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

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.

Indice

• Introduzione ................................................................................................................ pag. 5
• Cenni su BIM, HBIM e Scan to BIM ............................................................................ pag. 9
• BIM ......................................................................................................................... pag. 9
• Normativa in materia BIM ..................................................................................... pag. 17
• HBIM ...................................................................................................................... pag. 27
• Scan to BIM ............................................................................................................ pag. 31
• IFC e standard ........................................................................................................ pag. 40
• Metodologie e tecniche di rilevamento 3D ............................................................... pag. 45
• Classificazione ........................................................................................................ pag. 45
• Tecniche di acquisizione senza contatto attive ..................................................... pag. 47
• Luce strutturata ...................................................................................... pag. 47
• Laser ........................................................................................................ pag. 48
• Calcolo delle distanze nelle tecniche senza contatto attive .................................. pag. 51
• Triangolazione ........................................................................................ pag. 51
• Differenza di fase .................................................................................... pag. 52
• Tempo di volo (TOF) ............................................................................... pag. 54
• Tecniche di acquisizione senza contatto passive: stereoscopia e fotogrammetria ....................................................................................................................... pag. 56
• Caso di studio .............................................................................................................. pag. 60
• Inquadramento generale ....................................................................................... pag. 60
• Metodologia della ricerca ...................................................................................... pag. 63
• Strumentazione ...................................................................................... pag. 63
• Tecniche di rilievo ................................................................................... pag. 68
• Tecniche di elaborazione ........................................................................ pag. 72
• Tecniche di modellazione e di restituzione ............................................ pag. 75
• Svolgimento dello studio e prodotti ottenuti ........................................................ pag. 77
• Confronto nuvola di punti e modello BIM e grado di accuratezza ottenuto ........ pag. 86
• Discussione dei risultati ......................................................................................... pag. 88
• Conclusioni .................................................................................................................. pag. 90
• Appendice A. Geomatica ................................................................................................ pag. 92
• Geodesia e georeferenziazione ............................................................................. pag. 93
• Sistemi informativi geografici ............................................................................... pag. 100
• Telerilevamento ................................................................................................... pag. 103
• Bibliografia ..................................................................................................................... pag. 113
• Sitografia ........................................................................................................................ pag. 114

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 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
• 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 a 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 a una modellazione le cui specifiche consentano una portabilità su diversi sistemi di visualizzazione finalizzata a una comunicazione allargata.

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

Cenni su BIM, HBIM e Scan to BIM

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 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...