Processo Scan-to-BIM nella modellazione 3D di un edificio da dati acquisiti con scanner volumetrico a proiezione di luce strutturata

ALMA MATER STUDIORUM – UNIVERSITÀ DI BOLOGNA

SCUOLA DI INGEGNERIA E ARCHITETTURA

SEDE DI BOLOGNA

CORSO DI LAUREA MAGISTRALE IN INGEGNERIA CIVILE

Dipartimento di Ingegneria Civile, Chimica, Ambientale e dei Materiali

DICAM

TESI DI LAUREA

in

Telerilevamento e GIS

PROCESSO SCAN-TO-BIM NELLA MODELLAZIONE 3D DI UN EDIFICIO DA DATI

ACQUISITI CON SCANNER VOLUMETRICO A PROIEZIONE DI LUCE

STRUTTURATA

CANDIDATO: Mattia Ferrari

RELATORE: Prof. Gabriele Bitelli

CORRELATORE: Ing. Domenico Simone Roggio

Anno accademico 2021/2022

II Sessione

Abstract

L’obiettivo di questo lavoro è di fornire un contributo alla documentazione della sede storica

della facoltà Ingegneria dell’Università di Bologna situata in Viale del Risorgimento utilizzando

tecnologie di nuova generazione e di poter valutare le potenzialità delle stesse. La

metodologia utilizzata, che prende il nome di BIM (Building Information Modeling), prevede

la realizzazione di un modello tridimensionale dell’oggetto di analisi a cui si accompagnano

delle informazioni di diverso tipo. La tecnologia BIM, anche se nata per supportare con un

sistema informatico l’intero processo edilizio fino alla fase di progettazione, è stata impiegata

allo scopo di documentare ed analizzare un edificio già esistente: in questo caso è più

appropriato parlare di HBIM (Historical BIM). Con questo lavoro si è voluta sperimentare

l’integrazione tra un rilievo di una porzione dell’edificio (utilizzata dall’Area di Tecnica delle

Costruzioni del DICAM) situata al secondo piano dello stabile e il modello preesistente della

facoltà di Ingegneria, realizzata tramite un programma di modellazione parametrica che

lavora in ambiente BIM. Nei locali da rilevare sono state eseguite delle scansioni utilizzando

un Laser Scanner volumetrico a proiezione di luce strutturata, strumento che consente di

ricavare una nuvola di punti, dalla quale è possibile conoscere le coordinate 3D e ottenere i

dati spaziali degli ambienti. Per quanto riguarda la modellazione tridimensionale, il software

impiegato è stato Autodesk Revit Architecture, il quale viene utilizzato principalmente per la

progettazione di edifici di nuova costruzione e per la modellazione degli elementi costruttivi

gestiti da parametri e regole ben definiti. La nuvola di punti del dipartimento è stata

processata tramite un software open source chiamato CloudCompare. Poiché Revit non

permette di ricreare elementi agendo direttamente su una nuvola di punti, è stato utilizzato

un altro software, sempre della famiglia Autodesk chiamato ReCap che permette di caricare

la nuvola di punti in Revit. Per ricostruire gli elementi degli ambienti rilevati sono state

utilizzate delle famiglie specifiche che consentissero di ottenere un risultato il più vicino

possibile alla conformazione originale degli elementi. I risultati ottenuti sono positivi e, poiché

le metodologie di rilievo avanzate sono sempre più richieste nel caso di documentazione o

manutenzione di beni di interesse storico-architettonico, sarebbe interessante verificare se

con l’impiego di altri programmi di modellazione, o con l’integrazione di software diversi, si

possa raggiungere un grado di precisione maggiore rispetto a quanto ottenuto con questo

lavoro. 2

Indice

1.Introduzione ................................................................................................................ pag. 5

2. Cenni su BIM, HBIM e Scan to BIM ............................................................................ pag. 9

2.1 BIM ......................................................................................................................... pag. 9

2.2 Normativa in materia BIM ..................................................................................... pag. 17

2.3 HBIM ...................................................................................................................... pag. 27

2.4 Scan to BIM ............................................................................................................ pag. 31

2.5 IFC e standard ........................................................................................................ pag. 40

3. Metodologie e tecniche di rilevamento 3D ............................................................... pag. 45

3.1 Classificazione ........................................................................................................ pag. 45

3.2 Tecniche di acquisizione senza contatto attive ..................................................... pag. 47

3.2.1 Luce strutturata ...................................................................................... pag. 47

3.2.2 Laser ........................................................................................................ pag. 48

3.3 Calcolo delle distanze nelle tecniche senza contatto attive .................................. pag. 51

3.3.1 Triangolazione ........................................................................................ pag. 51

3.3.2 Differenza di fase .................................................................................... pag. 52

3.3.3 Tempo di volo (TOF) ............................................................................... pag. 54

3.4 Tecniche di acquisizione senza contatto passive: stereoscopia e fotogrammetria ...........

............................................................................................................................... pag. 56

4. Caso di studio .............................................................................................................. pag. 60

4.1 Inquadramento generale ....................................................................................... pag. 60

4.2 Metodologia della ricerca ...................................................................................... pag. 63

4.2.1 Strumentazione ...................................................................................... pag. 63

4.2.2 Tecniche di rilievo ................................................................................... pag. 68

4.2.3 Tecniche di elaborazione ........................................................................ pag. 72

4.2.4 Tecniche di modellazione e di restituzione ............................................ pag. 75

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4.3 Svolgimento dello studio e prodotti ottenuti ........................................................ pag. 77

4.4 Confronto nuvola di punti e modello BIM e grado di accuratezza ottenuto ........ pag. 86

4.5 Discussione dei risultati ......................................................................................... pag. 88

5. Conclusioni .................................................................................................................. pag. 90

Appendice A. Geomatica ................................................................................................ pag. 92

A.1 Geodesia e georeferenziazione ............................................................................. pag. 93

A.2 Sistemi informativi geografici ............................................................................... pag. 100

A.3 Telerilevamento ................................................................................................... pag. 103

Bibliografia ..................................................................................................................... pag. 113

Sitografia ........................................................................................................................ pag. 114

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1. Introduzione

Nell’ambito dei Beni Culturali, la documentazione geometrica di un oggetto può essere

definita come l’azione di acquisizione, elaborazione, presentazione e memorizzazione dei dati

necessari per la determinazione, in un dato momento, della posizione, della forma e delle

dimensioni dell’oggetto rilevato nello spazio tridimensionale. Lo scopo della documentazione

3D attraverso tecnologie digitali è quello di memorizzare il presente dei beni architettonici,

così come sono stati modellati nel corso del tempo e costituire il background per gli studi sul

loro passato, così come per gli studi sul loro futuro e la loro conservazione. Inoltre, il rilievo

3D serve per conservare digitalmente il patrimonio, soprattutto in caso di perdite o

danneggiamenti. Un rilievo metrico accurato, dettagliato e completo, richiede un approccio

metodologico sistematico: impiegare le attrezzature più sofisticate non può prevenire errori

senza un’attenta procedura e la mancata conoscenza delle funzionalità strumentali o dei

software impiegati, così come l’accuratezza, non prescinde dalla corretta esecuzione degli

algoritmi di elaborazione che trasformano l’insieme dei dati in coordinate calibrate o misure

che possono essere visualizzate ed analizzate.

L’English Heritage Metric Survey Team definisce il rilievo come la descrizione grafica di edifici

e territorio tramite uno specifico standard, per fornire una base dati affidabile e ripetibile

senza specifici input soggettivi. Gli strumenti di rilievo agiscono a livello preservativo del bene

anche nel fornire materiale di valutazione diagnostica e di intervento preventivo. La

valorizzazione del bene diventa completa quando la descrizione metrica è affidabile ed

esaustiva e tutte le informazioni rilevate sono standardizzate e catalogate in sistemi

informativi che ne garantiscono l’interazione e la fruibilità a diversi livelli. L’inserimento nel

contesto socio-economico del patrimonio culturale costituisce, oltretutto, uno strumento

fondamentale per catalizzare l’interesse e garantirne efficienti strumenti di tutela. Quindi, in

relazione a diversi tipi di esigenze (turistiche, didattiche, conservazione, restauro), emerge

sempre più la necessità di definire sperimentalmente metodi e tecniche di rilievo al fine di

produrre modelli confrontabili e accessibili, modelli che possano essere fruibili in modo

partecipato, così da raggiungere e sensibilizzare diversificate fasce di utenti senza limiti spazio-

temporali. Le innovazioni tecnologiche stimolano la ricerca tecnico-scientifica ad approfondire

le caratteristiche operative dei differenti strumenti, proporre tecniche di elaborazione dei dati

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e ipotizzare possibili criteri di utilizzo delle nuove tecnologie. La definizione della procedura di

creazione di modelli 3D tiene conto essenzialmente delle caratteristiche degli oggetti da

rilevare e delle finalità di utilizzo dei modelli stessi.

I criteri per la definizione delle tecniche da utilizzare nella fase di rilievo possono essere

specificatamente indicati in base al tipo di acquisizione. Nel caso di acquisizioni di piccoli

reperti le caratteristiche che vanno tenute in conto sono:

• complessità di forma dell’oggetto (particolarità geometriche, presenza di fori, sezioni

concave, etc.);

• complessità superficiale (riflettività del materiale, riflessione diffusa uniforme o

puntuale, trasparenza, livello di erosione ed estensione del degrado superficiale);

• presenza di rilievi, decorazioni, incisioni;

• colore ed uniformità della texture.

Nel caso di acquisizioni su larga scala, alle caratteristiche dell’oggetto da rilevare sopra

riportate, si aggiungono altri criteri da considerare:

• dimensioni massime dell’oggetto;

• eventuale prevalenza di una dimensione rispetto alle altre;

• dettaglio minimo superficiale.

Allo stesso modo, la definizione della procedura di creazione dei modelli non può prescindere

dalle caratteristiche dello strumento che si possono distinguere per:

• accuratezza e risoluzione;

• dimensioni dell’area di ripresa;

• raggio di azione;

• comportamento in funzione delle condizioni di illuminazione;

• comportamento in funzione di materiale con riflessione della luce non uniformemente

diffusa;

• maneggevolezza dello strumento.

Inoltre, va considerata la specificità dell’applicazione che si prevede per il modello acquisito e

le finalità documentative, ovvero:

• grado di accuratezza richiesto per il modello digitale 3D;

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• complessità di descrizione del modello digitale, ottimale per l’applicazione di

riferimento;

• compatibilità del tempo e costo di acquisizione con il budget di progetto;

• eventuale distinzione dei diversi livelli di dettaglio;

• tipo di canale di visualizzazione.

A seconda della tipologia/complessità del caso di studio, della scala di rappresentazione (che

definisce la precisione e la risoluzione finale) e del campo di applicazione/scopo del rilievo

(documentazione, analisi specialistica, etc.) è possibile scegliere la tecnica più adeguata o

l’integrazione di più tecniche cercando sempre di ottimizzare tempi, risorse e risultati.

Recentemente molti studi si sono orientati all’utilizzo integrato di tecniche differenti, per

aumentare il livello qualitativo dei modelli 3D. Un tale approccio, che permette analisi di forma

e dimensione ad altissima risoluzione, viene applicato soprattutto nei casi di oggetti complessi

quali siti archeologici e architetture. L’integrazione tra le metodologie di rilievo nell’approccio

alla ricostruzione digitale 3D diventa necessario per una mirata mediazione tra la mole dei

dati, la precisione richiesta e le necessità di visualizzazione. Infatti, soprattutto nel caso di

acquisizioni su larga estensione generate da sistemi che restituiscono un elevato dettaglio non

si può prescindere dalla questione di visualizzazione del modello 3D. I sistemi di visualizzazione

permettono l’esplorazione e l’analisi dei modelli ricostruiti secondo specifiche caratteristiche

geometriche e fotometriche. È importante ottimizzare le quantità dei dettagli, geometrici o

fotografici, in relazione ad un utilizzo performante dei sistemi di visualizzazione, cercando di

mantenere il più possibile inalterate le qualità del risultato finale. L’esperienza di interazione

si differenzia in base alle soluzioni di visualizzazione passando dal semplice utilizzo del monitor

ai sistemi di navigazione in real-time e agli attuali dispositivi mobili attraverso cui la

comunicazione si canalizza ormai ad uno spazio di utenti molto esteso (ad esempio con sistemi

per la realtà aumentata). Le informazioni contenute in questa parte introduttiva vogliono fare

da preludio a quelle che sono state le intenzioni della ricerca, ovvero produrre un modello 3D

in grado di soddisfare più esigenze: dai rilievi di precisione per finalità di documentazione ad

una modellazione le cui specifiche consentano una portabilità su diversi sistemi di

visualizzazione finalizzata ad una comunicazione allargata.

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Il lavoro di tesi ha come obiettivo quello della modellazione tridimensionale di un ambiente

partendo da una nuvola di punti. Ogni capitolo approfondisce un’area tematica utile alla

comprensione della trattazione:

• nel capitolo 2 viene fatta un’introduzione al mondo BIM, descrivendone i suoi aspetti

principali ed analizzando la normativa a riguardo;

• il capitolo 3 racchiude la classificazione delle metodologie e tecniche di rilevamento

3D, differenziandole in tecniche senza contatto attive e passive, e descrivendone il

funzionamento;

• il capitolo 4 si sofferma sulla geomatica, un ambito multidisciplinare che si occupa di

acquisire, modellizzare, interpretare, elaborare, archiviare e divulgare informazioni

georeferenziate;

• Nel capitolo 5 si descrive il caso di studio, la strumentazione utilizzata, la metodologia

di svolgimento del lavoro e si presentano i risultati ottenuti;

• il capitolo 6 ha l’obiettivo di discutere i risultati ricavati dal processo di modellazione

in ambiente BIM;

• il lavoro termina con il capitolo 7 dove vengono riportate delle conclusioni e delle

riflessioni riguardanti il lavoro svolto. 8

2.Cenni su BIM, HBIM e Scan to BIM

2.1 BIM Figura 2.1.1 – Parole chiave del BIM. Fonte: https://www.bimportale.com.

Il Building Information Modeling, dai cui l’acronimo BIM, è un processo multidimensionale di

particolare interesse nel settore delle costruzioni che porta alla creazione e alla gestione, in

tutte le sue parti, di un modello di un progetto edilizio rappresentato digitalmente, dove sono

contenute tutte le informazioni che riguardano le sue proprietà. Il BIM è un nuovo approccio

alla progettazione e un nuovo metodo di pensare l’edilizia che non è più legato ad un numero

infinito di fogli che rappresentano ognuno un aspetto a sé stante di un progetto, ma diventa

la realizzazione di un modello digitale che porta alla generazione di un oggetto all’apparenza

semplice ma che nasconde al suo interno tutta la complessità degli aspetti del progetto stesso.

Un BIM può contenere qualsiasi informazione riguardante l'edificio o le sue parti. Le

informazioni più comunemente raccolte in un BIM riguardano la localizzazione geografica,

la geometria, le proprietà dei materiali e degli elementi tecnici, le fasi di realizzazione e le

operazioni di manutenzione riguardanti l’intero ciclo di vita dell’edificio. Possiamo

tranquillamente affermare che il BIM è una rappresentazione digitale di caratteristiche fisiche

e funzionali di un edificio, rappresentate mediante un modello, con lo scopo di condividere

informazioni riguardanti la creazione e la manutenzione di un’opera edilizia atte a prendere

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decisioni dalla creazione fino alla fine della vita utile dell’oggetto stesso. Tali dati saranno

differenti e relazionati alle diverse discipline che lo definiscono. In sostanza, il BIM è un

processo che riguarda lo sviluppo, l’analisi e la manutenzione di un modello digitale; non è

solamente una rappresentazione geometrica e multidimensionale di un edificio, ma è la

gestione di tutta l’informazione che riguarda quell’edificio e la possibilità di condividerla.

Figura 2.1.2 – Ambiti di pertinenza del BIM. Fonte: http://www.ccberchet.it/.

Il processo è costruito sulla rappresentazione della co