1. From point cloud data to BIM
- Author
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Barbosa, Margarida de Carvalho Jerónimo, Mateus, Luís Miguel Cotrim, Ferreira, Victor Manuel Mota, coorientador, and Pauwels, Pieter, coorientador
- Subjects
Edifícios existentes ,BIM ,Fluxos de trabalho ,Diretrizes ,Point clouds ,Guidelines ,Existing buildings ,Nuvens de pontos ,Workflows - Abstract
Tese de Doutoramento em Arquitetura, com a especialização em Conservação e Restauro apresentada na Faculdade de Arquitetura da Universidade de Lisboa para obtenção do grau de Doutor. As metodologias associadas ao software BIM (Building Information Modeling) representam nos dias de hoje um dos sistemas integrados mais utilizado para a construção de novos edifícios. Ao usar BIM no desenvolvimento de projetos, a colaboração entre os diferentes intervenientes num projeto de arquitetura, engenharia e construção, melhora de um modo muito significativo. Esta tecnologia também pode ser aplicada para intervenções em edifícios existentes. Na presente tese pretende-se melhorar os processos de registo, documentação e gestão da informação, recorrendo a ferramentas BIM para estabelecer um conjunto de diretrizes de fluxo de trabalho, para modelar de forma eficiente as estruturas existentes a partir de nuvens de pontos, complementados com outros métodos apropriados. Há vários desafios que impedem a adoção do software BIM para o planeamento de intervenções em edifícios existentes. Volk et al. (2014) indica que os principais obstáculos de adoção BIM são o esforço de modelação/conversão dos elementos do edifício captados em objetos BIM, a dificuldade em actualizar informação em BIM e as dificuldades em lidar com as incertezas associadas a dados, objetos e relações que ocorrem em edifícios existentes. A partir desta análise, foram desenvolvidas algumas diretrizes de fluxo de trabalho BIM para modelação de edifícios existentes. As propostas indicadas para as diretrizes BIM em edifícios existentes, incluem tolerâncias e standards para modelar elementos de edifícios existentes. Tal metodologia permite que as partes interessadas tenham um entendimento e um acordo sobre o que é suposto ser modelado. Na presente tese, foi investigado um conjunto de tópicos de pesquisa que foram formuladas e colocadas, enquadrando os diferentes obstáculos e direcionando o foco de pesquisa segundo quatro vectores fundamentais: 1. Os diferentes tipos de dados de um edifício que podem ser adquiridos a partir de nuvens de pontos; 2. Os diferentes tipos de análise de edifícios; 3. A utilização de standards e BIM para edifícios existentes; 4. Fluxos de trabalho BIM para edifícios existentes e diretrizes para ateliers de arquitectura. A partir da pesquisa efetuada, pode-se concluir que é há necessidade de uma melhor utilização da informação na tomada de decisão no âmbito de um projeto de intervenção arquitetónica. Diferentes tipos de dados, não apenas geométricos, são necessários como base para a análise dos edifícios. Os dados não geométricos podem referir-se a características físicas do tecido construído, tais como materiais, aparência e condição. Além disso, o desempenho ambiental, estrutural e mecânico de um edifício, bem como valores culturais, históricos e arquitetónicos, essenciais para a compreensão do seu estado atual. Estas informações são fundamentais para uma análise mais profunda que permita a compreensão das ações de intervenção que são necessárias no edifício. Através de tecnologias Fotogrametria (ADP) e Laser Scanning (TLS), pode ser gerada informação precisa e actual. O produto final da ADP e TLS são nuvens de pontos, que podem ser usadas de forma complementar. A combinação destas técnicas com o levantamento tradicional Robotic Total Station (RTS) fornece uma base de dados exata que, juntamente com outras informações existentes, permitem o planeamento adequado da intervenção. Os problemas de utilização de BIM para intervenção em edifícios existentes referem-se principalmente à análise e criação de geometria do edifício, o que geralmente é uma etapa prévia para a conexão de informação não-geométrica de edifícios. Por esta razão, a presente tese centra-se principalmente na busca de diretrizes para diminuir a dificuldade em criar os elementos necessários para o BIMs. Para tratar dados incertos e pouco claros ou informações semânticas não visíveis, pode-se complementar os dados originais com informação adicional. Os fluxos de trabalho apresentados na presente tese focam-se principalmente na falta de informação visível. No caso de projetos de remodelação, a informação não visível pode ser adquirida de forma limitada através de levantamentos ADP ou TLS após a demolição de alguns elementos e/ou camadas de parede. Tal metodologia permite um melhor entendimento das camadas de materiais não visíveis dos elementos do edifício, quando a intervenção é uma demolição parcial. Este processo é útil apenas se uma parte do material do elemento é removida e não pode ser aplicada a elementos não intervencionados. O tratamento da informação em falta pode ser feito através da integração de diferentes tipos de dados com diferentes origens. Devem ser implementados os fluxos de trabalho para a integração da informação. Diferentes fluxos de trabalho podem criar informação em falta, usada como complemento ou como base para a tomada de decisão quando não há dados disponíveis. Relativamente à adição de dados em falta através da geração de nuvem de pontos, os casos de estudo destacam a importância de planear o levantamento, fazendo com que todas as partes compreendam as necessidades associadas ao projeto. Além da precisão, o nível de tolerância de interpretação e modelação, requeridos pelo projeto, também devem ser acordados e entendidos. Nem todas as ferramentas e métodos de pesquisa são adequados para todos os edifícios. A escala, os materiais e a acessibilidade do edifício desempenham um papel importante no planeamento do levantamento. Para lidar com o elevado esforço de modelação, é necessário entender os fluxos de trabalho necessários para analisar a geometria dos elementos do edifício. Os BIMs construídos são normalmente gerados manualmente através de desenhos CAD e/ou nuvens de pontos. Estes são usados como base geométrica a partir da qual a informação é extraída. A informação utilizada para planear a intervenção do edifício deve ser verificada, confirmando se é uma representação do estado actual do edifício. As técnicas de levantamento 3D para capturar a condição atual do edifício devem ser integradas no fluxo de trabalho BIM, construído para capturar os dados do edifício sobre os quais serão feitas as decisões de intervenção. O resultado destas técnicas deve ser integrado com diferentes tipos de dados para fornecer uma base mais precisa e completa. O atelier de arquitetura deve estar habilitado com competências técnicas adequadas para saber o que pedir e o que utilizar da forma mais adequada. Os requisitos de modelação devem concentrar-se principalmente no conteúdo deste processo, ou seja, o que modelar, como desenvolver os elementos no modelo, quais as informações que o modelo deve conter e como deve ocorrer a troca de informações no modelo. O levantamento das nuvens de pontos deve ser efectuado após ter sido estipulado o objetivo do projeto, standards, tolerâncias e tipo de conteúdo na modelação. As tolerâncias e normas de modelação são diferentes entre empresas e países. Independentemente destas diferenças, os documentos standard têm como objetivo produzir e receber informação num formato de dados consistente e em fluxos de trabalho de troca eficiente entre os diferentes intervenientes do projeto. O pensamento crítico do fluxo de trabalho de modelação e a comunicação e acordo entre todas os intervenientes são os principais objetivos das diretrizes apresentadas nesta tese. O estabelecimento e o acordo de tolerâncias de modelação e o nível de desenvolvimento e detalhes presentes nas BIMs, entre as diferentes partes envolvidas no projeto, são mais importantes do que as definições existentes atualmente e que são utilizadas pela indústria da AEC. As ferramentas automáticas ou semi-automáticas para extração da forma geométrica, eliminação ou redução de tarefas repetitivas durante o desenvolvimento de BIMs e a análise de condições de ambiente ou de cenários, são também um processo de diminuição do esforço de modelação. Uma das razões que justifica a necessidade de standards é a estrutura e a melhoria da colaboração, não só para os intervenientes fora da empresa, mas também dentro dos ateliers de arquitetura. Os dados e standards de fluxo de trabalho são difíceis de implementar diariamente de forma eficiente, resultando muitas vezes em dados e fluxos de trabalho confusos. Quando tal situação ocorre, a qualidade dos resultados do projeto reduz-se e pode ficar comprometida. As normas aplicadas aos BIMs construídos, exatamente como as normas aplicadas aos BIMs para edifícios novos, contribuem para a criação de informação credível e útil. Para atualizar um BIMs durante o ciclo de vida de um edifício,é necessário adquirir a informação sobre o estado actual do edifício. A monitorização de dados pode ser composta por fotografias, PCM, dados de sensores, ou dados resultantes da comparação de PCM e BIMs e podem representar uma maneira de atualizar BIMs existentes. Isto permite adicionar continuamente informações, documentando a evolução e a história da construção e possibilita avaliar possíveis intervenções de prevenção para a sua valorização. BIM não é geralmente usado para documentar edifícios existentes ou intervenções em edifícios existentes. No presente trabalho propõe-se melhorar tal situação usando standards e/ou diretrizes BIM e apresentar uma visão inicial e geral dos componentes que devem ser incluídos em tais standards e/ou linhas de orientação. ABSTRACT: Building information modeling (BIM) is most often used for the construction of new buildings. By using BIM in such projects, collaboration among stakeholders in an architecture, engineering and construction project is improved. This scenario might also be targeted for interventions in existing buildings. This thesis intends to enhance processes of recording, documenting and managing information by establishing a set of workflow guidelines to efficiently model existing structures with BIM tools from point cloud data, complemented with any other appropriate methods. There are several challenges hampering BIM software adoption for planning interventions in existing buildings. Volk et al. (2014) outlines that the as-built BIM adoption main obstacles are: the required modeling/conversion effort from captured building data into semantic BIM objects; the difficulty in maintaining information in a BIM; and the difficulties in handling uncertain data, objects, and relations occurring in existing buildings. From this analysis, it was developped a case for devising BIM workflow guidelines for modeling existing buildings. The proposed content for BIM guidelines includes tolerances and standards for modeling existing building elements. This allows stakeholders to have a common understanding and agreement of what is supposed to be modeled and exchanged.In this thesis, the authors investigate a set of research questions that were formed and posed, framing obstacles and directing the research focus in four parts: 1. the different kind of building data acquired; 2. the different kind of building data analysis processes; 3. the use of standards and as-built BIM and; 4. as-built BIM workflows and guidelines for architectural offices. From this research, the authors can conclude that there is a need for better use of documentation in which architectural intervention project decisions are made. Different kind of data, not just geometric, is needed as a basis for the analysis of the current building state. Non-geometric information can refer to physical characteristics of the built fabric, such as materials, appearance and condition. Furthermore environmental, structural and mechanical building performance, as well as cultural, historical and architectural values, style and age are vital to the understanding of the current state of the building. These information is necessary for further analysis allowing the understanding of the necessary actions to intervene. Accurate and up to date information information can be generated through ADP and TLS surveys. The final product of ADP and TLS are the point clouds, which can be used to complement each other. The combination of these techniques with traditional RTS survey provide an accurate and up to date base that, along with other existing information, allow the planning of building interventions. As-built BIM adoption problems refer mainly to the analysis and generation of building geometry, which usually is a previous step to the link of non-geometric building information. For this reason the present thesis focus mainly in finding guidelines to decrease the difficulty in generating the as-built-BIMs elements. To handle uncertain data and unclear or hidden semantic information, one can complement the original data with additional missing information. The workflows in the present thesis address mainly the missing visible information. In the case of refurbishment projects the hidden information can be acquired to some extend with ADP or TLS surveys after demolition of some elements and wall layers. This allows a better understanding of the non visible materials layers of a building element whenever it is a partial demolition. This process is only useful if a part of the element material is removed, it can not be applied to the non intervened elements. The handling of visible missing data, objects and relations can be done by integrating different kind of data from different kind of sources. Workflows to connect them in a more integrated way should be implemented. Different workflows can create additional missing information, used to complement or as a base for decision making when no data is available. Relating to adding missing data through point cloud data generation the study cases outlined the importance of planning the survey, with all parts understanding what the project needs are. In addition to accuracy, the level of interpretation and modelling tolerances, required by the project, must also be agreed and understood. Not all survey tools and methods are suitable for all buildings: the scale, materials and accessibility of building play a major role in the survey planning. To handle the high modeling/conversion effort one has to understand the current workflows to analyse building geometry. As-built BIMs are majorly manually generated through CAD drawings and/or PCM data. These are used as a geometric basis input from where information is extracted. The information used to plan the building intervention should be checked, confirming it is a representation of the as-is state of the building. The 3D surveys techniques to capture the as-is state of the building should be integrated in the as-built BIM workflow to capture the building data in which intervention decisions are made. The output of these techniques should be integrated with different kind of data to provide the most accurate and complete basis. The architectural company should have technical skills to know what to ask for and to use it appropriately. Modeling requirements should focus primarily on the content of this process: what to model, how to develop the elements in the model, what information should the model contain, and how should information in the model be exchanged. The point clouds survey should be done after stipulating the project goal, standards, tolerances and modeling content. Tolerances and modeling guidelines change across companies and countries. Regardless of these differences the standards documents have the purpose of producing and receiving information in a consistent data format, in efficient exchange workflows between project stakeholders. The critical thinking of the modeling workflow and, the communication and agreement between all parts involved in the project, is the prime product of this thesis guidelines. The establishment and agreement of modeling tolerances and the level of development and detail present in the BIMs, between the different parts involved on the project, is more important than which of the existing definitions currently in use by the AEC industry is chosen. Automated or semi-automated tools for elements shape extraction, elimination or reduction of repetitive tasks during the BIMs development and, analysis of environment or scenario conditions are also a way of decreasing the modeling effort. One of the reasons why standards are needed is the structure and improvement of the collaboration not only with outside parts but also inside architectural offices. Data and workflow standards are very hard to implement daily, in a practical way, resulting in confusing data and workflows. These reduce the quality of communication and project outputs. As-built BIM standards, exactly like BIM standards, contribute to the creation of reliable and useful information. To update a BIMs during the building life-cycle, one needs to acquire the as-is building state information. Monitoring data, whether consisted by photos, PCM, sensor data, or data resulting from the comparison of PCM and BIMs can be a way of updating existing BIMs. It allows adding continuously information, documenting the building evolution and story, and evaluating possible prevention interventions for its enhancement. BIM environments are not often used to document existing buildings or interventions in existing buildings. The authors propose to improve the situation by using BIM standards and/or guidelines, and the authors give an initial overview of components that should be included in such a standard and/or guideline. N/A
- Published
- 2018