Introduzione Verifica dell’avanzamento di cantiere mediante TLS: una procedura innovativa
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INTRODUZIONE
Verifica dell’avanzamento di cantiere mediante TLS: una procedura
innovativa
Lo scopo di questa tesi è di creare una procedura che consenta di associare automaticamente dati
reperiti in cantiere a un modello 3D e che, in tal modo, sia d’ausilio alla verifica “as built” e alla
stesura dello Stato di Avanzamento dei Lavori. L’associazione di dati raccolti in tempi diversi ad un
modello tridimensionale viene definita “Analisi 4D”, dove alla quarta dimensione è attribuita, per
l’appunto, la variabile tempo.
Lo S.A.L. viene solitamente aggiornato mediante metodi manuali, basati su rapporti giornalieri, che
richiedono notevoli investimenti di tempo e possono essere affetti da errori. Questa è una delle cau-
se di ritardo nel progresso dei lavori e impedisce un’adeguata tempestività nell’assunzione dei
provvedimenti necessari ad evitare ripercussioni negative su tempi e costi. Inoltre, solo recentemen-
te la tecnologia ha consentito di associare le informazioni dello S.A.L. a dei modelli tridimensiona-
li, poiché, in passato, una simile operazione sarebbe stata troppo onerosa sia in termini di tempo che
di lavoro [23], [24]. Di conseguenza, oggi, si ha la possibilità di integrare informazioni di questo ti-
po anche all’interno di un contesto di Building Information Modeling.
Il Building Information Modeling, o B.I.M., è un processo che permette di gestire la vita di
un’opera in tutte le sue fasi: l’ideazione, la progettazione, la costruzione, la manutenzione e la de-
molizione. Esso si basa sulla coordinazione di tutte le tipologie di informazioni che devono essere
contenute in un progetto, dalle esigenze dei committenti alle caratteristiche architettoniche, a quelle
strutturali, impiantistiche, gestionali ed economiche, dando così vita, attraverso degli appositi sof-
tware, a dei modelli in cui ogni elemento non è più concepito come una serie di linee e forme, come
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accadeva in ambiente CAD, ma diventa la rappresentazione di un elemento vero e proprio della
struttura. Tale rappresentazione è non solo visiva, ma corredata di tutte le caratteristiche che appar-
tengono all’elemento stesso. Questa visione d’insieme comporta ovviamente numerosi vantaggi,
uno dei quali, per esempio, è che nell’apportare una modifica progettuale, si può avere automatica-
mente un riscontro sulle conseguenze che essa causa sotto vari punti di vista, come la variazione dei
volumi piuttosto che dei costi. In sostanza, si ha in ogni momento una solida interazione tra i vari
aspetti tecnici che costituiscono il progetto stesso.
L’integrazione dell’“as built” nel Building Information Modeling può avere, tra i vari, i seguenti
vantaggi [18]:
- semplificare il processo di monitoraggio riducendo i tempi e i costi richiesti per la cataloga-
zione dei dati analizzati;
- estendere le applicazioni del B.I.M.;
- eliminare la soggettività nel campo del monitoraggio del progresso e della qualità dei lavori;
- permettere una maggiore tempestività nella gestione del cantiere;
- ridurre il tempo necessario per la redazione dello S.A.L.
Appare quindi evidente quanto sia essenziale avere una risposta continua dal cantiere che attesti la
corrispondenza tra il progetto e quanto costruito in modo da poter avere una visione sempre aggior-
nata di come si sta evolvendo l’opera.
Con l’auspicio di poter corredare il Building Information Modeling di tali informazioni, si è proce-
duti attraverso due vie: l’imaging, ossia l’assemblaggio di fotografie bidimensionali che permette di
ottenere un modello tridimensionale [13], [14], [15], [16], [17], [18], [19], [20], [21], e il laser scan-
ning [1], [2], [3], [4], [5], [6], [7], [8], [9], [23], [24]. Mentre il primo tema è stato affrontato da al-
cuni tesisti guidati dal professor Angelo Ciribini, professore ordinario presso il Dipartimento di In-
gegneria Civile, Architettura, Territorio e Ambiente dell’Università degli Studi di Brescia, la pre-
sente tesi, relata dal professor Giorgio Vassena, docente di Topografia e Cartografia presso
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l’Università degli studi di Brescia e presidente della spin off Gexcel s.r.l., è atta a sperimentare delle
applicazioni tuttora inedite della tecnica Terrestrial Laser Scanning (TLS). La tecnologia di scan-
sione laser 3D è già stata adottata come supporto nello sviluppo di modelli “as-built” di impianti in-
dustriali in costruzione, o in fase di manutenzione, ma ci sono delle limitazioni negli attuali softwa-
re commerciali per quanto riguarda l’interpretazione automatica delle informazioni rilevate [24].
Due software innovativi, uRegister e uControl, forniti dal dottor Frédéric Bosché, lettore presso
l’Università Heriot - Watt di Edimburgo, Scozia, riescono per la prima volta ad associare i dati ot-
tenuti dalle scansioni laser 3D, denominati “nuvole di punti”, a un modello tridimensionale, permet-
tendo in tal modo una verifica diretta tra lo stato di fatto e lo stato di progetto del cantiere stesso.
Il primo programma, uRegister, consente la sovrapposizione di una nuvola di punti ad un modello
3D secondo il seguente criterio. Individuato un piano che contiene la superficie di un elemento su
cui giace un punto della nuvola, il software lo sovrappone al piano che contiene la stessa superficie,
associata però ad un elemento del modello. L’allineamento di tre coppie di piani ortogonali tra loro
consente un primo collegamento tra i due modelli. In seguito, tramite una procedura iterativa, il
programma trasla e ruota il sistema di riferimento associato alla nuvola di punti rispetto a quello
della rappresentazione 3D in modo da ottenere una corrispondenza più raffinata tra i due.
Una volta che i due modelli sono orientati secondo lo stesso sistema di riferimento, il secondo sof-
tware, uControl, confronta la corrispondenza tra i punti della nuvola e le superfici degli elementi del
3D, andando quindi a riconoscere gli elementi che effettivamente erano presenti al momento della
scansione e fornendo anche un livello della qualità con cui essi sono stati riconosciuti. L’algoritmo,
come sarà meglio trattato nel primo capitolo, fornisce infatti una stima dei punti che dovrebbero es-
sere associati a un determinato elemento, una dei punti che sono stati riconosciuti come appartenen-
ti all’elemento e una della quantità di punti non riconosciuti a causa di ostruzioni presenti tra lo
scanner e l’elemento stesso. Il numero di punti non identificati a causa della minore o maggiore
bontà dell’allineamento viene ricavato sottraendo alla totalità dei punti che dovrebbero costituire
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l’elemento quelli riconosciuti e quelli non riconosciuti a causa di effettive ostruzioni. Tale stima
viene utilizzata come parametro per giudicare la qualità con cui gli elementi sono stati identificati.
Per poter utilizzare i programmi appena presentati è necessario quindi avere delle nuvole di punti.
Nel primo capitolo di questa tesi, di cui si riporta una breve presentazione, verrà perciò affrontato il
tema di come, teoricamente, poter tracciare una procedura che parta dall’acquisizione di una o più
scansioni in un cantiere e giunga all’associazione delle nuvole di punti ad un modello 3D tramite i
programmi forniti dal dottor Bosché.
Il primo problema affrontato è stato quello di come ottenere una buona scansione in cantiere. In-
nanzitutto si è considerato il posizionamento dello scanner. Dovendo pensare ad una zona in cui
non fosse d’intralcio ai lavori e consentisse una visuale che avesse il minor numero di ostruzioni
possibile, si è ipotizzato di posizionare il laser sui quattro lati della torre di una gru. Non si è co-
munque ritenuto che questa soluzione potesse essere valida in qualunque circostanza in quanto, ad
esempio, superata una certa altezza, le oscillazioni dovute al vento renderebbero inutilizzabile
un’eventuale scansione.
Viste le distanze che solitamente intercorrono tra una gru e un edificio, si è dovuto poi pensare alla
risoluzione su cui impostare lo scanner per avere delle scansioni valide mantenendo comunque i
tempi di scansione ridotti.
Affrontati i problemi per l’acquisizione delle scansioni, si è considerata la questione della loro im-
portazione esaminando vari formati. Infatti ogni scanner permette di esportare i file delle scansioni
solo con alcune estensioni; lo stesso software uRegister, d’altronde, ha delle limitazioni riguardo ai
formati importabili. Si è dovuto quindi ipotizzare una cernita delle estensioni comuni e preventivare
la necessità di una scelta del formato più adatto.
La possibilità di eseguire più scansioni per un unico rilievo ha condotto alla valutazione di vari me-
todi di allineamento di più nuvole con il modello. Se fosse meglio, ad esempio, registrare ogni nu-
vola con il modello in modo indipendente oppure allineare tutte le nuvole tra loro e, solo in un se-
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condo momento, associare il risultato ottenuto al modello. A tal proposito, si è pensato di utilizzare,
sia come tramite tra lo scanner e il programma uRegister, sia per eseguire eventuali allineamenti tra
scansioni, il programma JRC 3D Reconstructor. L’utilizzo di tale software consente sia di pre-
trattare le scansioni, ossia di ripulirle da punti generati da rumore oppure poco precisi, presi, ad e-
sempio, con un angolo d’incidenza maggiore di un certo valore, o da quelli che non interessano la
zona di scansione, sia, per l’appunto, di allineare più nuvole e di fare da tramite tra i file acquisiti da
scanner e i programmi del dott. Bosché.
Creata, per lo meno idealmente, la procedura, si è presentata l’opportunità, come verrà descritto nel
secondo capitolo, di testarla su un’opera in costruzione che presentava le caratteristiche richieste.
Tale cantiere, sito in viale Sarca a Milano, consta di tre edifici, uno dei quali è stato l’oggetto del
test.
Sono stati eseguiti più sopralluoghi nell’arco di sei mesi, negli ultimi quattro dei quali sono state ef-
fettuate otto campagne per un totale di trentuno scansioni. Ossia, per ogni campagna sono state ef-
fettuate quattro scansioni, una per ogni lato della gru, a parte la prima volta in cui non è stato possi-
bile eseguire il rilievo da uno dei lati.
L’applicazione ad un caso pratico di ciò che si era ipotizzato ha portato ad ovvi aggiustamenti e
modifiche al processo. Ad esempio, in primo luogo si è dovuto risolvere il problema di come anco-
rare lo scanner fornitoci da Gexcel s.r.l., un Faro Photon 80, alla gru, una Potain MD 185. A tale
scopo si è progettata una piastra di acciaio zincato che potesse essere fissata e smontata ad ogni
scansione. Si era anche pensato di renderla inclinabile, così da poter meglio inquadrare sia
l’elevazione che la base dell’edificio, ma ciò, oltre ad essere risultato non strettamente necessario,
avrebbe potuto danneggiare lo scanner. Un altro problema pratico è sorto in quanto la gru dalla qua-
le si sono effettuati i rilievi era operativa e, non potendo rallentare i lavori, si è deciso di eseguire le
scansioni nell’ora di pausa tra le dodici e le tredici. Un lasso di tempo così ridotto è stato il fattore
determinante nella scelta della risoluzione delle scansioni, che è risultata comunque adeguata per gli
obiettivi posti. Tra i vari aspetti, si sono poi considerate le diverse possibilità di esportazio-
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ne/importazione e di sottocampionamento dei file al fine di ottenere i risultati migliori con la stru-
mentazione in dotazione. Come parametri di riferimento della scelta si sono adottati la percentuale
di elementi riconosciuti rispetto a quelli realmente presenti, reperiti da una documentazione fotogra-
fica eseguita in contemporanea alle scansioni. A tal proposito, si anticipa ora uno dei risultati che è
parso interessante per la sua particolarità. Mentre gli elementi visibili da scanner sono stati ricono-
sciuti nella quasi totalità, la qualità del riconoscimento variava in modo notevole da elemento a e-
lemento. Dopo varie ipotesi e altrettante prove, si è riconosciuta la causa di una tale varietà di ri-
scontri nell’impalcatura. Molti punti non venivano riconosciuti, pur non sembrando nascosti, poiché
lo scanner non rilevava le aste orizzontali e diagonali dell'impalcatura, probabilmente a causa della
loro forte curvatura e dell'elevata distanza, mentre i tubi verticali, essendo di dimensioni maggiori,
venivano scansionati. Il risultato finale, quindi, è stato che parte dei punti nascosti dall'impalcatura
non veniva considerata come occlusa, ma come non riconosciuta, con la conseguenza che la qualità
del riconoscimento variava sensibilmente a seconda della presenza di elementi orizzontali o obliqui
dell’impalcatura tra il laser e l’elemento.
Parallelamente a quanto esposto, si è pensato di procedere con una sperimentazione della stessa tec-
nica, ma per scopi diversi, ossia, non più finalizzata ad un monitoraggio dello stato di avanzamento
dei lavori, ma per una verifica sull’ “as built”. Con tale termine si intende il rilievo di un’opera per
come effettivamente la si sta costruendo, così da poter associare al progetto esecutivo un progetto
costruttivo, comprendente tutte le eventuali modifiche che è necessario attuare nel corso dei lavori.
Inoltre, considerando che nei cantieri ormai coesistono più ditte indipendenti le une dalle altre, af-
finché queste riescano a cooperare, è necessario che la costruzione goda in ogni momento di una
perfetta convergenza geometrica; che, quindi, vi sia una corrispondenza quanto più precisa tra il
progetto costruttivo e l’opera stessa. Attualmente viene effettuata una verifica a campione. Utiliz-
zando invece la tecnica laser scanning, si può ricreare un modello virtuale dell’edificio ed eseguire
una verifica puntuale. Più precisamente, si può organizzare una battuta di scansioni, allinearle le
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