’opera, contenute all’interno del modello stesso, le quali saranno consultabili nella redazione di un piano di manutenzione.

Ciò consentirà, a seconda dei sistemi utilizzati, di tenere traccia dello stato strutturale e funzionale dell’infrastruttura nell’intero corso della sua vita utile. Un ulteriore importante risultato ottenibile dall’effettuare i rilievi dell’infrastruttura esistente integrati con un processo BIM, è quello di consentire il superamento del massimo livello di dettaglio ottenibile in fase di progetto o a seguito di una ricostruzione ottenuta mediante processo CAD to BIM.

Ground Penetrating Radar
5. Il rilievo con Ground Penetrating Radar a tromba su infrastruttura stradale

A tal proposito, si intende far riferimento alla Norma UNI 11337 [9], la quale regola gli aspetti legati al tema della gestione digitale dei processi informativi nel settore delle costruzioni. In particolare, nella parte 4 della Norma si parla di evoluzione informativa di modelli, definendo i diversi livelli di dettaglio che questi possono raggiungere.

Viene quindi specificato che le integrazioni di rilievi effettuati sul patrimonio esistente consente di elevare il cosiddetto Level of Development (LOD) del modello, fino al suo grado di dettaglio massimo (LOD G), qualora questo venisse anche aggiornato nel tempo, rappresentando lo scorrere della sua vita utile. Raggiunto questo livello di dettaglio, è possibile riferirsi al modello come un cosiddetto gemello digitale (o “Digital twin”) dell’opera esistente.

Come già detto, il gruppo di Strade, Ferrovie ed Aeroporti del Dipartimento di Ingegneria dell’Università degli Studi Roma Tre sta dimostrando un interesse sempre maggiore riguardo le citate tecnologie, e si sta impegnando nello studio di queste metodologie di rilievo al fine di integrare processi BIM nella manutenzione e monitoraggio delle infrastrutture di trasporto.

Nelle interessanti e impegnative attività di ricerca che si stanno svolgendo, sono stati individuati alcuni limiti nella gestione dei dati provenienti da rilevamenti effettuati in sito, in particolare mediante utilizzo di Laser Scanner.

Questi possono essere estremamente dettagliati e quindi generalmente di difficile gestione dal punto di vista computazionale dagli attuali software commerciali e dalle risorse di rete generalmente disponibili. Al fine di poter sfruttare questi dati in un processo di modellazione BIM è quindi consigliabile servirsi di dati meno densi.

A tal proposito, può essere necessario effettuare una sintetizzazione e contemporanea ottimizzazione degli stessi per consentirne una più fluida operabilità. In un’attività di pianificazione manutentiva, avere una visione immediata delle caratteristiche dell’infrastruttura rappresenta delle criticità presenti sulla stessa.

In questo contesto l’obiettivo è riuscire a sintetizzare dati provenienti da ispezioni in loco, in forme che diano un supporto visivo e informativo sulle caratteristiche dell’opera, oltre che a inserire gli stessi all’interno del modello per una successiva e più accurata valutazione.

Questi possono essere racchiusi ad esempio in file di tipo “shape”, un formato file molto semplificato, caratterizzato unicamente da forme e colori, ma che garantirebbe una visione immediata delle informazioni che riporta.

Visualizzare i dati in forma semplificata e intuitiva, assicura la possibilità di confrontare l’infrastruttura in esame in un contesto di rete che, date le sue estese dimensioni, non può che fare uso di dati di questo tipo.

L’integrazione tra sistemi GIS e BIM per una gestione avanzata delle reti

Le considerazioni fatte finora evidenziano una metodologia di gestione in piena fase di sviluppo e che presenta grandi margini di miglioramento, nonostante i vantaggi che se ne traggono siano già evidenti e ben consolidati.

Il gruppo di ricerca intende estendere l’analisi svolta fino a questo momento, ed evidenziare i futuri sviluppi che dovrebbero essere implementati al fine di garantire il miglior processo possibile (per manifestazioni di interesse o richieste di informazioni è possibile contattare il gruppo di lavoro biminside@uniroma3.it).

A tal proposito, si inserisce l’idea di approfondire questo approccio in un contesto più ampio rispetto a una singola infrastruttura di trasporto, ampliando lo stesso in termini di rete viaria.

È nota, infatti, l’importanza di pianificare le attività di manutenzione potendo far riferimento a una comparazione tra le condizioni funzionali e strutturali delle infrastrutture appartenenti alla rete individuando delle priorità di intervento, data la frequente carenza di risorse disponibili, per assicurare la sicurezza delle reti.

Risulterà fondamentale al fine di garantire quanto proposto, ottimizzare e integrare le informazioni di dettaglio provenienti da rilievi ad alto rendimento con sistemi GIS che consentano di analizzare un contesto più esteso, difficilmente modellabile esclusivamente con un processo BIM.

BIM
6. L’integrazione Bim e GIS per l’analisi a diversi livelli di dettaglio

L’idea è quella di sviluppare un workflow in grado di lavorare su due livelli di dettaglio, una prima analisi verrà effettuata in termini di rete sfruttando un sistema GIS, per poi analizzare in maniera più approfondita le singole infrastrutture che la compongono, modellate e monitorate in ambiente BIM. Il passaggio e l’integrazione dei sistemi GIS e BIM dovrà essere più fluido possibile, sviluppandosi all’interno di un unico ambiente in cui si potrà passare da un livello di dettaglio all’altro in maniera dinamica (Figura 6).

Gli obiettivi preposti sono certamente ambiziosi ma le attività sin qui condotte hanno finora dimostrato che gli strumenti a disposizione, grazie a una diffusa elasticità di utilizzo e valorizzazione degli stessi, consentono di raggiungere risultati anche inizialmente inaspettati in un’ottica di integrazione che permette ad ogni componente del sistema di fornire il proprio decisivo contributo.

Bibliografia

[1]. F. D’Amico, D. Presta – “Le potenzialità del BIM applicate alla progettazione delle infrastrutture viarie”, “Strade & Autostrade”, n° 125 Settembre/Ottobre 2017.

[2]. MIT – Ministero delle Infrastrutture e dei Trasporti, D.Lgs. 50 del 18/04/2016: Codice dei Contratti Pubblici, 2016.

[3]. MIT – Ministero delle Infrastrutture e dei Trasporti, D.M. 560 del 01/12/2017: Modalità e i tempi di progressiva introduzione dei metodi e degli strumenti elettronici di modellazione per l’edilizia e le infrastrutture, 2017.

[4]. F. D’Amico, L. D’Ascanio, D. Presta, E. Schiattarella, M. C. De Falco, C. Ferrante – “Applicazioni BIM per le infrastrutture di trasporto: le attività del Dipartimento di Ingegneria dell’Università degli Studi Roma Tre”, “Strade & Autostrade”, n° 138 Novembre/Dicembre 2019.

[5]. C. Ferrante, L. Bianchini Ciampoli, M.C. De Falco, L. D’Ascanio, D. Presta, E. Schiattarella – “Can a fully integrated approach enclose the drainage system design and the flood risk analysis?”, AIIT 2nd International Congress on Transport Infrastructure and Systems in a changing world (TIS Roma 2019), 23rd-24th September 2019, Rome, Italy.

[6]. F. D’Amico, D. Presta, C. Ferrante, L. D’Ascanio, M.C. De Falco, F. Tosti – “BIM for infrastructure: an efficient process to achieve 4D e 5D digital dimensions”, European Transport, Issue 77 (2020-Special Issue “TIS Roma 2019”).

[7]. F. D’Amico, A. Calvi, E. Schiattarella, M. Di Prete, V. Veraldi – “BIM and GIS data integration: a novel approach of technical/environmental decision-making process in transport infrastructure design”, AIIT 2nd International Congress on Transport Infrastructure and Systems in a changing world (TIS Roma 2019), 23rd-24th September 2019, Rome, Italy.

[8]. MIT – Ministero delle Infrastrutture e dei Trasporti, D.Lgs. 109 del 28/09/2018: Disposizioni urgenti per la città di Genova, la sicurezza della rete nazionale delle infrastrutture e dei trasporti, gli eventi sismici del 2016 e 2017, il lavoro e le altre emergenze, 2018.

[9]. UNI 11337, Gestione digitale dei processi informativi delle costruzioni (BIM), UNI, Ente italiano di Normazione, 2017.

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