ADVANTAGES AND APPLICATIONS OF 3D DESIGN WITH BIM AUTHORING TOOLS
COS’È LA PROGETTAZIONE IMMERSIVA?
“The first thing you can use real-time rendering is not for pretty pictures, but for quality control.” (Marcello Sgambelluri, Autodesk University 2016)
Every day in the AEC industry, technology offers new digital solutions to real design problems. It is known that the management and transmission of data are the key points of contemporary design, but the ways in which to do it are not so obvious.
The transition from material to digital media has already changed the rules in information sharing. This is not meant exclusively for the technical sphere, but rather as a global phenomenon that has changed the approach to daily activities.
Nel settore delle costruzioni, il cambio di approccio al design e gestione di un manufatto va di pari passo con le soluzioni hardware e software presenti sul mercato. Un esempio di questo avanzamento consiste nella progettazione “immersiva”, eseguita con strumenti di realtà virtuale, aumentata e mista, simulando o sovrapponendo alla realtà un ambiente digitale.
L’origine di queste applicazioni viene della Gaming Industry. La possibilità di sfruttare i prodotti videoludici in settori diversi ha portato alla creazione dei serious games, e la loro integrazione al settore AEC è ogni giorno maggiore. La definizione di prodotti in un mercato Data-centrico ha determinato una mutazione anche per i prodotti della VR (realtà virtuale), che se prima erano legati alla gestione delle geometrie dei modelli, oggi si interfacciano in maniera diretta e indiretta con i prodotti del settore BIM. Ciò significa che l’integrazione tra BIM e VR permette la completa lettura delle informazioni contenute nelle geometrie modellate. Un risultato importante se si pensa alla possibilità di interrogare gli oggetti all’interno di un ambiente di navigazione fotorealistico.
Il vantaggio che si trae nel navigare all’interno di un ambiente immersivo simulato non riguarda solo il cliente finale, al quale viene permesso di osservare direttamente il prodotto reale che verrà costruito. Anche per il progettista la progettazione immersiva può essere utile a osservare la qualità del prodotto che sta man mano definendo. Tale vantaggio viene accentuato quando gli strumenti software vengono abbinati a quelli hardware, utilizzando visori per la navigazione (VR Headset) o sistemi di motion tracking.
QUALI SONO GLI STRUMENTI PIÙ ALL’AVANGUARDIA PER LA PROGETTAZIONE INGEGNERISTICA ED ARCHITETTONICA 3D?
L’evoluzione dei sistemi VR ha visto la produzione di soluzioni da parte di diverse softwarehouse, ciascuna relazionabile ai prodotti del BIM e in grado di utilizzarli in maniera diversa. Volendo eseguire una grossolana classificazione, si potrebbero distinguere prodotti che si interfacciano col modello BIM in maniera diretta o indiretta.
I software di BIM Authoring più utilizzati (Revit, ArchiCAD, ecc..) permettono l’integrazione con gli strumenti VR tramite moduli aggiuntivi lanciati direttamente dall’ambiente di lavoro.
Soluzioni di questo genere (Enscape, Lumion, ecc..) permettono di trasferire in real time il modello BIM in un ambiente virtuale di simulazione fotorealistica. Il vantaggio di questo utilizzo sta nella possibilità di variare le soluzioni progettuali e osservare in tempo reale i cambiamenti applicati al modello simulato.
Le applicazioni di integrazione indiretta tra BIM e VR consistono nell’importazione dei modelli informativi in software terzi. Ci si riferisce tipicamente a software per il gaming (Unreal Engine, Unity, ecc..) le cui funzioni sono state estese per il settore AEC. A differenza della modalità sopracitate, sicuramente più user friendly, qui si ha a che fare con applicazioni più complesse che richiedono conoscenze approfondite riguardanti:
• Il 3D design in generale;
• Le modalità di lettura delle informazioni BIM del singolo software;
• La costruzione di logiche per lo sviluppo di un’applicazione VR funzionante;
• Le modalità di condivisione delle applicazioni sviluppate col pubblico.
Queste applicazioni si rivelano più difficili da sviluppare, ma permettono l’utilizzo di maggiori funzionalità rispetto a quelle di tipo “diretto”. Il risultato finale consiste infatti in una vera e propria applicazione standalone, simile a quelle che si osservano nella gaming industry.
Dal lato hardware, grandi sviluppi sono stati fatti sui sistemi HMD (Head Mounted Display), gli headset (Oculus, HTC Vive, ecc..) e la loro integrazione nei software VR utilizzati nel settore AEC. Questi dispositivi sfruttano diverse tecnologie per simulare la navigazione dell’utilizzatore nell’ambiente virtuale, come l’Head Tracking. Il concetto di progettazione immersiva si basa proprio sulla sovrapposizione di immagini digitali nel campo visivo dell’utilizzatore: seguendo i movimenti della testa il dispositivo aggiorna in tempo reale il campo visivo nell’ambiente virtuale, dando l’impressione all’utilizzatore di trovarsi effettivamente all’interno dell’ambiente simulato. Il movimento nell’ambiente immersivo viene generalmente eseguito usando dei controller, tenuti in mano dall’utilizzatore. Esiste anche la possibilità di utilizzare sistemi di Motion Tracking, dispositivi che scansionano l’ambiente reale tramite laser e sono in grado di determinare il movimento del corpo umano per simulare la navigazione nell’ambiente virtuale.
QUALI POSSIBILITÀ OFFRE AGLI ADDETTI AI LAVORI (INGEGNERI E ARCHITETTI) LA PROGETTAZIONE IMMERSIVA?
Il vantaggio riservato ai tecnici che utilizzano la progettazione immersiva è un qualcosa di analogo al cambiamento dovuto al passaggio dalla progettazione 2D a quella 3D. Trovarsi all’interno dell’ambiente simulato stabilisce un rapporto più “carnale” tra il progettista e l’opera, coinvolgendolo direttamente ed incrementando la cura dell’attenzione ai dettagli. In termini ancora più pratici, è utilissimo osservare in tempo reale i cambiamenti alle varianti di progetto messe in campo, velocizzando il processo decisionale sull’alternativa che maggiormente rappresenta i desideri del progettista.
Un punto di forza della progettazione immersiva sta nelle capacità di simulazione fotorealistica dei software utilizzati. La simulazione in real time ha cambiato radicalmente le regole del gioco della comunicazione del progetto, riducendo drasticamente i tempi di attesa per rendering di qualità. Viene raggiunto un livello qualitativo elevato usando materiali che meglio simulano la fisicità degli oggetti, o luci artificiali basati su parametri fotometrici di prodotti realmente esistenti. La possibilità di combinare questi elementi a motori di rendering sempre più sofisticati permette di realizzare simulazioni estremamente vicine alla realtà.
Gli strumenti per la progettazione immersiva “diretta” sono oggi in grado di importare le scene modellate e fornire strumenti preconfigurati per la creazione semplificata di scene fotorealistiche. Questo significa per il progettista passare dal flusso di lavoro BIM alla osservazione dei risultati in pochi passaggi. È permessa l’applicazione di materiali realistici alle geometrie importate, il posizionamento di nuovi oggetti, la simulazione della luce naturale e artificiale e, infine, di navigare nell’ambiente creato come se fosse uno spazio reale. Si potrà osservare l’ambiente simulato con un headset e muoversi nel proprio progetto con i controller manuali, valutando al meglio la qualità delle scelte progettuali eseguite.
Le possibilità operative si moltiplicano quando vengono utilizzati software ad hoc per lo sviluppo di applicazioni VR. Trattandosi di strumenti per la creazione di logiche su linguaggio di programmazione (ad esempio C++), le possibilità di sviluppo sono pressoché infinite e limitate solo dalle effettive esigenze del professionista. La personalizzazione è totale: oltre alle procedure di fotosimulazione del modello sopra citate, è possibile creare i propri strumenti personalizzati, le interfacce grafiche, le regole logiche che definiscono l’utilizzo dell’applicazione finita.
Si estende, insomma, il concetto di sola visualizzazione alla possibilità di interagire col modello BIM in maniera più estesa. Utilizzando gli strumenti di programmazione dedicati si possono realizzare strumenti per la lettura dei parametri degli oggetti BIM e la loro trasposizione nell’interfaccia grafica.
È possibile creare elementi che guidano l’utilizzatore nella navigazione e l’uso degli strumenti in maniera personalizzata, avendo così una maggiore possibilità di soddisfare le esigenze della clientela. Strumenti così sofisticati vengono utilizzati anche per la formazione di operatori tramite simulazione di ambienti lavorativi, nonché il controllo di macchinari remoti.
QUALI SONO I VANTAGGI DELLA PROGETTAZIONE IMMERSIVA PER I COMMITTENTI DI PROGETTI DI INGEGNERIA E ARCHITETTURA?
Dal punto di vista del committente, il vantaggio offerto dalla progettazione immersiva riguarda l’utilizzo del prodotto VR concluso e condiviso. Il prodotto è da intendersi condivisibile a prescindere dell’applicativo utilizzato nelle fasi di progettazione, e consiste generalmente in un file eseguibile da qualsiasi computer.
Il cliente si troverà a camminare all’interno dello spazio virtuale che al meglio simula l’aspetto del manufatto che dovrà essere effettivamente realizzato. Avrà la possibilità di osservare in anteprima il prodotto finito della commessa, capendo direttamente e senza ambiguità se rispetta appieno le proprie aspettative.
Un output di questo genere può permettere non solo la navigazione all’interno dell’ambiente simulato, ma anche l’interazione con gli oggetti virtuali presenti. È fondamentale in questo caso che gli strumenti siano più user friendly possibili, poiché quello che è necessario creare è un ambiente enattivo, vale a dire dove l’utilizzatore costruisce la propria conoscenza in seguito alle azioni compiute. Ciò significa integrare strumenti di facile utilizzo anche un pubblico non tecnico.
Un vantaggio notevole nell’utilizzo della progettazione immersiva come output comunicativo sta proprio nel fatto di permettere agli attori esterni alla progettazione di dire la propria sul prodotto finito. Basta pensare alla creazione di applicazioni che permettano la scelta di una variante di progetto rispetto a un’altra premendo su semplici pulsanti. Il cliente si troverà nella possibilità di comparare le varianti in maniera semplificata e farsi un’idea di quella che più lo soddisfa.
Approfondendo il livello di personalizzazione, si può guidare il cliente a compiere decisioni personalizzate all’interno del progetto stesso, permettendogli di cambiare configurazioni o materiali degli oggetti modellati attraverso un’interfaccia grafica personalizzata.
MANUFATTI INDUSTRIALI
La realtà dei manufatti industriali è una estremamente complessa, dove si mescolano elementi di diverse discipline e il numero di informazioni da gestire è molto elevato. Il caso non riguarda solo le realtà dove la presenza di impianti è significativa, per le quali l’utilizzo di applicazioni VR può aiutare a controllare la disposizione degli elementi MEP.
La loro utilità può riguardare quelle realtà industriali dove intervengono elementi non fisici, come nei manufatti delle tower companies. In questo caso è possibile creare applicazioni ad hoc per la visualizzazione di informazioni non generalmente contenute nei software di progettazione BIM, come l’impatto elettromagnetico dovuto alla presenza di sistemi radianti in un contesto urbano.
Applicazioni di questo genere richiedono un’integrazione delle informazioni ricavate dalla modellazione BIM ad altre di diversa natura, costituendo un contenitore di dati eterogenei che normalmente non potrebbero essere messi in relazione.
Attraverso i prodotti della progettazione immersiva il cliente avrà la possibilità di osservare in maniera accessibile i risultati di analisi tecniche di diversa natura, sotto forma di effetti grafici a lui più comprensibili.
AMBIENTI DI LAVORO
L’utilizzo della progettazione immersiva per gli ambienti di lavoro può rivelarsi fondamentale, giacché permette di costruire virtualmente uno spazio già dalla prospettiva del suo utilizzo finale.
La fotosimulazione in tempo reale, unita alla possibilità di navigare in prima persona all’interno dello spazio virtuale permette al progettista di valutare in maniera diretta alcuni aspetti fondamentale della progettazione, come la disposizione delle fonti luminose e il distanziamento degli arredi.
In questo tipo di applicazione gli strumenti di VR possono consentire di posizionare gli oggetti direttamente dalla visualizzazione immersiva, utilizzando i controller disponibili con gli headset in commercio.
In doing so, it is possible to draw from a pre-established library of objects and arrange the architectural elements of the environment directly around it, simulating the work environment that will have to be created, already having the impression of being inside it.
The key to this type of application certainly lies in the possibility of impressing the client with an environment with an engaging aesthetic impact, using the tools of immersive design to communicate the strengths of a project in all its characteristics.
INFRASTRUCTURE AND MAJOR WORKS
If we consider the entire life cycle of an infrastructural work, it is easy to understand how its complexity concerns not only the planning phase but also the construction phase. The construction of major works can be simplified by immersive design using applications of augmented reality or mixed reality.
Augmented reality is applied through mobile devices, on which screens virtual elements are superimposed on real images. Their use involves the positioning of a real element recognizable by the devices, such as QR Codes printed and positioned in points of interest on the construction site.
By doing this, it is possible to display a simulation of the positioning of a large system on the device, verifying its actual size in real space even before positioning it. Further applications may concern the display of information sheets of the elements positioned on site, giving further information to the professionals.
Mixed reality is to be considered as a better integration of augmented reality in the world of immersive design, as it applies its principles using a head mounted display or a headset. In doing so, the applications mentioned above can be viewed not on a mobile device, but in an immersive manner by an operator moving around the construction site.
For example, in a large building, the operator could move by observing the current state of progress and simulate its future progress, thus ensuring the efficient execution of the works.
In conclusion, immersive design offers the possibility to attribute added value to contemporary design, from a qualitative point of view both in the production and in the communication of a project.
Saverio Camillo Saviello, Engineer
R&D BIM Division – LA SIA
