BIM en la gestión de activos viales  
Fernando Varela

Agradecimientos

A Edgar Pelayo Sandoval, sin cuyo Trabajo Fin de Máster habría sido imposible realizar esta descripción. Al Ministerio de Energía e Infraestructuras de Emiratos Árabes Unidos, que planteó este trabajo como un piloto para evaluar su coste/beneficio. A la empresa Rauros (Grupo Typsa) que ha facilitado todo el soporte para la realización del estudio. A Intemac (Grupo Typsa), que ha facilitado el esquema de generación de inspecciones para puentes.

Introducción

La industria de la construcción sufre principalmente de retrasos en la entrega de proyectos, sobre costes de producción y falta de información para el control y mantenimiento. Con la ayuda de nuevas tecnologías como el Building Information Modeling (BIM) se pretende reducir estos problemas en la mayor medida posible. Las principales barreras para su implementación son la falta de conocimiento BIM, la ausencia de estándares aplicados a las nuevas tecnologías y la resistencia al cambio de los actores involucrados en los procesos de construcción.

El término BIM se utiliza desde hace más de una década, pero el uso de estas tecnologías en la construcción se ha ido incrementando lentamente en comparación con otras industrias como la automotriz o la ingeniería de procesos. Para lograr el desarrollo del BIM en España es necesario estudiar y comprender los diferentes métodos y estrategias utilizadas por diferentes países para la puesta en práctica de estas tecnologías, además de analizar la normativa y la literatura existentes.

Se considera que las regiones del mundo más avanzadas en esta materia son América del Norte, Escandinavia, Reino Unido, Singapur, China, Emiratos Árabes Unidos y Australia. Todas ellas tienen en común el apoyo de sus gobiernos con estrategias que incentivan el uso BIM, la creación de estándares para el desarrollo de contenido y la creación de plataformas que ayuden a la aplicación de estas nuevas tecnologías. El desarrollo de las plataformas BIM en España ha crecido de la mano de otros países europeos y las estrategias y normativas han sido adaptadas de países pioneros como Finlandia. En el año 2012, se crea BuildingSMART Spanish Chapter con el objetivo de impulsar el BIM a través de estándares abiertos y atendiendo a las normativas españolas y los estándares vigentes. Posteriormente, en el año 2015, se constituye es.BIM, comisión que ayuda a definir las estrategias de implantación en el sector público.

La estandarización de procesos BIM podría conducir a mejoras en la fase diseño, así como a la optimización de recursos y ayuda al control de calidad en las fases de diseño, construcción y mantenimiento. La implementación y metodología de modelos BIM ayudaría a solventar algunos de los problemas más importantes de la industria de la construcción, además de cumplir los planes de mantenimiento de infraestructuras existentes.

Por otro lado, el uso de herramientas Lídar ha evolucionado de manera continuada, favoreciendo la creación de modelos tridimensionales de infraestructuras existentes mediante la utilización de software BIM. Esta tecnología ha servido para interpretar geometrías complejas y para visualizar millones de puntos en un espacio 3D con mayor velocidad, además de generar nubes de puntos con información detallada y muy precisa que favorece el intercambio de información entre plataformas y el modelado de las estructuras para la comprensión del espacio de los proyectos.

El presente artículo refleja la metodología seguida para replicar un modelo existente a partir de una nube de puntos tomada con un láser Lídar, el paso de dicha nube a un modelo BIM y la forma de “diálogo” con un sistema de gestión de activos.

Estado del Arte

En un esfuerzo por mejorar y acelerar la digitalización de la construcción se ha introducido el termino BIM, acrónimo de Building Information Modeling. La traducción directa al castellano sería Modelo de información de Construcción, definición que parece muy ambigua para un término que pretende ser la revolución más grande en la historia del sector de la construcción. BIM, es un término general que describe los procesos de producción y gestión de los procedimientos de construcción, así como las características físicas y funcionales de cualquier activo. Dichas características son representadas digitalmente.

En base a la actual visión del término BIM, se puede decir que esta también ha evolucionado a lo largo de los años. Fue en 1975, cuando Chuck Eastman introdujo por primera vez la idea de un diseño paramétrico. Eastman pretendía generar los planos correspondientes a secciones y plantas de un proyecto desde un único modelo en tres dimensiones con la ayuda de un software, incluía conceptos de diseño paramétrico integrados en una base de datos única para la realización de un análisis visual y cuantitativo.

En el año 1987, la empresa húngara Graphisoft desarrolló Archicad, primer software capaz de crear dibujos 2D derivados de un modelo en 3D. Graphisoft empleó el termino Virtual Building para describir un proceso de construcción digital, pero el termino Building Information Modeling no fue introducido por primera vez hasta el año 1992 por la escuela de Ingeniería Civil de la Universidad de Delft.

En la actualidad, la palabra BIM no se refiere solamente a un modelo paramétrico, sino que se considera parte de un proceso constructivo que engloba todas las fases del ciclo de vida de un activo^[III].

La tecnología informática del Building Information Modeling puede aplicarse a todos los activos construidos -puentes, carreteras, aeropuertos, naves industriales, etc.- para la generación de datos, controles y valores, y estos modelos, a su vez, son empleados para la representación de información gráfica y no gráfica de los activos. Con el termino BIM se pretende hacer de cada fase un proceso industrial, con mayores controles de calidad, trazabilidad en los proyectos y valores de productividad y eficiencia que puedan ser medibles. Con todos estos nuevos valores introducidos, se pretende generar una actividad más sostenible y eficiente.

Debido a la versatilidad de la industria y el tiempo que ha llevado a los agentes la adopción de un término concreto para la digitalización de la construcción, se ha optado por definir los niveles de madurez y las dimensiones BIM. BewRichards BIM Maturity Model (Figura 1) ha sido adoptado como el modelo más eficaz para describir lo que se entiende por Building Information Modeling, y ha sido empleado por diferentes asociaciones y gobiernos para trazar rutas de desarrollo en la industria de la construcción, ya que se presta para valorar la situación actual y las futuras líneas de crecimiento e investigación en temas BIM.

Figura 1. BewRichards BIM Maturity Model (XVI).

Para poder entender los parámetros que pueden ser empleados, es necesario definir las diferentes dimensiones en las que se puede trabajar en un mismo proyecto:

• 2D, dibujo asistido por computadora.

• 3D, Modelado.

• 4D, Tiempo.

• 5D, Costo.

• 6D, Sostenibilidad.

• 7D, gestión y explotación.

El objetivo final de la metodología BIM es favorecer la generación de información durante el proceso de construcción, desde el diseño hasta la demolición, lo que representa una mayor comunicación durante todas las fases de cualquier proyecto.

BuildingSMART definió el termino Industry Foundation Classes (IFC) como la representación de un estándar industrial para los modelos de diseño. Los modelos IFC capturan la geometría tridimensional de los objetos y los metadatos relacionados con otros aspectos del activo, generalmente propiedades.

En los últimos años se ha utilizado IFC como un formato interoperable, tanto como un mecanismo para intercambiar modelos entre los diferentes softwares, como un formato de entrada de datos para el análisis del diseño y la automatización de procesos. Se define utilizando las especificaciones ISO 10303 para el modelado e intercambio de datos, también conocido como STEP (Estándar para el intercambio de datos de productos).

El Nivel de Detalle o Level Of Developmet (LOD por sus siglas en inglés) es la relación lineal que existe entre cantidad y riqueza de información de un proceso constructivo dentro de los modelos BIM. En este sentido, se pueden considerar varios niveles desde el LOD 100, donde el modelo está representado gráficamente con un símbolo o de manera genérica. En este nivel, la geometría del elemento se representa mediante símbolos para visualizar la existencia de un componente. No incluye su forma, tamaño ni la ubicación precisa.

Tabla 1. Nivel de desarrollo de un elemento estructural (Fuente: Edgar Pelayo Sandoval).

El LOD 500 corresponde al diseño de detalle, ubicación y toda la información que será necesaria para el mantenimiento de la infraestructura.

En lo que se refiere a normativa y armonización de criterios, el Comité Europeo (CEN/TC 442) ha logrado la adopción de Estándares BIM. También destaca en el ámbito internacional la implementación de la siguiente normativa:

• EN ISO 16739:2016 Industry Foundation Clasess (IFC). Estándar creado para la distribución de información en la industria de la construcción y gestión de instalaciones.

• EN SIO 29481-2:2016. Formatos de entrega de modelos BIM.

• EN ISO 12006-3:2016. Organización de la información para modelos de construcción^[IX].

• PAS 1192-2 (2013). Definición de la metodología BIM y su incorporación en fases de diseño y construcción.

• PAS 1192-3 (2014). Metodología BIM en la fase operacional y explotación^[XII].

• ISO 19650 parte 1 y 2. Definición de los estándares para procesos de gestión de la información utilizando BIM, así como la fase de entrega de los activos.

En España, BuildingSMART Spanish Chapter trabaja continuamente en la promoción de estándares para formatos abiertos, también conocidos como OpenBIM, además de la creación de uBIM como la primera guía estándar en español para el uso de estas tecnologías. El séptimo Informe del observatorio de la comisión es.BIM recoge 517 licitaciones públicas, lanzadas desde inicios de 2017 hasta el primer semestre del 2019, que incluyen algún requisito BIM. En el siguiente mapa se muestra la distribución de proyectos objeto del contrato de la licitación realizados por cada comunidad autónoma^[XVI].

Figura 2. Mapa de la distribución del valor estimado de contrato total acumulado por CCAA (XV).

Metodología

Para la elaboración de proyectos BIM a partir de una infraestructura existente es necesaria la recolección de información geométrica y visual a través de una nube de puntos que nos permitirá reconocer dimensiones, ángulos, formas, texturas y colores; así como información visual, a través de imágenes 2D, que faciliten la interpretación extraída de la nube de puntos.

Para hacer un levantamiento de un puente se requiere la elaboración de escaneos desde distintas posiciones, lo que permite almacenar mayor cantidad de puntos, obtener información completa de la estructura y alcanzar el nivel de detalle necesario. Los escaneos tienen que ser introducidos en un sistema común de referencia, con un registro de su alineación y georreferenciación. Es necesario sincronizar los datos del levantamiento para la generación de un modelo BIM completo.

La fase de generación de nube de puntos está limitada a la reconstrucción de la forma en tres dimensiones, mientras que un modelo BIM consiste en la unión de los elementos, su relaciones y atributos. La complejidad del modelado radica en el procesado de datos, requerido para generar información parametrizada capaz de interactuar con el trabajo posterior de inspección de campo.

En el caso de estudio, la información del levantamiento ha sido procesada a través de Autodesk RECAP, software que permite insertar la nube de puntos en un archivo con extensión *.LAS. A partir de este software es posible generar un archivo con extensión *.RCP con el que visualizar la estructura general del puente en 3D, recopilar sus mediciones y ver elementos con la ayuda de herramientas propias del software para auxiliar en la generación del modelo 3D.

Con los datos procesados, las dimensiones de alta precisión y el nivel de detalle alcanzado en el archivo *.RCP ha sido posible empezar con el modelado del puente en el software designado. Con Autodesk Revit se han generado modelos BIM formados por familias de elementos paramétricos y sus atributos.

Para dar inicio al proceso de creación de modelos es necesario generar los catálogos de elementos que componen el puente, designar los parámetros a gestionar y seleccionar la herramienta que permita el análisis del elemento. Los elementos son clasificados en familias según el tipo de estructura. Para un puente las familias se dividen en:

• Losa.

• Vigas.

• Juntas.

• Pilares.

• Cimentación.

• Hastiales laterales.

• Luminarias.

• Drenaje.

• Instalaciones.

Caso de estudio

A continuación, se presentan los datos correspondientes al puente objeto de análisis, localizado en el kilómetro 72 de la autopista E88 de los Emiratos Árabes Unidos. Esta carretera, que une Sharjah, Al Dahid y Masafi, es la más larga del país y forma parte de la red que vertebra los Emiratos Árabes.

Figura 3. Mapa de la E88 Sharjah – Masafi tomado de https://www.google.com/maps.

El puente está compuesto por una superestructura formada por una capa asfáltica apoyada sobre una losa de 20 cm en promedio. Esta losa descansa en una estructura de hormigón pretensado compuesta por cuatro vigas principales en el sentido longitudinal y 15 viguetas transversales que las cruzan en tres tramos y que se apoyan sobre cuatro pilares de hormigón.

Figura 4. Estructura del puente sobre la E88 (km. 72) proporcionada por MoEI (UAE).

El levantamiento geométrico del puente se realizó por medio de escaneos y técnicas de fotogrametría. Se diseñó un plan para la toma de datos que determinó la ubicación de los distintos posicionamientos del escáner láser en puntos claves para poder recabar toda la información de la estructura y el entorno que lo rodea, además de alcanzar el nivel de detalle buscado en el modelo BIM del proyecto.

Por la magnitud del puente y sus especificaciones fue necesario definir un nivel de detalle LOD 500, donde el modelo se representa gráficamente como un sistema compuesto por elementos cuyas cantidades, dimensiones, ubicación y orientación están especificadas. También contiene información no gráfica ligada al modelo, correspondiente al uso y mantenimiento de la infraestructura. Para lograr un LOD 500 fue necesaria la utilización de un escáner láser Leica ScanStation P40, que permitió calcular la distancia a los objetos y registrar ángulos horizontales y verticales para obtener coordenadas X, Y, Z de cada punto. Además, con su cámara integrada, se pudieron identificar las texturas y colores utilizados para generar los atributos de los elementos.

Figura 5. Posicionamiento de la estación láser en 4 puntos.

A partir del escaneo, y mediante un proceso de datos con software nativo, se obtuvo la nube de puntos sin procesar. El formato de archivo procesado del escáner es un archivo nativo *.LAS. Para poder operar con él, fue necesario procesarlo una segunda vez a un formato legible para la plataforma de productos Autodesk.

Figura 6. Nube de puntos filtrada: Autodesk Revit.

Autodesk RECAP procesa la información seleccionada y crea un archivo *.RCP, formato legible en los softwares de la plataforma Autodesk. Los datos en formato *.RCP son importados a Autodesk Revit. El proceso de creación del modelo 3D de la estructura se elaboró con Autodesk Revit a partir de una nube de puntos más ligera y clara de interpretar, importada en formato *.RCP.

Para la creación de los elementos se definieron los planos de referencia tanto en planta como en alzado frontal. Dichos planos ayudan a definir los parámetros geométricos.

Figura 7. Extrusión de viga, alzado frontal: Autodesk Revit.

De manera análoga se procedió con el resto de los elementos que definen el puente.

Existen diversos repositorios de objetos BIM que facilitan el trabajo a diseñadores e ingenieros. Su función es brindar objetos de diferentes fabricantes de forma organizada y actualizada. Las familias pueden ser insertarse directamente en el software de diseño facilitando la gestión de modelos BIM, ya que cuentan con los parámetros y atributos necesarios para su instalación. Además, permiten la integración de parámetros adicionales para la gestión y mantenimiento, por ejemplo, la familia utilizada para las luminarias del proyecto Bridge E88-72 fue descargada directamente de la página web de Philips.

Figura 8. Familia de luminaria y sus parámetros: Autodesk Revit.

La gestión de la información en los modelos BIM depende de los parámetros que se hayan insertado a lo largo de los procesos de diseño, ya que el flujo de información entre modelos y agentes solo se logrará si esos parámetros y sus valores se han definido de forma correcta.

Figura 9. Asignación de parámetros a familias de sistema: Autodesk Revit.

El último paso consistió en la conexión de los ficheros generados con una plataforma específica de gestión de activos. En este caso ÍCARO (© RAUROS)

Figura 10. Sistema de Gestión de Activos (ICARO). Ficha de Puente. Cortesía de RAUROS.

Figura 11. Visualizador IFC. Ficha de atributos asociados a un activo.

Figura 12.Visualizador IFC. Ficha de atributos asociados a un activo.

El trabajo de gestión en la conservación de un puente consiste en la inspección sistemática de cada uno de sus elementos, identificando posibles patologías, su extensión e intensidad.

No tardaremos en ligar dichas inspecciones directamente con modelos 3D que permitan no sólo identificar y posicionar un daño, sino conectar con el sistema de gestión que analizará dichos daños y su evolución, para prever así cuándo va a ser necesario actuar, qué tipo de actuación será la adecuada y cuál será su coste.

Análisis y conclusiones

Durante la realización de este trabajo se estudiaron las metodologías existentes para la elaboración de modelos BIM con un enfoque a las infraestructuras existentes. Como conclusión general cabe señalar que la gestión de proyectos BIM es más efectiva en proyectos que fueron concebidos con este tipo de metodología desde origen que en proyectos en los que se desconocen los atributos de sus elementos, pero aun así es posible alcanzar la dimensión 7D, correspondiente a la fase de gestión y mantenimiento.

Seguidamente se exponen las conclusiones obtenidas en el desarrollo de este trabajo:

• Referente a la generación de nubes de puntos. Se concluye que, el uso de un escáner láser facilita el levantamiento, generando una nube de puntos con altos niveles de detalle de forma rápida y concisa. Una nube de puntos tiene grandes ventajas sobre un levantamiento tradicional, a pesar de sus limitaciones. A partir de esta nube de puntos fue posible interpretar dos de los elementos más importantes del modelado del puente: geometría y materiales. La posición del escáner condicionó la calidad del levantamiento, y los retos principales fueron la interpretación de geometrías complejas y puntos ciegos. Debido a la falta de datos en la captura de información no fue posible identificar elementos como las cimentaciones o los estribos del puente (por estar ocultos).

• Referente a la creación de proyectos de Revit. A pesar de que este proyecto no se concibió como BIM en sus inicios, ha sido posible generar la plataforma para la interacción entre agentes a lo largo de las fases restantes del ciclo de vida. Después de insertar 256 elementos, 17 ejes de referencia, cinco niveles de referencia y la asignación de parámetros para la gestión de activos, hemos obtenido un modelo BIM con un alcance 7D.

• Referente a la exportación a modelos IFC. El archivo IFC obtenido de la exportación del modelo general es un archivo más ligero que el archivo en formato nativo de Autodesk Revit, además de permitir la interoperabilidad entre los agentes y facilitar la lectura de parámetros, nunca la inclusión de nuevos elementos.

• Referente a la gestión de información. A partir de los resultados de los procesos anteriores es posible generar una plataforma que facilite la sincronización entre levantamientos en campo y el modelo BIM. La creación de los parámetros para la gestión de activos en etapas tempranas de diseño condiciona la gestión de información a lo largo de todos los procesos. Siguiendo las directrices de diseño planteadas en el presente trabajo es posible actualizar los modelos y el proyecto.

A modo de resumen, es necesario señalar que alcanzar el nivel de detalle descrito en este trabajo ha servido para evaluar el coste de lo que puede suponer la creación de gemelos digitales de infraestructuras existentes en horas/hombre. Los avances en inteligencia artificial y machine learning, aplicados a este tipo de datos, que en origen no son más que una nube de puntos, permitirán agilizar los procesos y plantear una posible rentabilidad de estos. Para generar este modelo y ligarlo a una plataforma de gestión de activos han sido necesarias más de 500 horas.

En opinión del autor del presente artículo, en la actualidad, es difícil justificar el beneficio frente al coste de verificar una realidad digital en redes de carreteras existentes sugiriendo un modelo de intercambio con modelos BIM para la gestión de activos no más allá del nivel de detalle LOD 100.

Referencias bibliográficas