BIM, GIS e digital twin per la gestione di tunnel ed infrastrutture #adessonews

Scopri come BIM, GIS e digital twin trasformano la progettazione e la gestione dei tunnel per maggiore efficienza e sicurezza delle infrastrutture

L’integrazione tra Building Information Modeling (BIM) e Geographic Information Systems (GIS) per la creazione di gemelli digitali spaziali (geospatial digital twin) di tunnel rappresenta un approccio all’avanguardia che migliora la gestione, la pianificazione e la manutenzione delle infrastrutture dei tunnel.

Questo metodo sfrutta le potenzialità di BIM e GIS per generare rappresentazioni digitali dettagliate e aggiornate in tempo reale degli ambienti fisici dei tunnel.

Grazie a piattaforme di geospatial digital twin è poi possibile georeferenziare su mappa i modelli 3D BIM ed ottenere viste integrate per la gestione delle infrastrutture a partire da un unico ambiente di lavoro.

BIM, GIS e digital twin per la gestione dei tunnel

Il BIM è un processo basato su modelli 3D che facilita la pianificazione, la progettazione, la costruzione e la gestione delle infrastrutture. Nel contesto dei tunnel, il BIM permette di creare un modello digitale accurato che rappresenta tutte le caratteristiche fisiche e funzionali del tunnel. I principali vantaggi del BIM per la gestione dei tunnel includono:

• visualizzazione e simulazione: i modelli 3D del BIM consentono agli ingegneri di visualizzare il progetto del tunnel in modo dettagliato, facilitando la comunicazione tra i vari stakeholder;
• coordinamento e collaborazione: il BIM integra le informazioni provenienti da diverse discipline (strutturale, meccanica, elettrica, ecc.), riducendo il rischio di errori e incoerenze;
• gestione delle informazioni: durante l’intero ciclo di vita del tunnel, il BIM fornisce un database centralizzato di tutte le informazioni relative al progetto, utile per la manutenzione e le operazioni future.

Il GIS è una tecnologia che gestisce, analizza e visualizza dati geografici. Integrato con il BIM, il GIS offre una prospettiva spaziale fondamentale per la progettazione dei tunnel. I principali vantaggi del GIS includono:

• analisi spaziale: il GIS consente di analizzare il terreno, le condizioni geologiche e l’impatto ambientale, cruciali per la progettazione dei tunnel;
• integrazione dei dati: il GIS integra dati provenienti da fonti diverse, come rilievi topografici, immagini satellitari e dati ambientali, fornendo una visione completa del contesto in cui si inserisce il tunnel;
• supporto decisionale: le mappe e i modelli GIS aiutano gli ingegneri e i pianificatori a prendere decisioni informate riguardo al tracciato del tunnel, minimizzando i rischi e ottimizzando le risorse.

Il concetto di digital twin si riferisce alla replica digitale di un asset fisico, un edificio, una strada, un tunnel appunto, che è costantemente aggiornata con dati reali. I digital twin combinano le capacità del BIM e del GIS per offrire una rappresentazione dinamica e in tempo reale del tunnel. I principali vantaggi dei digital twin includono:

• monitoraggio in tempo reale: i sensori installati nel tunnel raccolgono dati su vari parametri (strutturali, ambientali, di traffico) e aggiornano il gemello digitale, consentendo un monitoraggio continuo;
• manutenzione predittiva: l’analisi dei dati raccolti dai sensori permette di prevedere i guasti e pianificare interventi di manutenzione mirati, riducendo i tempi di inattività e i costi;
• simulazione e ottimizzazione: il digital twin può essere utilizzato per simulare scenari operativi e di emergenza, testando diverse soluzioni senza interferire con le operazioni reali.

L’integrazione di BIM, GIS e digital twin crea un ecosistema digitale completo che copre l’intero ciclo di vita del tunnel, dalla progettazione alla dismissione. Ecco come queste tecnologie si completano a vicenda:

• progettazione integrata: durante la fase di progettazione, il BIM fornisce dettagli costruttivi mentre il GIS offre una visione del contesto geografico. Il digital twin può essere creato sin dall’inizio per simulare il comportamento del tunnel;
• costruzione ottimizzata: durante la costruzione, il BIM guida il processo con dettagli precisi, mentre il GIS gestisce le informazioni geospaziali. Il digital twin aggiorna in tempo reale il progresso dei lavori e identifica potenziali problemi;
• gestione operativa: una volta completato, il tunnel viene gestito attraverso il digital twin che, alimentato dai dati dei sensori, fornisce informazioni in tempo reale per ottimizzare le operazioni e la manutenzione. Il BIM e il GIS continuano a supportare la gestione delle informazioni e l’analisi spaziale.

Per fare maggior chiarezza sull’argomento, ti propongo un breve video che mostra il risultato dell’integrazione tra BIM e GIS grazie all’utilizzo di una piattaforme di geospatial digital twin.

Integrazione tra BIM e GIS nel tunneling: un connubio strategico

L’integrazione tra BIM e GIS rappresenta una delle innovazioni più importanti nel settore delle costruzioni, e in particolare nel tunneling. Questa combinazione permette di unire la modellazione dettagliata e la gestione delle informazioni del BIM con le capacità di analisi spaziale e georeferenziazione proprie del GIS. Quando applicata ai progetti di tunnel, l’integrazione tra BIM e GIS consente di affrontare le sfide legate alla complessità delle strutture sotterranee, migliorando la precisione e l’efficienza dell’intero ciclo di vita del progetto.

Benefici dell’integrazione tra BIM e GIS nel tunneling

L’integrazione tra BIM e GIS fornisce una serie di vantaggi specifici per i progetti di tunnel, che comprendono:

• Coerenza dei dati e precisione nella georeferenziazione: Nei progetti di tunnel, uno degli aspetti più critici è la corretta georeferenziazione del tracciato. Il GIS permette di integrare dati geografici accurati con i modelli BIM, che solitamente lavorano su coordinate cartesiane locali. Questa integrazione consente di allineare i modelli di progettazione del tunnel con il contesto spaziale reale, risolvendo problemi legati a progetti che si estendono su ampie distanze o che attraversano terreni complessi, dove la curvatura della Terra e le variazioni di altitudine devono essere prese in considerazione.
• Analisi delle interferenze e delle sovrapposizioni: L’integrazione tra BIM e GIS permette di eseguire analisi di clash detection (rilevamento delle interferenze) e sovrapposizione di dati in modo più completo. Per esempio, un modello BIM dettagliato del tunnel può essere sovrapposto a dati GIS che rappresentano le infrastrutture esistenti, come reti stradali, condutture o corsi d’acqua, facilitando così l’identificazione di potenziali conflitti o interferenze nel progetto.
• Ottimizzazione della progettazione e del tracciato: Il GIS fornisce una visione d’insieme del territorio, utile per valutare le condizioni geologiche, topografiche e idrologiche lungo il percorso del tunnel. Queste informazioni, integrate con i dati del modello BIM, consentono di ottimizzare la progettazione del tunnel. Per esempio, è possibile adattare l’orientamento del tunnel in base alla conformazione del terreno, riducendo così i rischi geotecnici e migliorando la sostenibilità del progetto.
• Monitoraggio e gestione operativa: Durante la fase di costruzione, l’integrazione BIM-GIS consente un monitoraggio in tempo reale delle attività e dei progressi. I dati raccolti dalle macchine da scavo o dai sistemi di monitoraggio geotecnico possono essere visualizzati sia nel contesto del modello BIM che all’interno del sistema GIS, fornendo così una visione completa del progetto e delle condizioni del terreno.

Sfide tecniche e soluzioni

Nonostante i numerosi vantaggi, l’integrazione tra BIM e GIS presenta alcune sfide tecniche legate principalmente alla compatibilità dei formati e alla differente struttura dei dati gestiti dai due sistemi. BIM, come abbiamo visto, lavora con modelli tridimensionali dettagliati basati su coordinate locali, mentre GIS si basa su dati georeferenziati globali, come latitudine, longitudine ed elevazione.
Attualmente le norme ISO 19650 e lo sviluppo di standard come l‘IFC (Industry Foundation Classes) stanno aiutando a risolvere parte di queste problematiche, favorendo la standardizzazione dei processi e dei formati di scambio dati tra sistemi BIM e GIS. Inoltre, collaborazioni tra organizzazioni come l’Open Geospatial Consortium (OGC) e buildingSMART International (bSI) hanno portato a sviluppi significativi, con l’introduzione di versioni dell’IFC come la IFC4.3, che supportano il deposito di un sistema di riferimento di coordinate (CRS, Coordinate Reference System) e migliorano così la capacità di integrazione dei dati spaziali.

Applicazioni del BIM nel tunneling

Modellazione geotecnica e geologica
Uno degli aspetti fondamentali dell’uso del BIM nei tunnel è l’integrazione dei dati geologici e geotecnici. Questi dati includono le informazioni derivanti dalle indagini geologiche e dai rilevamenti del terreno, come i sondaggi del suolo e i dati sulle falde acquifere. Durante la costruzione, i modelli geotecnici possono essere aggiornati in base ai dati reali raccolti sul campo, migliorando la precisione e la sicurezza dell’intero processo.
L’inclusione di informazioni dettagliate sui terreni consente di evitare sorprese durante lo scavo, migliorando la pianificazione e riducendo i rischi.

Coordinazione delle fasi di progetto
Nel BIM per tunnel è essenziale la gestione delle fasi di progetto. L’integrazione tra modelli 3D, modelli 4D (che includono il tempo) e modelli 5D (che integrano i costi) permette di gestire in modo ottimale le diverse fasi del progetto: dalla pianificazione alla costruzione e alla gestione operativa. Per esempio, il BIM consente di simulare le sequenze costruttive, verificare l’interferenza tra i diversi elementi e monitorare l’avanzamento dei lavori in tempo reale.

Gestione dei dati delle macchine e monitoraggio
Una specificità del BIM applicato ai tunnel scavati è la gestione dei dati relativi alle macchine da scavo (TBM). I dati raccolti dalle macchine, come la velocità di avanzamento e la pressione esercitata, possono essere integrati nel modello BIM. Questo consente non solo di monitorare in tempo reale l’efficienza dello scavo, ma anche di prevedere e prevenire eventuali problemi.

Fattori chiave

Per creare un gemello digitale integrando dati BIM e GIS, è necessario seguire un workflow specifico che inizia con la raccolta dei dati ed ha come obiettivo la gestione e la manutenzione dell’asset.  Ecco un elenco riassuntivo dei fattori chiave che entrano in gioco nel processo di composizione di un digital twin geospaziale.

• Raccolta e integrazione dei dati
  • Dati Geospaziali: GIS fornisce dati geospaziali completi, come topografia, uso del suolo e condizioni ambientali attorno al tunnel, essenziali per comprendere i fattori esterni che possono influenzare la struttura.
  • Building Information Modeling: il BIM, oltre al modello 3D dettagliato di tutti i componenti del tunnel, inclusi materiali, impianti, sistemi meccanici e strutturali, consente la raccolta e la gestione del modello informativo dell’asset. Integrando queste informazioni con i dati GIS, si ottiene una visione complessiva degli aspetti intrinsechi ed estrinsechi del tunnel.
• Creazione di Gemelli Digitali
  • Modellazione 3D: la creazione di un gemello digitale comporta lo sviluppo di un modello 3D che rappresenta accuratamente il tunnel fisico, utilizzando dati BIM e arricchito con il contesto geospaziale fornito da GIS. La modellazione 3D avviene utilizzando un software di BIM authoring.
  • Integrazione dati in tempo reale: sensori IoT installati nel tunnel e piattaforme BIM IoT forniscono dati in tempo reale su vari parametri, come la salute strutturale, le condizioni ambientali e il flusso del traffico, integrati nel gemello digitale per un monitoraggio continuo e decisioni informate.
• Estrazione di oggetti spaziali
  • Sensori di immagini multimodali: tecnologie come LiDAR catturano dati spaziali dettagliati all’interno del tunnel, aiutando a identificare e classificare oggetti come tubi, cavi ed elementi strutturali.
  • Sviluppo dell’algoritmo: algoritmi avanzati elaborano i dati dei sensori, segmentandoli in oggetti significativi (punti, linee, piani) che vengono poi integrati nel modello BIM-GIS.
• Applicazioni nella gestione dei tunnel
  • Gestione dei disastri: i gemelli digitali possono simulare vari scenari di disastro, come incendi o cedimenti strutturali, migliorando la preparazione e le strategie di risposta.
  • Manutenzione e ispezione: il gemello digitale consente il monitoraggio in tempo reale delle condizioni del tunnel, identificando le aree che necessitano di manutenzione o ispezione, contribuendo a prolungare la durata del tunnel e garantire la sicurezza.

Standard IFC 4.4 per la digitalizzazione delle infrastrutture

Tutto questo è possibile grazie anche all’utilizzo dello standard IFC 4.4, una pietra miliare nella digitalizzazione delle infrastrutture. Questo standard aperto e neutrale, sviluppato da buildingSMART, facilita l’interoperabilità tra diverse piattaforme software utilizzate nel settore delle costruzioni. IFC 4.4 estende il supporto per le infrastrutture lineari, includendo elementi specifici per ponti, strade e tunnel.

Per approfondire, leggi anche Che cos’è IFC 4?

Questo consente una modellazione più accurata e dettagliata, migliorando la condivisione e l’integrazione delle informazioni tra i vari stakeholder. Grazie a IFC 4.4, i dati del BIM possono essere facilmente scambiati e utilizzati in combinazione con GIS e digital twin, promuovendo una collaborazione più efficiente e una gestione più efficace dell’intero ciclo di vita delle infrastrutture.

Livelli di Definizione nel BIM per i tunnel: LOD e LOI

Uno degli aspetti fondamentali per l’implementazione efficace del BIM (Building Information Modeling) nei progetti di tunnel è la gestione dei Livelli di Definizione (LOD – Level of Definition). Questo concetto si riferisce alla granularità e alla qualità delle informazioni che un modello BIM deve contenere in ciascuna fase del progetto, dalla pianificazione iniziale alla costruzione e manutenzione. Nel settore dei tunnel, i livelli di definizione svolgono un ruolo cruciale per garantire che il modello BIM contenga dati sufficientemente dettagliati e pertinenti per ogni fase del ciclo di vita del progetto.

LOD e LOI: definizione e differenze

Il termine Livello di Definizione (LOD) può essere suddiviso in due componenti principali:

• Livello di Dettaglio (LOD – Level of Detail): indica il grado di precisione geometrica del modello, ovvero quanto dettagliatamente sono rappresentati gli elementi fisici del tunnel
• Livello di Informazione (LOI – Level of Information): si riferisce alle informazioni non geometriche associate agli oggetti del modello, come le specifiche dei materiali, i dati di prestazione e le informazioni sui costi.

Questi due concetti lavorano in sinergia per definire quanto un elemento del modello BIM deve essere dettagliato, sia in termini di forma che di informazioni alfanumeriche. I livelli di dettaglio e di informazione sono strettamente legati alle esigenze del progetto in una determinata fase e devono essere sufficienti a soddisfare le richieste del committente, dei progettisti e degli altri stakeholder coinvolti.

Per approfondire, leggi LOD e LOIN nel BIM: cosa sono e a cosa servono

LOD BIM

Schema dei livelli di definizione per i tunnel

Nel contesto del BIM applicato ai tunnel, è necessario adattare il livello di definizione in base alle esigenze specifiche di ogni fase del progetto. Uno schema di Livelli di Definizione (LOD e LOI) specifico per i tunnel scavati, che viene applicato durante le fasi progettuali, costruttive e operative, può includere:

• Progettazione concettuale (30% del progetto),
• Progettazione dettagliata (60%, 90%, e 100% del progetto),
• Costruzione e messa in servizio,
• Consegna e gestione operativa.

Ogni fase richiede un livello di dettaglio e di informazione adeguato alle sue specifiche necessità. A titolo di esempio, durante la fase di progettazione concettuale, il modello del tunnel può includere solo le geometrie principali, mentre durante la fase di costruzione si richiede un maggior livello di dettaglio, che includa informazioni sugli elementi strutturali, materiali, ecc.

Un caso particolare per i tunnel è la gestione del modello segmentato a anello (Ring Model), che viene utilizzato nella progettazione dei tunnel rivestiti con segmenti prefabbricati di calcestruzzo. Durante la fase di progettazione preliminare, il modello del tunnel può essere rappresentato come un semplice tubo estruso che definisce la posizione del tunnel nello spazio tridimensionale senza includere la segmentazione. Man mano che il progetto progredisce, viene aggiunto il modello a anello, che contiene informazioni più dettagliate sulla segmentazione, come:

• Geometria e dimensioni dei segmenti,
• Posizioni delle giunzioni,
• Informazioni sui materiali,
• Elementi strutturali, come rinforzi e ancoraggi, ecc.

Questo approccio consente di gestire separatamente le informazioni relative alla segmentazione del tunnel, migliorando la precisione del modello e facilitando la transizione tra la fase progettuale e quella costruttiva.

Utilità dei livelli di definizione nel progetto

I Livelli di Definizione offrono diversi vantaggi nei progetti di tunnel:

• Controllo del Progetto: Definire chiaramente il LOD e il LOI in ogni fase del progetto consente di mantenere il controllo sulla qualità e sulla precisione delle informazioni. Ciò è particolarmente utile per evitare errori durante la costruzione e garantire che tutti i dati necessari siano disponibili per prendere decisioni informate.
• Efficienza nella Comunicazione: Un LOD ben definito permette ai diversi team di progetto (ingegneri, architetti, geometri, costruttori) di avere una visione comune dello stato di avanzamento del progetto. Questo facilita la collaborazione e la risoluzione di problemi prima che si trasformino in costosi ritardi.
• Adattamento alle Esigenze del Progetto: Ogni progetto di tunnel ha esigenze specifiche, a seconda della sua complessità e delle condizioni geologiche. I livelli di definizione possono essere personalizzati per adattarsi a queste esigenze, ad esempio concentrandosi maggiormente sugli aspetti geotecnici in progetti che attraversano terreni complessi.

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Indirizzo articolo: https://biblus.acca.it/bim-gis-e-digital-twin-per-la-gestione-di-tunnel-ed-infrastrutture/