Integrating BIM with earthwork new technology and processes : machine guidance, IFC 4.3, dynamo and technologies for an interoperable future

Earthwork processes take part at the very beginning of a building construction phase, if not well designed and controlled, they may cause time delays or variations in the estimation of costs. After the introduction of new technologies into heavy earthwork machinery, such as GNSS/RTK, the amount of data that can be collected during the working process has increased exponentially. BIM approach is now becoming more and more present in every project by mainly focusing on the stages after the earth movement phase, keeping the geometric/parametric modelling of the topographical surface and processes with less details. To keep track of the excavation process it is important to have constant information about the current morphology of the topographical surface, the volumes of material moved and consequently time and money spent to achieve the “as project” situation. So, the need of a new approach on data management is required. In first place is necessary to define the volume of earth moved, thus, Hand-Rovers, UAV and laser scanning (Lidar) are studied to define efficient and cost-effective ways to retrieve the actual state of the site before and during earthworks. While, for obtaining the current model of the site during the excavation, it is proposed a new usage of a Dynamo script for model updating.. Existing BIM oriented tool are instead studied and proposed to manage the information during construction and design in order to fulfil the scope of the process proposed. The aim of this thesis is to analyse the existing methods, technologies and tools that the engineer has at its disposition, and to define a link within the BIM, GIS and spreadsheet handler software (or database). With the final aim of helping the project manager to keep a well-defined and updated model that can returns useful data for developing reports and checks of the “as built” conditions. Main concerns of this study is to experiment the creation of a reliable Digital Terrain model (DTM) using initial surveys and machine mapped points by keeping track of the information related to the productivity of the machinery. To enhance the management of the information and to ensure interoperability among disciplines an IFC schema and its property sets should be assigned to task and to the modelled terrain. It will be used parametric software such as Dynamo within Revit environment and for the case study it is considered Trimble platforms linked to new CAT excavator. The method required to retrieve the useful information on site experiences and via a literary review. The proposed solution had to face with real condition of a working site that is subjected to variations and imprecision due to system malfunction or workers imprecisions.

I processi del movimento terra prendono parte, in maggior quantità, all’inizio della fase di costruzione. Qualora tali processi non siano ben progettati e controllati potrebbero causare ritardi o variazioni dei costi rispetto a quanto estimato. Conseguentemente all’introduzione di nuove tecnologie all’interno dei mezzi di movimento terra, ad esempio GNSS/RTK, la mole di dati che può essere raccolta durante la fase operativa del mezzo è incrementata esponenzialmente. L’approccio BIM sta diventato sempre più presente tra i vari progetti, purtroppo però concentrandosi su altre discipline invece che sul movimento terra, lasciando così la modellazione geometrico/parametrica della superficie topografica e dei processi con meno dettagli. Per tener traccia del processo di scavo è importante avere un flusso di informazioni costante riguardo all’attuale morfologia della superficie topografica, del volume di materiale mosso e conseguentemente del tempo e costo per ottenere lo stato di fatto corrente e, infine, quello di progetto. Dunque, un nuovo approccio sulla gestione dei dati è necessario. Per prima cosa è necessario definire il volume di terra mosso, così, rovers, UAV e laser scan (LiDAR) vengono studiati per poter definire quale sia il più efficiente per ottenere le condizioni iniziali del sito prima di iniziare il processo di movimento terra. Mentre per ottenere il modello le condizioni dello stato di fatto durante la fase di lavorazione, viene proposto una nuova applicazione di Dynamo come generatore automatico della superficie topografica. Strumenti BIM esistenti sono invece studiati e proposti come soluzioni utili alla completa riuscita del processo proposto. L’obbiettivo della presente tesi è quello di analizzare i metodi, tecnologie e utensili che gli ingegneri hanno a loro disposizione, e quello di definire un “link” tra BIM, GIS e i programmi che gestiscono fogli di calcolo (o database). Con scopo finale quello di aiutare il project manager a tenere un modello ben definito e aggiornato che possa restituire dati utili per la produzione di documenti e report per il controllo generale dello stato di avanzamento lavori. Tra le attività principali di tale tesi vi è lo sviluppo e la sperimentazione della creazione di un modello digitale del terreno (DTM) affidabile utilizzando ispezioni iniziali e punti mappati tramite i macchinari tenendo comunque traccia delle informazioni relative la produttività dei mezzi utilizzati. Per incrementare la gestione e assicurare l’interoperabilità tra le discipline uno schema IFC e le relative property set devono essere assegnate al modello del terreno e le attività programmate. Tra gli strumenti utilizzati vediamo l’utilizzo del software parametrico Dynamo in ambiente Revit e per il caso studio vi sono le piattaforme Trimble legate ai nuovi escavatori CAT. La soluzione proposta, inoltre, deve comunque interfacciarsi con le reali condizioni di un cantiere in quanto soggetto a imprecisioni per via di malfunzionamenti di sistemi o errori umani.