Scan to HBIM to virtual reality : the case study of a bioclimatic architecture in Bahrain. Shaikh Isa Bin Ali House

Shaikh Isa Bin Ali House is an outstanding example of Bahrain architecture and one of the oldest surviving building in Muharraq. The building was the seat of the ruler of Bahrain from 1869 until his death in 1932 and represented an obvious response to local building materials and climate. This vernacular architecture solved not only the climate problems but combined the solution with beauty, physical and social functionality. In 2017, a documentation project of the building had been developed for the Bahrain Authority for Culture and Antiquities (BACA) by a multidisciplinary team of experts from Carleton Immersive Media Studio (CIMS, Carleton University, Canada) and Gicarus Lab (Politecnico di Milano, Italy). The house has been documented employing several digital techniques: aerial and terrestrial photogrammetry, rectifying photography, total station and laser scanning. All the information gathered were useful to develop an accurate Historic Building Information Modelling (HBIM). The documentation project has been developed within the framework of the so-called “Pearling initiative” to support the Conservation and Urban Economic Revival Project in the city of Muharraq. The Project involves the rehabilitation and conservation of twelve historical buildings (inscribed in the World Heritage List in 2012) and a number of properties of significant historical value. Among these properties, there is Shaikh Isa Bin Ali House. The digital documentation of the house has been required to develop informative and maintenance actions. The scope of the digital documentation initially was to produce a set of technical drawings from the laser scanning and photogrammetric point cloud. Whereas before this survey campaign there was only an approximately ground floor plan as a testimony of this impressive example of Gulf Islamic architecture. The house is considered one of the most prominent and oldest buildings in the city and according to Sh. Nailah report (June 2015), it was not built in one stage. Furthermore, the house also underwent several modern major interventions between 1976 and 2002. The building has a rectangular shape and occupies a complete city block. It is divided into four quarters, each arranged around a courtyard. Each of these is surrounded on three or four sides by a single row of rooms. The majority of the rooms (36 indoor spaces) occupy the ground floor, while the summer rooms (9 indoor spaces) are found on the first-floor terrace. The documentation acquired has been a good starting point for further development of an HBIM model of the site. The HBIM model has been used to explore the different historical phases of the house, to show how the ingenious and varied bioclimatic devices work and to understand the construction techniques, with a particular focus on the local material. Accordingly, this research summarises the generative processes through the use of specific Grades of Generation (GOG) oriented to improve the use of HBIM for VR projects with an exact correspondence with the building’s 3D survey. In particular, the use of GOG 9 and 10 has integrated the use of NURBS algorithms in BIM applications, allowing the creation of damaged, irregular and complex objects from dense point clouds (3D scans). GOGs certainly come in useful, especially in a building like this, where all the walls have a marked irregular shape. A closed edge, that defines the volume and the position of the openings, has been extracted for each room and external façade. The slice extraction procedure (GOG 9) from the point cloud has led to a skeleton of the building (3D wireframe). Once completed this slicing process it has been possible to interpolate the 3D borders obtaining a NURBS model with a Grade of Accuracy (GOA) of 1/2 mm. Thanks to the GOGs flexibility, each irregular BIM object (wall, floor, roof etc.) has been created with an integrated approach based on three modelling steps able to represent the buildings complexity properly. The first step was based on the integration of multiple GOGs (from 1 to 7) and the use of GOG 8 for the generation of empty spaces, openings and irregular wall portions to realise subtractions where were needed. The second and third steps were based on the direct use of GOG 9 and 10 to improve the GOA of irregular and curved shapes. The level of information (LOI) has used to indicate the grade of the information that is linked to the BIM family: the semiautomatic information definition, the integration of more specific features (such as material analyses, stratigraphy, physical and thermal characteristics). The further step has been to create new internal/external databases to the BIM application that can bi-directionally link the 3D object and inserted data while ensuring automatic computing. Furthermore, an interactive VR tour has been essential to understanding in a deeper way the heritage values of the cultural asset. This research carries out digital preservation through HBIM technology and switches to VR platform to allow users to enter a 3D immersive scene. In preparing HBIM information for VR applications is necessary to simplify the data, specifically the meshes. It is essential to reduce the polygon count of the scene to a value compatible with the VR environment. Any virtual records of cultural heritage are considered good contributions, for digitised information can potentially preserve and generate more value than its physical counterpart in the longer term. The HBIM and VR project of the house has made it possible to highlight a useful research line to investigate geometric entities and to associate specific information such as the conservation plan, calculations, historical phases. A Conservation Plan intends to establish an appropriate conservation process that respects the original fabric, preserve traditional earthen building techniques and promotes bioclimatic architecture. Finally, the “passive” type solutions, the most ingenious of the systems called “Baud Geers” (the Persian word means literally “wind-catcher”) have been analysed through Computational Fluid Dynamics (CFD) simulation.

Shaikh Isa Bin Ali House è un eccezionale esempio di architettura del Bahrain e uno dei più antichi edifici sopravvissuti a Muharraq. L'edificio fu sede del governatore del Bahrain dal 1869 fino alla sua morte nel 1932 e rappresentò una ovvia risposta ai materiali edilizi locali e al clima. Questa architettura vernacolare ha risolto non solo i problemi climatici, ma ha combinato la soluzione con la bellezza, la funzionalità fisica e sociale. Nel 2017, un progetto di documentazione dell'edificio è stato sviluppato per l'Autorità per la Cultura e le Antichità del Bahrain (BACA) da un team multidisciplinare di esperti della Carleton Immersive Media Studio (CIMS, Carleton University, Canada) e del laboratorio Gicarus (Politecnico di Milano, Italia). La casa è stata documentata utilizzando diverse tecniche digitali: fotogrammetria aerea e terrestre, rettifica fotografica, stazione totale e scansione laser. Tutte le informazioni raccolte sono state utili per sviluppare un accurato Historic Information Modeling Modeling (HBIM). Il progetto di documentazione è stato sviluppato nell'ambito della cosiddetta "iniziativa Pearling" per sostenere il progetto di risanamento economico urbano e di conservazione nella città di Muharraq. Il progetto prevede la riabilitazione e la conservazione di dodici edifici storici (iscritti nella World Heritage List nel 2012) e una serie di proprietà di notevole valore storico. Tra queste proprietà c'è Shaikh Isa Bin Ali House. La documentazione digitale della casa è stata richiesta per sviluppare azioni informative e di manutenzione. Lo scopo della documentazione digitale era inizialmente quello di produrre una serie di disegni tecnici dalla scansione laser e dalla nuvola di punti fotogrammetrica. Mentre prima di questa campagna di sondaggi c'era solo una planimetria approssimativa del piano terra. La casa è considerata uno degli edifici più importanti e più antichi della città e secondo Sh. Rapporto Nailah (giugno 2015), non è stato costruito in una fase. Inoltre, la casa ha subito diversi interventi importanti tra il 1976 e il 2002. L'edificio ha una forma rettangolare e occupa un isolato completo, è diviso in quattro parti, ciascuno disposto attorno a un cortile. Ognuno di questi è circondato su tre o quattro lati da un'unica fila di stanze. La maggior parte delle camere (36 spazi interni) occupano il piano terra, mentre le sale estive (9 spazi interni) si trovano sulla terrazza del primo piano. La documentazione acquisita è stata un buon punto di partenza per l'ulteriore sviluppo di un modello HBIM del sito. Il modello HBIM è stato utilizzato per esplorare le diverse fasi storiche della casa, per mostrare come funzionano gli ingegnosi e variegati dispositivi bioclimatici e per comprendere le tecniche di costruzione, con particolare attenzione al materiale locale. Questa ricerca riassume i processi generativi attraverso l'uso di specifici gradi di generazione (GOG) orientati a migliorare l'uso di HBIM per i progetti VR con una corrispondenza esatta con l'indagine 3D dell'edificio. In particolare, l'uso di GOG 9 e 10 ha integrato l'uso degli algoritmi NURBS nelle applicazioni BIM, consentendo la creazione di oggetti danneggiati, irregolari e complessi da nuvole di punti densi (scansioni 3D). I GOG sono certamente utili, specialmente in un edificio come questo, dove tutte le pareti hanno una forma irregolare marcata. Un bordo chiuso, che definisce il volume e la posizione delle aperture, è stato estratto per ogni stanza e facciata esterna. La procedura di estrazione delle slice (GOG 9) dalla nuvola di punti ha portato a uno scheletro dell'edificio (wireframe 3D). Una volta completato questo processo di affettatura, è stato possibile interpolare i bordi 3D ottenendo un modello NURBS con un grado di precisione (GOA) di 1/2 mm. Grazie alla flessibilità dei GOG, ogni oggetto BIM irregolare (muro, pavimento, tetto ecc.) È stato creato con un approccio integrato basato su tre fasi di modellazione in grado di rappresentare correttamente la complessità degli edifici. Il primo passo è stato basato sull'integrazione di più GOG (da 1 a 7) e sull'uso di GOG 8 per la generazione di spazi vuoti, aperture e porzioni di muri irregolari per realizzare le sottrazioni dove erano necessarie. La seconda e la terza fase erano basate sull'uso diretto di GOG 9 e 10 per migliorare il GOA di forme irregolari e curve. Il livello di informazione (LOI) ha usato per indicare il grado delle informazioni che sono legate alla famiglia BIM: la definizione di informazioni semiautomatiche, l'integrazione di caratteristiche più specifiche (come analisi dei materiali, stratigrafia, caratteristiche fisiche e termiche). L'ulteriore passo è stato quello di creare nuovi database interni / esterni all'applicazione BIM in grado di collegare in modo bidirezionale l'oggetto 3D e i dati inseriti, garantendo al tempo stesso l'elaborazione automatica. Inoltre, un tour VR interattivo è stato essenziale per comprendere in modo più approfondito i valori del patrimonio culturale. Questa ricerca conduce una conservazione digitale tramite la tecnologia HBIM e passa alla piattaforma VR per consentire agli utenti di entrare in una scena immersiva 3D. Nella preparazione delle informazioni HBIM per le applicazioni VR è necessario semplificare i dati, in particolare le mesh. È essenziale ridurre il numero di poligoni della scena a un valore compatibile con l'ambiente VR. Qualsiasi documentazione virtuale sul patrimonio culturale è considerata un buon contributo, poiché le informazioni digitalizzate possono potenzialmente conservare e generare più valore rispetto alla controparte fisica a lungo termine. Il progetto HBIM e VR della casa ha permesso di evidenziare un'utile linea di ricerca per indagare entità geometriche e associare informazioni specifiche come il piano di conservazione, i calcoli, le fasi storiche. Un piano di conservazione intende stabilire un processo di conservazione appropriato che rispetti il tessuto originale, preservi le tecniche tradizionali di costruzione della terra e promuova l'architettura bioclimatica. Infine, le soluzioni di tipo "passivo", il più ingegnoso dei sistemi chiamati "Baud Geers" (la parola persiana significa letteralmente "wind-catcher") sono state analizzate attraverso la simulazione di fluidodinamica computazionale (CFD).