Il BIM può essere uno strumento utile per meglio comprendere le complesse relazioni che intercorrono tra gli edifici e le città che questi vanno a formare. È questa la tesi alla base del lavoro di ricerca di Matteo Mandrile, architetto e consulente BIM, che con il progetto dal titolo “BIM as multiscale facilitator for built environment analysis” si è qualificato al primo posto nella categoria “Ricerca” al concorso BIM&Digital Award 2020.
La ricerca, svolta sotto la supervisione del Prof. Tomo Cerovsek dell’univeristà di Lubiana, è composta da una parte teorica, un’indagine sui principali schemi di dati aperti in ambito GIS e BIM, e un caso studio sviluppato secondo due approcci – top-down e bottom-up – realizzato in collaborazione con lo studio di architettura sloveno Enota.

Il confronto tra i formati CityGML e IFC
La ricerca è incentrata sul confronto e l’interoperabilità tra due schemi di dati aperti utilizzati in due ambiti disciplinari differenti. CityGML, gestito dall’Open Geospatial Consortium, è utilizzato da urbanisti, paesaggisti e professionisti operanti in ambito GIS, per la creazione di modelli semantici tridimensionali a scala urbana, e per la trasmissione delle informazioni contenute in tali modelli. IFC, gestito da BuildingSMART è lo schema di dati utilizzato da architetti, ingegneri e professionisti operanti alla scala dell’edificio, per il trasferimento di informazioni a supporto della collaborazione.
Questi due standard hanno una struttura simile, composta da un nucleo e componenti aggiuntivi. Per quanto concerne l’analisi energetica, CityGML è in grado di contenere specifiche informazioni che contraddistinguono l’ambito disciplinare attraverso una estensione specifica (Energy ADE o Application Domain Extension), mentre per quanto riguarda IFC, è stato presentato a maggio 2020 durante il Virtual Summit di Building SMART, lo stato di avanzamento riguardo il progetto per la creazione di un Piano di Consegna delle Informazioni (IDM) che potrebbe portare alla definizione di un Model View Definition (MVD), per l’analisi energetica degli edifici.
I due schemi di dati adottano linguaggi diversi per formalizzare i concetti, infatti mentre IFC utilizza Express-G, City GML è basato su XML (eXtensible Markup Language) ed è implementato come schema di applicazione per Geography Markup Language 3 (GML3). Entrambi possono rappresentare edifici, ma la loro struttura intrinseca è diversa. Inoltre, mentre IFC è in grado di raggiungere una scala di dettaglio che supporta la definizione dei componenti edili, CityGML è in grado sì di rappresentare alcune componenti come porte e finestre, ma si estende fino a raggiungere entità proprie della pianificazione a scala urbana e metropolitana.
Alcuni ricercatori hanno proposto un framework chiamato City Information Modelling, per integrare GIS e BIM estraendo i dati degli edifici dai modelli BIM, i dati urbanistici dai modelli GIS e quindi combinare le informazioni in un database comune.
Tuttavia, le diversità riscontrabili nella struttura dei due schemi rappresentano un considerevole ostacolo all’integrazione dei dati. Nonostante alcune classi (o entità) hanno simile rappresentazione, vi sono molte entità IFC che non trovano un riscontro nelle classi definite da CityGML.

Il caso studio
Al fine di analizzare l’interoperabilità tra i due schemi di dati, e valutare le diverse alternative per l’integrazione di dati provenienti da ambiti disciplinari differenti che lavorano a scale diverse, sono stati utilizzati due approcci differenti, che rispecchiano due possibilità di collaborazione.
Per l’approccio top-down, è stato creato un modello semantico tridimensionale di due quartieri centrali di Lubiana, partendo da set di open-data istituzionali. Il processo è stato diviso in due fasi, la modellazione delle caratteristiche geometriche e il seguente arricchimento del modello con attributi rilevanti per lo scopo della ricerca. Infatti, dopo la ricostruzione 3D, il modello è stato importato in un database chiamato 3DcityDB (https://www.3dcitydb.org/3dcitydb/). Questo è un database geografico 3D che viene distribuito gratuitamente, con script SQL per impostare un’istanza dello schema relazionale su un sistema di database spaziale (Oracle Spatial / Locator o PostgreSQL / PostGIS). Attraverso tale strumento è stato possibile arricchire il modello urbano con gli attributi degli edifici. Una volta nel database, i dati possono essere gestiti, interrogati ed esportati per le applicazioni previste.
Gli utenti possono arricchire il modello CityGML per l’analisi energetica utilizzando le classi e gli attributi dell’estensione Energy ADE. Tuttavia, una delle problematiche riscontrate durante la ricerca è stata l’impossibilità di trovare dati relativi ai consumi energetici e/o alle classi di prestazione energetica degli edifici distribuiti in formato machine-readable. In sostituzione, si sarebbero potuti utilizzare i valori pubblicati dal progetto Tabula (https://episcope.eu/iee-project/tabula/), un progetto di ricerca europeo volto a elaborare un approccio sistematico per classificare le diverse tipologie edilizie in base alle loro proprietà energetiche. Tuttavia, questi dati sono disponibili solo per edifici residenziali.
Per quanto concerne l’approccio botto-up, la ricerca si è concentrata sul progetto di ristrutturazione e ampliamento di un hotel storico di Lubiana, attualmente in stato di abbandono. Costruito nel 1909 e dichiarato patrimonio culturale nel 2007, l’edificio sarà in parte demolito, e ricostruito con un nuovo intervento progettato dallo studio di architettura Enota.
Il progetto proposto avrà camere, appartamenti, spazi per ristorazione, wellness e congressi. La struttura rispetterà i più moderni principi di risparmio energetico, tecnologie di conservazione del calore e strategie di progettazione passiva.
La ricerca ha analizzato diverse procedure di collaborazione e scambi di informazioni, tra BIM e BEM (il modello energetico del sistema edificio-impianto) e tra IFC e CityGML. Il processo adottato ha compreso tre fasi: l’arricchimento del modello BIM con i requisiti per l’analisi dei carichi energetici, la loro valutazione e l’analisi delle procedure per l’integrazione dei dati all’interno del database urbano, con le informazioni estratte dai modelli IFC.

Conclusioni e prospettive future
Per estrarre, trasformare e caricare le informazioni da uno schema di dati verso uno schema differente, è stato necessario utilizzare FME, uno strumento per l’integrazione di dati in grado di estrarre e riorganizzare i dati in formato IFC adattandoli allo schema CityGML. L’analisi del processo ha rivelato vantaggi e svantaggi dell’operazione, resa ancora più complessa dalle strategie di Model Authoring adottate per restituire correttamente alcune caratteristiche dell’edificio storico. Sebbene l’intero processo possa essere considerato efficace per quanto concerne la definizione geometrica e gli attributi di base, è necessaria una ricerca più approfondita per valutare la possibilità di gestire le informazioni specifiche delle diverse discipline che interagiscono durante la fase di progettazione. L’integrazione di informazioni tra schemi di dati articolati come IFC e CityGML aggiunge un livello di complessità che richiede maggiori approfondimenti.
Emergono quindi i limiti di questa analisi multiscalare dell’ambiente costruito. In generale, l’integrazione dei dati può facilitare l’interoperabilità tra software, tuttavia la modellazione semantica è utile solo se le parti interessate concordano su definizioni e strumenti comuni. L’intero processo necessita standardizzazione e deve essere arricchito con la definizione di ruoli e responsabilità.
Uno sforzo ulteriore è richiesto per la standardizzazione delle procedure e delle informazioni necessarie volte alle analisi energetiche. Le Pubbliche Amministrazioni potrebbero valutare la possibilità di distribuire alcuni dati energetici in un formato “machine-readable” che ne supporti l’interpretazione automatica.
Questo lavoro di ricerca apre la strada ad applicazioni che in futuro potrebbero riguardare la digitalizzazione del processo di ottenimento di un permesso di costruire: i professionisti potrebbero acquisire i dati contestuali 3D e le informazioni semantiche relative, per esempio, ai piani regolatori e ai regolamenti edilizi (di cui in Italia abbiamo grande varietà) dal modello della città, mentre i tecnici della Pubblica Amministrazione potrebbero automatizzare le procedure di verifica del progetto rispetto a tali norme, e aggiornare il modello della città con l’as-built dell’intervento. I pianificatori e gli urbanisti potrebbero adottare questi strumenti per valutare, con solide basi analitiche, nuovi sviluppi urbani, e le Pubbliche Amministrazioni potrebbero verificare la sostenibilità delle attuali e future politiche energetiche.