Il Building Information Modeling Introduzione UNIVERSITÀ DEGLI STUDI DI BERGAMO

Transcript

1 Il Building Information Modeling Introduzione

2 INTRODUZIONE Il BIM (Building Information Modeling) rappresenta uno dei più promettenti sviluppi per i settori dell'architettura, dell'ingegneria e dell'industria delle costruzioni. Mediante la tecnologia BIM, uno o più modelli virtuali di un edificio vengono costruiti digitalmente. Si può così supportare il progetto attraverso tutte le sue fasi, consentendo un miglior controllo rispetto ai consolidati processi manuali. Attualmente, la procedura di trasmissione dei dati rimane frammentato e dipende da una serie di comunicazioni cartacee tra gli attori del processo edilizio. Errori e omissioni, nei documenti cartacei, sono spesso causa di costi imprevisti, ritardi e controversie legali tra le parti.

3 INTRODUZIONE I problemi più frequenti, con comunicazioni basate su dati 2D in fase progettuale, sono il tempo e la spesa necessari per generare informazioni relative alle analisi su una certa proposta progettuale, come ad esempio analisi dei costi, dell'energia impiegata, dell'efficienza strutturale, ecc. Queste analisi sono normalmente fatte alla fine, quando è ormai troppo tardi per proporre cambiamenti importanti: il progetto originario è ormai compromesso. Per progetti di importo consistente (10 milioni di euro o più), i numeri in gioco possono arrivare a: - numero di società coinvolte: 420 (compresi fornitori e subappaltatori) - numero di partecipanti (singole persone): numero delle diverse tipologie di documenti generati: 50 - numero di pagine dei documenti:

4 INTRODUZIONE Non è semplice gestire un numero così elevato di persone e documenti, a prescindere dall'approccio contrattuale. Fonte: C. Eastman et al., BIM Handbook: A Guide to Building Information Modeling for Owners, Managers, Designers, Engineers and Contractors

5 Inefficienza documentata degli approcci tradizionali Gli approcci tradizionali contribuiscono a sprechi ed errori non necessari. Fonte: C. Eastman et al., BIM Handbook: A Guide to Building Information Modeling for Owners, Managers, Designers, Engineers and Contractors

6 Inefficienza documentata degli approcci tradizionali I componenti prefabbricati hanno visto una diffusione via via maggiore, con vantaggi derivanti dalle condizioni di fabbrica e attrezzature specializzate per la loro realizzazione. Naturalmente, tutto ciò ha consentito miglior qualità e più bassi costi di produzione. L efficienza raggiunta nell industria manifatturiera, attraverso l automazione e i sistemi informativi, una migliore gestione della catena di approvvigionamento e strumenti di collaborazione efficienti, non è stata ottenuta nel campo delle costruzioni.

7 Inefficienza documentata degli approcci tradizionali Possibili motivi: - Il 65% delle imprese di costruzione sono composte da meno di 5 persone, rendendo difficile investire in nuove tecnologie; anche le imprese più grandi ottengono lo 0,5% del volume totale delle costruzioni e non sono in grado di ottenere una leadership del settore. - Stagnazione delle paghe orarie in rapporto all'inflazione. L'uso di manodopera da immigrazione ha scoraggiato il bisogno di innovazione sulla produttività operaia. - I lavori di ampliamento, variazione o ricostruzione rappresentano circa il 23% del volume dei lavori edili, mentre manutenzione e riparazioni si attestano sul 10 12%. È difficile investire capitali per queste tipologie di lavoro, che sono invece ad alta manodopera. Le nuove costruzioni rappresentano solo il 64% del volume totale.

8 Inefficienza documentata degli approcci tradizionali - L'adozione di procedure nuove e più efficienti nelle fasi di progettazione e costruzione è molto lenta e limitata alle grandi società. In più, l'introduzione di nuove tecnologie è stata frammentaria. Spesso è necessario ritornare alla carta o a disegni CAD 2D per far sì che tutti i membri di un gruppo di progettazione possano comunicare tra loro, facilitando il lavoro di appaltatori e subappaltatori. Gli enti pubblici richiedono, inoltre, che tutti i progetti vengano depositati in formato cartaceo. - Mentre i produttori hanno spesso accordi di lungo periodo con gli stessi partner, i progetti di costruzione coinvolgono tipicamente diversi soci che lavorano insieme per un certo periodo di tempo, per poi separarsi. Come conseguenza, vi sono poche opportunità per realizzare miglioramenti nel tempo.

9 Inefficienza documentata degli approcci tradizionali - La costruzione in sito non ha beneficiato significativamente dell'automazione in cantiere. Fonte: C. Eastman et al., BIM Handbook: A Guide to Building Information Modeling for Owners, Managers, Designers, Engineers and Contractors

10 Costi aggiuntivi legati all inadeguata interoperabilità Ciò riguarda lo scambio e la gestione delle informazioni, in cui i singoli sistemi non sono in grado di accedere e utilizzare le informazioni importate dagli altri sistemi. Nell industria delle costruzioni, l incompatibilità tra sistemi spesso impedisce ai membri di una squadra di progettisti di condividere le informazioni rapidamente e accuratamente. Questo può causare numerosi problemi, tra i quali costi aggiuntivi. Le conseguenze sono: - Sovrastruttura del sistema (sistemi informatici ridondanti, ecc.) - Ridondanza del sistema (reinserimento manuale dei dati, ecc.) - Inefficienza del sistema (costi per dipendenti inattivi, ecc.)

11 BIM: Nuovi strumenti e nuovi processi Tutti i sistemi CAD generano file digitali, composti da vettori, tipi di linea e layer. Si sono aggiunti i blocchi di dati e testo associato. Con l avvento della modellazione 3D, strumenti complessi per la generazione di superfici sono stati integrati. Successivamente, l attenzione si è spostata dai disegni in 3D ai dati associabili a uno specifico progetto, andando verso il BIM. Il BIM può essere definito come una metodologia di modellazione e una serie di processi che vengono associati allo scopo di produrre, comunicare e analizzare modelli di edifici.

12 BIM: Nuovi strumenti e nuovi processi I modelli di edifici sono caratterizzati da: - Componenti per l edilizia, raffigurati con rappresentazioni digitali (oggetti) dotate di elementi grafici di calcolo e di attributi dei dati che li associano ad applicazioni software, nonché norme parametriche che permettono loro di essere manipolati in modo intelligente. - Componenti che includono dati descrittivi del comportamento, in base alle esigenze dei processi di lavorazione e di analisi (per esempio per l analisi energetica, correlata alle specifiche e di takeoff). - Dati coerenti e non ridondanti in modo tale che le modifiche ai dati dei componenti siano rappresentate in tutte le viste del componente e degli assiemi di cui fa parte.

13 BIM: Nuovi strumenti e nuovi processi - Dati coordinati in modo tale che tutte le viste di un modello siano rappresentate in modo coerente. Il BIM fa progredire il settore dall attuale automazione dei progetti basati su carta (CAD 3D, fogli di calcolo, disegni 2D) verso un flusso di lavoro integrato e interoperabile (processo coordinato e collaborativo).

14 Definizione di oggetti parametrici Gli oggetti parametrici BIM sono così definiti: - Sono costituiti da definizioni geometriche con associazioni di dati e regole. - La geometria è integrata in modo non ridondante: non sono ammesse incoerenze (dimensioni non alterabili manualmente, ecc.). - Le regole parametriche per gli oggetti modificano automaticamente le geometrie associate quando vengono inserite in un modello di edificio (una porta verrà inserita automaticamente in un muro). - Gli oggetti possono essere definiti a differenti livelli di aggregazione, così può essere definita una parete insieme ai relativi componenti (se cambia il peso di uno dei componenti, deve essere aggiornato il peso dell intera parete).

15 Definizione di oggetti parametrici - Le regole degli oggetti devono poter identificare se una particolare modifica viola la fattibilità (dimensioni, producibilità, ecc.). - Gli oggetti hanno la capacità di collegare o ricevere, trasmettere o esportare insiemi di attributi (materiali strutturali, dati acustici, dati energetici, ecc.).

16 Cosa non è metodologia BIM? È utile descrivere tipologie di modellazione che non usano la metodologia di progettazione BIM: - Modelli che contengono dati 3D senza (o con pochi) attributi degli oggetti. Ad esempio Google SketchUP, utilizzato solo per visualizzazione grafica. - Modelli senza alcun supporto per il comportamento parametrico. Nessuna possibilità di modifiche al posizionamento o alle proporzioni. Rischio di creazione di viste del modello incoerenti o poco accurate. - Modelli composti da file multipli di riferimento CAD 2D, che devono essere combinati per definire l edificio. E impossibile assicurare che il modello 3D risultante sia coerente. - Modelli che consentono variazioni dimensionali in una vista senza che esse siano automaticamente riportate nelle altre viste.

17 Vantaggi per il committente Prima di coinvolgere un architetto, è necessario determinare se un determinato edificio può essere realizzato rispettando tempi e costi. Un modello approssimativo di un edificio, collegato a un database dei costi può fornire risposte rapide per la determinazione di tali valori.

18 Vantaggi nella fase di progettazione - Correzioni automatiche se gli oggetti usati nel progetto sono controllati da regole parametriche che assicurano coerenza tra le parti - Generazione di disegni 2D accurati e coerenti in qualunque fase della progettazione - Collaborazione, fin dalle fasi iniziali, di differenti discipline di progettazione. Si riducono i tempi di progettazione così come il rischio di errori e omissioni. - Facile verifica della coerenza ai fini progettuali. Il BIM fornisce rapide visualizzazioni 3D insieme a quantificazione di spazi e materiali, consentendo accurate stime iniziali dei costi.

19 Vantaggi nella fase di progettazione - In qualunque fase della progettazione, la metodologia BIM consente di estrarre calcoli sulle quantità e sugli spazi in modo da stimare i relativi costi. - Il collegamento del modello dell edificio a strumenti di analisi energetica consente, sin dalle fasi iniziali di progettazione, una valutazione delle prestazioni energetiche della costruzione.

20 Vantaggi in termini di costruzione e fabbricazione - Utilizzo del modello di progetto come base per i componenti prefabbricati. - Interventi rapidi in seguito a modifiche progettuali. Clash detection (verifica delle interferenze). - Individuazione di errori di progettazione e omissioni prima delle fasi di costruzione. - Sincronizzazione della pianificazione delle fasi di progettazione e costruzione. E possibile simulare il processo di costruzione e mostrare l andamento dei lavori in qualunque momento del cantiere.

21 Vantaggi per la gestione dell edificio - Miglioramento della messa in funzione e della trasmissione delle informazioni sull edificio. Le informazioni sugli impianti, raccolte durante il processo di costruzione, possono essere impiegate per la successiva gestione dell edificio da parte del committente. - Migliore gestione dell operatività degli impianti.

22 Sfide da affrontare - Sfide in termini di collaborazione e di costruzione del team. - Cambiamenti nelle prassi e nell utilizzo delle informazioni. - Problemi di implementazione. Il passaggio da un ambiente 2D/3D a un ambiente BIM comporta molto più del semplice aggiornamento del parco software e hardware.

23 BIBLIOGRAFIA G.M. Di Giuda e V. Villa (a cura di), Il BIM. Guida completa al Building Information Modeling, Editore: Hoepli, Milano

24 Strumenti BIM di progettazione e modellazione parametrica

25 L evoluzione verso la modellazione parametrica basata sugli oggetti - Sin dagli anni 60, la modellazione di geometrie 3D ha costituito un importante area di ricerca: cinematografia, architettura, videogiochi (Tron, 1987). - Dal 1973, creazione e modifica di solidi 3D. - Modellazione solida in due modalità prevalenti: a) Rappresentazione per contorni B-rep (boundary representation): una forma era un insieme di superfici delimitate da contorni. Fonte: C. Eastman et al., BIM Handbook: A Guide to Building Information Modeling for Owners, Managers, Designers, Engineers and Contractors

26 L evoluzione verso la modellazione parametrica basata sugli oggetti Le modifiche su queste superfici avvenivano anche tramite operazioni booleane Fonte: C. Eastman et al., BIM Handbook: A Guide to Building Information Modeling for Owners, Managers, Designers, Engineers and Contractors

27 L evoluzione verso la modellazione parametrica basata sugli oggetti b) Costruzione basata sulla geometria solida CSG (Constructive Solid Geometry): una forma viene rappresentata come un set di funzioni che definiscono poliedri primitivi. Fonte: C. Eastman et al., BIM Handbook: A Guide to Building Information Modeling for Owners, Managers, Designers, Engineers and Contractors

28 L evoluzione verso la modellazione parametrica basata sugli oggetti - Differenza tra B-rep e CSG: il primo è più veloce perché la forma è già computata, mentre nel secondo caso la geometria viene computata in tempo reale, di volta in volta. - Attualmente, tutti gli strumenti di modellazione parametrica incorporano entrambe le rappresentazioni: CSG per la fase di modifica e B-rep per le fasi di visualizzazione, misurazione, gestione delle interferenze. Fonte: C. Eastman et al., BIM Handbook: A Guide to Building Information Modeling for Owners, Managers, Designers, Engineers and Contractors

29 L evoluzione verso la modellazione parametrica basata sugli oggetti - Passaggio evolutivo dal CAD alla modellazione parametrica: capire che più forme possono condividere determinati parametri. Ad esempio, i confini di un muro sono definiti dalla pavimentazione, dagli altri muri e dal soffitto che lo delimitano. Se viene mosso un singolo muro, tutto ciò che è ad esso collegato deve essere aggiornato di conseguenza. - Diverse applicazioni per la progettazione BIM supportano relazioni parametriche per curve e superfici complesse: spline e B-spline non uniformi (Non-Uniform Rational Basis-Splines, NURBS).

30 L evoluzione verso la modellazione parametrica basata sugli oggetti - Nel caso di una facciata continua, i punti di intersezione della griglia vengono impiegati per collocare e orientare la forma e i relativi parametri. Fonte: C. Eastman et al., BIM Handbook: A Guide to Building Information Modeling for Owners, Managers, Designers, Engineers and Contractors

31 L evoluzione verso la modellazione parametrica basata sugli oggetti - In definitiva, i vari strumenti di progettazione BIM sono capaci di: a) garantire delle relazioni parametriche, con capacità algebriche e trigonometriche b) supportare la ramificazione delle condizioni e la scrittura di regole per associare differenti caratteristiche all istanza di un oggetto c) fornire collegamenti liberi tra gli oggetti (un muro la cui base è un solaio, una rampa o una scala) d) utilizzare parametri globali o esterni per controllare il layout o la selezione degli oggetti e) estendere le classi esistenti di oggetti parametrici, in vista di nuove funzioni non inizialmente previste

32 Modellazione parametrica di edifici basata su oggetti La generazione attuale di strumenti di progettazione BIM è stata sviluppata a partire dalle funzionalità della modellazione parametrica per oggetti, inizialmente orientata alla progettazione di sistemi meccanici. - Nella progettazione parametrica, invece di progettare l istanza di un elemento di un edificio (una porta o un muro specifico), un progettista inizialmente definisce una categoria o una famiglia di elementi (porte, muri), ovvero una serie di relazioni e regole che permettono di generare le diverse istanze degli elementi (porte e muri specifici). - In un CAD tradizionale ogni aspetto delle geometria di un elemento deve essere modificato manualmente dall utente. In un modellatore parametrico, la forma e la geometria d insieme vengono automaticamente adeguate ai cambiamenti che l utente esegue con controlli ad alto livello.

33 Modellazione parametrica di edifici basata su oggetti - Esempio di definizione di un muro parametrico: a) porte e finestre non devono sovrapporsi o estendersi oltre i confini della parete b) la linea di controllo di una parete può essere retta o curva, in modo da avere forme diverse in pianta c) una parete può intersecare solai, altre pareti, scale, rampe, e l intersezione dell insieme può dar luogo a una forma più complessa della parete iniziale d) muri composti da più tecnologie costruttive potrebbero variare all interno dei segmenti che compongono il muro stesso

34 Modellazione parametrica di edifici basata su oggetti - L esempio suggerisce che servono tante regole anche per definire un semplice muro: è comune avere, per definire una tipologia di elementi in una costruzione parametrica, servono oltre 100 regole Fonte: C. Eastman et al., BIM Handbook: A Guide to Building Information Modeling for Owners, Managers, Designers, Engineers and Contractors

35 Modellazione parametrica degli edifici Nel settore industriale, la modellazione parametrica è stata usata dalle aziende per integrare le regole di progettazione, ingegnerizzazione e di produzione all interno dei modelli parametrici dei loro prodotti. - Ad esempio, per la progettazione del Boeing 777 sono state stabilite le regole che definivano l aspetto estetico, la fabbricazione e l assemblaggio degli interni degli aerei.

36 Modellazione parametrica degli edifici - Concettualmente, gli strumenti di modellazione BIM rappresentano delle variazioni personalizzate di sistemi di modellazione parametrica basata sugli oggetti. Hanno un set predefinito di classi di oggetti, ognuno con la possibilità di comportamenti differenti previsti al loro interno. Questi insiemi di famiglie di oggetti predefiniti possono essere applicati con facilità ai progetti edili di ogni sistema. - Differenza tra oggetti che interagiscono con altri oggetti (muri, solai), che hanno un comportamento complesso, e oggetti che non hanno bisogno di un comportamento parametrico (arredi per il bagno, porte e finestre con dimensioni fisse).

37 Generazione del disegno - Nonostante un modello di edificio abbia al suo interno un gran numero di informazioni, i disegni sono attualmente richiesti per molteplici adempimenti. - Con la modellazione BIM, tutti i disegni vengono estratti in maniera coerente dal modello dell edificio: in caso di modifiche al progetto, vengono modificati in maniera automatica i relativi disegni. I dettagli costruttivi sono collegati al modello, ma devono essere ancora aggiornati manualmente. Fonte: C. Eastman et al., BIM Handbook: A Guide to Building Information Modeling for Owners, Managers, Designers, Engineers and Contractors

38 Ambienti, piattaforme e strumenti BIM Le applicazioni BIM possono essere collocate nella seguente gerarchia: - Strumento BIM: un applicazione con un compito specifico che produce un risultato specifico. Sono strumenti BIM le applicazioni utilizzate per la generazione del modello, la produzione di disegni, la scrittura di specifiche, la stima dei costi, la verifica delle interferenze, l analisi energetica, il rendering, la programmazione dei lavori. L output dello strumento è spesso un file autonomo (report, disegni, ecc.). - Piattaforma BIM: un applicazione, generalmente destinata alla progettazione, che genera dati per usi molteplici. La maggior parte delle applicazioni BIM incorpora funzionalità per la produzione di disegni e il rilevamento delle interferenze, oltre ad interfacce per numerosi altri strumenti.

39 Ambienti, piattaforme e strumenti BIM - Ambiente BIM: sistema di gestione dei dati di una o più sequenze di informazioni che integrano le applicazioni (strumenti e piattaforme) all interno di un organizzazione. Utilizzato per la generazione automatica e la gestione di più database degli strumenti BIM.

40 BIBLIOGRAFIA G.M. Di Giuda e V. Villa (a cura di), Il BIM. Guida completa al Building Information Modeling, Editore: Hoepli, Milano