Sviluppare modelli BIM di edifici storici

Come modellare in 3D gli edifici storici e sviluppare il progetto di restauro (analisi degrado, quadro fessurativo, ecc.) con il BIM

Devi sviluppare il modello 3D BIM di edifici storici? Ti occupi di restauro e recupero degli edifici esistenti?

In questo focus ti svelo come utilizzare un software HBIM per sviluppare un progetto completo di recupero di un edificio storico: dalla modellazione 3D all’analisi del degrado, fino all’individuazione degli interventi di progetto e all’integrazione con il modello strutturale e impiantistico.

Ti illustro anche un caso pratico che potrai usare come spunto operativo per i tuoi progetti.

Che cos’è l’HBIM

Ormai lo sappiamo, il BIM (Building Information Modeling) nasce come metodologia operativa per gestire i processi di:

programmazione,
progettazione,
realizzazione,
gestione,
manutenzione,
demolizione

di una qualsiasi costruzione attraverso un modello informativo che contiene tutte le informazioni che riguardano il suo intero ciclo di vita.

Questo approccio trova applicazione anche nel campo degli edifici storici, declinandosi come Heritage o Historical Building Information Modeling, in breve HBIM.

Grazie allo sviluppo dell’HBIM è possibile creare dettagliati modelli di edifici storici con oggetti parametrici intelligenti, ossia recanti informazioni sull’edificio, sulle sue componenti e su tutte le sue caratteristiche, che possono essere aggiornate, sostituite e implementate nel tempo. Oltre alla modellazione geometrica, l’HBIM consente di condurre in modo dettagliato e completo le analisi sullo stato di fatto: rilievo materico, individuazione dei fenomeni di degrado, quadro fessurativo, ecc.

È importante sottolineare che l’HBIM è un processo applicato agli edifici esistenti, siano essi monumentali e di rilievo storico-artistico che comuni abitazioni del secolo scorso, e che dunque allarga enormemente il raggio d’azione del metodo BIM, perché espande il suo utilizzo anche alla creazioni di modelli dell’edilizia esistente.

Le potenzialità del BIM per gli edifici esistenti

Finora l’HBIM non ha avuto una grande diffusione in ambito professionale a causa della mancanza di normative condivise e workflow standardizzati e soprattutto alle difficoltà legate alle fasi di modellazione e di reperimento delle informazioni. Infatti, modellare un edificio storico significa tener conto di elementi non sempre standardizzabili e non riconducibili a librerie predefinite, deformazioni e irregolarità, incertezze sulle tecniche costruttive, presenza di fenomeni di degrado, alterazioni dovute allo scorrere del tempo, ecc.

Attualmente molti software si stanno adeguando a queste esigenze per gestire in modo esauriente l’intero processo di digitalizzazione del patrimonio edilizio esistente.

Edificius, per esempio, dispone di un ambiente specifico per l’HBIM, con una libreria dedicata di oggetti tipici dell’edilizia storica ed editor che si adattano in modo flessibile alle specificità di ogni singolo caso:

Editor delle volte – per modellare volte di diverso tipo sfruttando nuovi oggetti specifici (botte, botte rampante, botte zoppa, padiglione, padiglione a base poligonale, crociera, crociera a base poligonale, cupola, lunette/foro, taglio orizzontale e taglio verticale);
Costola – per inserire la costola sia nell’intradosso che nell’estradosso della volta in maniera manuale o in maniera automatica grazie all’uso della bacchetta magica;
Solaio con travi in legno – per creare e personalizzare un solaio in legno, impostando lo spessore del solaio, la sezione, l’interasse e la rotazione delle travi;
Area di degrado – l’editor per definire la superficie degradata a cui associare un determinato materiale;
Lesione – l’editor specifico per individuare ed evidenziare le lesioni presenti su un determinato elemento dell’edificio;
Ortofoto – per associare un ortofoto ad un elemento dell’edificio ed ottenere una rappresentazione fedele allo stato di fatto e completa delle informazioni materiche.

In questo modo, è semplice superare le difficoltà legate alla modellazione (anche in presenza di forti irregolarità, decorazioni elaborate, sistemi costruttivi in disuso) e sfruttare appieno tutti i vantaggi dell’HBIM:

elaborazione del modello geometrico 3D in tempi rapidi;
elaborazione e gestione del modello dati;
utilizzo di oggetti parametrici intelligenti;
gestione dei documenti e dei dati;
maggior controllo del progetto e delle campagne di indagini e analisi;
condivisione delle informazioni e del modello;
programmazione degli interventi di manutenzione;
promozione del bene;
creazione di database aggiornabili nel tempo;
applicazione di tecnologie avanzate come la realtà virtuale o aumentata.

Come sviluppare il modello BIM di edifici storici: workflow del progetto HBIM

Generare il modello 3D BIM di un edifico storico consente di avere tutti i benefici del BIM sul progetto di restauro.

Vediamo quindi come sviluppare il modello 3D e il progetto di restauro di un edificio storico con la metodologia HBIM.

In sintesi, le fasi principali da seguire sono:

strutturazione dell’ACDat (ambiente di condivisione dei dati);
raccolta dati, elaborati e documentazione storica;
gestione e condivisione della documentazione raccolta su piattaforme collaborative;
rilievo fotografico e fotoraddrizzamento;
rilievo geometrico condotto con il supporto di diverse tecnologie (da quelle più tradizionali come rulline, livelle e squadri; a quelle più avanzate come laser scanner, stazione totale, rilievo fotogrammetrico, ecc.);
rilievo materico;
modellazione 3D dello stato di fatto con BIM Authoring;
condivisione del modello su piattaforme collaborative;
studio del layout funzionale dello stato di fatto;
analisi del degrado direttamente in ambiente HBIM;
analisi stratigrafica e sulle fasi di costruzione dell’opera in ambiente HBIM;
studio del quadro fessurativo e dei cinematismi in atto;
progetto delle indagini e delle prove da svolgere;
individuazione degli interventi di progetto;
integrazione con software BIM di progettazione strutturale e impiantistica;
modellazione 3D del progetto;
verifica del progetto in Real Time o realtà virtuale (VRi);
computo metrico automatico dal modello 3D;
elaborazione grafici e tavole esecutive.

Per approfondire, ti illustro un caso pratico sviluppato con Edificius.

Un caso pratico con Edificius: dalla nuvola di punti al modello BIM di edifici storici

L’esempio pratico che ti mostro è un progetto di digitalizzazione di un edificio residenziale di inizio ‘900.

La prima operazione eseguita sul campo è il rilievo e l’acquisizione dei dati geometrici condotta attraverso il laser scanner 3D. Il risultato è la nuvola di punti, che contiene informazioni di carattere geometrico (le loro coordinate in un sistema di riferimento noto) e di carattere colorimetrico, in quanto ad ogni punto viene associato un colore relativo ricavato da una foto fatta dallo strumento durante la scansione.

Per approfondire, leggi anche “Scan to BIM, dal rilievo laser scanner al modello BIM“.

I dati del rilievo sono stati importati in Edificius per la modellazione in ambiente BIM e la costruzione del modello geometrico dell’edificio.

Prima di iniziare la modellazione, sono stati impostati i Livelli (piano ammezzato, piano primo, fino alla copertura) e i subLivelli con relative altezze ed è stato importato il terreno con le curve di livello direttamente da Google Maps sfruttando l’apposita funzionalità.

La modellazione dell’edificio è stata facilitata dagli oggetti parametrici dell’ambiente HBIM di Edificius che consente di riprodurre gli elementi caratteristici dell’architettura storica (volte, solai in legno, costole, ecc.).

Sono stati modellati i muri esterni, le finestre, la scala e tutti i particolari architettonici presenti in facciata (modanature, capitelli, lesene, ecc.).

In un processo BIM, tutto il materiale utile al progetto viene condiviso e gestito mediante l’utilizzo di piattaforma collaborative e CDE. In questo modo i dati dell’edificio sono consultabili da tutto il team di lavoro e tutte le attività sono tracciabili per rendere la collaborazione efficace e sicura.

Al termine della modellazione BIM, il modello dell’edifico è stato esportato nel formato aperto IFC per consentire un’integrazione ottimale con tutti i professionisti coinvolti nel progetto. Il modello IFC, infatti, può essere importato e gestito da tutti i più comuni software di BIM authoring. In questo modo, lo strutturista può importare il modello BIM e procedere con la modellazione, il calcolo e le verifiche strutturali.

Nel caso in esame, il workflow strutturale ha previsto in breve:

riconoscimento automatico degli oggetti architettonici in entità strutturali del software di calcolo strutturale;
modellazione strutturale;
modello FEM;
assegnazione dei vincoli;
definizione dei carichi;
analisi strutturale.

Parallelamente alle analisi sulla struttura è stata elaborata la caratterizzazione materica e la valutazione sullo stato di conservazione dell’apparato decorativo dei prospetti. Tutto questo è stato facilitato dall’importazione della mesh texturizzata ottenuta dal rilievo e sfruttando tutte le potenzialità del comando ortofoto, che permette di sovrapporre al modello 3D le foto raddrizzate dei prospetti da analizzare. Sono state individuate sull’ortofoto le aree interessate dai diversi fenomeni di degrado. Edificius, in automatico, genera anche la legenda che permette di interpretare i retini associati alle diverse manifestazioni di degrado.

A differenza di un processo condotto con metodo tradizionale, la tecnologia HBIM offre il vantaggio di creare e aggiornare periodicamente il database di informazioni sullo stato di conservazione e il modello BIM degli edifici storici e di creare un archivio condiviso e in continua evoluzione. Gestendo il progetto con una piattaforma collaborativa, infatti, è possibile ottenere i seguenti vantaggi:

facilità di consultazione, trasmissione e gestione del modello nel tempo;
scambio di informazioni direttamente sul modello 3D;
visualizzazione e gestione di file 3D realizzati con software diversi;
redazione di schede del degrado utili per l’individuazione delle patologie ed analisi diagnostiche;
definizione di un protocollo da rispettare per ogni intervento di restauro da realizzare integrato sulla piattaforma usBIM.

Come modellare in HBIM un edificio storico, lo stato di degrado e gli interventi di recupero

Il caso studio riguarda l’applicazione della metodologia HBIM (Heritage Building Information Modeling) al complesso monumentale della Chiesa della Madonna della Neve, parte di un insediamento storico di età longobarda situato a Montella (AV), con l’obiettivo di dimostrare come le tecnologie digitali e i processi collaborativi possano supportare le attività di conoscenza, conservazione e gestione del patrimonio architettonico esistente. L’intervento nasce dalla consapevolezza che i progetti di restauro e recupero del costruito storico richiedano oggi un approccio necessariamente multidisciplinare, in cui architetti restauratori, ingegneri strutturisti, tecnici del rilievo, specialisti diagnostici, storici e archeologi operano in modo coordinato attraverso un flusso continuo di scambio informativo.

In questo contesto, la metodologia HBIM rappresenta l’evoluzione del BIM applicata ai manufatti esistenti e storici, configurandosi non solo come strumento di modellazione tridimensionale, ma soprattutto come sistema informativo capace di raccogliere, organizzare e aggiornare nel tempo dati geometrici, costruttivi, storici, materici e conservativi. A differenza del BIM tradizionale, che parte da un progetto per arrivare alla costruzione del digital twin dell’opera, l’HBIM opera in maniera inversa: il processo prende avvio dal manufatto reale e, attraverso rilievi, indagini e ricerche archivistiche, giunge alla costruzione di un modello digitale “as-is”, cioè aderente allo stato effettivo e storicizzato dell’edificio, comprensivo delle trasformazioni subite nel corso del tempo.

Nel caso specifico della Chiesa della Madonna della Neve, il lavoro è stato sviluppato a partire da una complessa fase conoscitiva basata su rilievi geometrici tradizionali, acquisizioni tramite laser scanner e tecniche fotogrammetriche, integrate con documentazione archivistica e analisi dello stato conservativo. La metodologia operativa è stata articolata in tre principali fasi: acquisizione, segmentazione e modellazione. La fase di acquisizione ha previsto la raccolta di una grande quantità di dati provenienti da diverse discipline, tra cui rilievi metrici, analisi strutturali, rilievi del degrado e documentazione storica. Successivamente, nella fase di segmentazione, le informazioni sono state organizzate e categorizzate semanticamente per consentirne l’utilizzo all’interno del modello digitale. Questo processo ha permesso di associare agli elementi architettonici non soltanto caratteristiche geometriche, ma anche informazioni descrittive, diagnostiche e documentali. La fase finale di modellazione è stata sviluppata attraverso il software Edificius, che ha consentito l’importazione diretta delle nuvole di punti generate dai rilievi laser scanner e la loro trasformazione in elementi parametrici HBIM.

L’utilizzo del software ha permesso di ricostruire fedelmente la geometria della chiesa attraverso strumenti avanzati di snapping e sezionamento della nuvola di punti. Sono stati modellati elementi architettonici complessi quali murature, aperture, nicchie, serramenti storici, volte a botte, volte a vela, crociere, cupole e costoloni, con la possibilità di personalizzare parametri geometrici e costruttivi per ottenere una rappresentazione coerente con il manufatto reale.

Particolare rilevanza ha assunto la modellazione delle volte storiche, realizzata mediante editor parametrici dedicati che hanno consentito di definire geometrie articolate e forme irregolari tipiche dell’architettura storica. Parallelamente alla modellazione geometrica, il progetto ha integrato strumenti per il rilievo conservativo, consentendo la mappatura dei degradi e del quadro fessurativo direttamente sul modello digitale. Attraverso l’utilizzo di ortofoto ottenute tramite fotogrammetria e applicate alle superfici architettoniche, è stato possibile tracciare fenomeni di degrado, lesioni e alterazioni materiche secondo le classificazioni UNI-Normal, distinguendo differenti tipologie di deterioramento relative a materiali lapidei, lignei e metallici. Ogni degrado o lesione è stato definito come oggetto parametrico informativo, associato a dati relativi a estensione, gravità, cause ipotizzate, documentazione fotografica e stato manutentivo.

Un ulteriore aspetto significativo del caso studio riguarda l’impiego della piattaforma collaborativa integrata, utilizzata come ambiente comune di condivisione dei dati tra i diversi soggetti coinvolti nel progetto. Attraverso la piattaforma è stato possibile archiviare modelli tridimensionali, fotografie storiche, documenti archivistici, schede di rilievo e risultati di indagini archeologiche, rendendo tutte le informazioni accessibili e navigabili in modo interattivo. In particolare, il sistema ha consentito di collegare direttamente al modello digitale le campagne di scavo archeologico condotte dal professor Rotili tra gli anni Novanta e Duemila, associando alle aree di scavo documentazione scientifica, pubblicazioni e riferimenti storici.

Il modello HBIM è stato così trasformato in un archivio digitale dinamico e interrogabile, capace di integrare conoscenza storica, rilievo geometrico, analisi diagnostica e gestione conservativa in un unico ambiente interoperabile. Il caso studio dimostra pertanto come l’HBIM possa costituire uno strumento avanzato per la documentazione, il monitoraggio e la valorizzazione del patrimonio storico, favorendo non solo una gestione più efficiente delle informazioni e del processo di restauro, ma anche nuove forme di fruizione culturale, come tour virtuali e consultazione interattiva dei contenuti digitali.

Fonte: Read More