Scan to BIM, dal rilievo laser scanner al modello BIM

Se stai entrando nel mondo della metodologia BIM o se la stai sfruttando già da tempo per il tuo lavoro, probabilmente avrai sentito parlare dello “Scan to BIM”. Ma sai in cosa consiste questo processo e quali sono i suoi vantaggi?

In questo articolo ti parlo di rilievo con laser scanner, di nuvole di punti e di modello BIM, dei vantaggi determinati dall’integrazione di queste nuove tecnologie negli interventi di riqualificazione del costruito, anche per quanto riguarda i progetti agevolabili con il Superbonus. Infine, per aiutarti a capire pienamente il processo “Scan to BIM” andremo ad analizzare un esempio pratico di rilievo su un edificio storico.

Che cos’è il processo Scan to BIM?

Con Scan to BIM si indica il processo di creazione di un modello BIM di un edificio o di un spazio esistente, a partire dai dati acquisiti dal rilievo con tecniche di rilievo avanzate, come la scansione laser 3D, Structure for Motion e la fotogrammetria ad alta definizione.

Il risultato del rilievo digitale, opportunamente elaborato attraverso specifici software, dà origine a una nuvola di punti (point cloud) ovvero un insieme di punti distribuiti in uno spazio tridimensionale. La point cloud può essere importata in un software di modellazione BIM ed essere utilizzata per ottenere modelli digitali dell’esistente.

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Le fasi del processo “Scan to BIM”

Il processo “Scan to BIM” può essere suddiviso in 3 fasi fondamentali:

1. rilievo 3D dell’edificio con laser scanner;
2. elaborazione e trattamento dei dati;
3. modellazione BIM.

Rilievo 3D dell’edificio con laser scanner

Il rilievo 3D dell’edificio oggetto di un processo “Scan to BIM” è un’operazione che deve essere svolta sul campo da professionisti dotati di scanner 3D in grado di catturare l’intero edificio. Gli scanner 3D sono tecnologie avanzate che facilitano, migliorano e velocizzano la fase di rilievo sul campo.

Lo scanner 3D raccoglie i dati con alta velocità e precisione attraverso un raggio laser proiettato in tutte le direzioni. Quando il raggio laser colpisce una superficie solida, la sua posizione viene registrata attraverso un gran numero di punti che si trovano rispetto allo scanner negli assi X, Y e Z.

L’insieme di tutti questi punti che dà origine alla visualizzazione 3D dell’ edificio è chiamato “nuvola di punti”.

Elaborazione e trattamento dei dati

Una volta acquisiti i dati sul campo con gli scanner 3D, è necessario elaborarli e combinarli in software di editing delle nuvole di punti. Questi software estraggono le informazioni fisiche e funzionali dell’edificio dalla scansione della nuvola di punti. I molteplici punti di osservazione nella scansione forniscono una visibilità completa della struttura, garantendo una rappresentazione assolutamente accurata.

In questa fase è opportuno tenere bene a mente l’uso finale a cui sarà destinata la nuvola di punti, perchè ricordiamo che questo tipo di file possono avere dimensioni molto grandi. Per questo generalmente si procede alla pulizia e alla modifica delle nuvole di punti, alla riduzione della densità dei punti a seconda dell’utilizzo o alla divisione della nuvola in settori o livelli proprio per poter lavorare senza caricare l’intero progetto nel software di BIM authoring e dare inizio alla modellazione BIM.

Modellazione BIM

La modellazione BIM a partire dalla nuvola di punti  non è un processo automatico. La nuvola di punti viene caricata all’interno di software di progettazione edilizia per la modellazione BIM e la creazione di un modello 3D BIM.

Il modello BIM viene creato a partire dalle informazioni geometriche e spaziali contenuti nella nuvola ma viene anche arricchito di tutte le altre informazioni complementari come marchi e modelli dell’attrezzatura, foto e video che ci danno informazioni visive sul progetto.

Tutte queste informazioni devono essere debitamente incorporate nel modello e strutturate correttamente in modo che il risultato finale di questa fase di modellazione BIM sia utile per i diversi campi di applicazione del processo “Scan to BIM” (riqualificazione, restauro, facility management attraverso un digital twin ecc).

Fasi del processo Scan to BIM

Campi di applicazione dello “Scan to BIM”

Il motivo alla base dell’applicazione dello Scan to BIM è quello di acquisire le condizioni reali dell’edificio, ma a questo punto ti starai chiedendo a cosa serve concretamente lo “Scan to BIM”? A quale fase del progetto si può applicare?

Esaminiamo quindi in quali fasi è possibile applicare lo “Scan to BIM” e come può essere vantaggioso:

• Progettazione: il modello BIM consente ai progettisti di comprendere meglio le condizioni del sito e di prendere decisioni migliori nella progettazione dell’edificio;
• Costruzione: con il BIM è possibile identificare qualsiasi tipo di discrepanza tra il modello BIM come costruito e un modello BIM come progettato;
• Facility Management (FM): grazie alla visualizzazione 3D e alle informazioni sull’edificio ricche e ben organizzate in BIM, è possibile migliorare più funzionalità FM, come gestione dello spazio, pianificazione ed esecuzione di ristrutturazioni, gestione delle emergenze e formazione del personale e sviluppo.

I vantaggi del processo “Scan to BIM”

Abbiamo quindi chiarito come il processo “Scan to BIM” permette di creare una rappresentazione digitale tridimensionale altamente accurata dell’edificio in tempi assolutamente ridotti. Ma questo è solo uno dei più ovvi vantaggi che può dare l’adozione di un flusso di lavoro scan-to-BIM.

Tra i principali vantaggi citiamo:

• maggiore qualità del progetto: si ottengono modelli BIM estremamente dettagliati, ad elevata qualità e precisione degli asset (terreni, infrastrutture, edifici, ecc.) in breve tempo;
• sostanziale riduzione degli errori nella modellazione e nella pianificazione del progetto: grazie ad una raccolta ottimale e precisa di informazioni e dati dall’ambiente aumenta il livello di qualità della modellazione;
• notevole risparmio di tempo: il team deve visitare il sito solo una volta per raccogliere dati mentre le successive ispezioni possono svolgersi fuori sede più frequentemente che in sede, riducendo la necessità di trasferte;
• diminuzione dei costi di progetto: nonostante sia necessario sostenere dei costi aggiuntivi per il rilievo 3D è innegabile un importante abbattimento dei costi dovuto alla riduzione dei tempi di elaborazione ed al valore aggiunto dal modello BIM;
• maggiore trasparenza e migliore collaborazione: grazie alla metodologia BIM  le informazioni possono essere condivise più velocemente e in maniera più efficiente.

Dal rilievo al modello informativo: un workflow Scan to BIM per il patrimonio esistente

L’efficacia di un processo Scan to BIM non dipende esclusivamente dalla precisione della strumentazione utilizzata, ma dalla corretta organizzazione dell’intero flusso di lavoro. Prima dell’acquisizione è necessario definire gli obiettivi del modello, raccogliere la documentazione esistente e predisporre un ambiente digitale condiviso nel quale archiviare elaborati cartacei, file CAD, relazioni, fotografie e schemi tecnici. Questi documenti devono essere confrontati con lo stato reale dell’edificio, poiché possono risultare incompleti, non aggiornati o difformi rispetto alle trasformazioni eseguite nel tempo.

Un’applicazione significativa di questo approccio ha riguardato la restituzione digitale di alcuni edifici dell’Università Mediterranea di Reggio Calabria. Il processo è stato articolato in sette passaggi:

• gestione delle informazioni in cloud;
• acquisizione dei documenti disponibili;
• sopralluogo preliminare;
• pianificazione delle stazioni di scansione;
• rilievo;
• elaborazione della nuvola di punti;
• modellazione BIM.

Il sopralluogo ha permesso di verificare accessibilità, ostacoli e zone non direttamente visibili, mentre la pianificazione delle acquisizioni ha garantito un’adeguata sovrapposizione tra le scansioni e la copertura delle possibili aree d’ombra. Per le parti difficilmente raggiungibili, il rilievo terrestre può essere integrato con acquisizioni fotogrammetriche da drone e sistemi RTK per la georeferenziazione.

Dopo la registrazione delle scansioni, la nuvola di punti viene pulita, alleggerita e, quando necessario, suddivisa per edifici, livelli o aree funzionali. Da essa è possibile ricavare sezioni, piante, ortofoto e, per specifiche esigenze, mesh tridimensionali. La densità dei punti deve essere stabilita in funzione dello scopo del modello: un numero eccessivo di dati può appesantire il file senza produrre un effettivo miglioramento della qualità informativa.

La nuvola elaborata viene quindi importata nel software di BIM authoring e utilizzata come riferimento per definire livelli, quote e principali elementi architettonici, strutturali e impiantistici. Disegni CAD, documenti PDF e fotografie possono affiancare il dato rilevato per interpretare le parti non accessibili, distinguendo però le informazioni misurate direttamente da quelle ricostruite sulla base della documentazione. Il modello può comprendere travi, pilastri, setti, pareti stratificate, solai, pavimentazioni, infissi e reti impiantistiche, associando a ogni oggetto materiali, caratteristiche fisiche, produttore, schede tecniche e dati utili alla manutenzione.

La modellazione parametrica risulta particolarmente vantaggiosa per gli elementi ricorrenti. Porte e finestre con geometrie simili possono essere gestite mediante oggetti dotati di parametri modificabili, adattando dimensioni, telai, davanzali e altre proprietà senza ricostruire ogni componente separatamente. Lo stesso principio può essere applicato agli oggetti impiantistici, che possono contenere informazioni relative a prestazioni, potenza, modello e caratteristiche manutentive.

Un ulteriore passaggio riguarda la codifica degli spazi e dei componenti. Attribuendo a ogni elemento un identificativo basato, per esempio, su fabbricato, livello, vano, disciplina, tipologia e numero progressivo, è possibile organizzare il modello come un vero database digitale. Tabelle e abachi consentono di estrarre elenchi di locali, infissi, materiali e apparecchiature, esportando i dati anche in fogli elettronici o applicativi esterni.

Il modello BIM dello stato di fatto non rappresenta quindi soltanto la restituzione geometrica dell’edificio. Se strutturato secondo requisiti informativi coerenti con gli usi previsti, può essere aggiornato durante la progettazione, l’esecuzione degli interventi e la gestione dell’opera. Il modello as-built diventa così la base per il facility management e per la costruzione del digital twin, supportando il censimento degli asset, la programmazione delle manutenzioni e la gestione dell’edificio durante l’intero ciclo di vita.

Come mettere in pratica un processo “Scan to BIM”: il caso studio GEOSLAM

A questo punto ti starai chiedendo come faccio a realizzare un processo “Scan to BIM”? Di quali strumenti ho bisogno?

Ora che abbiamo chiaro come si struttura un processo Scan to BIM e quali sono i numerosi vantaggi offerti da questo metodo di rilevamento possiamo addentrarci in un caso pratico. Nello specifico andremo a descrivere le 3 fasi del processo “Scan to BIM” per arrivare alla realizzazione del modello BIM di un edificio storico.

Per mettere in pratica tu stesso il processo “Scan to BIM” ti consiglio di scaricare subito la versione di prova del point cloud to BIM software. Puoi importare la tua nuvola di punti o un point cloud file di esempio presente su usBIM nella cartella “exemples”, e sperimentare la forza di questa nuova tecnologia negli interventi di riqualificazione del costruito.

Fase 1: rilievo dell’edificio con geoSLAM

Nel caso studio in esame abbiamo condotto un rilievo su un edificio storico, utilizzando GeoSLAM Horizon.

Questo strumento utilizza la tecnologia  SLAM (Simultaneous Localization And Mapping) che lo rende in grado di orientarsi in assenza di segnale GPS, basandosi su quanto rilevato durante il periodo di scansione. In pratica, basta che l’operatore cammini con lo strumento in un determinato spazio (sia interno che esterno) per generare automaticamente la nuvola di punti.

Il rilievo con laser scanner con tecnologia SLAM è estremamente efficiente e veloce, non richiede l’uso di ulteriori strumenti ed è sufficiente anche un solo operatore.

Partiamo dal rilievo degli interni dell’edificio: azionato lo strumento, camminiamo in maniera normalissima e con andatura moderata, evitando movimenti bruschi, all’interno di ogni vano da rilevare. In pochi minuti, il tempo davvero di una passeggiata all’interno del fabbricato, abbiamo già completato l’operazione e acquisito la scansione completa degli interni.

Applicando la stessa tecnica del rilievo degli interni dell’edificio, possiamo completare la fase di scansione camminando in corrispondenza dei muri perimetrali.

Rilievo laser scanner per modello BIM

Fase 2: elaborazione dei dati

Una volta conclusa la fase di rilievo ritorniamo in ufficio e scarichiamo i risultati della scansione all’interno del software dello stesso geoSLAM.

Visualizziamo la nuvola di punti rilevata e le traiettorie del percorso che abbiamo seguito durante il rilievo.

Visualizzazione della nuvola di punti realizzata con laser scanner con tecnologia SLAM

In pochissimo tempo e con pochissimo sforzo abbiamo ottenuto una nuvola di punti dettagliatissima e completa. Inoltre, avendo effettuato il rilievo sia all’interno che all’esterno abbiamo anche già gli spessori dei muri e tutte le informazioni che ci servono per redigere gli elaborati tecnici. Potremmo anche evitare di effettuare ulteriori sopralluoghi perché abbiamo già acquisito tutte le informazioni che ci servono.

A questo punto, ottenuta la nuvola di punti possiamo esportarla nei diversi formati standard (.LAS, .LAZ, .E57, ecc.) e importarla nel nostro point cloud to BIM software.

Fase 3: Modellazione in 3D da nuvola di punti con Edificius

La fase finale per giungere alla vera digitalizzazione del modello è la ricostruzione del modello BIM di quanto rilevato. Si tratta della fase più delicata e complessa. Infatti dalla superficie  tridimensionale che raffigura l’opera rilevata, occorre passare ad un modello 3D parametrico composto da oggetti come muri, finestre, porte ecc.

Per la modellazione 3D abbiamo usato  il software BIM Edificius. Uno dei grandi vantaggi di questo software è la sua integrazione con la piattaforma cloud usBIM. Questa integrazione ci permette di:

• gestire nuvole di punti anche di grandi dimensioni, sfruttando lo spazio di archiviazione cloud;
• avere tutti i file sempre disponibili e condivisibili con altri collaboratori.

Nuvola di punti visualizzata su usBIM

Dunque, abbiamo innanzitutto caricato la nuvola di punti su usBIM.pointcloud per poi importare in Edificius solo la porzione di nuvola su cui ci interessa lavorare.

Importazione nuvola di punti su Edificius

Nel point cloud to BIM software per prima cosa abbiamo definito i livelli e le quote dei diversi piani dell’edificio. In questo modo siamo riusciti a posizionare in modo semplice la nuvola di punti per allinearla al nostro sistema di riferimento.

Gestione dei livelli della nuvola di punti in Edificius

Attraverso le funzioni di riconoscimento automatico degli oggetti abbiamo individuato direttamente all’interno della nuvola di punti i vari elementi architettonici:

• involucri verticali: abbiamo modellato gli involucri verticali, semplicemente utilizzando i punti della nuvola come guida su cui tracciare la lunghezza del muro. Tramite l’editor, abbiamo poi indicato allineamento, spessore, sezione (costante o variabile), angolo, ecc. e sfruttato una serie di automatismi permessi dal software per ricalcare in pochissimo tempo tutti i muri presenti nell’edificio. Dalle proprietà abbiamo definito anche la stratigrafia e i materiali, scegliendo gli oggetti dal catalogo;

Modellazione involucri verticali dalla nuvola di punti

• finestre: abbiamo tracciamo la larghezza della finestra sempre usando la nuvola di punti come guida. Dall’editor in maniera semplicissima abbiamo definito la giusta quota della finestra, l’altezza e i valori approssimati secondo le nostre esigenze. Dalle proprietà abbiamo specificato il tipo di vetro, il telaio, la trasmittanza termica di ogni singola finestra per avere un modello completo e ricco di informazioni utili.

Modellazione finestre dalla nuvola di punti con Edificius

Allo stesso modo possiamo modellare le porte interne e gli altri oggetti dell’edificio ottenendo in pochi passaggi il modello 3D estremamente fedele rispetto allo stato di fatto dell’edificio rilevato.

Scan to BIM: dalla nuvola di punti al modello 3D con Edificius

A questo punto, dal modello diventa veramente molto agevole ottenere tutte le tavole grafiche esecutive complete di piante, prospetti, sezioni e viste 3D e generare render statici, render in real-time e video presentazioni.

Terminata la fase di modellazione BIM, siamo pronti per esportare il modello in formato IFC.

Scan to BIM con GeoSLAM e digital scanner per il Superbonus

Per iniziare una pratica di Superbonus, una delle prime attività è il rilievo geometrico dell’edificio oggetto d’intervento.

Come detto in precedenza una tecnica estremamente vantaggiosa per la fase del rilievo è quella che prevede l’utilizzo di un laser scanner con tecnologia SLAM.

Questo processo di rilievo comporta grandi vantaggi, anche ai fini del Superbonus perché:

• consente un’elevata riduzione dei tempi di acquisizione rispetto ai tradizionali metodi di rilievo;
• permette di ottenere il rilievo con una semplice passeggiata;
• non presuppone particolari abilità e conoscenze tecniche da parte dell’operatore;
• basta un solo operatore per rilevare anche edifici molto complessi;
• permette di rilevare sia l’esterno che l’interno del fabbricato;
• ha un grado di precisione elevatissimo;
• in un unico sopralluogo ti fornisce tutti i dati da rielaborare e analizzare con calma allo studio;
• rileva anche ambienti in cui il segnale GPS risulta assente;
• è efficace anche su edifici storici che presentano irregolarità e spazi complessi da rilevare con altre metodologie;
• permette di passare in modo semplice dallo stato di fatto al modello BIM.

Indirizzo articolo: https://biblus.acca.it/scan-to-bim-da-rilievo-laser-scanner-al-modello-bim/