Integrazione tra BIM e modellazione procedurale per la progettazione di una linea ferroviaria

Indagare le potenzialità di alcuni strumenti BIM affiancati da algoritmi di modellazione procedurale, tramite l’espediente dell’elaborazione del modello di un tratto rettilineo di una sezione ferroviaria, è stato l’obiettivo di Mattia Intignano nell’ambito della sua tesi di laurea in Ingegneria dei Sistemi Idraulici e di Trasporto presso l’Università degli Studi di Napoli Federico II. La ricerca, dal titoloIntegration of BIM and Procedural Modeling tools for Railway Design” è stata condotta con il supporto dei relatori Prof. Ing. Gianluca Dell’Acqua e Prof. Ing. Salvatore Antonio Biancardo.
Il lavoro è stato premiato al concorso BIM&Digital Award 2020, nella Categoria “Ricerca”.

BIM e Procedural Modeling
Con il BIM è possibile creare un modello informativo dinamico, interdisciplinare e condiviso: il Digital Twin, il gemello digitale del progetto che contiene dati su geometria, materiali, struttura portante, caratteristiche termiche e prestazioni energetiche, impianti, costi, sicurezza, manutenzione.
Agli strumenti BIM si affianca in maniera naturale la tecnica della modellazione procedurale, cioè una modellazione implicita, ovvero che mantiene la memoria del percorso creativo del modello. Le tecniche di modellazione geometrica procedurale più comuni sono: la BREP, Boundary Representation Methods, che si basa sulla gerarchizzazione degli elementi, i quali sono definiti da quelli appartenenti al livello inferiore; la TSM, Triangulated Sourface Modeling, che consente di modellare una qualsiasi superficie tramite una mesh di triangoli, tanto più fitta quanto più è alto il numero di punti che discretizzano la superficie; la CSG, Constructive Solid Geometry, che si basa sulla manipolazione di superfici chiuse tramite operazioni quali la rotazione intorno ad un asse, l’estrusione lungo una retta, che diventa “sweep” se avviene lungo una curva e “lofting” se lungo la congiungente due superfici di riferimento.
La modellazione procedurale, o “Procedural Modeling”, può affiancare il progettista BIM in tutte le fasi di modellazione, non solo quella geometrica.
Nella sua tesi, Mattia Intignano ha voluto indagare le potenzialità di alcuni strumenti BIM affiancati da algoritmi di modellazione procedurale, tramite l’espediente dell’elaborazione del modello di un tratto rettilineo di una sezione ferroviaria, avendo come riferimento le norme tecniche italiane e slovene.
In particolare, sono stati utilizzati i seguenti codici di programmazione: OpenSCAD, modellatore 3D basato sul coding diretto; Rhinoceros 6, CAD tool operante tramite le NURBS (Non Uniform Rational B-Splines), che sfrutta i cosiddetti punti di controllo per la modellazione esplicita; Grasshopper, estensione di Rhinoceros, permette l’implementazione di algoritmi di computational design, e quindi di procedural modeling, i cui script sono inseriti in un Ambiente di Programmazione Visuale (VPLE – Visual Programming Language Environment), ovvero sono rappresentati da grafi i cui nodi corrispondono a locuzioni logiche collegate tra loro da frecce in modo che gli output di un nodo possano essere gli input di un altro; VisualARQ, altra estensione di Rhinoceros, utilizzata per l’esportazione del modello in formato IFC.
Successivamente, si sono paragonati i risultati ottenuti con quelli di Civil 3D, di casa Autodesk, e Dynamo, estensione che lavora anch’essa in un ambiente di programmazione visuale per l’implementazione di algoritmi di modellazione procedurale.
Si è poi utilizzato un BIM Viewer open source, BIM CollabZOOM, per verificare la buona riuscita dell’esportazione dei modelli in formato IFC.

OpenSCAD
OpenSCAD presenta un’interfaccia intuitiva, composta da un editor per il codice, una finestra per gli avvisi e una per la visualizzazione del modello. Il codice è stato strutturato sui moduli. Ogni modulo ricostruisce un pezzo della sovrastruttura ferroviaria – Ballast, Sub-Ballast, Base, Binari, Traversa, Ancoraggi, Strato Vegetale.
I diversi oggetti solidi sono stati modellati con la tecnica BREP, cioè definendo a cascata vertici, segmenti, polilinee, superfici 2D poi estruse lungo l’asse secondo la tecnica CSG. Si è poi sfruttato un ciclo “for” per la distribuzione lungo l’asse di oggetti puntuali quali traverse e ancoraggi, ripetendo ciclicamente l’operazione di creazione delle geometrie e posizionamento lungo progressive successive. L’impostazione logica del codice garantisce la caratterizzazione parametrica del modello, poiché le coordinate dei vertici dipendono da variabili di input che il progettista definisce numericamente all’inizio in conformità con le normative.

Rhinoceros 6, Grasshopper, VisualARQ
Per quanto riguarda il secondo gruppo di codici, la modellazione geometrica è stata affidata a Grasshopper. Il primo passo è stato integrare le normative nello script, organizzando gli input in due gruppi, coerenti l’uno con le prescrizioni della normativa italiana, e l’altro con quelle della normativa slovena.
Tali gruppi vengono specificati dall’utente che deve solo indicare: il tipo di ferrovia, che determina la presenza o meno dello strato di Sub-Ballast e lo spessore del Ballast; i materiali da utilizzare per le traverse (potendo scegliere tra acciaio, legno e calcestruzzo) e lo strato di Sub-Ballast (se presente, potendo scegliere tra calcestruzzo e conglomerato bituminoso); gli standard per i binari. A seguire, le informazioni inserite vengono filtrate a seconda che si voglia utilizzare la normativa italiana o quella slovena. A valle di ciò, si determina numericamente un set di variabili di controllo geometriche, coerenti tra loro e con la normativa, costituente l’input per il codice che genera la sezione.
In tale codice, ogni elemento è stato modellato a partire da coordinate parametrizzate, ovvero ottenute tramite la manipolazione matematica degli input, pervenendo alle coordinate dei vertici di quelle polilinee chiuse che determinano le superfici da estrudere. Per distribuire lungo l’asse le traverse e contestualmente gli ancoraggi, si è creata una serie di sequenze eseguite in parallelo delle operazioni elementari di cui prima, ovvero la cascata vertici-polilinee-superfici-estrusione.
Il modello geometrico è stato poi importato in Rhinoceros in veste di oggetto parametrico, a cui è stato possibile assegnare degli attributi quali nome, tipo di oggetto, layer, materiali.
Successivamente, tramite VisualARQ si è esportato il modello in IFC avendo associato ad ogni singolo elemento della sovrastruttura ferroviaria uno standard di riferimento.

Civil 3D
Civil 3D velocizza e semplifica diverse operazioni per la progettazione di infrastrutture lineari. Per prima cosa, si è modellata una superficie a partire da una nuvola di punti, tramite la tecnica TSM. Si è poi disegnato un tracciato rettilineo a cui è stato associato automaticamente un andamento altimetrico coerente con la superficie modellata in precedenza. Poiché è completamente implementata la normativa italiana, è stato possibile produrre automaticamente grafici in essa previsti, quali il diagramma delle velocità (di rango, limite, o di linea). Infine, è stata selezionata una sezione tipo, resa disponibile in libreria, ed estrusa lungo il tracciato per la creazione del corridoio 3D.
L’ultima operazione descritta, genera un errore grossolano di modellazione geometrica, ovvero le traverse risultano in un unico elemento estruso: si perde, in questo modo, la coerenza tra il modello e la realtà e per ovviare a ciò, si è utilizzato uno script in Dynamo. Nello specifico, si è creato l’oggetto “Tie”, ovvero la singola traversa ferroviaria: a partire da un file CSV, si sono estratti gli input geometrici per la creazione della geometria della traversa, importata poi in Civil 3D come oggetto di linee CAD; a seguire è stato creato un set di proprietà ed associato all’oggetto – ciò si può fare in via diretta in Civil, oppure con uno script di Dynamo, in cui si sfrutta la possibilità di importare i valori degli attributi da file esterni (CSV).
Dopo aver definito nei dettagli l’oggetto “Tie”, questo è stato distribuito lungo l’asse tramite un altro script di Dynamo: selezionato il corridoio dal documento corrente, si è individuata una sua “linea caratteristica” lungo cui individuare le sezioni iniziale e finale, ed una serie di sezioni intermedie, in cui posizionare le traverse; tali sezioni intermedie sono state individuate a partire dal modulo, ovvero la distanza tra due traverse successive, dipendente dal peso e dalla velocità dei veicoli transitanti sulla sovrastruttura ferrovia, individuato nell’algoritmo tramite uno script nel linguaggio di programmazione Python.
Creato così il modello CAD, completo di dettagli, in cui l’oggetto traversa presenta anche caratteristiche di tipo non geometrico, Civil 3D permette l’esportazione del file in formato IFC.

L’interoperabilità
Confrontando i codici di programmazione illustrati si è osservato che OpenSCAD è l’unico open-source e a non sfruttare estensioni. Per quanto riguarda i formati file utilizzati, l’elenco è molto lungo, e alcuni di essi consentono un certo grado di interoperabilità: OpenSCAD può esportare disegni 2D in formato DXF e modelli 3D in formato STL, entrambi riconosciuti in ingresso da Rhinoceros, ma non da Civil; DWG e IFC sono invece i formati di interscambio per Rhino e Civil.
Se da un lato OpenSCAD è leggero ed open-source, dall’altro purtroppo si limita alla modellazione geometrica, con scarsa possibilità di coinvolgimento nel mondo del BIM, laddove al più può essere usato per creare un modello 3D da inserire poi in un altro tool come lo stesso Rhinoceros, il quale però nell’I-BIM ha prestazioni medie ma non buone come quelle di Civil. Questo, pur rappresentando il codice di programmazione più spendibile per un progetto infrastrutturale, presenta un forte problema di interoperabilità, poiché il contenuto informativo del modello si perde quando il file in formato IFC viene aperto da un visualizzatore BIM che non sia di casa Autodesk.

 

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Giornalista professionista della redazione di BIMportale, lavora da molti anni nell’editoria B2B per la stampa tecnica e specializzata. Ha scritto a lungo di tecnologia, business e innovazione. Oggi orienta la sua professione nel campo delle tecnologie applicate alla progettazione architettonica e all’imprenditoria delle costruzioni.