3D Surveying and Data Management towards the Realization of a Knowledge System for Cultural Heritage

The research activities involved the application of the Geomatic techniques in the Cultural Heritage field, following the development of two themes: Firstly, the application of high precision surveying techniques for the restoration and interpretation of relevant monuments and archaeological finds. The main case regards the activities for the generation of a high-fidelity 3D model of the Fountain of Neptune in Bologna. In this work, aimed to the restoration of the manufacture, both the geometrical and radiometrical aspects were crucial. The final product was the base of a 3D information system representing a shared tool where the different figures involved in the restoration activities shared their contribution in a multidisciplinary approach. Secondly, the arrangement of 3D databases for a Building Information Modeling (BIM) approach, in a process which involves the generation and management of digital representations of physical and functional characteristics of historical buildings, towards a so-called Historical Building Information Model (HBIM). A first application was conducted for the San Michele in Acerboli’s church in Santarcangelo di Romagna. The survey was performed by the integration of the classical and modern Geomatic techniques and the point cloud representing the church was used for the development of a HBIM model, where the relevant information connected to the building could be stored and georeferenced. A second application regards the domus of Obellio Firmo in Pompeii, surveyed by the integration of the classical and modern Geomatic techniques. An historical analysis permitted the definitions of phases and the organization of a database of materials and constructive elements. The goal is the obtaining of a federate model able to manage the different aspects: documental, analytic and reconstructive ones.

L'HBIM semantico per la catalogazione e la fruizione dei Beni Culturali. Il caso studio della Chiesa di Santa Maria delle Vergini (MC) e la piattaforma Inception.

Questa tesi di laurea si pone l’obiettivo di investigare alcune delle nuove frontiere offerte dalla crescita sincretica e multidisciplinare dei linguaggi digitali applicati all’architettura e ai beni culturali. Si approfondiranno i concetti teorici fondamentali dell’informazione digitale: il web semantico come ambiente di scambio, i metadata come informazioni sui dati, i LOD (Link Open Data) come standard e fine. Per l’ambito dei beni culturali verranno presentati i temi di ricerca e sviluppo nel campo della catalogazione e fruizione digitali: ontologie, dizionari normalizzati aperti, database (Catalogo Digitale), etc. Per l’ambito edilizio-architettonico verrà introdotto l’Heritage Building Information Modeling (HBIM) semantico come metodologia multidisciplinare focalizzata su rilievo geometrico, modellazione, archiviazione e scambio di tutte le informazioni utili alla conoscenza e conservazione dei beni storici. Il punto d’incontro tra i due mondi è individuato nella possibilità di arricchire le geometrie attraverso la definizione di una semantica (parametri-metadati) relazionata alle informazioni (valori-dati) presenti nei cataloghi digitali, creando di fatto un modello 3D per architetture storiche con funzione di database multidisciplinare. Sarà presentata la piattaforma web-based Inception, sviluppata dall’omonima startup incubata come spinoff dall’Università di Ferrara, che, tra le diverse applicazioni e potenzialità, verrà utilizzata come strumento per la condivisione e fruizione, garantendo la possibilità di interrogare geometrie e metadati in continuità con i principi LOD. Verrà definito un workflow generale (procedure Scan2BIM, modellazione geometrica, definizione script per l’estrazione automatica dei dati dal Catalogo Digitale, associazione dati-geometrie e caricamento in piattaforma) successivamente applicato e adattato alle precise necessità del caso studio: la Chiesa di S. Maria delle Vergini (MC), su commissione dell’ICCD referente al MiBACT.

Studio sull'interoperabilità BIM to FEM per strutture a parete in legno

Nel seguente elaborato di tesi è stato approfondito il tema dell’interoperabilità da software BIM a FEM nell’ambito degli edifici a parete in legno. L’utilizzo di programmi di Building Information Modeling si è affermato in maniera crescente nel mondo delle costruzioni. Infatti, la possibilità di costruire modelli tridimensionali della struttura, che associano ad ogni elemento presente nell’opera tutte le informazioni utili ai fini della sua, realizzazione (quali geometrie, costi, proprietà meccaniche, fasi d’impiego, ecc..) permette di accorciare notevolmente il tempo di progettazione e costruzione, diminuendo gli errori dovuti alla trasmissione dei dati tra le varie figure professionali. Nel campo delle costruzioni, l’elemento “parete in legno” non è ancora presente all’interno dei principali software BIM. Per questo motivo, è stato necessario, per lo svolgimento del presente progetto di tesi, uno studio dei principali parametri meccanici descrittivi del reale comportamento in opera delle pareti in legno. Tali parametri sono stati calcolati secondo i due principali metodi esistenti nell’ambito delle costruzioni in legno: il metodo fenomenologico e il metodo per componenti. Nel primo caso, l’influenza sul comportamento delle pareti da parte delle connessioni metalliche viene calcolata sotto forma di parametri meccanici equivalenti. Nel secondo metodo, invece, il comportamento in opera della parete risulta essere la conseguenza dell’interazione tra la rigidezza della parete stessa e quella delle connessioni, che vengono modellate come dei vincoli equivalenti. Al fine di validare i risultati ottenuti, si è proceduto ad applicare i parametri equivalenti a due casi studio. Il primo caso è rappresentato da una parete semplice (3.2m x 3.75m) sottoposta ad una forza concentrata in sommità. Successivamente è stato studiato il caso di un edificio a parete di legno di tre piani, sottoposto ai carichi di un edificio adibito a civile abitazione.

Towards a Smart Campus Digital Twin: Promoting Awareness and Sustainability Through Wayfinding and Real-Time Environmental Data

The newly inaugurated Navile District of the University of Bologna is a complex created along the Navile canal, that now houses various teaching and research activities for the disciplines of Chemistry, Industrial Chemistry, Pharmacy, Biotechnology and Astronomy. A Building Information Modeling system (BIM) gives staff of the Navile campus several ways to monitor buildings in the complex throughout their life cycle, one of which is the ability to access real-time environmental data such as room temperature, humidity, air composition, and more, thereby simplifying operations like finding faults and optimizing environmental resource usage. But smart features at Navile are not only available to the staff: AlmaMap Navile is a web application, whose development is documented in this thesis, that powers the public touch kiosks available throughout the campus, offering maps of the district and indications on how to reach buildings and spaces. Even if these two systems, BIM and AlmaMap, don't seem to have many similarities, they share the common intent of promoting awareness for informed decision making in the campus, and they do it while relying on web standards for communication. This opens up interesting possibilities, and is the idea behind AlmaMap Navile 2.0, an app that interfaces with the BIM system and combines real-time sensor data with a comfort calculation algorithm, giving users the ability not just to ask for directions to a space, but also to see its comfort level in advance and, should they want to, check environmental measurements coming from each sensor in a granular manner. The end result is a first step towards building a smart campus Digital Twin, that can support all the people who are part of the campus life in their daily activities, improving their efficiency and satisfaction, giving them the ability to make informed decisions, and promoting awareness and sustainability.

Modelli informativi per la valutazione BIM del livello di reversibilità e circolarità di componenti edilizi: il Design for Disassembly

La Tesi presenta un metodo per valutare il livello di reversibilità e circolarità dei componenti edili. Il concetto cardine dello studio è il Design for Disassembly (DfD), definibile come un approccio alla progettazione di organismi edilizi secondo criteri costruttivi volti a facilitare successivi cambiamenti e smantellamenti (completi o parziali), consentendo il riutilizzo dei componenti, al fine di ridurre l’impatto ambientale degli interventi. Attualmente, diverse ricerche in ambito scientifico si dedicano all’approfondimento di questa tematica, correlandola ad altri concetti come la metodologia del Building Information Modeling (BIM), che consente di digitalizzare il processo progettuale, la sua realizzazione e la sua gestione attraverso modelli. Dopo l’analisi dello stato dell’arte, il lavoro è giunto alla definizione di un insieme di parametri idonei per essere introdotti in un modello informativo, in grado di rappresentare la circolarità del componente in termini di DfD. Per ogni elemento del componente analizzato viene assegnato un valore numerico (variabile da 0,1 a 1) a ogni parametro. Tramite l’utilizzo di una formula elaborata nell’ambito di precedenti ricerche svolte dal Dipartimento di Architettura dell'Università di Bologna, opportunamente modificata, si ottiene un indice sintetico finale denominato “Express Building Circularity Indicators” (EBCI). Il metodo di analisi proposto come strumento a supporto del processo progettuale è stato validato tramite l’applicazione a diverse soluzioni di facciata per l’efficientamento energetico di un fabbricato selezionato come caso di studio italiano dal progetto Europeo Horizon 2020 "DRIVE 0 – Driving decarbonization of the EU building stock by enhancing a consumer centred and locally based circular renovation process". I risultati ottenuti hanno consentito di verificare la replicabilità del processo digitalizzato a diverse soluzioni costruttive e l’affidabilità del metodo di valutazione del grado di circolarità.

HBIM methodology for structural preservation of historical buildings: the semantic modeling of the San Felice sul Panaro fortress

Building Information Modelling is changing the design and construction field ever since it entered the market. It took just some time to show its capabilities, it takes some time to be mastered before it could be used expressing all its best features. Since it was conceived to be adopted from the earliest stage of design to get the maximum from the decisional project, it still struggles to adapt to existing buildings. In fact, there is a branch of this methodology that is dedicated to what has been already made that is called Historic BIM or HBIM. This study aims to make clear what are BIM and HBIM, both from a theoretical point of view and in practice, applying from scratch the state of the art to a case study. It had been chosen the fortress of San Felice sul Panaro, a marvellous building with a thousand years of history in its bricks, that suffered violent earthquakes, but it is still standing. By means of this example, it will be shown which are the limits that could be encountered when applying BIM methodology to existing heritage, moreover will be pointed out all the new features that a simple 2D design could not achieve.

A metodologia BIM-FM aplicada a um caso prático

O crescente aumento da consciencialização da importância da fase de operação e manutenção, bem como a amplificação que a metodologia Building Information Modelling (BIM) tem obtido nos últimos anos, sugere uma necessidade de alterar a atual abordagem da gestão das instalações de forma a dotá-la das mais recentes inovações tecnológicas como seja a utilização do BIM. Os Building Information Models apresentam as características ideais para a integração da gestão das instalações, não só pela visualização do edifício, mas sobretudo pela potencialidade que a base de dados oferece, com informação referente a cada um dos componentes presentes e suas relações. O âmbito deste trabalho envolve assim a integração da gestão das instalações com o modelo BIM criado, representativo do edifício em estudo. Este trabalho começa com as definições do âmbito e dos objetivos que são propostos no Capítulo 1. No Capítulo 2, é elaborada uma pesquisa sobre o estado da arte atual de cada uma das metodologias BIM e FM, de forma a tomar conhecimento dos seus conceitos principais. Foi feito também um levantamento no campo do BIM-FM de forma a apurar as atuais soluções tecnológicas existentes, a forma como é feita a sua troca de informação e também alguns casos em que esta metodologia foi aplicada. Com base na informação recolhida sobre as metodologias e também nos casos práticos estudados, é realizado no Capítulo 3, capítulo central deste trabalho, a aplicação prática. A realização desta aplicação é dividida por 3 fases principais. Numa primeira fase é especificada e recolhida a informação necessária de ser obtida para a realização do modelo e a posterior aplicação do FM. A escolha da informação a recolher é feita ponderando todos os fatores existentes, mas de forma a cumprir os requisitos pedidos. Numa segunda fase, assente na compilação de informação recolhida anteriormente, realiza-se o modelo do edifício. A modelação, de forma a seguir o método de trabalho BIM é realizada por especialidades, sendo numa primeira fase realizada a especialidade de arquitetura e posteriormente, utilizando esse modelo como base, é feita a modelação das especialidades de águas, águas residuais, AVAC e eletricidade. Esta escolha foi também estimulada pela organização do software utilizado para a modelação, por módulos. Na última fase da aplicação do caso prático a informação inserida na fase de modelação do edifício é exportada para o software de FM, neste caso em específico, o IBM Maximo. Para a exportação destes dados foi utilizado o formato Construction Operations Building Information Exchange (COBie), de forma a garantir a integridade e conformidade da informação transferida. No Capítulo 4 deste trabalho são abordadas as especificidades relativas à informação existente, à modelação e à troca de dados entre o software de modelação e o software utilizado na gestão do edifício. São também sugeridos alguns temas para futuros desenvolvimentos com o intuito de ampliação dos campos de FM com o uso do modelo. O BIM-FM é um tema emergente na atualidade do BIM, sendo a sua utilização encarada como uma mais-valia ao processo BIM. A compilação da informação durante a fase de projeto e execução, aliada à existência do modelo torna a implementação do FM com o modelo BIM como uma sequência natural.

Metodologia BIM, aplicada à preparação, controlo e gestão de obra

O âmbito deste trabalho envolve o teste do modelo BIM numa obra em construção pela Mota-Engil – Engenharia, na extração experimental de peças desenhadas de preparação e apoio à execução de obra. No capítulo 1 deste relatório são definidos o âmbito e os objetivos deste trabalho, é feito um enquadramento histórico do tema e abordados conceitos e atividades da preparação de obra, na sua forma tradicional. O estado do conhecimento da preparação de obras e mais em concreto da tecnologia BIM a nível nacional e internacional é abordado no capítulo 2. Nesse sentido procura-se definir os conceitos principais inerentes a esta nova metodologia, que passa por identificar e caraterizar a tecnologia envolvida e o seu nível de desenvolvimento. Com suporte em casos práticos de preparação de obra na sua forma tradicional, identificados e desenvolvidos no capítulo 3, foi compilado um processo tipo de peças desenhadas de suporte identificadas e caracterizadas no capítulo 4, frequentes e comuns à execução de diversos tipos de obras de edifícios. Assente na compilação baseada em casos práticos e no estudo do projeto de execução da empreitada que sustenta o presente trabalho, com base no qual o modelo BIM foi concebido, identificou-se um conjunto de peças desenhadas de preparação e apoio à execução dos trabalhos, em 2D, a extrair do modelo. No capítulo 5, é feita uma descrição do modo como foi estudado o projeto da obra, com evidência para os fatores mais relevantes, especificando os desenhos a extrair. Suportada pelo programa de modelação ArchiCAD, a extração do conjunto de desenhos identificados anteriormente foi conseguida com recurso às funcionalidades disponíveis no software, que permite a criação de desenhos 2D atualizáveis ou não automaticamente a partir do modelo. Qualquer alteração introduzida no modelo virtual é automaticamente atualizada nos desenhos bidimensionais, caso o utilizador assim o pretenda. Ao longo desse trabalho foram detetados e analisados os condicionalismos inerentes ao processo de extração, referidos no capítulo 6, para estabelecimento de regras de modelação padrão a adotar em futuras empreitadas, que possam simplificar a obtenção dos elementos desenhados de preparação necessários à sua execução. No ponto 6.3 são identificadas melhorias a introduzir no modelo. Em conclusão no capítulo 7 são abordadas especificidades do setor da construção que sustentam e evidenciam cada vez mais a necessidade de utilizar as novas tecnologias com vista à adoção de práticas e ferramentas padrão de apoio à execução de obras. Sendo a tecnologia BIM, transversal a todo o setor, a sua utilização com regras padrão na conceção dos modelos e na extração de dados, potencia a otimização dos custos, do tempo, dos recursos e da qualidade final de um empreendimento, ao longo de todo o seu ciclo de vida, para além de apoiar com elevada fiabilidade as tomadas de decisão ao longo desse período. A tecnologia BIM, possibilita a antevisão do edifício a construir com um elevado grau de pormenor, com todas as vantagens que daí advêm.

Design and implementation of 3D buildings integration for a Webgl-Based Virtual Globe: a case study of Valencian Cadastre and Fide Building Mode

Dissertation submitted in partial fulfillment of the requirements for the Degree of Master of Science in Geospatial Technologies.

Vision 2020 - A whole life-cycle information management system for built environments

A whole life-cycle information management vision is proposed, the organizational requirements for the realization of the scenario is investigated. Preliminary interviews with construction professionals are reported. Discontinuities at information transfer throughout life-cycle of built environments are resulting from lack of coordination and multiple data collection/storage practices. A more coherent history of these activities can improve the work practices of various teams by augmenting decision making processes and creating organizational learning opportunities. Therefore, there is a need for unifying these fragmented bits of data to create a meaningful, semantically rich and standardized information repository for built environment. The proposed vision utilizes embedded technologies and distributed building information models. Two diverse construction project types (large one-off design, small repetitive design) are investigated for the applicability of the vision. A functional prototype software/hardware system for demonstrating the practical use of this vision is developed and discussed. Plans for case-studies for validating the proposed model at a large PFI hospital and housing association projects are discussed.

Towards a holistic modelling framework for embodied carbon and waste in the building lifecycle

As the building industry proceeds in the direction of low impact buildings, research attention is being drawn towards the reduction of carbon dioxide emission and waste. Starting from design and construction to operation and demolition, various building materials are used throughout the whole building lifecycle involving significant energy consumption and waste generation. Building Information Modelling (BIM) is emerging as a tool that can support holistic design-decision making for reducing embodied carbon and waste production in the building lifecycle. This study aims to establish a framework for assessing embodied carbon and waste underpinned by BIM technology. On the basis of current research review, the framework is considered to include functional modules for embodied carbon computation. There are a module for waste estimation, a knowledge-base of construction and demolition methods, a repository of building components information, and an inventory of construction materials’ energy and carbon. Through both static 3D model visualisation and dynamic modelling supported by the framework, embodied energy (carbon), waste and associated costs can be analysed in the boundary of cradle-to-gate, construction, operation, and demolition. The proposed holistic modelling framework provides a possibility to analyse embodied carbon and waste from different building lifecycle perspectives including associated costs. It brings together existing segmented embodied carbon and waste estimation into a unified model, so that interactions between various parameters through the different building lifecycle phases can be better understood. Thus, it can improve design-decision support for optimal low impact building development. The applicability of this framework is anticipated being developed and tested on industrial projects in the near future.

Model-based life cycle cost and assessment tool for sustainable building design decision

There is a growing concern in reducing greenhouse gas emissions all over the world. The U.K. has set 34% target reduction of emission before 2020 and 80% before 2050 compared to 1990 recently in Post Copenhagen Report on Climate Change. In practise, Life Cycle Cost (LCC) and Life Cycle Assessment (LCA) tools have been introduced to construction industry in order to achieve this such as. However, there is clear a disconnection between costs and environmental impacts over the life cycle of a built asset when using these two tools. Besides, the changes in Information and Communication Technologies (ICTs) lead to a change in the way information is represented, in particular, information is being fed more easily and distributed more quickly to different stakeholders by the use of tool such as the Building Information Modelling (BIM), with little consideration on incorporating LCC and LCA and their maximised usage within the BIM environment. The aim of this paper is to propose the development of a model-based LCC and LCA tool in order to provide sustainable building design decisions for clients, architects and quantity surveyors, by then an optimal investment decision can be made by studying the trade-off between costs and environmental impacts. An application framework is also proposed finally as the future work that shows how the proposed model can be incorporated into the BIM environment in practise.

Changing building user attitude and organisational policy towards sustainable resource use in healthcare

Health care provision is significantly impacted by the ability of the health providers to engineer a viable healthcare space to support care stakeholders needs. In this paper we discuss and propose use of organisational semiotics as a set of methods to link stakeholders to systems, which allows us to capture clinician activity, information transfer, and building use; which in tern allows us to define the value of specific systems in the care environment to specific stakeholders and the dependence between systems in a care space. We suggest use of a semantically enhanced building information model (BIM) to support the linking of clinician activity to the physical resource objects and space; and facilitate the capture of quantifiable data, over time, concerning resource use by key stakeholders. Finally we argue for the inclusion of appropriate stakeholder feedback and persuasive mechanism, to incentivise building user behaviour to support organisational level sustainability policy.

A semiotic framework for information representation of energy consumption in office buildings

Taking a perspective from a whole building lifecycle, occupier's actions could account for about 50% of energy. However occupants' activities influence building energy performance is still a blind area. Building energy performance is thought to be the result of a combination of building fabrics, building services and occupants' activities, along with their interactions. In this sense, energy consumption in built environment is regarded as a socio-technical system. In order to understand how such a system works, a range of physical, technical and social information is involved that needs to be integrated and aligned. This paper has proposed a semiotic framework to add value for Building Information Modelling, incorporating energy-related occupancy factors in a context of office buildings. Further, building information has been addressed semantically to describe a building space from the facility management perspective. Finally, the framework guides to set up building information representation system, which can help facility managers to manage buildings efficiently by improving their understanding on how office buildings are operated and used.

Guidelines for Linked Data generation and publication: an example in building energy consumption

Linked Data is the key paradigm of the Semantic Web, a new generation of the World Wide Web that promises to bring meaning (semantics) to data. A large number of both public and private organizations have published their data following the Linked Data principles, or have done so with data from other organizations. To this extent, since the generation and publication of Linked Data are intensive engineering processes that require high attention in order to achieve high quality, and since experience has shown that existing general guidelines are not always sufficient to be applied to every domain, this paper presents a set of guidelines for generating and publishing Linked Data in the context of energy consumption in buildings (one aspect of Building Information Models). These guidelines offer a comprehensive description of the tasks to perform, including a list of steps, tools that help in achieving the task, various alternatives for performing the task, and best practices and recommendations. Furthermore, this paper presents a complete example on the generation and publication of Linked Data about energy consumption in buildings, following the presented guidelines, in which the energy consumption data of council sites (e.g., buildings and lights) belonging to the Leeds City Council jurisdiction have been generated and published as Linked Data.