Questo articolo descrive le applicazioni del Building Information Modelling (BIM) e il suo impatto sulla progettazione con particolare focalizzazione sulla protezione passiva e attiva dal fuoco.
Fig. 1: La progettazione con BIM può evitare i tipici errori della prevenzione incendi
Attualmente si parla molto di Building Information Modelling (BIM). Per esempio, la "Commissione tedesca di Riforma dei Grandi Progetti" ha recentemente investigato l'intero processo di edificazione, dalla nascita dell'idea all'approvazione del progetto, per finire alla costruzione vera e propria. Lo studio ha indagato le cause dello sforamento dei costi e dei tempi di ultimazione, ha sviluppato proposte di soluzione delle criticità e ha fornito raccomandazioni per lo svolgimento delle procedure. Il risultato è stato un "Piano d'Azione in 10 Punti", presentato a fine giugno 2015, che prevedeva numerose iniziative, gruppi di lavoro e progetti per arrivare alla fondazione della new company "Planen-Bauen 4.0", finanziata prevalentemente da Associazioni di categoria, con lo scopo di sponsorizzare l'introduzione di BIM nelle attività degli appaltatori.
BIM è oggi considerato il metodo digitale emergente per affrontare le sfide che si presentano nei progetti di costruzione complessi. Poiché la prevenzione incendi è uno dei temi più rilevanti, in particolare dei grandi progetti, il metodo trova naturale applicazione anche in quest'area. Di seguito presentiamo il suo sviluppo, i suoi fondamenti e una selezione delle ricerche svolte con orientamento alla prevenzione incendi.
DEFINIZIONI
L'Associazione tedesca di Informatica nell'Ingegneria Civile - composta da professori e ricercatori di Università dei Paesi di lingua tedesca - dà le seguenti definizioni, rispettivamente per il modello e per l'attività di modellazione:
"BIM: Modello digitale della struttura di un edificio che include informazioni geometriche e semantiche di tutti i componenti, gli assemblaggi e gli spazi, nonché delle relazioni tra essi intercorrenti. Le informazioni contenute nel modello dovrebbero essere aggiornate e fruibili per l'intero ciclo di vita della struttura."
"BIM: Processo per definire, applicare, gestire e correggere il modello digitale di una struttura durante il suo intero ciclo di vita."
CONDIVISIONE DATI
Il metodo è basato sul formato di interscambio dati IFC (Industrial Foundation Classes ISO 16739:2013) e può essere applicato usando differenti gradi di complessità della collaborazione tra tutti i soggetti coinvolti. Con riferimento alla condivisione di BIM, si possono definire tre diversi livelli:
Basso BIM: All'interno di ogni parte specialistica della progettazione vengono creati ex-novo modelli BIM separati. Ai progettisti delle altre specializzazioni vengono trasmessi disegni 2D cartacei o digitali (ad es. file PDF).
Medio BIM: Partendo dai modelli BIM di altri professionisti, un progettista sviluppa il suo modello specialistico basato su dati comuni acquisendoli in standard IFC o usando lo stesso software dei colleghi. I dati vengono trasmessi agli altri specialisti con file in formato IFC (BIM aperto) o in formato proprietario (BIM chiuso).
Alto BIM: Tutti gli specialisti sviluppano un loro modello BIM condividendo dati in standard IFC in un server "neutro" (BIM aperto) o in un ambiente proprietario usando tutti lo stesso software (BIM chiuso). I modelli sviluppati dai diversi specialisti sono gestiti separatamente, ma fanno uso di dati di gruppo condivisi. Nel campo delle costruzioni questa è la modalità di maggior valore per l'interoperatività, cioè per lo scambio di dati e l'ottimizzazione della collaborazione.
PROTEZIONE PASSIVA DAL FUOCO
Le decisioni assunte nel pianificare la prevenzione incendi hanno in genere un impatto sui progetti degli altri specialisti. La fig. 2 dà un esempio della rilevanza che i "normali" componenti costruttivi, presenti in tutti i tipi di progetto, assumono sulla protezione dal fuoco.
Fig. 2: Elementi costruttivi che influiscono sulla protezione dal fuoco
Ciò significa che se uno di questi componenti viene modificato possono derivarne rilevanti conseguenze per la protezione dal fuoco, senza che l'impatto della modifica sul livello generale di sicurezza sia immediatamente percepito dal singolo specialista.
Usando un modello BIM è possibile evidenziare l'effetto che le decisioni di altri tecnici producono sulla protezione passiva dal fuoco ed è quindi possibile valutare subito il loro impatto sull'intero contesto e, trasversalmente, su tutti gli altri progetti specialistici. Il prerequisito è che tutti i soggetti lavorino in modalità BIM media o alta. Un BIM alto aperto è realizzabile con l'uso di un server BIM. La fig. 3 ne illustra un esempio.
Se ad es. un progettista di altra specializzazione inserisce un'apertura in una parete che il professionista antincendio aveva già previsto in BIM come barriera al fuoco, il modello evidenzia le conseguenze di quell'apertura sulla protezione dal fuoco.
Fig. 3: Elementi di protezione passiva dal fuoco in un modello BIM
Gestione dei conflitti
La strategia utilizzata da BIM per risolvere questi conflitti è basata sulla logica multi-utente del sistema, che può essere applicata in generale alle interrelazioni tra tutti i progettisti oppure individualmente al rapporto di ogni singolo progetto con quello di prevenzione incendi.
Un'opzione per il coordinamento multi-utente dei conflitti di progettazione è che i progettisti ricevano automaticamente notifica del conflitto emergente e siano messi in grado di risolverlo attraverso la cooperazione interattiva. Il vantaggio di questo approccio è che offre l'identificazione più precoce possibile dei conflitti che, senza BIM, in alcuni casi verrebbero rilevati solo in corso di costruzione.
Formato di comunicazione
La prima scelta da compiere nell'impostare una collaborazione basata su BIM è il formato delle comunicazioni (BIM Collaboration Format - BCF). A questo riguardo notiamo che gli attuali software d'identificazione delle incongruenze topografiche o topologiche non sono in genere specifici per la prevenzione incendi. Per finalizzarli alle nostre esigenze è necessario innanzitutto definire, per ogni elemento del progetto, tutti i soggetti abilitati alle modifiche, quali modifiche possano essere apportate, chi dovrebbe esserne automaticamente informato e quali test di interferenza tra progetti debbano essere periodicamente svolti. Ad esempio, con riferimento al progetto elettrico: sono compatibili tutti i cavi con i rispettivi cavidotti?
Un'altra necessità che persiste durante tutta la costruzione è il confronto della situazione in corso on site con quella prevista in BIM (built as planned).
La ricerca ha evidenziato che il formato IFC (previsto nella norma ISO 16739) è quello che consente lo sviluppo del BIM con maggiore completezza di dati utili per la protezione passiva dal fuoco. In particolare, con riferimento alle catene causali e alle interrelazioni progettuali, questo formato di comunicazione consente la notifica a tutti i progettisti dei conflitti derivanti dalle decisioni di ciascuno.
PROTEZIONE ATTIVA DAL FUOCO
Orientamento in interno
Spesso è difficile per le persone che si trovano in edifici grandi e complessi determinare la loro posizione e il percorso per raggiungere la loro destinazione. Un incendio e lo sviluppo di fumo ridurranno sensibilmente la visibilità e comporteranno maggiori difficoltà di orientamento e di individuazione del percorso. Occorre pertanto fornire adeguati supporti che consentano di determinare dove ci si trova (indoor positioning) e di scegliere il giusto percorso (indoor route calculation). Ciò è particolarmente importante per consentire alle squadre di soccorso il rapido salvataggio dei presenti e anche lo loro stessa sicurezza.
La ricerca di seguito illustrata sulla localizzazione e l'identificazione delle vie di fuga è il risultato di oltre sei anni di studi svolti da diversi Istituti universitari tedeschi nell'ambito del progetto "ZukunftBau" (Future Construction) cofinanziato dal Ministero tedesco dell'Ambiente e dall'Istituto tedesco di Ricerca per l'Edilizia e l'Urbanistica. Il progetto si è svolto in varie fasi con la collaborazione dei Vigili del Fuoco, di Bureau Veritas e di altri Partner pubblici e privati.
Tecnologie di localizzazione
Il progetto per l'orientamento in interno ha sviluppato il nuovo approccio multi-metodo illustrato in fig. 4. Per la localizzazione sono state provate varie tecnologie wireless quali la Ultra Wide Band (UWB), la Wireless LAN (WLAN), e la Radio Frequency IDentification (RFID).
Fig. 4: Approccio multi-metodo
La tecnologia utilizzata in ciascun caso è dipesa dalle caratteristiche specifiche dell'edificio (numero di piani, materiali, tipologie costruttive, ecc.) e dal grado di precisione desiderato.
Calcolo delle vie d'esodo
Per l'identificazione delle vie d'esodo si è utilizzato il metodo BIM che, come abbiamo visto sopra, è costituito da elementi con semantica (significato) e topologia (ubicazione) che consentono il calcolo dei percorsi. Se la rete dei percorsi possibili e la logica sottostante sono noti a BIM, appropriati algoritmi possono calcolare i percorsi più brevi da ogni punto della rete a qualunque altro.
Orientamento con tablet
L'orientamento delle squadre di soccorso durante l'emergenza consente loro un più efficiente coordinamento e aiuta a salvare vite umane e a ridurre danni ai beni. In un test, svolto all'Aeroporto di Francoforte, una squadra è stata dotata di un tablet (fig. 5) connesso con planimetrie digitali dell'edificio (generate da BIM).
Fig. 5: Prova di orientamento in interno
Il test ha evidenziato che il dispositivo mobile forniva alla squadra informazioni in tempo reale circa la loro posizione nell'edificio. Come risultato il loro orientamento era considerevolmente facilitato e il punto di raduno poteva essere raggiunto col percorso più diretto.
Gestione della manutenzione
Il tablet per la gestione della manutenzione antincendio con Radio Frequency IDentification (RFID) è illustrato in fig. 6. I manutentori possono identificare percorsi manutentivi su un dispositivo che indica le vie più brevi tra le diverse attrezzature che necessitano di manutenzione.
Fig. 6: Gestione della manutenzione su tablet
La funzione "percorso ad anello" ottimizza il tempo occorrente. Per assicurare l'affidabilità del percorso manutentivo, il sistema lavora in combinazione con ricetrasmettitori RFID posti su ciascuna attrezzatura, di modo che nessun elemento venga confuso o dimenticato. Il ricetrasmettitore RFID può inoltre fornire importanti informazioni alle squadre d'emergenza in caso d'allarme.
In un altro studio sono stati allestiti un tablet dimostrativo e un'unità mobile per portare al pubblico interessato e a una platea di specialisti di diverse località una presentazione partecipata del funzionamento, delle applicazioni e dei vantaggi di BIM e della tecnologia RFID.
Fig. 7: Il modulo dimostrativo ARGE RFID
INGEGNERIA DELLA PREVENZIONE INCENDI
Per progettare la prevenzione incendi in edifici esistenti si è finora spesso usato il Computer-Aided Engineering (CAE), sebbene i risultati non fossero sempre pienamente soddisfacenti.
Fig. 8: PowerWall - Proiezione a parete dei progetti di prevenzione incendi
In particolare modelli e simulazioni utilizzati in CAE per stimare il tempo occorrente all'evacuazione di un edificio in caso d'incendio risultano spesso di difficile validazione e verifica.
"Serious games" per l'analisi dell'esodo interattivo
Con i nuovi metodi BIM di analisi dell'esodo, basati su sensori di localizzazione e calcolo dei percorsi in combinazione con la tecnica sotto descritta dei "serious games", si aprono nuove opportunità di ricerca sui comportamenti in fuga e sull'analisi dell'esodo, che gli esperimenti fisici reali non possono offrire.
L'impiego "games" (videogiochi) ha rivelato che, oltre al mero scopo di intrattenimento, essi possono svolgere anche funzioni ben più serie.
Fig. 9: Analisi dell'esodo con simulatore di realtà virtuale
Nei "serious games" (simulazioni virtuali interattive) alcuni elementi di intrattenimento vengono mantenuti per non fargli perdere il loro carattere intrinseco di giochi, ma l'uso che si fa di questi strumenti li qualifica come "giochi formativi". Essi sono stati già impiegati in diverse discipline.
Test di salvataggio persone
In uno studio BIM denominato "Serious Human Rescue Game" (simulazione di salvataggio persone) viene esaminato il comportamento di fuga di persone "immerse" in un mondo virtuale al verificarsi di eventi dannosi simulati in tempo reale.
Fig. 10: Analisi d'esodo con avatar in un videogioco su BIM
Il test è stato condotto in laboratorio con suoni (stereo attivo 3D) e immagini proiettate su grande schermo (PowerWall - fig. 8) o in un visore di realtà virtuale calzato sugli occhi (Oculus Rift VR - fig. 9). Il primo scopo è di rilevare quali effettivi comportamenti le persone avrebbero in un incendio reale osservando i loro comportamenti nel mondo virtuale.
Il secondo scopo della ricerca è la determinazione dei percorsi a piedi e del tempo richiesto per l'auto-salvataggio usando BIM tramite una Simulazione Monte Carlo, cioè un calcolo probabilistico delle possibilità del verificarsi di un evento e Avatar (soggetti virtuali) di diversa tipologia (giovani, vecchi, disabili, ecc.) generati da un motore di gioco (v. fig. 10). Questo consente di svolgere, tramite BIM, delle simulazioni sull'efficacia dei "presidi per l'esodo" esistenti in singoli edifici. Per realizzare queste simulazioni, provvede BIM stesso alla conversione semi-automatica di un programma standard di gioco virtuale.
Il primo vantaggio è che i programmi standard di sviluppo dei videogiochi consentono visualizzazioni non costose e molto potenti a mezzo di hardware standard. Il secondo vantaggio è che essi offrono funzioni di simulazione di fiamme e fumo visivamente realistiche. Anche se queste simulazioni, a causa della complessità dell'evento, non sono ovviamente comparabili in precisione con quelle ottenute da software di ingegnerizzazione specifici quali FSD, la prima impressione visiva da esse generata si è dimostrata sufficiente per i soggetti che hanno partecipato al test di "simulazione di salvataggio persone".
CONCLUSIONI
La selezione di studi e di test qui presentati rappresenta una ricerca di base che richiede ulteriori sviluppi per arrivare ad applicazioni pratiche. L'utilizzo di un BIM pienamente funzionale può generare significativi vantaggi per tutti i progettisti coinvolti, ma richiede ulteriore regolamentazione dei diritti e delle obbligazioni reciproche, oltre allo sviluppo di know-how specifico.
Gli onorari dei professionisti potrebbero dover derogare da quelli finora previsti dalle tariffe dei rispettivi ordini, poiché l'impostazione in BIM dei progetti richiede un maggiore impegno nelle prime fasi, che è poi possibile bilanciare nelle fasi successive del progetto, con benefici in termini sia di efficienza che di qualità del lavoro complessivo.
E' chiaro che, rispetto alla progettazione tradizionale, BIM offre un più ampio spettro di possibilità, specialmente nell'area della prevenzione incendi grazie al collegamento con le altre attività specialistiche, alle catene causali e alle interrelazioni che consente. Per utilizzarne a pieno le potenzialità è auspicabile che i professionisti antincendio costituiscano un pool, nel senso di un gruppo di lavoro BIM, e si relazionino in BIM con gli altri professionisti.
Autori: Prof. Dr.-Ing. Uwe Rueppel, Dipl.-Ing. Uwe Zwinger e Dipl.-Ing. Michael Kreger: Technische Universitaet Darmstadt (Germania); Institute for Numerical Methods and Informatics in Civil Engineering. Dr.-Ing. Kristian Schatz: Pit-Cup GmbH, Heidelberg (Germania).
