Lo sviluppo tecnologico consente di integrare i modelli BIM con una serie di nuove applicazioni, come l’Intelligenza Artificiale e l’Internet Of Things. Le possibilità sono sempre più numerose e interessanti. In questo articolo approfondiremo i Digital Twin e i casi applicativi esistenti.
Un Digital Twin si ottiene collegando due elementi. Da un lato la copia digitale (Twin Model), il modello 3D informatico che replica l’edificio costruito. Può essere un modello 3D semplice o un modello BIM completo dell’edificio. Il secondo elemento riguarda proprio l’edificio costruito, che dovrà essere “farcito” di sensori e attuatori collegati a Internet, per gli amici IoT (Internet of Things).
In questo modo l'edificio invia informazioni alla sua replica digitale, la quale, tramite attuatori, risponde al variare di queste informazioni. La risposta può essere controllata da un umano oppure automatica, sfruttando il Machine Learning (ML) e l'Intelligenza Artificiale (AI).
Questo concetto, utilizzato dalla NASA da tempo per testare e monitorare le prestazioni dei suoi veicoli spaziali, veniva chiamato sistema a specchio, ed è stato utilizzato per la prima volta quasi 50 anni fa per salvare la missione Apollo 13. Il termine gemello digitale, invece, è apparso nei primi anni 2000.
Dallo spazio si torna sulla terra, in cui il sistema viene espanso dal singolo edificio a tutti gli edifici di una città e anche alle sue infrastrutture. Una vera e propria fusione di tecnologie che sfuma le linee di demarcazione tra fisico e digitale, implementando intelligenza artificiale, apprendimento automatico, robotica, veicoli autonomi e IoT.
Le promesse dei Digital Twin sono interessanti, in primis la riduzione dei costi:
Le informazioni vitali sull'asset costruito possono essere archiviate e analizzate durante il suo ciclo di vita e mantenute aggiornate. Queste informazioni (la documentazione di progettazione, gli inventari, le specifiche dei materiali e i programmi/pianificazioni) diventano facilmente accessibili. L’accessibilità è un tema molto caro alla filosofia BIM (l'abbiamo detto parlando della collaborazione alla base del modello): i Digital Twin ne aumentano la portata di produttività e di collaborazione.
Questi dati possono essere monitorati e analizzati in tempo reale, fornendo preziose informazioni su come l'asset viene utilizzato e sulle prestazioni attuali. Questo ci permette di rispondere a domande come: "Dove sono gli elementi di manutenzione a più alto rischio?" oppure valutare scenari come: "Se cambio X, come influenzerà Y?".
Altri aspetti importanti sono la possibilità di migliorare la sicurezza per i lavoratori in loco - ottenendo il monitoraggio e gli avvisi in tempo reale sul sito, comprese le notifiche di aree pericolose - e di intervenire sul funzionamento delle infrastrutture o del traffico veicolare in situazioni di emergenza per la cittadinanza.
Viste le premesse, le applicazioni dei Digital Twin sono molteplici. Nel caso delle città, pianificatori e ingegneri possono studiare i gemelli digitali e ottenere informazioni per migliorare i servizi, pianificare gli sviluppi, ottimizzare i sistemi degli edifici e monitorare il flusso del traffico. I progettisti possono simulare le idee nell’ambiente urbano costruito prima che vengano costruiti e comprendere in anticipo l’impatto delle decisioni prese. Inoltre, i Gemelli Digitali consentono di monitorare la salute strutturale degli edifici fisici, riparando le cose prima che si rompano e rendendo le infrastrutture più sicure e più resilienti.
Esistono 6 livelli di maturità del Digital Twin. Si passa dalla semplice cattura della realtà (nuvola di punti, droni, fotogrammetria o disegni/schizzi) al livello 5. È il più elevato, in cui il modello, arricchito con dati in tempo reale, provvisto di integrazione e interazione con i dati bidirezionali, permette operazioni e manutenzioni autonome e il gemello digitale viene utilizzato per il completo autogoverno con totale controllo e trasparenza.
Il primo livello è di indubbia utilità anche a scopo didattico per lo studio degli edifici storici. Andrebbe a soppiantare il vecchio metodo di studio per immagini ancora in voga in favore di una comprensione più ampia delle tecniche costruttive adottate da cui trarre insegnamento. Per esempio, lo studio della cupola del Duomo di Santa Maria del Fiore a Firenze, opera di Filippo Brunelleschi.
L'ultimo livello di maturità del Digital Twin è al contrario un tema complesso, soprattutto se aggiungiamo il problema di governo e gestione dei dati personali che andranno a concorrere alla mole di dati necessari a questo scopo.
Prima di passare agli esempi pratici di questa teoria, parliamo del MIT Senseable City Lab, fondato dal direttore torinese Arch. Ing. Carlo Ratti nel 2004. La sua missione è indagare e anticipare come le tecnologie digitali stanno cambiando il modo in cui le persone vivono e le implicazioni a scala urbana.
A differenza del concetto delle Smart City, in questo laboratorio si teorizzano le Senseable City, nelle quali viene enfatizzato l’aspetto umano, perché saranno le città stesse ad adattarsi alle richieste dei loro abitanti. Le nostre città sono già ora dotate di reti cablate ed elettroniche, senza considerare le migliaia di sensori e attuatori che gli abitanti si portano dietro, primo fra tutti lo smartphone. Con un sistema di controllo in tempo reale (come quello utilizzato nelle monoposto di Formula 1) si può ottenere la massima efficienza delle risorse disponibili al variare delle condizioni.
Un interessate esempio di come possono essere utilizzate queste tecnologie in un singolo edificio è il progetto Digital Water Pavillon realizzato per L'Expo 2008 a Zaragoza. Le pareti sono delle cascate d'acqua che, grazie a delle elettrovalvole poste in sommità delle pareti, permettono di chiudere e aprire il flusso d'acqua cadente in modo da far apparire delle scritte e dei disegni. Inoltre, aprono dei varchi quando una persona si avvicina per entrare o uscire dal padiglione, senza la necessità di porte fisiche. Altra particolarità è la possibilità di alzare o abbassare il tetto ricoperto d'acqua per minimizzare gli spruzzi in caso di vento oppure di abbassarlo del tutto e portarlo a livello del terreno.
Un sistema olistico completamente reattivo e automatizzato è attualmente un obiettivo lontano, ma l'industria sta già offrendo elementi di partenza adottabili. Le Smart City di domani saranno costruite sui dataset di oggi e le loro fondamenta saranno tanto digitali quanto fisiche. I modelli BIM sono il cardine di questa tecnologia e Archicad uno strumento prezioso per fondare le basi dei Digital Twin.
Il complesso dell'Azienda Sanitaria Universitaria Friuli Centrale di Udine utilizza la metodologia BIM con Archicad per la gestione del suo patrimonio immobiliare che verte su: la codifica alfanumerica univoca dei vari edifici e dei locali; la conoscenza delle informazioni dimensionali e delle caratteristiche edili dei locali (superficie, altezza, volumi, tipologia dei materiali, di finitura delle pareti e pavimenti); la classificazione degli impianti elettrici, meccanici e speciali presenti nei singoli locali e infine la classe di rischio sanitario.
Con l'obiettivo di realizzare un sistema integrato e cooperativo per la produzione, lo scambio e la circolazione delle informazioni relative ai singoli fabbricati, l'Azienda ha pianificato un programma generalizzato di corsi di formazione per il personale interno per permettere l'implementazione e l'aggiornamento del sistema informativo.
Promossa dalla Fondazione Le Pescherie di Giulio Romano, la digitalizzazione grazie al BIM ha permesso al monumento di riprendere vita, contribuendo alla migliore pianificazione degli interventi di recupero.
L'implementazione del BIM nel settore del restauro è noto com H-BIM e si basa sulla conoscenza dell'edificio, dal punto di vista storico, geometrico e materico. Il risultato è la creazione di un archivio digitale che racchiuda documenti, rilievi, fotografie e modelli. Questo aspetto è di vitale importanza per Paesi che hanno un patrimonio storico come quello italiano. In Francia, ad esempio, esiste l'Art Graphiques and Patrimoine, specializzata nella conservazione digitale di monumenti e manufatti culturali, intervenuta di recente nel disastro del rogo di Notre Dame de Paris.
Il modello ha sfruttato il rilievo tramite laser scan dalla società Piscan (di 800 milioni di punti rilevati) e la ricerca storica condotta dallo studio Pda Associati di Mantova per realizzare il modello BIM tramite Archicad dell'edificio giuliesco. Ha inoltre ottenuto il riconoscimento BIM&Digital Award 2018 per il settore "interventi di restauro e valorizzazione del patrimonio". Oltre alle geometrie e ai materiali presenti, i dati all'interno del modello riguardano i vari strati di degrado, le fasi storiche e gli interventi ipotizzati dal progettista.
Grazie al BIMx è stato possibile condividere il progetto in modo più completo e immersivo, sfruttando la realtà virtuale. È un enorme passo in avanti rispetto alle possibilità che il CAD può permettere nel restauro, sia per i progettisti che per le Amministrazioni Pubbliche, passando per la comunità scientifica e gli operatori coinvolti.
Il progetto pilota nasce nel 2013 con l'intento di sperimentare e sviluppare l'uso della metodologia BIM in tutte le discipline del restauro. Il focus è sul consolidamento delle coperture, sugli interventi di riduzione della vulnerabilità sismica e sul completo recupero dell'ex Chiesa di San Giovanni ad Argenta.
Il rilievo è fondamentale nel restauro e non si poteva partire che dalla nuvola di punti per la modellazione dell'edificio. Il binomio Archicad - Rhino ha permesso la costruzione dettagliata del modello geometrico rappresentativo completo dell'ex Chiesa. Anche in questo caso è stato utilizzato BIMx per la comunicazione delle informazioni racchiuse nel modello BIM, come ad esempio il quadro fessurativo che consente di monitorare l'intero stato di danno.
La restituzione digitale della Chiesa Diruta di Grottole con Archicad è stata utilizzata per ReUse Italy. Questo concorso internazionale è nato con il preciso obiettivo di riqualificare gli edifici italiani di grande valore storico e architettonico e nel 2020 l'oggetto del concorso era proprio Chiesa Diruta, edificio incompiuto del XV secolo, in totale stato di abbandono.
Grazie a Graphisoft (sponsor del concorso) e al lavoro di Luca Manelli, è stato possibile consegnare ai partecipanti il modello 3D in Archicad, un documento IFC esportato dal modello e l'iper-modello BIMx. Tutto il materiale digitale, oltre a rendere più agevole la partecipazione al concorso con moderne tecniche di progettazione, è la base del Twin Model dell'edificio.
Tappa fondamentale verso la strada dei Digital Twin è stata la collaborazione tra Minnucci Associati s.r.l. ed Engisis s.r.l. che hanno dato vita a BIMAIM: un’estensione che permette di integrare BIMx con sistemi di terze parti. In questo modo è possibile controllare l’impianto domotico di casa e anche gestire edifici, impianti, e le relative manutenzioni. Qui vediamo il sistema in azione:
Si può interagire con i singoli componenti tecnologici presenti nell’edificio effettuando diverse operazioni: accensione/spegnimento luci, apertura/chiusura tapparelle o tende elettriche, visualizzazione flusso video DVR o singola telecamera, gestione impianti di allarme e di accesso (biometrico e tastierini numerici), gestione impianti di riscaldamento.
Il BIMx può essere utilizzato sia come attuatore sia come gestore delle manutenzioni e come strumento di censimento sul campo o in remoto per mantenere aggiornato il Twin Model.
L'Università di Newcastle ha sviluppato PYRAMID, uno strumento per creare valutazioni del rischio di alluvione quasi in tempo reale utilizzando i dati LiDAR e della mappatura aerea di Bluesky. Sono stati inclusi vecchi report e registri delle risorse alluvionali e uniti ai sensori meteorologici e del traffico.
Tutte le informazioni concorrono a formare la base di dati dai quali verranno estratte le informazioni con l’aiuto dell’intelligenza artificiale per valutare il rischio di alluvione. Il progetto utilizzerà anche l'intelligenza artificiale e l'apprendimento automatico per estrarre automaticamente informazioni da altre fonti di dati.
Perché ricorrere a sistemi di questo tipo? Perché nel 2012 Newcastle ha subito la peggiore inondazione a memoria d’uomo, che ha messo in crisi l’attuale modellizzazione delle inondazioni. Questo sistema rappresenta la risposta al variare incontrollato delle condizioni meteorologiche.
Esiste un clone virtuale di Shangai, con i suoi 26 milioni di abitanti. Il lavoro ha richiesto la modellazione individuale di oltre 20 strutture iconiche della città tra cui l'Oriental Pearl e la Shangai Tower. Per il resto degli innumerevoli edifici, strade, corsi d'acqua e spazi verdi, si è ricorso all'utilizzo di un algoritmo a cui sono stati dati in pasto i dati provenienti da satelliti, droni e sensori.
L'uso dei Digital Twin permette di informare il processo decisionale durante tutto il suo ciclo di vita, a partire dalla fase di progettazione. La simulazione dei dati consente di ottimizzare il processo di design, monitorando la controparte fisica, e prevedere come si comporterà in futuro. Oltre all'analisi accurata di ciò che sta accadendo nella versione reale, si possono testare le prestazioni future e valutare i possibili rischi. Un'opportunità per migliorare l'efficienza, mitigare l'impatto ambientale e ridurre i costi.
Il gemello digitale della regione occidentale di Sidney incorpora circa 3400 chilometri quadrati di mesh 3D senza interruzioni, catturata con una risoluzione di pixel inferiore a 6 cm. Ci sono volute oltre un milione di immagini e 28.500 gigapixel di informazioni visive.
Lo Spatial Digital Twin del NSW è un progetto open source che vuole incoraggiare e accelerare l'attività economica attraverso dati centralizzati e coerenti. Le giurisdizioni stanno investendo nella creazione di asset Digital Twin perché i ritorni sugli investimenti sono notevoli: migliori dati spaziali migliorano la moltitudine di attività che comportano la modifica delle strutture e dello spazio.
Di Adelaide, invece, è stato realizzato con Twinmotion il modello 3D di circa 1000 chilometri quadrati, utilizzando i dati fotogrammetrici acquisiti tramite velivoli ed elicotteri. I modelli 3D generati da queste scansioni sono stati poi sottoposti a un processo di pulizia manuale per rimuovere gli artefatti di geometria e texture.
Una volta puliti, i modelli sono stati suddivisi in riquadri con diversi livelli di dettaglio ed esportati in formati 3D come OBJ ed FBX per Twinmotion nel quale sono stati integrati con le risorse messe a disposizione da Quixel Megascan. Non è possibile caricare subito un modello 3D di così grandi dimensioni: bisogna dividere, unire e decimare i dati in risorse gestibili.
In questo clone digitale, il modello 3D interattivo diventa un linguaggio universale: fornisce gli strumenti per testare rapidamente ipotesi complesse, modificare dinamicamente l'illuminazione e le condizioni meteorologiche, aggiungere vita ad un modello statico o produrre visualizzazioni realistiche, simulando come un progetto si adatterà al suo ambiente in modo realistico.
L’amministrazione di Pau, nella regione dei Pirenei francesi, nell'ambito del proprio approccio Smart City ha sviluppato e mantiene attivamente un repository di dati digitali. In questo modo migliora la conoscenza, la gestione e lo sviluppo del proprio patrimonio e del proprio territorio.
La punta di diamante di questo Digital Twin è il modello 3D della città vecchia, incluso il suo storico castello, con una risoluzione che si avvicina a pochi millimetri di dimensione dei pixel. Questo progetto ha implementato la scienza della fotogrammetria, che ha previsto la ricostruzione geometrica di oltre 100.000 immagini 2D prese da elicotteri, droni e a piedi. Il modello ha fornito risoluzioni che vanno da 2 cm fino a 3 mm, tutte unite in un'unica rete cittadina 3D, consentendo un'interazione senza interruzioni da parte degli utenti.
Questo modello è utilizzato anche per: l'economia del turismo (le persone possono camminare come un pedone in uno spazio virtuale arricchito con referenze di commercianti, aziende o servizi); la logistica urbana e la documentazione del patrimonio (utile per monitorare il deterioramento e come base per la ricostruzione nel caso di danni); l'urbanistica, il trasporto, il traffico e la gestione del rischio.
A proposito di promozione delle città, il gemello digitale della capitale finlandese Helsinki viene utilizzato anche per tour immobiliari virtuali oltre a quelli turistici. È divenuta vetrina tecnologica quando la città è stata nominata Capitale europea del turismo intelligente nel 2019.
Questa tecnologia affascinante e piena di promesse è già stata implementata, a vari livelli di maturità, in alcune città del mondo. Rimane ancora da chiarire il tipo di utilizzo effettivo dei dati che riguardano le persone, ma soprattutto la loro regolamentazione a livello mondiale. Vengono utilizzati dati anonimi e aggregati, ma per quanto tempo avranno questa natura? E quando sarà regolamentato l'uso di questi strumenti per evitare la sorveglianza di massa?
Per standardizzare la definizione dei gemelli digitali e facilitare la condivisione delle conoscenze, stanno nascendo organizzazioni come il Digital Twin Consortium negli Stati Uniti, il Digital Twin Cities Centre in Svezia ed il Centre for Digital Built Britain nel Regno Unito. A noi non rimane che mantenere l'attenzione puntata sullo sviluppo dei Digital Twin, di cui sentiremo sempre più parlare.
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