Cerinte de scanare si modelare BIM pentru structuri metalice (I)

In contextul evaluarii starii actuale a constructiilor, tehnologiile de scanare 3D si modelare 3D BIM (Building Information Modeling) reprezinta un instrument esential, asa cum demonstreaza si un studiu de caz pe o sectiune a tribunei stadionului CFR din Cluj-Napoca. Vom detalia procesul de colectare a datelor prin scanare laser, urmat de modelarea detaliata 3D, precum si modul in care aceste tehnologii faciliteaza o intelegere mai buna a conditiilor existente, pot sa sprijine analizele avansate cu elemente finite si ajuta la planificarea mai eficienta a interventiilor structurale. Prin integrarea informatiilor precise din scanari in modelarea 3D se dezvolta un model BIM care consolideaza informatii structurale valoroase ce stau la baza identificarii si cuantificarii deviatiilor de la axa teoretica si a deformatiilor elementelor structurale, subliniind posibila valoare adaugata in procesele de expertizare tehnica si planificare a reabilitarilor si altor interventii structurale. Lucrarea demonstreaza practic beneficiile combinarii scanarii 3D si a modelarii BIM in evaluarea si intretinerea constructiilor existente, oferind un exemplu de cadru de aplicare a acestor tehnologii in proiectele de constructii.

INTRODUCERE

In contextul digitalizarii domeniului constructiilor, Modelarea Informatiei Constructiei (din engleza: Building Information Modeling, sau, pe scurt, BIM) devine o abordare tot mai folosita pentru organizarea si consolidarea informatiilor despre cladiri si lucrari de geniu civil pe tot ciclul de viata al constructiei, de la faza de concept pana la operare si mentenanta. Standardul SR EN ISO 19650:2019-1 se aplica activelor construite si proiectelor de construire de toate dimensiunile si toate nivelurile de complexitate, de la cele de mari dimensiuni, ca retele de infrastructura, la cladiri individuale si elemente de infrastructura. Standardul recomanda aplicarea proportional si adecvat a conceptelor si principiilor, adaptand procesele la proiectul vizat. Standardizarea in BIM asigura un limbaj comun si implementarea corecta a principiilor BIM, eliminand blocajele de comunicare si facilitand o abordare colaborativa in cadrul proiectelor. Standardele internationale, cum ar fi SR EN ISO 19650-1 si -2, permit dezvoltarea de procese de lucru BIM pentru proiectele in care acestea se aplica.

Pe langa standarde si norme de aplicare, un promotor important al folosirii BIM este buildingSMART [1], o asociatie industriala internationala care conduce si sprijina transformarea digitala a industriei constructiilor si aduce imbunatatiri continue prin dezvoltarea si sprijinirea adoptarii de standarde internationale deschise pentru constructii. Principiile buildingSMART se concentreaza pe trei piloni. Primul, tehnologia, sprijina capacitatea programelor folosite de diverse discipline de a partaja date si de a colabora eficient, sustinand schimbul de informatii intre diferitele platforme. Tot aici se promoveaza si utilizarea standardelor deschise si comune de date, eliminand dependenta de un singur producator de programe si facilitand interoperabilitatea. Al doilea, colaborarea, se concentreaza pe promovarea unei comunicari eficiente si partajarea deschisa a datelor intre toti actorii implicati in proiect, facilitand astfel luarea deciziilor informate. Cel de-al treilea pilon, standardizarea, se concentreaza pe dezvoltarea si implementarea de standarde internationale deschise pentru BIM, asigurand compatibilitatea la nivel global si promovand adoptarea acestor standarde la nivel mondial pentru a creste coerenta si sustenabilitatea in intreaga industrie. Unul dintre cele mai importante exemple privind implementarea standardelor deschise este Industry Foundation Classes (IFC), care faciliteaza schimbul de date intre diversele aplicatii BIM, permitand astfel integrarea transparenta a informatiilor intre diferitele discipline implicate intr-un proiect de construire. Utilizarea BIM se extinde dincolo de simpla modelare a informatiilor despre cladiri, incorporand mai multe cazuri de utilizare (UCM [2]) care imbunatatesc coordonarea, analiza, simularea si gestionarea pe intregul ciclu de viata al cladirii sau infrastructurii.

Cazul de utilizare BIM pe care il abordam in continuare este Modelarea Conditiilor Existente (Existing Conditions Modeling – ECM), definit ca fiind un proces in care o echipa modeleaza o anumita parte a unei constructii existente. Acest model este dezvoltat pe baza unor cerinte clare de informatii (ex. nivelul de detaliere al structurii coroborat cu scopul dezvoltarii modelului). Odata construit, modelul actioneaza ca unica sursa de informatii (in engleza, single source of truth) pentru urmatoarele etape de proiect. Pentru exemplificarea acestui caz de utilizare vom folosi un proces BIM modificat in acest scop si vom arata etapele de implementare.

PROCESUL BIM SI CAZUL DE UTILIZARE ECM

1. Cerintele de informatii

 Modelele de informatie pentru active (AIM) si modelele de informatie pentru proiecte (PIM) constituie baze structurate de date care centralizeaza informatiile critice pentru procesul decizional de-a lungul intregului ciclu de viata al unui activ din sectorul constructiilor. Aceste modele cuprind etapele de proiectare si construire a activelor noi, precum si reabilitarea celor existente, plus operarea si intretinerea activelor. Este anticipata o expansiune in volumul si diversitatea informatiilor stocate in aceste modele de informatie, care vor fi din ce in ce mai folosite, in special in fazele de finalizare a proiectelor si de gestionare a activelor.

Conform recomandarilor standardului ISO 19650:2019 [3], este esential ca partea angajatoare (clientul) sa inteleaga exact ce informatii sunt necesare despre activele sau proiectele pe care le dezvolta pentru a atinge obiectivele organizationale si de proiect. Cerintele de informatii pot proveni atat din interiorul organizatie, cat si din partea entitatilor externe care sunt implicate in dezvoltarea proiectului sau operarea si intretinerea activului. Partea angajatoare trebuie sa fie capabila sa le comunice aceste cerinte tuturor partilor interesate din proiect, aplicand principiile mentionate in mod proportional (doar informatiile necesare, la nivelul de detaliu necesar, persoanelor care folosesc activ informatia). Partile angajate (antreprenor general si sub-antreprenori), la randul lor, pot introduce cerinte suplimentare de informatii pe langa cele definite de partea angajatoare.

Scopul informatiilor trebuie definit clar de catre partea angajatoare si trebuie sa acopere aspecte precum un registru al activelor, conformitatea si responsabilitatile impuse de standarde, managementul riscului si sprijin pentru intrebarile legate de implementarea proiectului. Informatiile pot include si cerinte de detalii pentru gestionarea capacitatii, securitatea datelor, intretinere si reparatii in faza de operare si planuri pentru schimbarea destinatiei sau demolare. Cerintele de informatii ar trebui structurate in functie de etapele proiectului si evenimentele declansatoare din ciclul de viata al activului, pentru a facilita intretinerea si inspectiile necesare.

Fig. 1 prezinta ierarhia cerintelor de informatii in cadrul unui proiect dezvoltat conform metodologiei BIM.

Fig. 1: Structura de dezvoltare a informatiilor in proces BIM

unde:

   OIR – Cerinte de Informatii pentru Organizatie (Organization Information Requirements)

   PIR – Cerinte de Informatii pentru Proiect (Project Information Requirements)

   AIR – Cerinte de Informatii pentru Activ (Asset Information Requirements)

   EIR – Cerinte pentru Schimbul de Informatii (Exchange Information Requirements)

   PIM – Model Informational pentru Proiect (Project Information Model)

   AIM – Model Informational pentru Activ (Asset Information Model)

2. Cazul de utilizare ECM si cerinte specifice

 Modelarea Conditiilor Existente (ECM) este unul dintre cele 50 de cazuri specifice definite de buildingSMART. Acesta se refera la dezvoltarea unui model digital care reprezinta conditiile existente ale unui activ construit si implica modelarea si documentarea precisa a starii actuale a unei cladiri sau infrastructuri, inainte de orice interventie. Cazul ECM este foarte important pentru planificarea eficienta si pentru evitarea problemelor in timpul implementarii proiectului. Modelul digital rezultat ofera o referinta detaliata pentru toate partile implicate in proiect (client, proiectant, executant etc.) si le permite acestora sa ia decizii informate pe baza datelor exacte din teren.

Dezvoltarea unui model conform cerintelor cazului de utilizare ECM include trei etape:

• in prima etapa ‒ in care se colecteaza date despre conditiile fizice ale activului ‒ culegerea datelor din teren se realizeaza prin tehnologii precum scanarea laser 3D (TLS) si/sau fotogrammetrie. Rezultatul este o reprezentare digitala precisa, care include elementele structurale, instalatii, finisaje si alte caracteristici relevante ale activului in conformitate cu cerintele partii angajatoare; pentru culegerea datelor legate de elementele care nu sunt vizibile (ex. instalatii subterane), se poate folosi GPR (Ground Penetration Radar).
• in etapa a doua, datele din teren sunt utilizate pentru a crea un model BIM detaliat (la nivelul de detaliu minim agreat) care include reprezentari digitale ale tuturor componentelor relevante ale activului. Acest model se constituie in PIM si este un instrument vital pentru analiza si planificarea interventiilor ulterioare;
• in etapa a treia, documentatia, modelul se completeaza cu o documentatie detaliata care reflecta starea actuala a activului si include informatii despre materiale, conditii structurale, istoricul interventiilor anterioare si alte date relevante pentru procesele ulterioare.

In continuare, utilizand modelul ECM, specialistii BIM (arhitecti, ingineri proiectanti, manageri de proiect) pot efectua analize detaliate, pot identifica potentiale probleme si pot planifica eficient interventiile, asigurandu-se ca acestea sunt realizate intr-o maniera care sa minimizeze riscurile si sa optimizeze utilizarea resurselor. Fig. 2 prezinta schematic procesul de definire a cerintelor pentru informatii, culegerea datelor din teren, prelucrarea lor.

Fig. 2: Procesul BIM de dezvoltare a unui model pentru cazul ECM

Pentru cazul BIM ECM, in general, culegerea datelor din teren se face folosind fotogrammetria si/sau scanarea laser 3D. Fotogrammetria utilizeaza imagini fotografice pentru a crea modele 3D (a se vedea fig. 3a) si este caracterizata prin flexibilitate si costul relativ redus al echipamentelor utilizate. Aceasta abordare permite culegerea rapida a datelor din teren si este eficienta pentru obiective de mari dimensiuni si geometrii complexe. Acuratetea fotogrammetriei este influentata de conditiile de iluminare si de calitatea imaginilor, ceea ce poate genera uneori erori de modelare. Scanarea laser (fig. 3b) ofera o precizie si o acuratete superioare in reproducerea detaliilor si a geometriei obiectelor, generand nori de puncte, care pot fi ulterior transformati in modele digitale detaliate. Scanarea laser este ideala pentru documentarea precisa a structurilor, dar costurile mai ridicate generate de echipamentele specializate pot limita accesibilitatea acestei tehnologii pentru unele proiecte.

Alegerea intre fotogrammetrie si scanarea laser depinde de cerintele specifice ale proiectului (fig. 2), incluzand acuratetea necesara, bugetul disponibil si complexitatea structurii. Pentru prelucrarea eficienta a datelor obtinute prin fotogrammetrie si scanare laser in modelarea BIM, un calculator puternic este esential (ex. procesor Intel i7 de ultima generatie sau echivalent, peste 32 GB RAM, un SSD de peste 2 TB capacitate, placa grafica dedicata cu memorie 8 GB VRAM). Configuratia hardware impreuna cu programele specializate (ex. RealityCapture [4] pentru fotogrammetrie, Leica Cyclone REGISTER 360 [5] pentru scanarea laser), asigura o prelucrare rapida si eficienta a informatiilor complexe specifice fiecarei tehnologii.

Fig. 3: Exemplu model 3D obtinut prin fotogrammetrie si scanare laser (a. fotogrammetrie; b. scanare laser)

STUDIU DE CAZ 

1. Date generale

 Proiectul pe care-l detaliem in continuare are ca obiectiv stadionul de fotbal CFR din Cluj-Napoca (prezentat in fig. 4), construit in 1961 si avand o capacitate de 23.500 de locuri. A fost renovat complet in 2007, cand au fost adaugate noi tribune si un sistem de nocturna, in prezent fiind un stadion modern si bine echipat, care gazduieste una dintre cele mai de succes echipe din tara. In cadrul procesului de modernizare, s-a contractat dezvoltarea unui model BIM pentru o sectiune din tribuna stadionului, cu scopul de a fi utilizat intr-un studiu de fezabilitate pentru expertizarea structurii si studiu de solutie pentru implementarea unui sistem VAR (Asistent Video pentru Arbitru, in engleza: Video Assistant Referee).

Fig. 4: Stadionul CFR din Cluj-Napoca [6]

2. Cerinte BIM pentru scanare si modelare

La dezvoltarea documentelor aferente unui proiect BIM contribuie toate partile implicate in dezvoltarea si implementarea proiectului. Cunoscand faptul ca OIR este un document intern al partii angajatoare, de cele mai multe ori, acesta nu face obiectul discutiilor din faza de initiere a proiectului, insa AIR si PIR sunt direct influentate de acesta. Pentru situatia data, continutul celor doua documente (AIR si PIR) cuprinde:

• scopul si utilizarea modelului BIM care va cuprinde informatii pentru expertiza tehnica (imperfectiuni structurale, nivel de coroziune) si care va trebui sa includa toate elementele structurale (principale, secundare, imbinari) pentru expertiza si pentru evaluarea capacitatii structurale, precum si elementele arhitecturale care pot influenta montarea si functionarea sistemului VAR. Modelul va fi, de asemenea, folosit pentru vizualizare de catre toti actorii implicati (inclusiv investitori, ingineri, arhitecti si alti consultanti asociati).
• nivelul de detaliere (LoD) sau nivelul de dezvoltare (LOD) [7], care trebuie sa fie suficient de ridicat pentru a permite evaluarea de abateri de la axa si deformatii existente. Mai mult, modelul trebuie sa ofere o modalitate de a compara situatia teoretica (ideala) cu situatia reala (masurata) a structurii, permitand identificarea si cuantificarea diferentelor. Aceasta va facilita identificarea zonelor care necesita atentie speciala sau interventii.
• modelul BIM (geometric), care trebuie sa fie insotit de documentatie completa (metainformatii sub forma de atribute, proprietati sau detalii suplimentare), inclusiv metodele de culegere a datelor din teren, procedurile de modelare utilizate, precum si orice ipoteze initiale si limitari. Motivatia acestor informatii este asigurarea transparentei si facilitarea verificarii si validarii modelului.
• acuratetea si precizia pentru scanare, care trebuie sa fie realizata cu o eroare relativa maxima de reprezentare a norilor de puncte sub 10 mm pentru a asigura o reprezentare fidela a structurii existente.

In plus, documentul EIR cuprinde informatii legate de:

• interoperabilitatea datelor din model, care trebuie sa fie compatibil cu programele de analiza structurala si de simulare, precum si cu alte instrumente utilizate de catre specialistii implicati in proiect (arhitectura, instalatii) pentru a permite schimbul eficient de informatii si colaborarea intre diferiti actori ai proiectului.

(va urma)

REFERINTE

[1] https://www.buildingsmart.org/, accesat la data de 12.11.2024;

[2] https://ucm.buildingsmart.org/use-case-management, accesat la data de 12.11.2024;

[3] SR EN ISO 19650-1:2019, Organizarea informatiilor in format digital despre cladiri si lucrari de geniu civil, utilizand modelarea informatiei constructiei (BIM). Managementul informatiilor utilizand modelarea informatiei constructiei. Partea 1: Concepte si principii;

[4] https://www.capturingreality.com/realitycapture, accesat la data de 12.11.2024;

[5] https://leica-geosystems.com/products/laser-scanners/software/leica-cyclone/leica-cyclone-register-360, accesat la data de 12.11.2024;

[6] https://ro.wikipedia.org/wiki/Stadionul_Dr._Constantin_R%C4%83dulescu, accesat la data de 12.11.2024;

[7] Jimmy ABUALDENIEN, Andre BORRMANN (2022). Levels of detail, development, definition, andinformation need: a critical literature review. Journal of Information Technology in Construction (ITcon), Specialissue: ‘The Eastman Symposium’, Vol. 27, pg. 363-392, DOI: 10.36680/j.itcon.2022.018.

MULTUMIRI

Studiul pe care se bazeaza acest articol a fost sustinut din grantul de cercetare al proiectului Cercetare privind implementarea gemenilor digitali pentru cazul de utilizare Scan-to-BIM, finantat de GRAPHEIN TOPO SA prin contractul nr. BC99 / 04.12.2023.

Autori:

s. l. dr. ing. Andrei CRISAN ‒ Universitatea Politehnica Timisoara, Facultatea de Constructii

ing. Andrei SUERAN ‒ GRAPHEIN TOPO SA Bucuresti

ing. Catalin ANDREI‒ STRABAG SRL Bucuresti

dr. ing. Beatrice VILCEANU ‒ Universitatea Politehnica Timisoara, Facultatea de Constructii

(Lucrare prezentata la a 18-a Conferinta Nationala de Constructii Metalice ‒ „Construieste cu STEEL” ‒ 15-16 aprilie 2024, Cluj-Napoca, Romania | www.con-steel.ro)

…citeste articolul integral in Revista Constructiilor nr. 220 – decembrie 2024, pag. 92-95