H-BIM: A case study in Catania

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Alla base della metodologia BIM vi è la realizzazione di un modello che, integrabile contestualmente con i cambiamenti apportati al manufatto edilizio, è in grado di racchiudere in un’unica interfaccia tridimensionale una rappresentazione virtuale dell’edificio che contiene al suo interno le reali informazioni di ciascun componente edilizio e impiantistico. Tra gli edifici che costituiscono il patrimonio edilizio delle città italiane, particolare importanza è attribuita agli edifici storico-monumentali, essendo presenti in Italia il maggior numero di beni UNESCO. L’integrazione informativa inerente tali edifici rappresenta un passaggio di fondamentale importanza sia per la notevole quantità di dati, sia per la finalità della loro catalogazione, necessaria per la corretta conservazione e tutela del bene e per la sua futura gestione. Al fine di raggiungere tali obiettivi, le informazioni da associare ai singoli componenti dell’edificio non sono solo di tipo geometrico-dimensionale, ma anche connesse con gli aspetti manutentivi, essendo la fase di gestione degli edifici storicomonumentali temporalmente predominante rispetto alle altre fasi del ciclo di vita. La presente ricerca, attraverso l’analisi del caso studio del Collegio dei Gesuiti di Catania, caratterizzato da un elevato valore storico-monumentale e culturale, mira a combinare l’utilizzo della metodologia BIM con la corretta pianificazione e programmazione delle attività di manutenzione e gestione. A tal fine l’attenzione è stata rivolta verso alcuni componenti dell’edificio, sia strutturali che non strutturali. Tali elementi, accuratamente studiati e rilevati, sono stati modellati puntualmente in ambiente BIM e completati con le informazioni in grado di garantire, in futuro, un adeguato supporto alle attività di conservazione e tutela del bene. La metodologia BIM così applicata si configura come uno strumento fondamentale in grado di contribuire a preservare il patrimonio storicoarchitettonico che caratterizza le città italiane. Abstract In recent years, Building Information Modeling (BIM) has changed the traditional construction process, emerging as a key tool for building management throughout the entire life cycle. The base of the BIM methodology is the realization of a model that, updatable with the changes made to the building, is 2 able to contain in a single three-dimensional interface a virtual representation of the building, including the real information about its constructive and plant components. Among the existing building heritage into the Italian cities, more importance is given to the historical-monumental buildings, as the largest number of UNESCO world heritage sites are located in Italy. The information storage of these buildings is a fundamental phase, for both the high amount of data and the aim of their cataloguing, necessary for the proper conservation of the building and its future management. In order to achieve these goals, the information to be associated with each building component are not only geometric and dimensional, but also related to maintenance aspects, because the management phase of the historical-monumental buildings is temporally predominant compared to the other life cycle phases. The present research, analysing the case study of the Collegio dei Gesuiti located in the city of Catania and characterized by high historical-monumental and cultural value, aims to combine the use of the BIM methodology with the correct maintenance planning and management activities. With this purpose, this study focused on some building components, both structural and non-structural. These elements, carefully analysed and surveyed, have been modelled by using a BIM software. Then, they were integrated with the information able to guarantee adequate support to the future activities led to preserve the historical building. The results show that the BIM methodology can be a key tool able to preserve the historical-architectural heritage that characterizes Italian cities. 3 1. Introduzione: BIM e HBIM La conoscenza e la gestione del patrimonio storico-architettonico sono elementi chiave per la sua valorizzazione e conservazione. Le nuove tecnologie digitali, delle quali il Building Information Modeling rappresenta la massima evoluzione, sono sempre più utilizzate nella progettazione e nel recupero degli edifici storici. Il BIM è una metodologia progettuale in cui gli edifici sono rappresentati come "modelli" che includono al loro interno le informazioni relative al loro ciclo di vita. Il concetto fu inizialmente formulato da Eastman nel 1975 [Eastman, 1975], mentre i termini "Building Information Model" e "Building Information Modeling" furono introdotti per la prima volta da Van Nederveen e Tolman [Van Nederveen e Tolman, 1992]. L’utilizzo della metodologia BIM è in grado di fornire agli utenti la capacità di integrare, analizzare, simulare e visualizzare le informazioni geometriche e non geometriche del modello dell’edificio [Li et al., 2017]. Grazie a queste funzioni, il BIM trova spazio in numerosi campi multidisciplinari, tra i quali la gestione di edifici nuovi ed esistenti. In particolare, l'uso del software BIM per il patrimonio storico ha dato vita all’acronimo HBIM, "Historical Building Information Modelling" [Murphy et al., 2009]. L’utilizzo delle tecnologie digitali applicate ai Beni Culturali ha condotto a diversi dibattiti relativi alla scelta della corretta metodologia operativa da adoperare, in quanto l'applicazione della metodologia BIM per gli edifici storici richiede un approccio diverso rispetto a quello generalmente utilizzato per quelli tradizionali. Gli edifici storici necessitano inoltre di un'attenta conoscenza dei loro componenti, spesso difficile da ottenere. In larga parte degli studi afferenti al panorama nazionale ed internazionale non si è soliti associare il concetto di “gestione delle informazioni” all’utilizzo di una metodologia HBIM. Pertanto, è necessaria un'evoluzione destinata a colmare queste lacune [Ciribini et al., 2015; Bruno et al., 2018]. A tal fine, nel presente studio viene illustrata una metodologia basata un'accurata archiviazione sia delle informazioni generali dell’edificio storico che di quelle inerenti alla sua manutenzione, che consente di ottenere significativi risparmi in termini economici e temporali e di fornire, tramite il modello virtuale associabile ad un archivio, un utile strumento di supporto decisionale per i futuri interventi sull’edificio. La presente ricerca, attraverso l’analisi del caso studio del Complesso storicomonumentale del Collegio dei Gesuiti di Catania, si pone l’obiettivo di coniugare 4 l’utilizzo della metodologia BIM con la valorizzazione del patrimonio storicoarchitettonico, mettendo a punto la metodologia descritta in grado di integrare le diverse tipologie di informazioni contenute nel modello virtuale dell’edificio. Il prodotto del presente studio è in grado di fornire un valido strumento in ciascuna fase del processo edilizio, utilizzabile dai professionisti e dalle Amministrazioni che tratteranno la manutenzione o il restauro del Collegio dei Gesuiti, che avranno come punto di partenza un modello aperto e accessibile a tutti gli attori del processo edilizio. 2. Il caso studio: il Collegio dei Gesuiti di Catania Il Collegio dei gesuiti di Catania è un complesso edilizio monumentale in stile barocco, riconosciuto, insieme ad altri edifici della città, Patrimonio dell'umanità da parte dell'Unesco1. Il complesso è stato costruito nel XVIII secolo ed è ubicato in Via Crociferi. È affiancato dalla Chiesa di San Francesco Borgia, ricostruita tra il 1698 e il 1736 su progetto di Angelo Italia in seguito al terremoto della Val di Noto che colpì la città di Catania nel 1693. L'edificio originario si sviluppava su tre livelli. Il piano terra, a causa della forte pendenza e della notevole estensione del complesso, era interrotto a metà e a causa di ciò gli ingressi posti nel versante ovest conducono al primo piano. Il Collegio dei Gesuiti presenta, al suo interno, quattro cortili. Il primo di questi, denominato area scholarum e di maggior pregio rispetto agli altri, è un chiostro con loggiato sormontato da colonne di ordine dorico e archi a tutto sesto in calcarenite bianca. Nella parte del primo piano aggettante sul cortile, circondata da una ringhiera in calcarenite tenera di Siracusa, sono presenti volte a crociera che si estendono per tutto il perimetro del chiostro. La pavimentazione del chiostro, oggetto di un precedente studio [Cascone e Tomasello, 2016], è realizzata mediante ciottoli lavici di fiume bianchi, disposti secondo un disegno comprendente linee rette e curve. Dal punto di vista tecnologico, l’edificio presenta muri perimetrali realizzati in muratura, con spessori che vanno dai 50 ai 90 cm. Le murature sono di due tipologie:  a sacco, costituita da due strati perimetrali di materiale lapideo con interposte scaglie di laterizio e da uno strato interno riempito con terra, fango e pietrame di varia pezzatura. La malta adoperata è costituita 1 www.unesco.org 5 grassello, acqua e azolo, con pezzatura compresa tra i 2 e i 4 mm circa, secondo le regole dell’arte. Tale tipologia di muratura è stata rilevata in corrispondenza delle strutture costruite immediatamente dopo il sisma del 1693, ed è stata realizzata adoperando sia i materiali degli edifici distrutti sia pietrame lavico;  in laterizio, avente giunti di malta sfalsati. Tale tipologia di muratura è stata rilevata in corrispondenza delle strutture realizzate per interventi di ampliamento successivi. Rispetto al disegno originario il collegio ha subito varie modifiche a seconda degli usi che nel tempo ha ricoperto. Il complesso, negli anni, ha ricoperto diverse destinazioni d’uso. Dal 1968 al 2009, in particolare, il Collegio è stato utilizzato come sede dell’Istituto d’Arte di Catania, destinazione d’uso che ha comportato lavori di adeguamento degli spazi, modificati per rispondere alle esigenze degli studenti. Recentemente, sia per far fronte al crescente degrado manifestatosi – che ha condotto la Sovrintendenza dei Beni Culturali di Catania a rendere inagibile il complesso nel 2011 – sia per la imminente trasformazione in centro culturale pubblico e sede della biblioteca regionale, il complesso è stato sottoposto ad interventi di messa in sicurezza e restauro. Tali interventi hanno riguardato, nello specifico, l’intonaco, i solai e le coperture. Figura 1 Area Scholarum del Collegio dei Gesuiti. 6 2.1 La modellazione BIM Il focus della presente ricerca si è incentrato sulla realizzazione del modello in chiave BIM. Tale procedura ha consentito, rispetto alla tradizionale modellazione digitale degli edifici eseguibile, ad esempio, con un software di tipo CAD, di raccogliere, insieme alla rappresentazione 3D del manufatto, un database dei dati dei componenti dell’edificio, consultabili, modificabili e integrabili da ciascun attore del processo edilizio in ciascuna fase del ciclo di vita dell’edificio, dalla progettazione alla dismissione o al restauro. La prima fase dello studio ha riguardato il rilievo dell’edificio, eseguito tradizionalmente. Sulla base degli elaborati prodotti, consistenti di piante, prospetti e sezioni dettagliate dell’edificio, è stato possibile eseguire una prima modellazione complessiva del Collegio dei Gesuiti. Tale modellazione, che ha attenzionato in particolare la struttura portante e l’involucro, è stata effettuata con un LOD 100, mentre un maggiore livello di dettaglio è stato utilizzato per le componenti approfondite nel presente lavoro, come descritto a seguire. Il software BIM adoperato per la modellazione è Autodesk Revit Architecture ®, che ha consentito la realizzazione di un database relazionale, con output principale di tipo grafico. 2.2 Le coperture: la modellazione e l’integrazione informativa Uno dei due aspetti maggiormente attenzionati nell’ambito della presente ricerca è quello sistema di copertura, oggetto del recente intervento di recupero. I cambi di destinazione d’uso del complesso sono rispecchiati nell’irregolarità del suo impianto. Intorno al 1850, in particolare, sono state eseguite delle sopraelevazioni sul perimetro costeggiante i cortili. Le coperture, di tipo a falde, sono state progettate con un sistema di capriate e arcarecci in legno, che a loro volta sorreggono un tavolato in legno su cui è adoperato uno strato di otto centimetri di isolante (poliuretano) alternato con listelli in legno. La copertura è sormontata da coppi e canali. Del sistema di copertura è stata attenzionata principalmente la componente “capriata”, sottoposta ad attenta analisi prima della relativa modellazione, grazie alla quale è stato possibile evincere che la luce e la pendenza delle capriate variano a causa dell’irregolarità del sistema murario. Rispetto alla modellazione generale condotta complessivamente per l’intero complesso, quella relativa alla capriata è stata eseguita con un livello di dettaglio proprio del LOD 400. Per far fronte alla variabilità delle capriate, nella modellazione della famiglia “capriata” è stato imposto che le dimensioni dei singoli componenti – quali 7 puntoni, saette, monaco, catena e bandelle – fossero dipendenti da due parametri, ovvero pendenza e luce. Lo step successivo alla modellazione parametrica del componente ha consistito nella integrazione informativa dei singoli materiali e degli elementi componenti, quali legno strutturale, catene, barre a filettatura continua, bulloni e dadi. Le proprietà – inserite nella sezione dei “materiali” – sono state dedotte dalle schede tecniche dei materiali e dei componenti realmente utilizzati nell’intervento di restauro. Particolare attenzione è stata rivolta alle informazioni che, in un futuro, consentiranno un’agevole e completa manutenzione degli elementi. Inserendo informazioni inerenti alla durabilità dell’elemento, ad esempio, si otterranno successive indicazioni sulla frequenza delle operazioni di manutenzione ordinaria da effettuare; tale integrazione informativa è di fondamentale importanza nel caso degli elementi in acciaio, che dovranno sovente essere sottoposti ad interventi di zincatura. Altri elementi facenti parte del manto di copertura, quali isolante, listelli in legno e coppi, sono stati implementati nei materiali con informazioni riguardanti gli aspetti energetici – quali trasmittanza, resistenza termica, densità e riflettività – e manutentivi – quali la cadenza con cui effettuare i relativi interventi. Figura 2 Il sistema delle coperture del Collegio dei Gesuiti. 8 2.3 Il prospetto est e l’”evoluzione informativa” Uno degli elementi di maggiore pregio del complesso è rappresentato dal prospetto principale prospicente la Via Crociferi, che presenta una notevole varietà cromatica e dei materiali. Tale prospetto, oggetto del presente studio insieme con il sistema di copertura, è in stile barocco siciliano. L’apparecchiatura lapidea di facciata – comprendente elementi quali le mostre degli infissi, le colonne e le decorazioni tipiche barocche – è realizzata con calcarenite tenera di Siracusa, di colore bianco. Il basamento è realizzato con conci di pietra lavica nera, materiale che permette una contrapposizione cromatica con i marcapiani e i coronamenti in lastre di pietra bianca di Siracusa. I serramenti, di cinque differenti tipologie, sono caratterizzati da mostre semplici e apparecchiatura lapidea che ne differenzia i profili. La prima tipologia di sistema (serramento e apparecchiatura lapidea) si estende su tutto il primo piano e il secondo piano, ad esclusione dello spazio tra le lesene localizzate nella parte destra del prospetto. Al terzo livello è presente una fila di infissi diversi e molto meno decorati rispetto ai piani nobili sottostanti, a conferma degli interventi successivi alla sua costruzione. L’intonaco riscontrato nel prospetto in sede di rilievo è di due tipologie:  intonaco tradizionale in malta di calce e azolo, costituito da: uno strato di rincocciatura, ottenuto grazie alla malta di calce che viene gettata per dare soluzione alla disomogeneità del supporto murario; uno strato di arriccio a base di azolo e malta bastarda (calce e cemento), avente spessore variabile tra i 2 e i 4 cm; uno strato di finitura, realizzato mediante una scialbatura a base di latte di calce con spessore variabile tra 0.5 e 1 cm. Tale tipologia di intonaco è stata utilizzata su tutto il corpo centrale dell’edificio;  intonaco non tradizionale, costituito da: uno strato di rinzaffo, con spessore compreso tra i 0.2 e i 1.5 cm; uno strato di arriccio, a base di malta bastarda con spessore variabile di 0.5 e 1 cm; uno strato di finitura, realizzato con calce con spessore variabile tra 0,5 e 1 cm. Tale tipologia di intonaco è riconducibile a recenti interventi di restauro ed è presente sull’ultimo livello e tra le due lesene. Negli ultimi anni del secolo scorso, operazioni di ripristino dell’intonaco sono state effettuate sulla superficie muraria del prospetto, al fine di darle omogeneità e decoro. Ciononostante, l’incuria, la mancanza di manutenzione e il naturale invecchiamento dei materiali hanno condotto ad una precoce degrado, complessivamente riguardante più del 40% del prospetto principale. 9 Come nel caso dei componenti della copertura, è stata effettuata la modellazione dettagliata in chiave BIM del prospetto est. Se nel caso del sistema di copertura non era stato attenzionato il degrado del materiale esistente – auspicando esclusivamente l’agevolazione dei futuri processi manutentivi sulla base dell’elemento progettato nell’intervento di restauro – del prospetto principale è stata effettuata un’attenta analisi del degrado riscontrato in sede di rilievo, antecedente al restauro. Le informazioni ottenute serviranno, per l’appunto, come supporto all’intervento. Nella fase di modellazione del prospetto est sono state realizzate famiglie aventi parametri dimensionali dipendenti dalla geometria e contenenti una serie di informazioni utili alle attività di manutenzione prese in esame. Le informazioni necessarie, e i parametri da adoperare, possono essere già presenti all’interno del software o essere aggiunte secondo esigenza. Non essendo Autodesk Revit Architecture® un software adoperato abitudinalmente per la modellazione di edifici storici, i muri standard previsti dal programma sono muri a sezione costante, tipici dei metodi costruttivi moderni. Proprio per questo motivo, trattandosi nel caso in esame di murature antiche, in cui la sezione non risulta costante, è stata definita una nuova tipologia di muratura con le relative caratteristiche. I materiali componenti, non essendo anch’essi propri dell’architettura moderna, sono stati creati e importati nel modello. Per la loro realizzazione, è stato fatto riferimento alle dimensioni e ai materiali riscontrati in sede di rilievo e precedentemente descritti, differenziando muratura a sacco con Figura 3 Gli elementi del prospetto principale del Collegio dei Gesuiti. 10 intonaco tradizionale e muratura in laterizio con intonaco non tradizionale e prestando particolare attenzione alla definizione degli strati di intonaco e ai relativi spessori. I sistemi dei serramenti e dell’apparecchiatura lapidea sono stati modellati attenzionando la tipologia di vetro, il tipo di telaio e l’ornato caratterizzante la mostra lapidea, maggiormente dettagliato sotto il profilo grafico. Nella fase di integrazione informativa, è stato considerato anche lo stato di degrado dell’elemento, per ottenere il quale è stato necessario effettuare, oltre al rilevo geometrico e all’analisi morfologico-materica del manufatto, anche un’analisi del degrado. Sulla scorta della norma 11182:2006, è stata realizzata una mappatura delle manifestazioni visibili del degrado, di sei diverse tipologie, quali:  lacune, dovute in parte al naturale invecchiamento dell’involucro, in parte ad interventi di cattiva manutenzione e in parte all’azione di fattori ambientali e chimici;  degradi antropici, caratterizzati dalla presenza di rappezzi in malta cementizia, materiale incongruente con quelli impiegati originariamente, che a loro volta presentano delle lacune;  dilavamento, riscontrato al di sotto dei serramenti e alla base delle lesene, caratterizzato da un andamento verticale probabilmente dovuto allo scorrere dell’acqua per un tempo prolungato;  depositi superficiali, riscontrati su tutta l’apparecchiatura lapidea di facciata ma localizzati, in particolare, sul portale di ingresso e alla base della tribuna aggettante;  mancanze, di entità minore rispetto ai suddetti degradi, riscontrate principalmente in corrispondenza dei cornicioni delle mostre delle aperture del primo piano;  alveolizzazione, presente nei decori in calcarenite tenera ai lati del portale di ingresso. L’analisi delle manifestazioni visibili dei degradi, oltre che integrare gli elementi sotto il profilo informativo, ha reso possibile stilare un iter di interventi destinati alla conservazione dell'involucro esterno, ripristinando l’integrità dell’intera apparecchiatura costruttiva e dei materiali base. Gli interventi previsti per eliminare le manifestazioni visibili del degrado sono stati suddivisi in “Interventi su materiali lapidei naturali”, “Interventi sull’intonaco” e “Interventi su elementi in ferro”, e dopo associati ad un codice alfanumerico, che individuava con una lettera l’oggetto dell’intervento e con un numero la tipologia di intervento (e.g., 11 riparazione delle lacune, pulitura del deposito superficiale, etc.). Insieme con le informazioni relative allo stato di degrado, tali codici sono stati associati ai componenti per agevolarne le successive operazioni di manutenzione, a supporto delle quali potranno essere estratti, direttamente dal software, “abachi” distinti per ogni elemento tipo presente sul prospetto, contenenti le informazioni necessarie aggiornate nel tempo e integrabili parallelamente con l’evoluzione dell’edificio. 3. Conclusioni L’applicazione, anche in ambito storico, delle metodologie parametriche di una modellazione 3D è conseguente alla necessità moderna di avere delle banche dati ricche di esaurienti informazioni, attraverso le quali si può preservare il patrimonio storico presente nel nostro paese, monitorandone le condizioni e pianificandone il futuro. La presente ricerca si propone di migliorare il processo di archiviazione dei dati relativi all'edificio e ai suoi componenti, al fine di supportare le future decisioni inerenti alle attività da realizzare sull'oggetto reale. A tal fine, i modelli BIM realizzati nell’ambito dello studio partendo dalla conoscenza del manufatto, hanno consentito di catalogare, all’interno di un unico elaborato, le informazioni storiche dei componenti esaminati e le informazioni necessarie al suo futuro mantenimento, aggiornabili nel tempo. L’utilizzo del BIM nel settore dell’AEC (Architecture, Engineering and Construction), e per il patrimonio storico, porterà a una comunicazione e a un’informazione maggiore; la costruzione di modelli informativi ha fornito, e fornirà senza alcun dubbio, un promettente passo in avanti nella ricerca e valorizzazione del patrimonio storico-architettonico. Ricerche future potranno concernere l’implementazione dei modelli creati, al fine di identificare un maggior numero di informazioni da archiviare per una corretta manutenzione dell’edificio. Bibliografia e riferimenti Bruno, S., De Fino, M., Fatiguso, F. [2018]. “Historic Building Information Modelling: performance assessment for diagnosis-aided information modelling and management”, Automation in Construction, 86, pp. 256-276. Cascone, S.M., Tomasello, N. [2016]. “Use of BIM for the planning of maintenance actions in a historical-monumental building”, in 41st IAHS World Congress on Housing, Sustainability and Innovation for the Future, pp. 2-8. 12 Ciribini, A.L.C., Ventura, S.M., Paneroni, M. [2015]. “BIM methodology as an integrated approach to heritage conservation management”, in Building Information Modelling (BIM) in Design, Construction and Operations, Mahdjoubi, Brebbia e Laing (Eds.). Eastman C.M. [1975]. “The use of computers instead of drawings in building design”, AIA Journal, 63(3), pp.46-49. Li, X., Wu, P., Shen, G.Q., Wang, X., Teng, Y. [2017]. “Mapping the knowledge domains of Building Information Modeling (BIM): A bibliometric approach”, Automation in Construction, 84, pp. 195-206. Murphy, M., McGovern, E., Pavia, S. [2009]. “Historic building information modelling (HBIM)”, Structural Survey, 27(4), pp. 311-327. Van Nederveen, G.A., Tolman, F.P. [1992]. “Modelling multiple views on buildings”, Automation in Construction, 1(3), pp. 215-224. 13