Artículo para BuildingSMART España, por Alberto Pastor Vicario, Ingeniero de software ISTRAM®BIM

La monitorización continua y cuantificación del movimiento de tierras para el control de costes intermedios es uno de los aspectos que tienen una relevancia importante en ciertas obras lineales para el control de los costes intermedios. En este artículo se detalla cómo se aplican algunos de estos controles en los modelos BIM y cómo el uso de esta metodología facilita la gestión y trazabilidad de los cambios que se producen en la obra.

1. Introducción.

Los sistemas actuales de seguimiento de obra están en un proceso de adaptación con la llegada de la metodología BIM. Esta situación aporta una mejora sustancial del control de costes y también un registro de la trazabilidad en todo el intervalo temporal de la construcción en la obra. En el proceso que se muestra a continuación se eleva a nivel de sólidos volumétricos el control en BIM y la secuencia 4D de todos los avances en cada certificación.

Independientemente de que la mayoría de las obras actuales BIM están en fase de proyecto piloto, actualmente existen varias guías y recomendaciones BIM donde se incluyen como requisitos y usos BIM 4D las secuencias de seguimiento de obra [1] [2].

2. Métodos de Seguimiento de Tierras en Obras.

Existen diversos métodos para gestionar el control geométrico del avance en el movimiento de tierras, desde aquellos sistemas de contadores de camiones o bañeras cargados de material, hasta los sistemas de control geométrico registrando los sólidos producidos procedentes de escaneados de tierras por los drones.

Figura 1: Algunos métodos de control de superficies y su obtención de volumen.

En este artículo abordaremos las soluciones que registran mayor cantidad de datos resueltos en cada avance de la obra, con el objetivo de cuantificar los volúmenes o masas movidas en cada uno de los intervalos de tiempo medidos.

Partiremos de los métodos ampliamente utilizados como el control por superficies, tanto a nivel de superficies TIN como las extrusiones de secciones transversales, referidas a ejes lineales para generar los modelos de volumetría finales.

Si la obra se construye a través de ejes lineales (alineamientos y posterior corredor), es fundamental conservar estos ejes para la referencia única entre datos de obra y proyecto. Si existen objetos modelados sin ejes como pueden ser los usos para vertederos, explanaciones, vaciados, etcétera es conveniente generar secciones, no tanto para el cálculo del volumen, sino para comprobaciones de desviaciones en la obra.

Cuando estamos trabajando sobre metodología BIM desde el origen, es decir, desde un proyecto de diseño iniciado bajo esta metodología se produce mejor y más rápido la adaptación de los modelos BIM generados desde la obra. Pero la realidad de los proyectos de infraestructuras es que son pocos los proyectos nacidos bajo metodología BIM y estén en proceso de construcción. Básicamente por dos motivos, por el poco tiempo que ha transcurrido desde los primeros proyectos lanzados en BIM y por la evolución de los formatos estándares BIM en su adaptación a los proyectos de infraestructura vial.

Figura 2: Sistemas de volúmenes por objetos BIM y su extracción para volúmenes con formulaciones en normativas existentes.

Los estándares BIM como IFC están experimentando avances en infraestructuras, incorporando entidades y parámetros propios de este tipo de proyectos. Es por este motivo que podemos encontrar proyectos de carreteras o ferrocarriles en versiones de IFC 2×3, IFC 4×0, IFC 4×1, IFC 4×2, hasta IFC 4×3 dependiendo de la fecha en la que se empezaron a generar los modelos.

2.1. Información previa del proyecto.

La información que presentan las versiones IFC afecta mucho a la capacidad de obtener datos de infraestructuras viales, en caso de que no estén dentro del archivo IFC será necesario obtenerlos desde la documentación anexa, aunque no sea información estandarizada.

En cualquier caso, el artículo se centra en conseguir modelos de corredores de avance con la precisión harmonizada para el corredor del proyecto original. Para alcanzar este proceso es necesario los siguientes datos del proyecto de diseño:

• Definición matemática de los ejes
• Precisión del corredor:
  • Distribución de secciones teóricas para la extrusión
  • Secciones teóricas generadoras (en forma de perfiles o superficies del proyecto)
• Modelos 3D con los objetos sólidos resultado del proyecto.

Las versiones 4×3 de IFC [3] ya incluyen entidades de secciones generadoras. A fecha de este artículo, la versión está todavía en las fases de implementación en software para su disposición como candidato en los procesos de desarrollo en BuildingSMART International.

3. Flujo de trabajo para el Seguimiento de Obra.

Una vez que se dispone de los datos mínimos necesarios de proyecto y los datos procedentes de obra se establece el siguiente proceso con el objetivo de llegar a generar un modelo combinado o de sólo avance de sólidos.

• Los datos de obra tendrán diferentes formatos dependiendo de la forma de obtención de esas mediciones. En general, ya sean de escáner, topografía por GPS o clásica, se registran en archivos de puntos que posteriormente serán tratados como superficies.
• Superficies: El tipo de medición marcará la formación de la superficie. En este flujo, las superficies se ajustan al modelo después de un proceso de homogeneización de ambos modelos (diseño y obra).
• Coordinación: Hasta ahora los datos de obra no tienen relación con el modelo de diseño. Para la posterior integración de las geometrías, se utilizan los datos de los ejes de proyecto y su intervalo de seccionamiento del corredor.
• Superficies y secciones: El resultado del proceso de coordinación son nuevas superficies que incorporan datos de perfiles en el mismo lugar que las secciones del proyecto de diseño.
• Integración de modelos: Es en este momento cuando se procede a una integración de los datos, también puede ser federación de modelos, aunque será necesario herramientas que procesen datos de manera conjunta.
• Tras la operación anterior habitualmente será necesario un proceso de ajuste de las superficies y secciones de la obra.
• Generación de interferencias y modelos finales en función de los requisitos de publicación temporal en el avance de la obra.

Figura 3: Flujo de trabajo para la generación de objetos y entidades BIM para el seguimiento de obra y sus relaciones con los modelos de proyecto de diseño.

4. Coordinación: homogeneizar geometría.

Con independencia de las precisiones de los modelos del diseño del proyecto y los datos recibidos de la medición en la obra, es necesario armonizar los modelos de generación para que la integración geométrica sea comparable.

Figura 4: Muestra una vista en planta de ejemplo. El modelo de diseño tiene las secciones patrón utilizadas para la extrusión del corredor. Cualquier sección generada a posteriori en el modelo 3D en el intervalo de extrusión es una sección “no real” y no válida para la comparación. Aunque la precisión generada en campo sea mayor que la del proyecto, estaremos comparando con diferentes criterios.

Un modelo de corredor, por ejemplo, con una precisión de generación de secciones reales a 5 metros debe ser integrado con modelos de secciones de 5 metros para que las extrusiones por ejes sean las mismas que en el proyecto original.

Cualquier medición del volumen, ya sea por sólidos o basado en las diferentes formulaciones por secciones transversales (según algunas normativas) será diferente para cada una de las dos soluciones ofrecidas, puesto que cada solución son resultados y geometrías diferentes.

Para resolverlo, se extraen todos los eventos generadores del corredor proyecto y se incorporan a las superficies de obra. Dicha intersección será la generadora de los modelos de obra.

En cualquiera de los casos, los datos geométricos de la obra deben tener la coherencia necesaria para integrarlos en el modelo de diseño y generar así elementos de las interferencias aceptables.

El mismo proyecto con precisión de corredores diferentes. Primera figura (5.1) corredor con secciones patrón variables en avance de puntos kilométricos y densidad de 5 metros de distancia máxima. Figura (5.2) mismo tramo del corredor, pero precisión del corredor a una distancia clásica de 20 metros.

La mayor parte de los modelos volumétricos que de avance que vamos a estudiar son interferencias entre el modelo proyecto, superficie anterior de obra y superficie de avance actual.

Como consecuencia es importante tener los datos de seccionamiento del corredor y esto mejorará con la llegada de IFC 4.3 (extensiones de ifcRoad, ifcRail, etcétera) [3]. Para formatos IFC 2.3 y IFC 4.0 existen formatos de intercambio añadidos como el estándar LandXML u otros formatos de intercambio de perfiles.

5. Integración de la información.

Cuando tenemos los datos de las superficies homogeneizados con el proyecto, entra la fase combinación del proyecto con las superficies que participan en el avance de obra con datos en los mismos seccionamientos.

Como en todo proceso de medición de datos reales siempre existen diferencias entre el modelo de proyecto (modelo teórico) y los datos medidos del avance. Estas diferencias pueden ser por varios motivos:

• Errores propios de la medición.
  • Errores propios de instrumentos topográficos. (estaciones totales, GPS, escáneres, etcétera)
  • Errores de las bases.
• Cambios del terreno debido a condiciones meteorológicas.
• Cambios en el proyecto no registrados.
• Precisión de la maquinaria para el movimiento de tierras y sistemas de replanteo.
• Actualizaciones de geotecnia.
• Errores propios de la obra.

6. Ajustes – filtros.

Al igual que en muchas ocasiones los algoritmos de detección de interferencias admiten tolerancias, este procedimiento requiere también, de la adaptación geométrica para evitar objetos de avance residuales. A continuación, ejemplos de filtros de la obra:

Filtro de dos mediciones sin avance real. Llamado ajuste de seguimiento anterior en ISTRAM para adaptar la segunda medición. (dos mediciones del mismo objeto nunca salen iguales).

Figura 6. Clase de superficie 450 (control actual de obra) y Clase de superficie 451 (superficie de certificación anterior). Por ejemplo, esta operación evitará falsos objetos de relleno.

Filtro de ajuste a Proyecto: Adaptación para evitar residuos de objetos dentro de la tolerancia de aproximación al proyecto.

Figura 7. Clase de superficie 450 (control actual de obra) cercana a perfil de Clase BIM Terraplén. Dentro de la tolerancia marcada como errores de medición.

Desde este punto se puede seguir tratando de registrar los avances, solo con las superficies, pero el objetivo final del artículo es llegar a generar los objetos volumétricos medibles de avance.

7. Interferencias.

Para una eficiencia en la generación de las interferencias es aconsejable tener establecido un sistema de clasificación de los objetos que permitirá guardar una matriz de generación de interferencias para todos los avances de la obra y posteriores usos en otras obras. La clasificación reducirá sustancialmente los tiempos para este proceso.

El sistema de clasificación debe cubrir las siguientes entidades:

• Objetos del proyecto origen.
• Clasificación para las superficies de obra (con ajustes o no)
• Objetos resultados de colisión

No existen estándares de clases internacionales de objetos de colisión para seguimiento de obra, pero si es habitual encontrar clases establecidas por las empresas constructoras para su particular control BIM de los avances.

A continuación, un ejemplo de clasificación de objetos generados por las nuevas interferencias.

Tabla 1. Ejemplo de adaptación de clases de seguimiento de obra en la tabla básica “SEGOL3.DAR” del software ISTRAM-ISPOL.

7.1. Configuración de la generación de colisiones entre clases o tipos de objetos.

El objetivo de las interferencias que vamos a obtener son objetos nuevos con las mediciones parciales, acumuladas y estados pendientes por ejecutar, entre otros usos que se pueden obtener aplicando estos métodos.

A continuación, ejemplos de formulación de las interferencias preestablecidos en el software ISTRAM-ISPOL.

El software almacena en un archivo ASCII (tabla DAR) cada clase de objetos nuevos y registra las operaciones sobre las clases existentes para generar la interferencia.

Ejemplo 1: Nombre Clase: TERR_DENT_PARC.

Descripción: Terraplén dentro de proyecto parcial.

Operación: Sólido = Volumen positivo ((Operación + baja (Terraplén, 20.10.450 actual)), 20.10451 anterior)

Figura 8. Representa en una sección, la Interferencia obtenida por 3 clases para el avance parcial de terraplenes.

Ejemplo 2: Nombre Clase: TERR_FUER_PARC.

Descripción: Exceso de terraplenado parcial

Operación: Sólido = Volumen positivo ((Operación + alta (Terraplén, 20.10.451 anterior)), 20.10450 actual)

Figura 9. Representa en una sección, la Interferencia obtenida por 3 clases para el exceso parcial de terraplenes.

8. Presentaciones de los modelos.

Este proceso no es único en el tiempo, sino que es un secuencia repetitiva en una fase llamada Real 4D [4] [5], y en consecuencia cada avance debe tener su tiempo registrado. Es posible que, como en el ejemplo que se muestra, se registre la fecha de medición y la fecha de certificación.

IFC tiene diversas formas de registrar fecha, hora o combinadas. En este proyecto se trabajaron dentro de un Property set especialmente definido por el usuario.

Figura 10. Modelo en IFC 4.0 de un avance temporal de la obra.

Cuando estamos procesando un avance es una instantánea temporal fija, la obra continúa y los objetos se almacenan registrando así una trazabilidad de la formación de las plataformas.

Figura 11. Secuencia de la misma clase de objeto (Avance terraplén actual) seccionado en la misma posición en diferentes tiempos de registro (avance1, avance 2, avance 3, avance 4).

Son diversas las maneras de presentar los modelos. Divididos por avances, por tramos o integrados con el modelo de proyecto.

Avances en modelos en IFC individuales:

• Ventajas: por cada avance facilita la obtención de información de cada fase, entregas y auditorias en cada certificación.
• En contra: Para obras de grandes extensiones y de tiempos largos se generan gran cantidad de archivos IFC. Federar constantemente a proyecto en cada avance.

Modelo IFC de todos los avances:

• Ventajas: Todos los objetos están integrados en un mismo archivo, facilitando la generación de animaciones para cualquier software.
• En contra: Gran cantidad de solapes de avances acumulados. Establecer clases para cada certificación es complejo puesto que en cada obra es diferente. Más representativo cuando se acerca el final la obra.

Figura 12.1. Avance de obra integrado con modelos del proyecto origen y secciones de comprobación geométrica desde el software ISTRAM. 

Modelo integrado de avance y proyecto de diseño original.

• Ventajas: compara real de obra contra proyecto. Comparación para el resto de los objetos que no son movimientos de tierra como señalización, estructuras, etcétera. Archivos IFC de cada avance, favorece la posible modificación del proyecto de diseño durante la obra.

En contra: Tiempo inicial de planificación de clases. Repeticiones del modelo de proyecto

Figura 12.2: Mismo modelo de proyecto y avance en el visor BimVision a través de IFC 4.0.Avance de obra integrado con modelos del proyecto origen y secciones de comprobación geométrica desde el software ISTRAM. 

9. Conclusiones.

El control de obra basada en objetos sólidos BIM eleva a un nivel mayor de control los costes en cada momento. Con la aplicación de la metodología BIM a los volúmenes, el registro y trazabilidad del movimiento de tierras en cada certificación tiene la ventaja de que se evitan las operaciones posteriores para obtener la información de las superficies.

Resalta la importancia de planificar la aplicación de sistemas de homogeneización de geometrías, sistemas de clasificación y estándares como IFC para facilitar la gestión de los sistemas en el control y auditoria de las certificaciones.

La llegada de la extensión 4.3 para IFC en infraestructuras con sus nuevas entidades y atributos facilita la estandarización de la información con los ejes, secciones y eventos que ayudan a la integración de los datos de obra con los modelos de proyecto de diseño.

El concepto de “as built” se convierte en un proceso continuo y cambiante en el tiempo, una historia relatada llena de imperfecciones y correcciones para llegar al final de la trama con el tradicional concepto “as built” del modelo final acabado.

10. Bibliografía.

[1] ES.BIM “Guía Transversal. Guía para la elaboración del Plan de Ejecución BIM”, es.BIM, 2018.

[2]. PUERTOS DEL ESTADO, “Guía BIM del sistema portuario de titularidad estatal”, Puertos del Estado, 2019.

[3] standards.buildingsmart.org, “IFC 4.3 RC2 – Release Candidate 2 [Draft]”, BuildingSMART International, 2020.

https://standards.buildingsmart.org/IFC/DEV/IFC4_3/RC2/HTML/

[4] Alonso CANDELARIO GARRIDO, Justo GARCÍA-SANZ-CALCEDO, David R. SALGADO, Alfonso G. GONZÁLEZ, ‘’ Planning, Monitoring and Control of Mechanics Projects by the BIM’’, Institute of Fundamental Technological Research Polish Academy of Sciences, 2017.

[5] Han K.K., Cline D., Golparvar-Fard M., “Formalized knowledge of construction sequencing for visual monitoring of work-in-progress via incomplete point clouds and low-LoD 4D BIMs”, Advanced Engineering Informatics, 2015