Contexto
O BUILT CoLAB colaborou com a Infraestruturas de Portugal (IP) no desenvolvimento de estratégias de digitalização do seu património ferroviário. Esta parceria decorreu no âmbito do projeto de inovação e desenvolvimento RoboShot@FRC – Sistema Robotizado para Projeção Otimizada de Betão Reforçado com Fibras em Túneis Ferroviário; e passou pela criação de algoritmos de Inteligência Artificial capazes de automatizar grande parte do processo de modelação Building Information Modelling (BIM) dos túneis ferroviários da IP. Esta automatização foi possível através do uso das nuvens de pontos dos túneis em conjunto com a metodologia Scan-to-BIM, permitindo ainda incorporar a geometria e informação associadas às anomalias identificadas. A parceria culminou na criação de uma plataforma BIM capaz de suportar a gestão centralizada de toda a informação associada aos 79 túneis ferroviários da IP.
A Figura 1 apresenta uma perspetiva de um dos modelos BIM resultantes desta digitalização, onde é possível ver a nuvem de pontos original e os vários elementos modelados a partir da mesma.
Solução
A solução desenvolvida pelo BUILT CoLAB integra uma metodologia Scan-to-BIM capaz de automatizar parte das tarefas de modelação envolvidas na criação do repositório digital (ver secção “Scan-to-BIM”) e uma interface gráfica para ligar o repositório à ferramenta de modelação Autodesk Revit (Figura 2).
Através desta interface, o utilizador tem acesso à lista de túneis existentes no repositório digital, podendo visualizar a respetiva informação, e.g., localização, dimensão, ID da linha, anomalias identificadas, etc. (Figura 3), bem como abrir o respetivo modelo BIM no ambiente de modelação. Para além de facilitar a visualização e a manipulação dos dados contidos nos modelos, esta solução simplifica a sua partilha e atualização constante ao longo do ciclo de vida dos túneis digitalizados.
Scan-to-BIM
A estratégia algorítmica implementada para materializar as nuvens de pontos de túneis ferroviários em superfícies 3D está ilustrada na Figura 4. Este envolveu a limpeza da nuvem de pontos original e criação de perfis representativos da geometria da sua envolve, subsequentemente utilizando os perfis obtidos para geração da camada envolvente do túnel. Dependendo do número de perfis selecionados, o túnel é modelado automaticamente com maior ou menor rigor. Contudo, este rigor é balanceado pelo tempo de processamento da nuvem (i.e., mais perfis, maior tempo de processamento).
A Figura 5 apresenta 3 modelos BIM do mesmo túnel gerados através de um conjunto de algoritmos que a partir de levantamentos topográficos, dados de inspeções, e bases de dados dos túneis, parametrizam e modelam os respetivos elementos BIM com o nível de detalhe desejado: por exemplo, enquanto o modelo A só representa o balastro e a camada estrutural do túnel modelados de forma genérica; o modelo B já apresenta algum rigor geométrico e também mais elementos, e.g., os carris e as anomalias. De forma semelhante, o modelo C apresenta ainda mais rigor e mais elementos, e.g., catenária, travessas, bem como diferentes categorias de anomalias.
Este contraste no rigor da modelação é também visível na Figura 6, onde podemos observar um corte da nuvem de pontos original sobreposta aos modelos gerados automaticamente. É observável que a precisão da modelação vai aumentando ao longo dos níveis de modelação, culminando no nível 3, o qual apresenta um “gémeo digital” do túnel.
Anomalias e modelo de cálculo estrutural
A Figura 7 ilustra as fontes de informação que servem de base aos algoritmos para instanciar os elementos BIM relativos às anomalias dos túneis: ao receber os dados recolhidos em inspeções, o algoritmo cria instâncias dos respetivos tipos de anomalias, parametrizando-as e mapeando-as de acordo com os mesmos.
Para além da modelação BIM, o processo algorítmico implementado também permite extrair informação para as ferramentas de cálculo estrutural. Este processo encontra-se ilustrado na Figura 8. O resultado é uma malha poligonal correspondente aos pontos intermédios da camada de sustimento representada (Figura 9.A), a qual é em seguidamente convertida num formato compatível com a ferramenta de cálculo estrutural (Figura 9.B).
Modelos de Dados de Produtos
A normalização desempenha um papel fundamental na implementação da metodologia BIM, sendo essencial para aprimorar o processo colaborativo entre os vários atores envolvidos no ciclo de vida dos ativos construídos. A definição e normalização da informação alfanumérica para os produtos da construção é um desafio com o qual a indústria da construção se depara e que tem vindo a ser colmatado por meio dos Modelos de dados de Produtos, usualmente designados de PDT (Product Data Template). Nesse sentido e com o intuito de aumentar os PDTs disponíveis para o setor, desenvolveram-se no âmbito deste projeto, PDTs referentes a elementos de túneis ferroviários, como camada de sustimento, camada de betão projetado com fibras, carril, travessa, sistema de fixação do carril, balastro e anomalias. Estes PDTs foram desenvolvidos de acordo com as diretrizes estabelecidas nas normas EN ISO 23387 e EN ISO 23386 e encontram-se disponíveis na plataforma nacional de PDTs em https://pdts.pt.
Conclusão
O trabalho desenvolvido resultou num conjunto de estratégias de suporte à digitalização de túneis ferroviários e à sua integração numa plataforma digital de acesso partilhado. Destacam-se os algoritmos desenvolvidos para converter diferentes bases de dados da IP em modelos BIM, os quais permitiram reduzir o tempo e esforço investidos nesta tarefa. Realça-se também a interface gráfica desenvolvida para a ferramenta de modelação Autodesk Revit para gerir os modelos BIM gerados, facilitando o acesso e a coordenação da informação de forma centralizada e síncrona com a evolução do túnel digitalizado.
Equipa
O projeto teve a participação de vários elementos do BUILT CoLAB, nomeadamente, Débora Pinto, Inês Caetano, João Silva, Margarida Amândio, Yessica Barbosa, e Luís Sanhudo, bem como o apoio de Hugo Patrício da Infraestruturas de Portugal, e José Granja, Miguel Azenha e Mohammed El Sibaii da Universidade do Minho.
Publicações Científicas
“Gestão de Infraestruturas Públicas Através do BIM: Modelação de Túneis Ferroviários das Infraestruturas de Portugal” – Revista de Ativos de Engenharia.
“BIM em Infraestruturas Ferroviárias: Modelação automática de túneis para monitorização e manutenção ao longo do ciclo de vida” – ptBIM – 5º Congresso Português de ‘Building Information Modelling’.
