La nuvola di punti è estremamente utile quando si ha a che fare con progetti che riguardano il costruito e diventa fondamentale nei progetti di restauro, soprattutto nel contesto italiano, in cui esiste un importante patrimonio edilizio storico.

Come tutte le tecnologie a servizio dell'architettura e del mondo delle costruzioni, anche questa tecnica è in evoluzione, rendendo la stessa acquisizione delle nuvole di punti più facile e semplificando di molto la restituzione per ottenere un modello BIM.

Immagino che chi ha letto i miei precedenti articoli sappia già dove ci porterà questa restituzione precisa del costruito in forma digitale; prima però, partiamo dall'inizio della mia conoscenza in materia.

Il lavoro in galleria

Ho avuto il piacere di conoscere la tecnica del rilievo con nuvola di punti ormai una decina di anni fa, in occasione della restituzione bi/tridimensionale con mappatura dei materiali interni e dei degradi di una galleria ferroviaria lunga circa 200 metri.

Questo lavoro è servito come supporto alla progettazione di ripristino della galleria da parte del Politecnico di Torino. Oltre alla restituzione delle sezioni longitudinali, sono state prodotte le relative ortofoto.

Il rilievo strumentale all'interno di una galleria ferroviaria non si può fare quando si vuole! E quando si può fare? Di sicuro non tra il passaggio di un treno e l'altro: infatti, in accordo con l'Ente gestore di quel tratto ferroviario, la campagna di rilievo è stata effettuata dalle 23 alle 5 del mattino in tardo autunno.

Per effettuare il rilievo è stato realizzato un piccolo carrello artigianale adatto al transito su rotaia. Il carrello era dotato di un sistema autonomo di alimentazione elettrica, di illuminazione e di un piano su cui è stato possibile montare il treppiede del laser scanner. Questa ingegnosa soluzione ha permesso di non perdere tempo con le operazioni di messa in bolla dello strumento tra un punto di presa e l'altro e di effettuarle direttamente al centro della galleria.

Finita la campagna di rilievo in tempo per liberare l'area della galleria per il normale passaggio dei treni, dopo aver elaborato in studio i dati raccolti nei giorni seguenti, ho potuto vedere il prodotto delle fatiche notturne: il risultato ottenuto era stupefacente, perché sembrava di avere la galleria reale all'interno dello schermo. Il modello era dotato di una precisione tale da poter visualizzare tutte le piccole crepe dell'intradosso della galleria. Potevamo prendere ogni tipo di misura con estrema facilità e fedeltà.

Altra cosa che mi aveva sbalordito era la possibilità di avere piante e sezioni in qualsiasi punto che volessi: la sensazione è stata molto simile a quella che ho provato quando vidi che prospetti e sezioni architettoniche venivano generate automaticamente dal modello BIM.

La cosa che mi ha lasciato però più perplesso era l'impossibilità di avere delle sezioni e dei prospetti puliti, perché venivano estrapolati dalla nuvola di punti, dalla quale si ottenevano delle polilinee nate dalla interpolazione di punti. Quello che poi si doveva fare in pratica era ripassare le sezioni vettorializzate della nuvola di punti con il CAD per ottenere prospetti e sezioni completi in formati dwg.

Ora facciamo un salto in avanti nel tempo e arriviamo ai giorni nostri.

Evoluzione delle tecniche di rilievo

Oggi ci sono varie tecniche per il rilievo degli edifici con nuvola di punti: la fotogrammetria, il rilievo con drone, il rilievo con laser scanner e la più recente declinazione con tecnologia SLAM. Come sempre nel mondo informatico e architettonico, ci troviamo di fronte a un acronimo che in questo caso riduce il lungo nome originale Simultaneous Localization And Mapping: a differenza dalla tradizionale metodologia Laser scanner, questa consente di effettuare scansioni in movimento, senza necessità di punti fissi per lanciare la scansione del costruito.

In pratica si tiene in mano un sistema mobile dotato di sensore LiDAR con tecnologia SLAM e ci si muove in un determinato spazio, creando così una mappa dell'ambiente perché lo strumento si localizza automaticamente all'interno di esso. Questi strumenti, oltre ad esser tenuti semplicemente in mano, possono essere montati su veicoli e droni (compreso SPOT di Boston Dynamics) permettendo il rilievo di superfici molto estese in tempi relativamente brevi.

Se stai pensando di utilizzare il tuo smartphone con tecnologia LiDAR per questo tipo di scansioni non sei stato l'unico: Matterport, società che si occupa della digitalizzazione e dell'indicizzazione del mondo costruito (oltre che delle relative fotocamere), ha realizzato Axis (in fase di pre-lancio fino a fine marzo 2022). L'oggetto è molto interessante perché è un supporto motorizzato per smartphone che permette la scansione degli spazi con maggior precisione e si sincronizza con l'app Matterport Capture per iOS ed Android. Grazie alla motorizzazione e al telecomando, le scansioni effettuate saranno fluide e senza interruzioni. In pratica, con questo "Gimbal da rilievo" e uno smartphone abbiamo costruito un laser scanner portatile!

Scan to BIM evoluto

La nuvola di punti permette di misurare le distanze e di generare un modello mesh formato da tanti triangoli descritti dalle coordinate tridimensionali sugli assi x,y,z presenti nella nuvola di punti. La mesh ottenuta di solito non ha alcun colore, ma si può rendere colorata tramite la media dei colori dei vari punti che formano i vertici del poligono (in questo caso la qualità dipende dalla quantità di punti rilevati) oppure tramite le foto effettuate dallo strumento di rilievo (in questo caso la qualità dipende dalla qualità delle fotografie). Ci tengo a sottolineare che la creazione di mesh di solito rende pesante il modello, rallentando le procedure di restituzione e il lavoro.

Oltre ai due usi elencati precedentemente, la nuvola di punti è molto utile all'interno della metodologia BIM (per gli amici Scan to BIM). L'unico problema è che la nuvola di punti è un modello di riferimento per la modellazione e rimane da eseguire la ricostruzione del modello rilevato utilizzando gli oggetti parametrici BIM. Una volta eseguite le sezioni della nuvola di punti per estrarre piante e sezioni, si possono sfruttare i punti rilevati per tracciare i vari oggetti parametrici come muri, solai, finestre ecc.

In pratica siamo ricaduti nella situazione di 10 anni fa, solo con strumenti diversi seppur molto più evoluti rispetto ai disegni CAD 2D di cui parlo ad inizio articolo.

Sarebbe bello ottenere un modello BIM già modellato utilizzando i dati all'interno della nuvola di punti, ma ci sono alcune considerazioni da fare. La prima che mi viene in mente sono le interferenze che nascono all'interno della scansione dalla presenza di mobili, pannelli o piante che non consentirebbero un riconoscimento preciso dell'ambiente. Nel caso del riconoscimento automatico di una finestra, ad esempio, il processo non dovrebbe limitarsi alle sole dimensioni ma dovrebbe prendere in considerazione anche le caratteristiche del serramento come il telaio, le ante ed i vetri.

Altra caratteristica delle nuvole di punti, che è anche un punto debole da saper gestire, è la possibile mancanza di dati nelle zone d'ombra. È vero che le zone d'ombra possono essere limitate con la sovrapposizione delle scansioni effettuate da punti diversi, ma un sistema automatico di riconoscimento avrebbe un gran daffare nell'interpretazione di queste zone senza dati.

Per fortuna, queste mie considerazioni personali sono in corso di superamento. Grazie all'evoluzione del kit di sviluppo pensato dall'Open Design Alliance (ODA per gli amici), gli sviluppatori software potranno ricostruire le superfici poligonali della nuvola di punti scansionata e classificarne gli elementi al suo interno per creare smart meshes che mostreranno oggetti comuni come muri, porte, finestre, pavimenti, soffitti, elementi MEP ed elementi strutturali. Questa conversione avviene tramite l'utilizzo di oggetti Boundary representation (B-Rep), utilizzati nei software di BIM authoring per rappresentare la geometria degli oggetti.

In sintesi, questo kit di sviluppo permette di convertire automaticamente pareti, finestre, porte, pavimenti ed altri oggetti in entità riconosciute nei software di BIM authoring ed in linguaggio IFC. Con lo sviluppo di questo fondamentale tassello software nella metodologia Scan to BIM, la restituzione delle nuvole di punti sarà enormemente velocizzata e si spianerà la strada alla realizzazione dei Digital Twin.

Il lavoro in studio

Lo Scan to BIM è fondamentale nelle pratiche BIM applicate al settore del restauro, noto come HBIM (Historical BIM o Heritage BIM come descritto in questo articolo) e nella creazione dei Digital Twin, che collegano la copia digitale e l'edificio costruito farcito da IoT.

Soprattutto in questo periodo storico di bonus edilizi, le nuvole di punti sono inoltre molto utili nel cristallizzare con margini di errore limitati lo stato dell'edificio e delle relative misure, rendendole un importante testimone di fronte a contestazioni oggi come tra dieci anni.

Con Archicad le procedure di importazione delle nuvole di punti sono molto semplici: dal menu basterà selezionare File > Interoperabilità > Importa la nuvola di punti, come meglio spiegato in questo breve video tutorial di Luca Manelli.

L'impaginazione dei prospetti nelle tavole della nuvola di punti importata in Archicad non segue però la classica procedura, nonostante la nuvola sia importata come oggetto. Se seguiamo il normale workflow di salvataggio della vista e importazione nel layout della tavola, il layout rimarrà inesorabilmente vuoto; in questo caso ci vengono in soccorso le sezioni 3D che, opportunamente impostate, permettono di limitare la vista e il numero di punti visualizzati all'interno del prospetto.

Dopodiché si tratta di andare nella vista 3D, impostare la vista assonometrica, la vista frontale e mettere lo sfondo bianco nelle Impostazioni della vista 3D. Una volta eseguita questa procedura si può salvarne la vista che potrà essere importata nel layout dell'elaborato grafico progettuale. Lo spiega bene Luca Manelli nel video tutorial Come impaginare in Archicad la Nuvola di Punti.

Per quanto riguarda l'ottimizzazione della nuvola di punti e per non mandare in crisi il nostro computer, possiamo utilizzare almeno un paio di metodi: il primo consiste nel modificare l'altezza dei piani entro cui devono essere visualizzati i punti. Questo accorgimento è molto intuitivo perché non ha senso visualizzare i punti di un piano che non riguardano quello che vogliamo visualizzare. Per ottenere questo risultato bisogna andare nel menu Documento e selezionare la voce Piano di taglio/pianta e modificare il valore di mostra sotto su ad una trentina di centimetri al di sotto del piano di taglio.

Un altro metodo riguarda le impostazioni dell'oggetto nuvola di punti: lavorando nel pannello Impostazioni personali si può attivare la voce Sovrascrivi intervallo visualizzazione di pianta, impostando una quota per il piano superiore ed una per il piano inferiore.

Di questi due metodi si parla nel tutorial Come ottimizzare la visualizzazione della Nuvola di Punti in Archicad.

Mettiti alla prova!

In attesa di veder implementato il kit di sviluppo di ODA, possiamo approfondire il discorso con l'articolo  Archicad, il rilievo e le nuvole di punti, che contiene molti consigli tecnici e suggerimenti.

Da qui, invece, puoi scaricare delle nuvole di punti di esempio per impratichirsi un po' con questi oggetti e poter fare delle prove senza dover utilizzare un laser scanner.

Se invece siete attirati dalla possibilità di acquisire il costruito con il vostro smartphone, non rimane che provare l'applicazione Matterport e seguire le indicazioni di questo video per mettersi alla prova!

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