Applicazione di un Processo di Progettazione Integrata BIM e PLM per il Settore della Prefabbricazione

Italian Concrete Days.jpgAbstract: L’articolo mostra un innovativo flusso di lavoro basato sull’applicazione delle tecnologie BIM (Building Information Modelling) e PLM (Product Life Management) alla progettazione e alla realizzazione degli edifici prefabbricati in calcestruzzo armato. L’approccio tridimensionale parametrico risulta particolarmente interessante per tipolo-gie strutturali caratterizzate da elevato tasso di industrializzazione, come quelle prefabbricate assemblate a secco. Questo settore mostra infatti una crescente attenzione rivolta a tali approcci progettuali, sebbene essi siano ancora raramente implementati. Viene discusso il flusso progettuale svolto in ambiente tridimensionale, a partire dalla definizione delle famiglie parametriche degli ele-menti in ambito BIM fino alla compilazione dinamica delle tavole di produzione in ambito PLM in grado di dialogare direttamente con le macchine di produzione a controllo numerico. La funzionalità del flusso di lavoro proposto, svolto con l’ausilio dei software più avanzati del settore, viene mostrata attraverso degli esempi applicativi.

Articolo presentato in occasione degli Italian Concrete Days 2018 di aicap e CTE


INTRODUZIONE

Nel settore delle costruzioni è in atto una profonda trasformazione che è destinata, con l’avvento della progettazione tridimensionale, a rivoluzionare il tradizionale modo di progettare e di realizzare le opere edili.

Questo è un processo già avviato di razionalizzazione della progettazione basato sull’utilizzo di programmi di progettazione tridimensionale parametrici architettonici detti BIM.

BIM (Building Information Modelling), “Modellazione di Informazioni di un Edificio”, è un acronimo che indica una tipologia di software tridimensionali architettonici parametrici, nel quale vengono posizionati nello spazio virtuale elementi tridimen-sionali al fine di ottenere un unico modello di edificio dal quale è possibile estrarre non solo piante, sezioni e prospetti, ma anche caratteristiche geometriche, fisiche e funzionali per ciascun ele-mento o per insiemi di essi.

Grazie a questa tecnologia, le attività di progettazione e computo per le di-scipline architettonica, strutturale e impiantistica del settore edile vengono inserite nell’unico modello tridimensionale dell’edificio.

La rivoluzione della progettazione BIM si concre-tizza in un concetto di condivisione e trasparenza delle informazioni e ricerca della massima qualità di progettazione, attraverso la risoluzione preventiva di nodi complessi, interferenze, e altri classici problemi che nella prassi tradizionale emergono e vengono affrontati solamente nella fase di realizzazione dell’opera.

Per meglio comprendere le origini dei software BIM bisogna fare un parallelo con i software PLM (Product Life Management), “Gestione della Vita del Prodotto”, software in grado di gestire la vita di prodotti industriali anche di elevata complessità dalla loro ideazione fino alla morte commerciale (Fig. 1). 

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Nati nel 1985, grazie ad investimenti del settore automobilistico americano, i software PLM parame-trici tridimensionali hanno permesso a quel settore industriale di raggiungere gli elevati livelli qualitati-vi che oggi conosciamo.

La relativamente recente creazione di software BIM non è altro che il tentativo di riproporre in ambito edile la fortunata esperienza del PLM con l’industria (Lund et al. 2005, Cassina et al. 2007, Aram & Eastman 2013, Aram et al. 2013).

La prefabbricazione, in quanto ponte tra produzione manifatturiera e industria pesante, presenta in genere un’arretratezza tecnologica evidente rispetto gli standard qualitativi tipici del mondo industriale e per questo si trova oggi nell’esigenza di introdurre processi innovativi sia nella fase di progettazione ar-chitettonica edile sia in quella di progettazione industriale delle tavole di produzione dei manufatti.

Oggi gli obiettivi strategici del governo italiano fanno riferimento all’industria 4.0, ma non bisogna dimenticare che gli obiettivi dell’industria 3.0, ovvero l’informatizzazione degli uffici e l’automazione della produzione, non sono ad oggi implementati nel settore della prefabbricazione, il quale presenta un flusso di lavoro caratterizzato da ampio utilizzo di strumenti individuali fondamentali per l’esecuzione delle attività richieste ma tra loro scollegati, tipica-mente software 2D, e dalla necessità di caricare dati o interi progetti manualmente da altri sistemi o da documentazione cartacea.

Nonostante le scarse applicazioni, l’industria del-la prefabbricazione si presta ottimamente all’uso combinato delle tecnologie BIM e PLM (Sacks et al. 2005-2010, Kaner et al. 2008, Costa & Madrazo 2015, Nath et al. 2015, Collins 2016). A supporto di tale affermazione, si consideri che la produzione degli elementi avviene attraverso casseri dalle funzionalità a volte anche molto complesse, ma pur sempre limitate e individuabili esaustivamente, e quindi programmabili. Inoltre, viene fatto largo uso di macchinari a controllo numerico per diverse operazioni, quali la piegatura del ferro, la saldatura delle gabbie, il posizionamento delle sponde, etc. Infine, la progettazione razionale del prefabbricato porta ad una notevole ripetitività di operazioni, e di conseguenza l’adozione di meccanismi automatizzati porta ai massimi benefici.

Il flusso di progettazione della prefabbricazione comprende una fase di progettazione architettonica e di definizione delle connessioni dell’edificio, che è una progettazione edilizia, mentre la fase di esecuzione delle tavole dei manufatti e di produzione dei singoli componenti viene facilitata e razionalizzata da una progettazione industriale in ambito 3D con l’utilizzo di software sia BIM che PLM.

L’introduzione di queste tecnologie nella prefabbricazione coinciderà con il completamento della fase industriale 3.0 e di approccio alla fase 4.0.

Il presente articolo vuole raccontare e condividere l’esperienza che la società di progettazione DLC Consulting, recentemente affiancata dal Politecnico di Milano, ha accumulato in oltre 20 anni di esperienza nell’ambito dell’utilizzo di strumenti di pro-gettazione tridimensionale parametrica nel settore della prefabbricazione.

2 FLUSSO DI LAVORO

La progettazione BIM parte da un modello aziendale nel quale sono già contenute le impostazioni grafiche e le famiglie parametriche di sistema e personalizzate, e nel quale le distinte delle quantità e dei dati che si desidera documentare sono già impostati e si compilano automaticamente arricchendosi dei dati contenuti nelle famiglie quando queste vengono progressivamente inserite nel progetto.

Dal modello BIM si esportano, sotto forma di fogli di calcolo, le informazioni di carpenteria e di collegamenti per ogni manufatto. A questo punto, il programma PLM legge i dati contenuti all’interno dei fogli di calcolo relativi ad ogni singolo manufatto e, collegato a tali parametri, si aggiorna un assieme parametrico del manufatto contenente anche l’armatura.

A valle della definizione completa dei dati associati ad ogni manufatto, deve naturalmente essere condotto un dimensionamento strutturale, il quale ad oggi non è ancora completamente integrato nel processo progettuale automatizzato. Esistono tuttavia programmi di calcolo strutturale che si stanno evolvendo nella direzione di una completa compatibilità con i programmi BIM e PLM.

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Questo flusso progettuale (Fig. 2) è basato sull’utilizzo dei software di progettazione della casa Autodesk e quindi Revit© (Pozzoli et al. 2018) in ambito BIM e Inventor© (Sella e Rossetto 2016) in ambito PLM. Questi software vengono utilizzati nelle loro funzionalità standard, senza alcuna programmazione esterna ad eccezione di brevi algoritmi specifici e quindi senza le complicazioni e i costi ad essa associati.

In ambiente PLM vengono create le tavole di car-penteria e di armatura che si adatteranno dinamica-mente alle variazioni dei parametri dell’assieme rappresentato. Gli oggetti tridimensionali posizionati nei software in questione sono denominati “famiglie” in Revit© e “assiemi” in Inventor©. Tuttavia, si tratta del medesimo concetto: sono solidi 3D dotati di elevata dinamicità, cioè in grado di assumere tutte le configurazioni di carpenteria e armatura necessa-rie a individuare la variabilità del prodotto. Uno schema dei potenziali prodotti del processo sopra descritto è fornito in Figura 3.

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3 ESEMPI APPLICATIVI

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Il cuore della progettazione in BIM di una struttura prefabbricata coincide con la definizione di famiglie parametriche di componenti prefabbricati, attività delicata e impegnativa. Le geometrie di carpenteria e gli elementi di connessione vengono definiti all'interno della famiglia. Le configurazioni possibili di un elemento prefabbricato coincidono con le variabili, anche complesse ma sempre definibili compiutamente, del cassero in cui l’elemento viene prodotto ed è quindi dallo studio approfondito delle sue fun-zionalità che è necessario estrarre le informazioni necessarie alla definizione delle famiglie parametriche.

A titolo esemplificativo, si osservino in Figura 4 alcune possibili configurazioni parametriche della famiglia dell’elemento pilastro studiato per poter servire diversi sistemi costruttivi (Dal Lago & Dal Lago 2017-2018) ed essere prodotto in un unico cassero.

Una volta modellate e parametrizzate, le famiglie vengono posizionate nel progetto in ambiente 3D. In tale ambiente vengono dunque dimensionate le carpenterie degli elementi prefabbricati e attivate e allineate le connessioni tra i vari elementi: Revit© permette di effettuare direttamente sul modello l'allineamento delle connessioni, garantendo un controllo molto elevato in questa fase della progettazione. Lo schema di gestione dell’edificio e dei suoi componenti caratteristico di Revit© lo rende uno strumento estremamente utile per la progettazione e documentazione della fase architettonica della prefabbricazione ed efficiente nella preventivazione commerciale.

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L'ARTICOLO COMPLETO E' DISPONIBILE IN ALLEGATO


KEYWORDS: building information modelling; product life management; precast buildings; reinforced concrete; integrated design / building information modelling; product life management; costruzioni prefabbricate; calcestruzzo armato; progettazione integrate


Nel 2020 si terrà a Napoli la terza edizione degli Italian Concrete Days organizzati da aicap e CTE. Per saperne di più collegarsi a questo LINK