Artículo
Mireia Ballester Ramos
Directora del Departamento de ProyectosVíctor Parejo Esparis
Director del Departamento de TopografíaFrancisco J. Vea Folch
Director del Departamento de InnovaciónMª del Pilar Peiró Torres
Técnico en InnovaciónBECSA, S.A.
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RESUMEN
Las infraestructuras viarias son uno de los patrimonios más importantes de los países desarrollados por los efectos positivos que generan en los ámbitos social y económico. Un mantenimiento adecuado de estas infraestructuras es clave para garantizar su nivel de servicio. Su deterioro tiene efectos sobre la seguridad vial e incluso, de acuerdo con investigaciones recientes, sobre las emisiones de CO₂ de los vehículos que circulan sobre ellas.
En su afán por mejorar el control del estado de las infraestructuras viarias, BECSA lleva años empleando la metodología BIM en el marco de sus contratos de conservación y mantenimiento de carreteras con distintas administraciones públicas. En este artículo se presentan ejemplos de algunas de las aplicaciones BIM que BECSA ha implementado con las siguientes funcionalidades:
• Generación de modelos digitales del terreno (MDT) de muy alta resolución.
• Caracterización geométrica de las carreteras.
• Estudio de mejoras de seguridad vial.
• Estudios de estabilidad de terreno.
• Identificación y caracterización de los activos de la carretera.
• Estudio del estado del firme.
El empleo de la metodología BIM permite obtener información muy precisa sobre estado de las infraestructuras viarias y sus elementos, facilitando a sus gestores el control y la toma de decisiones.
ABSTRACT
Road infrastructures are one of the most important heritage assets in developed countries, and their maintenance is essential to ensure their level of service. Good road infrastructures have a positive social and economic impact on the country, and their degradation has an impact on the level of road safety and even, according to recent research, shows that it also affects the CO₂ emissions of the vehicles that drive on them.
To improve the design and control over the condition of roads, BECSA has been using BIM methodology for years, in a way that facilitates the work of infrastructure management and provides managers with valuable information to offer a better service by the roads. Thus, in this article, BECSA has implemented the BIM methodology in the control and evaluation of road infrastructures, some examples of which are the following:
• Generation of high resolution digital terrain models (DTM).
• Geometric characterisation of roads.
• Study of road safety improvements.
• Terrain stability studies.
• Identification and characterization of road elements.
• Study of pavement cracking.
The use of this methodology in the development of new designs, the evaluation of existing designs and the maintenance of these infrastructures has led to a considerable improvement in the performance of the work.
Aplicación de BIM a carreteras
La infraestructura carretera es uno de los patrimonios más importantes y valiosos de cualquier país, no siendo España una excepción, pues el valor patrimonial de sus infraestructuras viarias asciende a 185.000 millones de euros, de los cuales 70.000 millones de euros pertenecen a la Red de Carreteras del Estado (RCE), mientras que 115.000 millones de euros se corresponden con la Red autonómica y provincial[I]. El creciente patrimonio de infraestructura carretera de España, y global genera una necesidad de mejorar la metodología empleada en las labores de construcción, mantenimiento y reparación, así como de emplear nuevas tecnologías. Por este motivo, nace la idea de la aplicación de metodología BIM en estas labores de las carreteras.
Pese a que todavía queda mucho por trabajar, ya que hay estudios que han puesto de manifiesto las limitaciones de la implementación del proceso BIM en la fase de explotación y mantenimiento de las infraestructuras viarias[II], son muchas las iniciativas dedicadas a su mejora y muchos los proyectos europeos de gestión de activos en carreteras que incorporan esta metodología para la creación de proyectos y realización de mantenimiento[III]. Ya se han realizado algunos estudios en este ámbito en los últimos años. Así, por ejemplo, se desarrolló un sistema de detección de carreteras automático para elaborar un modelo BIM-GIS integrado con una estructura basada en múltiples propuestas, en la que un único archivo puede manejar diferentes versiones del modelo con un nivel de detalle variable y añadiendo elementos paramétricos para los edificios y la vegetación[IV]. También se han desarrollado sistemas semiautomatizados capaces de analizar nubes de puntos sin procesar de un sistema de cartografía móvil y generar un archivo conforme a IFC, que modela la alineación y la línea central de cada carril de una carretera[V]. Por otro lado, se han utilizado nubes de puntos 3D, obtenidas por escaneo láser, para el desarrollo de bloques de construcción paramétricos inteligentes aplicados al diseño de carreteras en 3D y para el desarrollo de algoritmos que detectan elementos de la carretera[VI].
Aplicación de BIM a carreteras dentro de BECSA
En la actualidad, el uso de tecnología BIM en el sector del mantenimiento y construcción de carreteras está aumentando considerablemente. La incorporación de la mencionada metodología en el sector facilita el diseño de soluciones y el control del estado de la infraestructura, lo que se traduce en una mayor eficiencia en el uso de los recursos. A continuación, se mencionan algunos ejemplos de aplicación de BIM a carreteras en la empresa BECSA:
• Generación de modelos digitales del terreno (MDT)
Se han empleado tecnologías láser LiDAR (Light Detection And Ranging) y fotogrametría mediante dron para la obtención de nubes de puntos cuyo procesamiento posterior ha permitido la generación de modelos digitales del terreno (MDT) de diferentes tramos de carreteras y su entorno.
La tecnología LiDAR es un sistema de medición basado en un sensor láser que emite pulsos y registra los retornos contra la superficie para obtener medidas de posicionamiento georreferenciadas mediante modelos digitales tridimensionales de alta precisión. Se han utilizado tres variantes de dicha tecnología: LiDAR Aéreo, LiDAR 3D Mobile Mapping y LiDAR Terrestre o Estacionario.
BECSA se ha apoyado en la empresa INPROAUDIT para la obtención de MDT de alta resolución a partir de información LiDAR aéreo en diferentes tramos de la red de carreteras de la CPTOPM (Conselleria de Política Territorial, Obres Públiques i Mobilitat) en la provincia de Valencia. Las nubes de puntos se han procesado con un sistema de interpolación especialmente desarrollado. Los MDT generados se han empleado en estudios de análisis de la seguridad vial y mejora del trazado.
Por otra parte, la empresa ha generado modelos digitales tridimensionales de muy alta precisión con imágenes ópticas panorámicas de 360º, asociadas a partir de las nubes de puntos capturadas con el sistema LiDAR 3D Mobile Mapping de las empresas LEICA y TRIMBLE en tramos de la red de carreteras de la Demarcación Bétera-Serra de la Diputación de Valencia, así como en toda la red de carreteras de la CPTOPM- de la provincia de Castellón, Zona Centro.
En la misma línea, la tecnología LiDAR terrestre se ha empleado en la obtención del modelo digital del terreno del estrecho de Villahermosa del Río en la carretera CV-175, gestionada por la Diputación de Castellón.
Otra de las técnicas disponibles es la fotogrametría, que consiste en estudiar y definir las dimensiones de un objeto con precisión a partir de una o varias fotografías de ese objeto. BECSA, con el apoyo de la empresa COMAYPA, utilizó la fotogrametría con drones para la creación de MDT en la carretera CV-10 de la CPTOPM en la provincia de Castellón.
• Caracterización geométrica de las carreteras
Ya existían experiencias previas en el empleo de la metodología BIM para caracterizar geométricamente las carreteras e identificar incumplimientos de los estándares de trazado[VII][VIII]. BECSA ha utilizado esta tecnología para la restitución geométrica de tramos de carretera en planta, alzado y sección transversal a partir de MDT. Con el empleo de softwares específicos, se han podido identificar los parámetros geométricos del trazado, así como verificar el cumplimiento de la normativa.
Los resultados de estos estudios resultan de gran utilidad para la gestión de la infraestructura. Así, esta metodología se ha empleado con éxito en el estudio detallado de peraltes, sobreanchos y visibilidad en curvas en tramos de carreteras de la CPTOPM de la Zona Centro de Castellón.
• Estudio de mejoras de seguridad vial
Los MDT, junto con la caracterización geométrica, permiten analizar aspectos relacionados con la seguridad vial de las carreteras, tales como la visibilidad de parada, la consistencia del trazado, la adecuación de la señalización y balizamiento, y la necesidad de la instalación de sistemas de protección de motoristas.
BECSA ha colaborado con la empresa INPROAUDIT en la identificación de curvas inconsistentes de riesgo aumentado para la circulación mediante el uso de modelos predictivos de V85 de la FHWA (Federal Highway Administration) y de Universidad Politécnica de Valencia en varios tramos de carreteras de la CPTOPM de Valencia Norte y de la Diputación de Valencia en la Dermarcación Bétera-Serra. Asimismo, se han efectuado estudios de visibilidad en la carretera CV-245, a partir de la nube de puntos con datos LiDAR mobile, empleando para ello una metodología desarrollada por INPROAUDIT. A diferencia del tradicional uso de MDT, las visibilidades así obtenidas tienen en cuenta todo tipo de obstrucciones a la visión, tales como el propio terreno, barreras, vegetación, construcciones u obstáculos laterales.
Estos estudios han permitido definir mejoras geométricas para eliminar inconsistencias, despejes para mejorar visibilidad y diseñar propuestas de adecuación de señalización, balizamiento y sistemas de contención. Buen ejemplo de ello es el estudio piloto de caracterización geométrica y análisis de consistencia en 100 km de las carreteras de la Demarcación Bétera-Serra de la Diputación de Valencia, con resultados integrados en el geoportal de gestión gvSIGroads, que, finalmente, dicha administración ha decidido extender a los 1.700 km que componen la totalidad de su red.
• Estudios de estabilidad de terreno
Partiendo de un levantamiento fotogramétrico mediante dron complementado con otro con LiDAR Terrestre, BECSA ha trabajado con la Diputación de Castellón en la obtención de un MDT que se ha empleado para la determinación del tamaño de bloques, el estudio de las discontinuidades del macizo rocoso, el análisis de cavidades y el cálculo de las trayectorias de los posibles desprendimientos en la carretera CV-175, entre los p.k. 4+540 y 4+700, en el tramo comprendido entre Cedramán y Villahermosa del Río (Castellón).
• Identificación y caracterización de activos de carretera
Partiendo de MDT, es posible identificar y caracterizar todos los elementos del equipamiento de la red de carreteras para generar un inventario con las propiedades y atributos deseados para cada uno de ellos. La identificación de los diferentes elementos se efectúa combinando procesos de detección semiautomáticos y manuales mediante softwares específicos.
Buen ejemplo de ello es el trabajo que está realizando BECSA en el marco del contrato de conservación de carreteras de la CPTOPM de la Zona Centro de la provincia de Castellón. A partir de las nubes de puntos generadas con un sistema LiDAR Mobile Mapping, se han identificado los elementos del equipamiento de la carretera y sus características, agrupándolos en familias de datos georreferenciadas en formato shapefile: señalización horizontal, señalización vertical, barreras, cunetas, etc.
• Estudio del estado del firme
Los MDT de alta resolución permiten caracterizar y evaluar el estado superficial del firme. Así, BECSA, con la colaboración de INPROAUDIT, llevó a cabo la caracterización del firme de la carretera CV-310, dentro del contrato de conservación de la Demarcación Bétera- Serra de la Diputación de Valencia.
En la misma línea, se ha caracterizado el estado del firme de diferentes tramos de carreteras gestionadas por la CPTOPM en Castellón. Para ello, BECSA ha contado con la ayuda de Applus Norcontrol, S.L.U., que se ha encargado de auscultar con el equipo Laser Crack Measurement System (LCMS) de INO-Pavemetrics. Este equipo es un innovador sistema de auscultación láser de alto rendimiento, especializado en la medida de la superficie de los pavimentos. A partir de la información obtenida, se ha desarrollado un mapa de fisuras y roderas de los tramos analizados que se ha incorporado a los MDT previamente generados para facilitar su visualización y gestión.
Referencias bibliográficas
[I] Asociación Española de la Carretera (2010). Sector viario y crisis. Análisis de situación. Catálogo de propuestas.
[II] Ait-Lamallam, S., Sebari, I., Yaagoubi, R. & Doukari, O. (2022). Towards an Ontological Approach for the Integration of Information on Operation and Maintenance in BIM for Road Infrastructure. In Proceedings of Sixth International Congress on Information and Communication Technology (pp. 701-712). Springer, Singapore.
[III] Pokusaev, O., Kupriyanovsky, V., Klimov, A., Namiot, D., Kupriyanovsky, J. & Zarechkin, E. (2020). BIM, Ontology and Asset Management Technologies on European Highways. International Journal of Open Information Technologies, 8(6), 108-135.
[IV] Barazzetti, L., Previtali, M. & Scaioni, M. (2020). Roads detection and parametrization in integrated BIM-GIS using LiDAR. Infrastructures, 5(7), 55.
[V] Soilán, M., Justo, A., Sánchez-Rodríguez, A. & Riveiro, B. (2020). 3D point cloud to BIM: Semi-automated framework to define IFC alignment entities from MLS-acquired LiDAR data of highway roads. Remote Sensing, 12(14), 2301.
[VI] Tibaut, A., Pečnik, S., Korošec, M. R., Mihalič, K. & Zabreznik, I. (2015). BIM-based parametric modeling of roads and infrastructure objects. In 32nd CIB W78 conference, Eindhoven, The Netherlands.
[VII] Andriani, R. W., Destaman, F., Winardi, D. & Jatmika, B. (2021, August). Analysis Of Road Geometric Standards In Hilling Areas Using Bim. In 2021 IEEE 7th International Conference on Computing, Engineering and Design (ICCED) (pp. 1-6). IEEE.
[VIII] Moya Sala, Quim, García García, Alfredo, Camacho-Torregrosa, Francisco Javier y Campoy Ungria, José Manuel. (2017). BIM para infraestructuras de carreteras: Verificación de la normativa de diseño geométrico. Spanish journal of BIM, 1 (17), 10 - 18.