BIM en la Gestión de Activos Viales!  
Fernando Varela Soto

RESUMEN


Es evidente que se está realizando un esfuerzo por mejorar y acelerar la digitalización en la construcción mediante el uso de herramientas y metodologías BIM. Podemos considerar como una meta conseguida el diseño y construcción de infraestructuras utilizando BIM (Building Information Modeling), destacando determinadas parcelas de la obra civil como es caso de la edificación. Dentro de las infraestructuras de obra pública el nivel de implantación está siendo algo más lento y uno de los motivos es la falta de estándares en los criterios de diseño y también la falta de librerías de uso común en las herramientas. Hay varios grupos de trabajo que están liderando la transformación y, sin duda, apoyados en la experiencia en otros ámbitos que llevan cierta delantera, están generando el escenario apropiado para fijar estos criterios. Quizá el gran reto consiste en pensar y definir los mismos teniendo en cuenta que, en el ciclo de vida de una infraestructura el mayor periodo, en términos absolutos, es la fase de conservación y explotación. Diseñar pensando en esa fase va a ser crucial para el éxito de la implantación de BIM en infraestructuras como las carreteras.

Para contemplar la posibilidad de utilizar una metodología BIM en toda su extensión en infraestructuras existentes sería necesario contar con los datos de diseño y, más que eso, los planos “as built” de lo que tenemos sobre el terreno, datos que en muchas ocasiones no es posible conseguir. El presente artículo supone un repaso del estado del arte en la implantación de BIM y muestra un ejemplo de cómo podemos llegar a gestionar activos existentes utilizando metodología BIM, contando con el intercambio de ficheros en formatos donde los activos puedan tener asociados atributos (datos geométricos, de inspección, etc.). El ejemplo está basado en la reconstrucción de la geometría de un puente y su división en elementos a partir de una toma de datos con equipos láser tipo LiDAR (Light detection and Ranging. Para completar el tratamiento se mostrará el modo de diálogo de estos datos con un sistema de gestión de activos viales.

ABSTRACT


It is evident that an effort is being made to improve and accelerate digitization in construction with BIM tools and methodologies. We can consider the design and construction of infrastructures using BIM (Building Information Modeling) as an achieved goal, highlighting certain plots of civil works such as construction. Within public works infrastructures, the level of implementation is being somewhat slower and one of the reasons is the lack of standards in design criteria and the lack of libraries for common use in the tools. There are several working groups that are leading the transformation and, without a doubt, supported by experience in other areas that are ahead of the game, they are creating the appropriate scenario to set these criteria. Perhaps the great challenge is to think and define them considering that, in the life cycle of an infrastructure, the longest period, in absolute terms, is the conservation and exploitation phase. Designing with this phase in mind is going to be crucial for the success of the implementation of BIM in infrastructures such as roads.

To contemplate the possibility of using a BIM methodology in its entirety in existing infrastructures, it would be necessary to have the design data and, more than that, the "as built" plans of what we have on the ground, data that on many occasions we do not it is possible to get. This article is a review of the state of the art in the implementation of BIM and shows an example of how we can manage existing assets using BIM methodology, counting on the exchange of files in formats where the assets may have associated attributes (geometric data, inspection, etc.). The example is based on the reconstruction of the geometry of a bridge and its division into elements from a data collection with laser equipment such as LiDAR (Light detection and Ranging). To complete the treatment, the dialogue mode of these data will be shown with a road asset management system.

 

Agradecimientos


A Edgar Pelayo Sandoval sin cuyo Trabajo Fin de Máster hubiera sido imposible realizar esta descripción, al Ministerio de Energía e Infraestructuras de Emiratos Árabes Unidos que planteó este trabajo como un piloto para evaluar el coste/beneficio del mismo. 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, sobrecosto de producción y falta de información para el control y manteniendo. Con la ayuda de nuevas tecnologías como es el Building Information Modeling (BIM), se pretende reducir estos problemas en la mayor medida posible, pero las principales barreras para su implementación son la falta de conocimiento BIM, falta de estándares aplicados a las nuevas tecnologías y la resistencia al cambio de los actores involucrados en los procesos de construcción.

El término BIM ha sido utilizado desde hace más de una década, pero la implementación y uso de tecnologías ha ido incrementando lentamente en comparación con otras industrias como la automotriz e ingeniería de procesos. Para lograr un desarrollo en materia BIM en España es necesario estudiar y comprender los diferentes métodos y estrategias utilizadas por diferentes países para la implementación y desarrollo de estas tecnologías, además de analizar la normativa y la literatura existentes en la implementación

Las regiones del mundo más avanzadas en esta materia podrían ser consideradas América del Norte, Escandinavia, Reino Unido, Singapur, China, Emiratos Árabes Unidos y Australia. Todas estas tienen en común el apoyo de estrategias de gobierno para incentivar 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, atendiendo 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, optimización de recursos y ayuda al control de calidad en las fases de diseño, construcción y mantenimiento. La implementación y metodología de modelos BIM podría ayudar a solventar algunos de los problemas más importantes de la industria de la construcción, además de ayudar a cumplir los planes de mantenimiento de infraestructuras existentes.

Por otro lado, la implementación de herramientas LiDAR ha evolucionado de manera continua, 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 tomado con un láser LiDAR, 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 ser 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 ésta también ha evolucionado a lo largo de los años. Fue en el año de 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 BIM fue introducido por primera vez hasta el año de 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 como 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 ser aplicada a todos los activos construidos como son: 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 tomado 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, 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[XVI].



Figura 1
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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 a la generación de información durante el proceso de construcción, desde el diseño hasta la demolición, lo que representa 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, la geometría del elemento es representada mediante símbolos para visualizar la existencia de un componente. No incluye su forma, tamaño ni la ubicación precisa.



Tabla 1

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



Hasta el LOD 500 que 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 a nivel internacional la implementación de la siguiente normativa:

• EN ISO 16739:2016 Industry Foundation Clasess (IFC) estándar creada 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 o 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 que incluyen algún requisito BIM y han sido publicadas desde inicios de 2017 hasta el primer semestre del 2019. En el siguiente mapa se muestra la distribución de proyectos objeto del contrato de la licitación realizados por cada comunidad autónoma[XV].



Figura 2
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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 facilitan 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 información, requerido para generar información parametrizada que sea 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, capaz de visualizar la estructura general del puente en 3D, recopilar sus mediciones y la visualizar 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, que une Sharjah, Al Dahid y Masafi. La carretera en cuestión es la más larga del país y forma parte de la red que vertebra los Emiratos Árabes.



Figura 2

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




El Puente está compuesto por una superestructura formada una capa asfáltica apoyada sobre una losa de 20 cm en promedio, a su vez apoyada en una estructura de hormigón pretensado compuesta por 4 vigas principales en el sentido longitudinal y 15 viguetas transversales que las cruzan en 3 tramos, a su vez apoyadas sobre 4 pilares de hormigón.



Figura 4

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




El levantamiento geométrico del Puente se realizó por medio de escaneos y técnicas de fotogrametría. Para su realización se diseñó un plan para la toma de datos, donde se 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: las cantidades, dimensiones, ubicación y orientación de los elementos son especificados, además de información no grafica 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, con el uso de su láser fue posible calcular la distancia hacia los objetos, 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

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




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



Figura 6

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. Los planos de referencia en planta y alzado ayudan a definir los parámetros geométricos.



Figura 7

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, los cuales facilitan el trabajo a diseñadores e ingenieros, su función es brindar objetos de diferentes fabricantes de forma organizada y actualizada. Las familias pueden ser insertadas directamente al software de diseño y facilitan la gestión de modelos BIM, ya que las familias 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

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




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



Figura 9

Figura 9. Asignación de parámetros 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

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


Figura 11

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


Figura 12

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 modelo 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 cuando va a ser necesario actuar, que tipo de actuación será la adecuada y el coste de esta.



Análisis y Conclusioneso


Durante la realización de este trabajo se estudiaron las metodologías existentes para la elaboración de modelos BIM, con un enfoque a 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 una serie de 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 limitantes. A partir de esta nube de puntos fue posible interpretar 2 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 falta de información 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 es un proyecto que no se concibió como un proyecto 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, 5 niveles de referencia y la asignación de parámetros para la gestión de activos, obtenemos 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 facilita 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. Es seguro que con 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, permitirá 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 LOD 100. (nivel de detalle)



[II] http://bsdd.buildingsmart.org/

Referencias Bibliográficas


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[II] Barazzetti, L., Banfi, F., Brumana, R., Previtali, M., & Roncoroni, F. (2016). BIM from laser scans... not just for buildings: Nurbs-based parametric modeling of a medieval bridge. ISPRS Annals of the Photogrammetry, Remote Sensing and Spatial Information Sciences, 1-6.


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