Plataforma de digitalización para edificios patrimoniales

Comunicación presentada al IV Congreso Edificios Inteligentes:

Autores

• José L. Hernández, Ingeniero-Investigador, Fundación CARTIF
• Pedro Martín Lerones, Director Área Patrimonio, Fundación CARTIF
• David Olmedo Vélez, Ingeniero-Investigador, Fundación CARTIF
• Peter Bonsma, Director Técnico, RDF Ltd.

Resumen

El patrimonio, dentro del sector de la edificación, supone un reto para las nuevas tecnologías. La carencia de documentación provoca que las analíticas para la evaluación y la conservación de dichos edificios sean mucho más complejas. Por tanto, es necesario crear un catálogo digital sobre el patrimonio y, además, enriquecerlo con datos semánticos de manera que conservadores, arquitectos o cualquier otro actor involucrado en este proceso pueda obtener información digital del patrimonio. Bajo este contexto, el artículo presenta una arquitectura de plataforma de digitalización que obtiene datos a través de diversas fuentes para integrarlas en un repositorio BIM (Building Information Modelling) y enriquecerlo con información semántica.

Palabras clave

BIM, Patrimonio, Digitalización, Semántica, INCEPTION

Introducción

Las iniciativas europeas (EC, 2002) establecen el objetivo de reducir la demanda de energía y las emisiones de CO2 debidas a los edificios. Sin embargo, en el conjunto de la UE-27, aproximadamente el 40% de las viviendas se construyó antes de los años 60 y otro 40% entre 1961 y 1990 (BPIE, 2011). Por lo tanto, una gran parte del conjunto actual de edificios son construcciones antiguas que pertenecen al patrimonio histórico y sus limitaciones relacionadas. Los edificios históricos y el patrimonio cultural son casos particulares donde las cuestiones de conservación y preservación restringen la posibilidad de actuación.

Aún más, estos edificios no están diseñados según los patrones de eficiencia energética, presentando un alto nivel de consumo de energía y condiciones de bajo confort. Es por ello que los edificios históricos son responsables de una gran cantidad de consumo de energía y emisiones de CO2, debido, entre otros aspectos, a patologías derivadas de sus condiciones constructivas (García et al., 2015). Por lo tanto, el análisis del rendimiento energético es fundamental a través de las herramientas de diagnóstico disponibles. Por tanto, existe una gran necesidad de cerrar la brecha entre la conservación de edificios, a través de un método integral de diagnóstico y monitorización.

Sin embargo, la complejidad para aplicar las técnicas de diagnóstico y conservación en estos edificios es muy elevada debido a la carencia de documentación e información útil. En muchos casos, los documentos constructivos originales no existen o se han deteriorado. De esta manera, el primer paso en el proceso es digitalizar el edificio histórico, siendo el objetivo de este artículo una propuesta de plataforma de digitalización de la información.

Para llevar a cabo el trabajo, el proyecto Inception (Inception, 2015) tiene como objetivo principal realizar innovaciones en el modelado 3D del patrimonio cultural a través de un enfoque inclusivo para la reconstrucción tridimensional dinámica de artefactos, edificios, sitios y entornos sociales. En este contexto, se requiere una plataforma para digitalizar e integrar la información proveniente de las herramientas de captura de datos, así como enriquecer la información para proporcionar un catálogo del patrimonio y permitir el diagnóstico, así como la conservación de tales edificios singulares.

Contexto de digitalización en patrimonio

Tal y como se ha introducido, la digitalización del patrimonio es un aspecto complejo debido a la carencia de información en mucho de los casos. Con tal fin, a fotogrametría se ha utilizado ampliamente para obtener modelos digitales 3D de sitios valiosos a partir de un conjunto de fotografías (Lerones et al., 2010). Sin embargo, en términos generales, vale la pena señalar que esta técnica está orientada principalmente a la resolución de formas bien definidas (como conos, cilindros o polígonos planos).

Las formas complejas se adquieren preferiblemente utilizando escáneres láser 3D (sensores activos). De hecho, los escáneres láser a veces pueden ser una alternativa y siempre son un complemento de las técnicas de fotogrametría, como se (Lerones et al., 2010). La superficie objetivo se escanea automáticamente a la resolución deseada mediante el láser de medición, de modo que las coordenadas geométricas (X, Y, Z) de cada punto recorrido por el rayo láser se obtienen con respecto a la ubicación del escáner (distancia).

Ambas tecnologías son adecuadas para la digitalización veraz del patrimonio cultural y cualquiera que sea la tecnología utilizada, se obtiene una nube de puntos para una densidad espacial deseada. Además, las coordenadas de color (R, G, B) de cada punto medido también se pueden obtener proyectando sus coordenadas geométricas en un dispositivo de imagen en color conectado al escáner. La nube de puntos resultante se puede procesar para construir un modelo 3D poligonal que consiste en una malla triangular que describe fielmente la superficie medida en forma y dimensiones.

Por tanto, se puede concluir que el proceso de digitalización de patrimonio es una actividad que día a día va creciendo en tendencia. Sin embargo, todavía quedan flecos abiertos puesto que la información que se extrae con las técnicas que se mencionan en los párrafos anteriores simplemente representa datos gráficos sobre la geometría y estructura del patrimonio. Dicha información tiene que ser enriquecida para parametrizar los elementos y otorgarles las características constructivas, por ejemplo, valores de transmitancia, etc. De esta manera, el objetivo es llegar al concepto hBIM (heritage BIM) que se trata de un BIM cuya información se encuentra enriquecida con semántica para proporcionar información adicional sobre preservación y conservación que es habitual en modelos BIM comunes (INCEPTION, 2015).

Plataforma de digitalización

Como se ha mencionado anteriormente, una plataforma de digitalización es necesaria para integrar la información de las fuentes de adquisición de datos. Su arquitectura se muestra en la Figura 1 (INCEPTION, 2017).

Básicamente, se trata es una arquitectura multicapa donde las interfaces de comunicación se identifican a través de las flechas. Dicha comunicación no siempre es bidireccional. Las seis capas de las que se compone son:

• Capa de adquisición de datos dedicada a la recopilación de datos de diferentes recursos que son:
  • Redes de sensores que, aunque no son comunes en este tipo de edificios, cada día más monitorización para conocer el estado de conservación y de mantenimiento (por ejemplo, humedades, daños estructurales, etc.) está desplegada.
  • Herramientas de modelado que requieren la intervención humana y tratan de obtener información gráfica del edificio, como puede ser ficheros CAD (Computer-Aided Design) u otros formatos.
  • Equipos de medida, especialmente escáneres laser que proporcionan nubes de puntos 3D y otra información valiosa como geometría, color o reflectividad. Más equipos de medida se encuentran identificados en la Figura 2.

• La capa de formato de datos es la que traduce la información heterogénea procedente de las fuentes de datos al lenguaje de los repositorios de datos en la capa de información de datos.
• La capa de información representa los repositorios en el software INCEPTION y está principalmente dedicada a almacenar datos BIM, información semántica, archivos y otro tipo de datos, como información dinámica de sensores de campo (por ejemplo, humedad en paredes, una variable clave para mantenimiento predictivo del patrimonio). Esta capa es la que propiamente representa el concepto hBIM donde se combina el modelo BIM y semántica para proporcionar información valiosa sobre el patrimonio.
• La capa de interoperabilidad se centra en proporcionar una API (Interfaz de programación de aplicaciones) para permitir el acceso a los datos en los repositorios. De esta manera, esta capa proporciona una forma común y estándar de acceso a la información.
• Capa de servicios de alto nivel, donde se incluyen los servicios de gestión de datos que no están relacionados con la visualización, sino la agregación de datos o la provisión de inteligencia a la plataforma.
• La capa de aplicación se enfoca en la visualización tanto en el navegador web como en las aplicaciones móviles.

Formatos de intercambio de datos

Como se extrae de la sección anterior, existen múltiples fuentes de datos con diversos protocolos de comunicación y, por tanto, formatos para el intercambio de información. Algunos de ellos se destacan en la Tabla III (INCEPTION, 2017), siendo IFC el seleccionado.

Prueba de concepto: castillo de torrelobatón

La plataforma anteriormente descrita se ha desplegado en el Castillo de Torrelobatón situado en la provincia de Valladolid, España. Data del siglo XIII, aunque su totalidad fue construida mediados del siglo XV. Los principales materiales son sillería y hormigón. Los muros son muy altos y forman un cuadrado con cubos circulares en tres de sus esquinas (de unos 20 metros de altura y 10 de lado) y una torre cuadrada del Homenaje (de unos 40 metros de altura, 20 de lado y 5 de grosor).

Para llevar a cabo la prueba de concepto, se ha realizado un modelo BIM partiendo de un escaneado láser, como se ilustra en la Figura . A partir de la información proporcionada por el escáner láser se puede reconstruir la geometría del castillo, tal y como se observa en la parte derecha de la misma imagen. Una vez se obtiene la información geométrica, el siguiente paso es enriquecer el modelo con datos característicos de la construcción de manera que se obtenga el modelo BIM (o hBIM). El modelo se puede observar en la Figura  y se encuentra almacenado en el BIM Server dentro de la capa de información de la plataforma, cuyo formato es IFC como modelo de datos utilizado para el intercambio de información entre las entidades de la plataforma.

A partir del modelo BIM, se puede extraer información filtrada, por ejemplo, en este caso, los muros externos. De todos los muros, se selecciona uno para la prueba de concepto que se corresponde con el IFC-ID ‘0mtbiAhLDDcxiiFgqppzck’ y que tiene una serie de parámetros. La finalidad es enriquecer la parametrización de dicho muro, proporcionando su valor de transmitancia (U-value). Se observa debajo, en negrita, el valor de U (2.75 W/m2) con el que se enriquece el modelo.

Sin embargo, no es tan sencillo, si no que los conjuntos de propiedades (property-sets) de IFC deben extenderse para este objeto IFC (i.e. IfcWallStandardCase). En el caso del ejemplo, la organización inteligente del edificio ya ofrece una propiedad denominada «transmitancia térmica» en la que se puede establecer el valor U. En este sentido, la forma de determinar la estructura de los parámetros es la redefinición de los esquemas IfcProperty o IfcPropertySet. Ambos esquemas están basados en XML, cuya definición contiene el conjunto de propiedades que un objeto podría modelar. Luego, al aumentar el número de parámetros dentro de estos esquemas, la inclusión de propiedades adicionales se estandarizaría para permitir que el software externo lea los nuevos valores. A continuación, se ilustra un ejemplo en el que el conjunto de propiedades Pset_WallCommon se amplía con un nuevo parámetro sobre la medición dinámica del valor U.

Conclusiones

La digitalización del patrimonio existente se hace necesario permitir el diagnóstico, la conservación y preservación del mismo. Sin embargo, la documentación de dicha tipología de edificios se encuentra obsoleta o, incluso, no existe. Es por ello que tecnologías actuales se están implantando en este contexto para digitalizar los edificios históricos de manera que se pueda obtener un catálogo digital. Hasta el momento, la mayor parte de los esfuerzos se ha concentrado en caracterizar los edificios constructiva y geométricamente a través de escáneres láser, nubes de puntos e información 3D.

Sin embargo, los datos 3D anteriormente mencionados no son suficientes para caracterizar completamente los edificios históricos. Información adicional es necesaria para enriquecer los modelos y proporcionar el concepto hBIM que proporciona soporte a los expertos a la hora de conservar dicho patrimonio. Por ello, la plataforma que se ha presentado en este artículo permite integrar datos heterogéneos de múltiples fuentes de datos para enriquecer los modelos de manera semántica.

Agradecimientos

Los autores agradecen al resto del consorcio su ayuda y soporte durante el proyecto, así como a la Comisión Europea por la financiación del proyecto bajo el Grant Agreement # 665220.

Referencias

• Buildings Performance Institute Europe, online, accedido 11 de abril 2018.
• Consorcio Inception, 2017, D3.1 Alpha version of the integrated software architecture for H-BIM graphic-semantic interoperability, Proyecto Inception, Ferrara, Italia.
• Directive 2002/91/EC, Energy performance of buildings, online, accedido 10 de abril 2018.
• García-Fuentes, M.A., Hernández, J., Meiss, Al. Colla, C., 2015, Comprehensive diagnosis methodology integrating NDT, energy performance simulation and monitoring techniques for energy efficient historic buildings refurbishment, 6th Emerging Technologies in Non-Destructive Testing, Bruselas, Bélgica.
• Martín Lerones, P.; Llamas Fernández, J.; Melero Gil, A.; Gómez García-Bermejo, J.; Zalama Casanova, E., 2010, A Practical Approach to Making Accurate 3D Layouts of Interesting Cultural Heritage Sites Through Digital Models, Journal of Cultural Heritage, 11(1), 1-9.
• Proyecto Inception, online, accedido 11 de abril 2018, GA # 665220.