Aplicações integradas de "nuvens de pontos" e modelos BIM

Nos últimos dois anos houve aumento no número de artigos publicados internacionalmente sobre o uso do laser scanning como base para a modelagem BIM. Foram identificados alguns artigos que mencionam, inclusive, o uso de "nuvens de pontos" geradas por fotografias (técnica DSM) como método complementar à varredura a laser.

O uso da "nuvem de pontos" passa a ter um papel mais "ativo" e importante na modelagem BIM, uma vez que seu principal uso, quando existia, restringia-se à conferência e atualização de dados já disponíveis (obtidos por medição direta ou presentes em desenhos antigos). Isto se deve, provavelmente, à maior difusão das vantagens das tecnologias BIM para representação e gerenciamento das edificações e ao aumento crescente de intervenções em construções existentes, seja para requalificação ou para busca de soluções mais sustentáveis.

Como resposta à crescente demanda por modelos as-is BIM, verificam-se avanços significativos tanto em nível de hardware quanto de software. A cada ano surgem novas gerações de laser scanners, com melhores desempenhos (precisão e velocidade) e menores custos, e são lançadas novas versões de programas que incluem a importação de "nuvens de pontos" e sofisticados recursos para auxiliar na modelagem. Estes fatores favorecem a uma crescente utilização dessas tecnologias.

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O artigo 16 da Carta de Veneza recomenda que "os trabalhos de conservação, de restauração e de escavação serão sempre acompanhados pela elaboração de uma documentação precisa sob a forma de relatórios analíticos e críticos, ilustrados com desenhos e fotografias",sendo esses alguns dos documentos considerados fidedignos.

Dentre as principais aplicações e vantagens de utilização do uso integrado da "nuvem de pontos" e da tecnologia BIM para documentação de edificações existentes, pode-se citar:

 os modelos BIM gerados a partir de "nuvens de pontos" tendem a ser mais precisos, detalhados e obtidos de forma mais rápida do que através da utilização de processos tradicionais de levantamento;

 possibilidade de verificação da precisão do modelo existente de edificação, comparando-se com o modelo de "nuvem de pontos" (levantamento atualizado), como se pode ver na Figura 95a, que ilustra a diferença entre os modelos - em azul, 3 cm104 e em verde, 0,5 cm (HUBER et al., 2010);

 possibilidade de monitorar periodicamente a evolução da obra, a partir da comparação da "nuvem de pontos" (com o registro de determinadas fases de construção) com o modelo da edificação na fase de projeto (Figura 95b), auxiliando no controle da obra, tanto em relação ao cronograma, como na qualidade de execução dos serviços;

Figura 95 – (a) Junção do modelo geométrico da edificação com a "nuvem de pontos" para verificação da precisão, através do uso de cores; (b) comparação do modelo BIM (projeto) com as "nuvens de pontos" da

edificação capturadas durante a construção

(a) (b)

Fonte: Huber e colaboradores (2010).

 auxílio na manutenção de edificações existentes e na conservação preventiva do patrimônio arquitetônico, dada a possibilidade de armazenar grande quantidade de informações, como levantamentos, desenhos, conteúdos históricos, estado de conservação, dados sobre manutenção e restauração, que podem ser adicionadas, atualizadas, compartilhadas, visualizadas e analisadas.

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Segundo os autores, a diferença de 3 cm deve-se ao erro de modelagem, que considerava as paredes (térreo e primeiro pavimento) alinhadas, o que não correspondia à realidade.

A seguir, são descritos alguns exemplos do uso de "nuvem de pontos" (sejam trechos ou edificações inteiras) como referência para a modelagem BIM:

 Edificações na King Street East, no Canadá: estudos de desempenho energético;  Sydney Opera House, na Austrália: manutenção da edificação;

 "Nuvens de pontos" para criação de componentes paramétricos, na Irlanda: criação de biblioteca de objetos paramétricos, e

 Igreja de Santa Maria, na Itália: disseminação das informações e registro das transformações históricas do monumento.

a) Edificações na King Street East – Canadá

O artigo de Attar e colaboradores (2010) mostra uma experiência inicial de integração da tecnologia 3D Laser Scanning e BIM, através do programa Autodesk Revit, para a documentação de edificações na King Street East, sede da empresa Autodesk no Canadá. Os autores afirmam que o processo de modelagem utilizado não foi eficiente (servindo somente como referência de comparação e atualização de informações já existentes em cadastros antigos) e que não permitiu se tirar grandes proveitos da tecnologia 3D Laser Scanning. Sugerem que sejam testados métodos mais eficientes e automatizados para a obtenção de modelos BIM a partir das "nuvens de pontos".

Esse modelo foi complementado com uma série de informações (elementos estruturais, instalações elétricas, mecânicas) para servir como "laboratório vivo" para análises e investigações sobre desempenho energético da edificação (Figura 96).

Figura 96 - Edificações na King Street East: (a) "nuvem de pontos"; (b) modelo com as principais paredes; (c) modelo com as instalações

(a) (b) (c)

b) Sydney Opera House - Austrália

Woo, Wilsmann e Kang (2010) apresentam a experiência da utilização de um modelo BIM para representar e gerenciar a Sydney Opera House (SOH). O modelo BIM da SOH foi criado nos programas Bentley Architecture, Structure e MEP e depois exportado para sistemas de gerenciamento de facilities - FM. Devido à complexidade das superfícies, foi realizado o levantamento com 3D Laser Scanning de modo a permitir a modelagem do painel acústico do auditório.

Esse modelo foi usado para analisar propostas de projeto, a partir da comparação de simulações realizadas em diferentes soluções. Este caso mostrou que é possível criar modelos BIM para representar estruturas complexas. Além disso, apresentou-se a importância desse tipo de modelo para o gerenciamento da edificação, possibilitando a visualização da infraestrutura, dos espaços, dos móveis e equipamentos, e de outros dados associados à geometria, como: durabilidade dos materiais, volume, custo, consumo energético, comportamento estrutural e aspectos históricos, facilitando o acesso às informações (modelo único), a programação e o controle das atividades de manutenção. c) "Nuvens de pontos" para criação objetos paramétricos - Irlanda

Os trabalhos dos pesquisadores de Dublin Institute of Technology (DIT), na Irlanda, abordam de modo mais incisivo o uso integrado da "nuvem de pontos" com a tecnologia BIM, além de desenvolverem algoritmos e métodos para auxiliar e agilizar o processo de documentação arquitetônica. Os autores usam o termo Historic Building Information Modelling - HBIM para tratar dessa nova forma de representação de edificações de interesse histórico-cultural, que usa os objetos paramétricos (elementos arquitetônicos construídos a partir de dados históricos105) para serem mapeados sobre trechos de "nuvens de pontos" (MURPHY; MCGOVERN; PAVIA, 2009, 2011, 2013; DORE; MURPHY, 2012, 2014).

A análise da modelagem de elementos arquitetônicos está restrita ao período compreendido pelos séculos XVII e XVIII na Irlanda. A representação dos objetos paramétricos é baseada nos tratados de Arquitetura que vão desde Vitrúvio e do Renascimento, até chegar ao sistema de composição arquitetônica de Durand (1819). A Figura 97 ilustra um exemplo de

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É importante ressaltar que esses modelos não servem para o restauro, pelas razões apresentadas na seção 5.2.2, no caso da Sinagoga Kluckygasse.

detalhes arquitetônicos em um tratado de arquitetura (pattern book), a utilização da gramática da forma (shape grammar) para interpretação e criação de perfis ou primitivas a serem usados na criação de objetos individuais, ou combinados (shape arrangement) para geração de objetos maiores como colunas, paredes, telhados etc.

Figura 97 - Exemplo de dados históricos em tratado de arquitetura para criação de objetos baseados na gramática da forma, que podem ser combinados para geração de formas mais completas

Fonte: Dore e Murphy (2014).

Os elementos construtivos são criados a partir da linguagem GDL (Geometric Descriptive Language), presente no software ArchiCAD. Segundo Murphy e colaboradores (2013), o GDL permite flexibilidade na modelagem dos elementos, que permite gerar objetos não somente a partir da combinação de primitivas geométricas, como inclui comandos para operações booleanas, triangulação, NURBS, dentre outros, para criação de “formas orgânicas” e não uniformes.

Dore e Murphy (2014) descrevem novos avanços alcançados visando automatizar a geração de modelos BIM de edificações existentes. Apresentam o plugin "Parametric Façade"106 para o ArchiCAD, além do já desenvolvido "HBIM", e realizam um estudo de caso realizado em uma rua histórica na Irlanda para avaliar a sua utilização prática.

O processo de criação do modelo HBIM inicia-se com a captura de dados em campo, seja pela varredura a laser (terrestre) ou pela fotogrametria. Depois, realiza-se a etapa de pré-

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O “Parametric Façade” foi desenvolvido a partir do estudo das proporções das aberturas de fachadas clássicas em tratados de arquitetura, de testes em edificações na Irlanda, e da utilização de conceitos da gramática da forma.

processamento dos mesmos107, o seccionamento de trechos da "nuvem de pontos" e o desenho (vetorial) sobre seções realizadas na "nuvem de pontos" completa. O próximo passo, consiste em importar os dados pré-processados no ArchiCAD, usando um sistema de coordenadas de referência comum entre os arquivos (Figura 98a). Depois, utiliza-se o plugin Parametric Façade, que contém alguns componentes da biblioteca HBIM (Figura 98b).

Figura 98 - (a) Inserção e posicionamento preciso de diferentes tipos de informações no ArchiCAD; (b) caixa de diálogo do Parametric Façade e edição gráfica

(a) (b)

Fonte: Dore e Murphy (2014).

Figura 99 - Modelos gerados após a incorporação de componentes paramétricos HBIM de uma rua histórica da Irlanda; (a) perspectiva de um conjunto de edificações; (b) desenho das fachadas de outro trecho

(a) (b)

Fonte: (a) Murphy, McGovern e Pavia (2013) ; (b) Dore e Murphy (2014).

Ao final, são incorporados componentes presentes na biblioteca HBIM, que não estavam presentes no modelo da fachada paramétrica. Esses objetos são mapeados interativamente sobre os dados do levantamento e/ou os modelos de fachadas paramétricas, permitindo gerar os modelos completos das edificações (Figura 99) e uma série de outros produtos, como plantas baixas, cortes, fachadas, perspectivas e relação de esquadrias (Figura 100).

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O pré-processamento inclui as seguintes etapas: registro, segmentação, filtragem, triangulação, texturização e geração de vistas ortográficas (em planta e em elevação).

Figura 100 - Produtos obtidos automaticamente através do modelo BIM: planta baixa, corte, fachada, perspectiva, relação das esquadrias

Fonte: Murphy, Mcgovern e Pavia (2013).

d) Igreja de Santa Maria - Itália

Brumana e colaboradores (2013) descrevem um exemplo de utilização de modelo BIM visando a disseminação das informações relativas à Igreja de Santa Maria em Scaria d'Intelvi (Itália), permitindo inclusive o registro e a visualização das transformações históricas sofridas pela edificação. Para a construção domodelo BIM, foram utilizadas várias fontes de dados, como levantamento a laser, fotogrametria, análise estratigráfica e documentos históricos. O modelo BIM foi gerado a partir da importação de desenhos produzidos no AutoCAD, com auxílio do plugin CloudWorxs, para processamento da "nuvem de pontos". A modelagem de paredes irregulares foi realizada através da combinação de uma parede regular (de família disponível no programa) com uma camada irregular criada através das ferramentas de superfícies topográficas. Os autores relatam que esse método de representação não é adequado, não corresponde ao elemento construtivo real e não permite associar informações. Eles propõem a realização de outros experimentos visando solucionar esse problema, como importar seções para gerar objetos próprios do Revit.

Cada elemento estratigráfico foi modelado separadamente, visando a determinação da fase histórica correspondente. A visualização das fases construtivas foi possível através do uso de filtros, associados a diferentes cores (Figura 101).

Figura 101 - Uso de diferentes cores para representar as principais fases construtivas da Igreja de Santa Maria

Fonte: Brumana e colaboradores (2013).

Dada à complexidade de representação dos elementos do telhado, decidiu-se por representar os elementos distribuídos regularmente. As deformações ou diferentes distribuições das peças eram modeladas somente nos casos mais significativos.

e) Basílica de Colemaggio - Itália

Oreni e colaboradores (2014) relatam o processo de criação do modelo HBIM para ser usado no projeto de restauro da Basílica de Colemaggio, em L'Aquila, na Itália, edificação histórica construída no final do século XIII, que sofreu grandes danos e transformações ao longo dos séculos, muito em função de diversos terremotos que abalaram sua estrutura, incluindo o último que aconteceu em 2009.

O processo de geração desse modelo iniciou-se com o levantamento dos dados, que incluiu o uso integrado de várias técnicas:

 3D laser scanning terrestre para levantamento do interior e exterior108;

 fotogrametria terrestre para a geração de ortofotos de áreas onde a varredura a laser apresentou limitações,

 obtenção de panoramas fotográficos, para obtenção de mosaicos de alta resolução, em casos específicos;

108

Nesse levantamento, foram capturadas 182 cenas (com o equipamento Faro Focus 3D), perfazendo um total de 8 bilhões de pontos.

 DSM para a geração da ortoimagem da cobertura, a partir de "nuvens de pontos" geradas por fotos aéreas capturadas por VANT (Figura 102a).

Um dos objetivos da pesquisa foi a obtenção de modelo fidedigno da edificação, com o registro de suas irregularidades. Para isso, foi utilizado o Rhinoceros109 junto ao plugin Bentley Pointools (Figura 102b), que permitiram a modelagem das formas irregulares através das superfícies NURBS, como as paredes fora do prumo e outras anomalias registradas pelo laser scanner.

Figura 102 - Basílica de Colemaggio: (a) foto tomada por VANT; (b) modelo gerado no Rhino; (c) modelo BIM produzido

(a) (b) (c)

Fonte: Oreni e colaboradores (2014).

O segundo passo foi a importação dos elementos no Revit (Figura 102c), mantendo os dados paramétricos de cada forma, junto à possibilidade de inclusão de informações sobre os materiais, o estado de conservação, projeto de intervenção, etc. Para isso, foram realizados vários testes de conversão de elementos modelados no Rhino para objetos paramétricos do Revit. Finalmente, segundo os autores, chegou-se a um método de conversão adequado, sem perda de informações. No entanto, esse método não é descrito no artigo, sendo abordado somente o processo de conversão do modelo produzido no Rhino para o Midas110, para análise estrutural.