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Il BIM per la gestione dei dati alla scala edilizia e urbana

La gestione della grande quantità di dati eterogenei tra loro che descrive un edificio nel suo insieme e nelle sue diverse componenti può essere estremamente semplificata grazie ad una impostazione corretta su base BIM.

Attualmente si sta assistendo ad una continua ricerca di strumenti in grado di gestire la complessità. I dati, che è possibile ottenere attraverso i sistemi dell’Information Comunication Tecnology (ICT) sono moltissimi e, per riuscire ad interpretarli in maniera corretta, è necessario sviluppare strumenti sempre più raffinati e consolidare metodologie ottimizzate, che siano in grado di gestire il workflow delle informazioni.

1. Interoperabilità dei data warehouse INNOVance e DIMMER.

1. Interoperabilità dei data warehouse INNOVance e DIMMER.

Al fine di rispondere a queste esigenze, partendo dalle esperienze del progetto INNOVance, passando dal progetto SEEMPubS (Smart Energy Efficient Middleware for Public Spaces) per giungere infine al progetto DIMMER (Districit information Modeling and Management for Energy Reduction), si è cercato di impostare una metodologia in grado di gestire la mole di dati ottenibili attraverso differenti sistemi quali il Building Information Modelling (BIM), il GIS (Geographic Information System), l’Energy Analysis Model (EAM) e il Building Management System (BMS), ecc. (fig. 1) Inoltre, lo scenario economico e politico imposto dall’Unione Europea, in accordo con il programma Horizon 2020 di riduzione dei consumi di CO2, pone il mondo dell’industria delle costruzioni (Architectural, Engeneering and Costruction – AEC) di fronte a nuove sfide per cercare di migliorare ed ottimizzare il processo edilizio sin dalla fase di progettazione fino alla fase di gestione e manutenzione. Per raggiungere obiettivi specifici capaci di rispondere alle sfide precedentemente descritte, si rende necessaria la definizione di standard e di processi codificati che risolvano sia i problemi di condivisione dei dati che i contenuti degli stessi.

Il progetto INNOVance alla scala edilizia
Il progetto INNOVance, come sintetizzato nella figura 2, ha focalizzato la sua attenzione alla scala edilizia, sfruttando la metodologia BIM sia per edifici di nuova costruzione che per edifici esistenti, per impostare un sistema informativo in grado di storicizzare i dati relativi all’edificio per tutto l’intero ciclo di vita. Seguendo l’esperienza pregressa di altre realtà, come ad esempio la Gran Bretagna con la National BIM Library (NBL), il progetto aveva come obiettivo quello di creare il primo database nazionale per l’industria delle costruzioni.

2. Caso studio del progetto INNOVance.

2. Caso studio del progetto INNOVance.

L’uso di questo database è strettamente legato all’introduzione della metodologia BIM, come sistema informativo in grado di gestire tutte le fasi del processo edilizio. Questo consente di migliorare lo scambio di informazioni tra differenti professionisti e di risolvere le possibili interferenze per ridurre le varianti, i costi e per ottimizzare i tempi di costruzione [1].

3. Esempio attributi componente edilizio nel Software BIM: solaio a travetti e blocchi in laterizio interposti.

3. Esempio attributi componente edilizio nel Software BIM: solaio a travetti e blocchi in laterizio interposti.

Il progetto, in una delle sue parti significative, è stato sviluppato a partire da un modello BIM parametrico particolareggiato (fig. 3) per poi passare:
-all’assegnazione di un nome univoco per qualsiasi oggetto BIM;
-alla definizione della struttura e dei contenuti delle informazioni relative a ciascuna entità;
-all’assegnazione di ciascuna entità presente nel database con un oggetto BIM.
La creazione del sistema di codifica si è appoggiata a diversi riferimenti normativi per la definizione di standard, come ad esempio la UNI 11337, la UNI 8290 e le OMNICLASS. Questa struttura permette di catalogare, gestire e cercare gli oggetti BIM secondo un codice (SAP ID) visibile nella figura 4.

4. Esempio codifica SAP del componente edilizio: blocco in laterizio per solaio a travetti.

4. Esempio codifica SAP del componente edilizio: blocco in laterizio per solaio a travetti.

L’identificativo ha la funzione di facilitare lo scambio di dati risolvendo le problematiche legate alle ambiguità e alla trasmissione delle informazioni, favorendo lo scambio tra il database ed i software interoperabili. Ciascun identificativo è formato da un aggregato di sette caratteristiche che lo rendono univoco.
Questi sette campi descrivono l’oggetto secondo: categoria, tipologia, funzione, geometria, dimensioni, performance e caratteristiche fisico-chimico. [2]
Come visibile nella figura 5 attraverso l’add-in INNOVance è possibile effettuare l’associazione di un codice in ambiente parametrico. Selezionando “Codifica Elemento” o “Inserisci Oggetto INNOVance”, è possibile generare una relazione biunivoca con il codice SAP.

5. L’Add-in INNOVance, inserimento oggetto INNOVance.

5. L’Add-in INNOVance, inserimento oggetto INNOVance.

Dopo aver selezionato il codice come visibile in figura 6 occorre aprire l’anagrafica dei materiali per caricare il codice nel software parametrico, in questo caso Autodesk Revit. Una volta ultimata quest’ultima operazione avviene l’associazione del codice all’oggetto.
I LOD INNovance. Come detto in precedenza, il sistema informativo generato dalla metodologia BIM fornisce informazioni alla scala edilizia per l’intero ciclo di vita dell’edificio (dalla fase di progettazione/pianificazione fino a quella di gestione/ manutenzione) e, per questa ragione, è necessario prevedere degli standard che definiscano il contenuto informativo del modello.

6. L’Add.in INNOVance, assocciazione dell’oggetto BIM all’oggetto INNOVance.

6. L’Add.in INNOVance, assocciazione dell’oggetto BIM all’oggetto INNOVance.

Il concetto di Level of Development e Level of Detail (LODs) determina il contenuto informativo in base alla disciplina e alla scala di visualizzazione. Partendo dalle normative internazionali, il progetto INNOVance propone una scala più ampia, che parte dal LOD000 fino al LOD550, e che fornisce informazioni dalla fase di pianificazione/studio di fattibilità fino alla fase di gestione e manutenzione dell’opera. [3]
Dal progetto al prodotto di qualità per l’industria delle costruzioni. Per quanto detto in precedenza, risulta evidente che l’esperienza del progetto INNOVance guida il processo edilizio “dal progetto al prodotto di qualità per l’industria delle costruzioni” [4], denotando la volontà di standardizzare il processo edilizio indirizzandolo verso un approccio di stampo industriale, in cui una gestione integrata delle informazioni garantisce la qualità dell’edificio dalle fasi di progettazioni fino alla gestione e manutenzione. Per raggiungere questo obiettivo il database costituito dagli oggetti INNOVance è il primo essenziale passo per la condivisione delle informazioni tra le diverse discipline nel mercato italiano.

Il progetto DIMMER alla scala urbana e di distretto
Il progetto DIMMER (District Information Modelling and Management for Energy Reduction) si propone tra i suoi obiettivi, quello di esportare l’utilizzo della metodologia e de gli strumenti BIM dalla scala edilizia a quella urbana. Il punto di partenza è costituito dall’impiego di sistemi ICT derivanti dal progetto SEEMPubS (Smart Energy Middleware for Public Spaces), in cui è stata ottimizzata l’iterazione fra diversi sistemi per il monitoraggio ed il controllo energetico a partire da una banca dati gestita da un middleware. Con DIMMER, il proseguimento della ricerca si pone diversi obiettivi, tra i quali quello di ampliare l’ambito di lavoro a livello di quartiere (con due dimostratori, di cui uno a Torino, nel quartiere adiacente alla sede di Corso Duca degli Abruzzi del Politecnico), incrementando di conseguenza il numero degli attori coinvolti, la quantità di informazioni necessarie, il numero di stakehoders interessati e le tipologie di sistemi informativi funzionali all’uso. Pertanto, con il progetto DIMMER si entra nel mondo dei BIGdata, dove le informazioni non riguardano più un unico edificio ma interessano un comparto edilizio eterogeneo, composto da edifici privati e pubblici a cui si lega la rete energetica del teleriscaldamento di IREN.

7. DIMMER data flow basato sull’interoperabilita tra software.

7. DIMMER data flow basato sull’interoperabilita tra software.

Da quanto appena detto, risulta evidente come non sia assolutamente sufficiente un unico strumento, ma sia essenziale la possibilità di predisporre l’utilizzo di una pluralità di sistemi informativi in grado di gestire la complessità della moltitudine di dati che compongo un distretto urbano. In questo senso il progetto DIMMER (fig. 7) grazie all’interoperabilità tra sistemi informativi definisce diversi domini (il Building Information Modeling – BIM, il Geographic Information System – GIS, l’Energy Analysis Model – EAM, il System Information Model – SIM e il Building Automation System – BAS), ciascuno dei quali definisce un sistema informativo caratterizzato da informazioni geometriche ed alfanumeriche, esposto dal middleware attraverso i servizi REST.
L’interfaccia della piattaforma DIMMER. Data la struttura del progetto DIMMER frammentato in diversi domini, è stato necessario strutturare una piattaforma in grado di gestire i diversi sistemi informativi. Questa piattaforma software è stata sviluppata seguendo un approccio a “microservice” per la gestione dei flussi di informazioni in maniera decentralizzata. Infatti, considerando la quantità di sistemi informativi, sarebbe troppo gravoso predisporre un unico database nel quale riversare tutto il workflow di informazioni. Come visibile in figura 8 il middleware di DIMMER è in grado di gestire sorgenti di dati eterogenei, integrando differenti dispositivi Internet of Things (IoT) ed ICT nella stessa piattaforma e favorendo lo scambio interoperabile di dati. [5]

8. I tre layers della piattaforma DIMMER Middleware.

8. I tre layers della piattaforma DIMMER Middleware.

L’interoperabilità, favorita dal middleware di DIMMER, promuove il flusso di dati da un dominio all’altro. In questo modo BIM, GIS, EAM, BMS e SIM interagiscono fra di loro scambiando dati che fluiscono da un dominio ad un altro, arricchendo il modello urbano di informazioni.
I Domini BIM, GIS, EAM, BMS e SIM. Il concetto di dominio, in un progetto così complesso, gioca un ruolo chiave per la gestione delle informazioni. A ciascun dominio appartengono informazioni differenti che dipendono dagli ambiti. Il dominio del BIM raccoglie tutte le informazioni alla scala edilizia dalla fase di progettazione ed analisi fino alla fase di gestione e manutenzione. Il dominio del GIS raccoglie le informazioni alla scala urbana e distrettuale utili per lo sviluppo di analisi di macrosistemi per la valutazione delle politiche di risparmio energetico. Il dominio dell’EAM raccoglie i dati derivanti dalle simulazioni energetiche a livello di distretto e di edificio. Il dominio del BMS raccoglie i dati statici e dinamici provenienti dai sensori e dai sistemi di controllo dei dispositivi hardware per l’automazione degli edifici. Il dominio del SIM raccoglie le informazioni riguardanti i sistemi di energia primaria del distretto.
I DIM LODs. Definita la struttura dei livelli informativi e dei domini, le quantità di informazioni a disposizione del progetto DIMMER sono milioni. Quindi è necessario disporre dei filtri che a seconda della scala di visualizzazione e di dettaglio, siano in grado di interrogare e identificare volta per volta i dati corretti. Per questa ragione, nel progetto DIMMER, a partire dalle normative AIA e PAS [6] sui Level of Development and Detail (LODs) sono stati proposti i DIM-LODs (fig. 9) che contengono la semantica per filtrare le informazioni provenienti dai differenti domini.

9. Tabella dei DIM-LODs.

9. Tabella dei DIM-LODs.

Come visibile in figura 10, le due curve ideali rappresentano lo sviluppo delle informazioni a scala urbana ed edilizia in base al LODs. L’intersezione tra le due curve rappresenta il punto ideale di incontro in cui avviene l’interoperabilità perfetta tra i sistemi.
I WEB Services. Come sottolineato in precedenza, i dati eterogenei vengono raccolti dai differenti data-sources dal middleware di DIMMER che li storicizza per pre-elaborarli e consentirne poi l’utilizzo in maniera ottimale. Le due operazioni di storicizzazione e di accesso vengono gestite da due componenti della piattaforma che sono il Device Connector (DC) e l’Historical Datastore (HD). L’accesso al DC ed al HD avviene tramite WEB Service con specifiche API REST che restituiscono le informazioni in formato JavaScript Object Notation (JSON). Infatti, come visibile in figura 11, è possibile richiamare l’intero database di distretto DIM che contiene tutte le informazioni dei diversi domini, e poi filtrare le informazioni su un dominio specifico e richiamare informazioni di dettaglio. [7]

10.Grafico dei DIM-LODs.

10.Grafico dei DIM-LODs.

Risultati. La seppur breve panoramica di questi due progetti ha un duplice obiettivo:
I. evidenziare l’attualità delle tematiche affrontate, mostrando lo stato dell’arte della ricerca;
II. indirizzare l’attenzione verso argomenti che sicuramente saranno oggetto di studi ed investimenti per i prossimi anni. Inoltre vuole sottolineare alcuni importanti aspetti che coinvolgono direttamente il mondo dell’industria delle costruzioni e delle pubbliche amministrazioni, come:
• la mancanza di standard condivisi per lo scambio di informazioni tra i diversi attori coinvolti nel processo edilizio;
• lo scarso coordinamento tra le diverse applicazioni software non ottimizzate sulla necessità di dialogare in maniera automatica ed “intelligente” senza perdita di informazioni;
• la mancanza di sicurezza nelle operazioni di interscambio dei dati;
• la necessità di continue e ripetitive operazioni di input degli stessi dati da parte dei diversi professionisti, con conseguenti perdite di tempo e possibilità di introduzioni di errori;
• la ridondanza di informazioni che spesso descrivono lo stesso elemento/contenuto. [8]

11. L’interrogazione del DIMMER Middleware attreaverso il JSON.

11. L’interrogazione del DIMMER Middleware attreaverso il JSON.

Conclusioni
In questo contesto il progetto INNOVance ed il progetto DIMMER rappresentano un punto di partenza importante verso la ricerca di standard di formati di interscambio che facilitino l’ottimizzazione del processo. Nonostante gli importanti risultati ottenuti, la strada verso un processo collaborativo ideale, in cui i dati potranno essere scambiati senza perdita di informazioni, sembra ancora distante. Per questo motivo il proseguimento della ricerca dovrà sicuramente focalizzarsi sullo studio di un reale formato universale di scambio perfettamente interoperabile e sulla impostazione di una nuova metodologia di lavoro, basata anch’essa sull’interoperabilità dei dati. Ovviamente questo richiederà in un futuro immediato non solo un cambio nell’utilizzo di strumenti più performanti ma, soprattutto, un cambio di metodologia di lavoro.

Gli autori
Anna Osello, Professore Associato, Dipartimento DISEG, Politecnico di Torino
Matteo Del Giudice, PhD, Dipartimento DISEG, Politecnico di Torino
Niccolò Rapetti Assegnista di ricerca, Dipartimento DISEG, Politecnico di Torino
Francesco Semeraro Assegnista di ricerca, Dipartimento DISEG, Politecnico di Torino

Note
[1] M. Del Giudice, A. Osello, BIM for Cultural Heritage, International Archives of the Photogrammetry, Remote Sensing and Spatial Information Sciences, Volume XL-5/W2, 2013 XXIV International CIPA Symposium, 2 – 6 September 2013, Strasbourg, France.
[2] A. Pavan, B. Daniotti, F. Re Cecconi, S. Maltese, S.L. Spagnolo. V. Caffi, M. Chiozzi, D. Pasin, INNONance: Italian BIM database for Construction Process Management, ASCE, Computing in Civil and Builing Engeneering (2014) 641-648.
[3] V. Caffi, B. Daniotti, M. Lo Turco, D. Madeddu, M. Muscogiuri, P. Novello, A. Pavan, M. Pignataro, Il processo edilizio supportato dal BIMM: l’approccio InnovANCE, convegno ISTeA (2014).
[4] G. Alaimo, La ricerca (Idustriale) nella Produzione Edilizia: risultati ed orizzonti, TECHNE N.06 (2013) 63-68.
[5] A. Krylovskiy, M. Jahn, E. Patti, Designing a smart city internet of things platform with microservice architecture. 3rd International Conferece on Future Internet of Things and Cloud (FiCloud 2015) (2015).
[6] PAS 1192-2:2013, by British Standards Institution 2013, BSI Standards Limited 2013. URL: http://shop.bsigroup.com/Navigateby/ PAS/PAS-1192-22013/
[7] F. G. Brundu, E. Patti, M. Del Giudice, A. Osello, E. Macii, A. Acquaviva, Dimcloud: a distributed framework for district energy simulation and management. Internet of Things. User-Centric IoT. Lecture Notes of the Institute for Computer Sciences, Social Informatics and Telecommunications Engineering (2015), 331–338.
[8] A. Osello, A. Acquaviva, I. Bianco, M. Bocconcino, F. Brundu, G. Cangialosi, B.Chiaia, D. Dalmasso, S. Davardoust, M. Del Giudice, D. Erba, F. Ferrato, E. Macii, F. Manzone, A. Marcos Guinea, M. Lo Turco, A. Osello, E. Patti, P. Piumatti, A. Raimondo, N. Rapetti, A. Ronzino, P. Ruffino, M. Serini, C. Tamburino, F. Ugliotti, M. Zerbinatti, (2015), A curi di A. Osello. Building Information Modelling, Gegraphic Information System, Augmented Reality per il Facility Management, Flaccovio editore, Palermo 2015, ISBN 978-88-579-0478-8.

©Costruire in Laterizio

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