PROYECTO:
HBIMEX - Metodología no invasiva para la conservación del Patrimonio Arquitectónico Defensivo de Extremadura con el uso de la herramienta HBIM
Título del proyecto: HBIMEX: Metodología no invasiva para la conservación del Patrimonio Arquitectónico Defensivo de Extremadura con el uso de la herramienta HBIM.
Investigador Principal: Dr. José Juan de Sanjosé Blasco
Tipo de proyecto: Proyectos Competitivos
Organismo solicitante: Universidad de Extremadura
Centro: Escuela Politécnica
Departamento: Expresión Gráfica
Presupuesto: 149.526,30 €
Proyecto HBIMEX
- Elaborar una metodología no invasiva basada en HBIM (Historic Building Information Modelling), para la documentación y modelización 3D en el diagnóstico,gestión y conservación del Patrimonio Arquitectónico Defensivo de Extremadura.
- Potenciar su conocimiento mediante la introducción a la creación de un atlas hipermedia que se incorpore a las bases de datos del Inventario y la Catalogación de Bienes Culturales de Extremadura.
- José Juan de Sanjosé Blasco
- Rosa María Pérez Utrero
- Alan D.J. Atkinson
- Pedro Luis Aguilar Mateos
- Florencio Javier García Mogollón
- Eusebio Medina García
- Juan Pedro Cortes Pérez
- Cipriano Guerrero Muñoz
- Juan Antonio Pérez Alvarez
- Jorge Juan Romo Berlana
- INTROMAC
- PCI – UEx
Presupuesto: 149.526,30 €
Fondos FEDER (Fondo Europeo de Desarrollo Regional) Unión Europea y Junta de Extremadura.
Technology
Building information modeling (BIM) is a process involving the generation and management of digital representations of physical and functional characteristics of places
solicitante
La Universidad de Extremadura en estrecha cooperación con el Instituto Tecnológico de Rocas Ornamentales y Materiales de Construcción – INTROMAC.
Principal
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EL PROYECTO HBIMEX
RESUMEN DEL PROYECTO
El proyecto desarrollado supone un importante avance en la gestión del patrimonio arquitectónico defensivo, desarrollando metodologías tanto para la realización de ensayos no destructivos, con empleo de técnicas como ultrasonidos, análisis espectral y multiespectral, fotogrametría, fotografía de alta resolución, termografías y sensorización, como para el desarrollo de los procesos que permiten la integración de información tanto geométrica como no geométrica en modelos HBIM.
Han sido analizadas de forma independiente las metodologías y grado de aplicabilidad de cada una de las técnicas citadas para el estudio del estado y evolución de las entidades patrimoniales. La integración de los resultaos en plataformas BIM han permitido desarrollar una metodología de análisis y global de todas las técnicas estudiadas en una única plataforma de cara la intervención, conservación y gestión del patrimonio.
La investigación realizada ha permitido desarrollar publicaciones científicas en revistas y congresos nacionales e internacionales para la difusión de los resultados obtenidos. Además, los datos generados durante la ejecución del proyecto, así como el conocimiento adquirido, permite a los investigadores continuar profundizando en la materia, la elaboración de documentos científicos y desarrollo de tesis doctorales.
1.- ESTUDIO DE TÉCNICAS Y ENSAYOS EMPLEADOS EN LA CONSERVACIÓN DEL PATRIMONIO CULTURAL
Se realiza una recopilación de información acerca de infraestructuras defensivas en Extremadura, su localización y estado. A partir de estos datos se realiza un análisis estadístico para el conocimiento del estado de conservación, uso, etc. de los bienes estudiados. Por último, se integran los datos en un Sistema de Información Geográfica (SIG) a partir del cual se realiza un análisis geográfico de la información
Dentro del proyecto HBIMEX se ha previsto realizar analizar las posibles patologías en murallas con las técnicas no destructivas:
- Imágenes de alta resolución. Análisis de materiales de bajo coste.
- Termografía. Análisis de respuesta térmica en paramentos y caracterización térmica de un paramento en un momento determinado.
- Análisis de la densidad/compacidad de paramentos. Sustituye al geo-radar (propuesto en un inicio) dada su versatilidad (es más pequeño y fácil de implementar en paramentos).
- Esclerómetro. Ensayo no destructivo que permite evaluar la dureza de un paramento.
- Escáner láser. Permite obtener la geometría real del elemento.
- Fotogrametría. Al igual que el escáner, permite obtener la geometría del elemento. Ambas son técnicas que ofrecen productos similares a partir metodologías de trabajo diferentes. La comparación de técnicas permite distinguir cual es más apropiada para la labor desempeñada.
- Imágenes hiperespectrales.
- Termo-higrómetro. Este equipo proporciona datos de temperatura y humedad ambiente y valores de temperatura en paramentos. Es una técnica complementaria a la cámara térmica, ultrasonidos y esclerómetro, ya que los valores que el equipo aporta condicionan los resultados de las técnicas expuestas.
El fin de la implementación de los equipos expuestos es el de la introducción de resultados en un modelo BIM a través del software REVIT para el análisis y seguimiento del estado patológico del edificio.
2.- DEFINICIÓN Y DESARROLLO DE LA METODOLOGÍA HBIMEX
2.1.- DEFINICION Y SELECCION DE DATOS A INTEGRAR EN HBIMEX.
Se realiza un estudio de ambos recintos defensivos a partir de la recopilación de documentación bibliográfica de diversa índole, para definir los tramos objeto de estudio sobre los que se van a llevar a cabo los distintos trabajos, tanto de toma de datos y realización de ensayos como de modelado en BIM para la obtención del modelo virtual al que se incorporará la información. En el caso del recinto amurallado de Cáceres se estudia el Plan Director del año 2016, el estudio patológico del 2008 y numerosas publicaciones sobre este recinto. Respecto a la Alcazaba de Badajoz, el Plan Director, el estudio patológico publicado en Extremadura Arqueológica XI del año 2010 y distintas publicaciones relacionadas con el recinto amurallado. Posteriormente, se realizan varias visitas a ambos recintos, para concretar las zonas más interesantes en las que centrar el proyecto de investigación.
En el caso del recinto amurallado de Cáceres se determina el conjunto de los Pozos y parte del lienzo oriental como la zona más representativa. Concretamente se define como zona de trabajo el tramo comprendido entre la Puerta del Arco del Cristo y la Torre de la calle Hernando Pizarro, incluyendo cuatro torres – Torre del Río, Torre de los Pozos, Torre de los Aljibes, Torre de Hernando Pizarro – y el Cubo del Olivar. Este tramo comprende dos puertas de acceso al recinto, la Puerta del Arco del Cristo y la Puerta del Baluarte de los Pozos.
En Badajoz se define el frente septentrional como zona de trabajo, por su similitud en cuanto a características geométricas y constructivas con el tramo seleccionado en el recinto amurallado de Cáceres. Concretamente, se determina como objeto de estudio el tramo comprendido entre la Torre de las Siete Ventanas y la Torre del Pendón, abarcando un total de siete torres, la Puerta de la Coracha y el portillo de la Torre de las Siete Ventanas.
2.2.- DEFINICIÓN DE ELEMENTOS COMUNES EN MURALLAS. MATERIALES, PATOLOGÍAS Y DAÑOS.
A efectos de establecer los criterios de modelado e introducción de la información no geométrica en los modelos BIM, se ha recogido en una base de datos los elementos comunes asociados a murallas, tanto a nivel constructivo, como de materiales, diferenciando tres elementos constructivos principales: muros, antemuros y torres, así como los elementos singulares asociables a cada uno de ellos. Los muros y antemuros, se dividen a su vez en arranques, muros y pretiles. En los arranques, como elementos singulares, aparecen los desagües y puertas, también asociables a los muros, encontrando en los pretiles, los merlones, albardillas y saeteras. En el caso de las torres, además de arranques y muros, tenemos rellenos y elementos estructurales, como forjados y pilares.
A partir de esta clasificación se ha establecido una relación con los elementos de BIM que se asocian a su modelado, así como los parámetros geométricos que permiten su definición.
2.3.- CARACTERIZACION MEDIANTE TECNICAS NO DESTRUCTIVAS.
2.3.1.- IMÁGENES DE ALTA RESOLUCIÓN.
Se han realizado tomas fotográficas de alta resolución con la cámara EOS 5 DSR, en distintas zonas de la muralla de Cáceres y de Badajoz:
- En la ciudad de Cáceres se han seleccionado 6 zonas de trabajo: Adarve del Cristo, Baluarte de los Pozos, Olivar de la Judería, Puerta de Mérida, Torre del Horno y Torre Redonda.
- En Badajoz se han seleccionado 3 elementos: Almena original, Muralla y Puerta del Postigo.
Se tiene que las mejoras rápidas que ofrece el software ofrecen diferentes formas de modificación del espacio color
2.3.2.- TERMOGRAFÍA.
La cámara térmica ha sido empleada tanto para la caracterización y seguimiento de humedades en la torre del horno (muralla de Cáceres) como para la caracterización puntual de temperatura de un paramento en el momento de actuación con otros ensayos
En el campo del análisis espectral de materiales la termografía aporta información de del infrarrojo térmico (lejano) en la longitud de onda de 7,3 µm a 14 µm. A partir de la información recogida se pueden clasificar y caracterizar materiales en función de la respuesta espectral en las longitudes de onda descritas
2.3.3.- GEORRADAR – ULTRASONIDOS.
La realización de ensayos con ultrasonidos ha permitido establecer una relación entre el estado de conservación de la tapia y la velocidad de propagación de los ultrasonidos en el material.
Para este fin se ha desarrollado una metodología que permite valorar mediante END (ensayos no destructivos) la resistencia superficial de la tapia, aplicando tanto la medición de ultrasonidos como los ensayos de esclerómetro de martillo. En las tomas realizadas se establece una clara relación entre los resultados de ambos ensayos.
2.4.- OBTENCIÓN DE LA GEOMETRIA DE LA MURALLA.
2.4.1.- CAPTURA DE IMÁGENES PARA FOTOGRAMETRÍA.
Para la ejecución de un levantamiento fotogramétrico existen una serie de condicionantes que determinan la calidad del modelo obtenido. Se pueden diferenciar en dos conjuntos, el equipamiento empleado (calidad y precisión) y metodologías empleadas.
La metodología de trabajo desarrollada para los levantamientos fotogramétricos llevados a cabo. En ésta queda patente que la metodología la fotogrametría es la unión de la toma fotográfica más el apoyo topográfico. Se distinguen dos procesos diferenciados toma de datos y procesado de éstos. En la toma de datos toma fotográfica y topografía son procesos ciertamente independientes, con la salvedad que los puntos de apoyos tomados con los equipos topográficos han de aparecer en las imágenes tomadas del elemento.
2.4.2.- CAPTURA CON ESCÁNER LÁSER
El fin del levantamiento arquitectónico es obtener la geometría real del elemento a modelar en tecnología BIM. En este punto se ha realzado el levantamiento de un paño de la muralla de Badajoz y otro de Cáceres, en torno a 200 m, cada uno. El levantamiento se realiza tanto de intradós, como de trasdós de muralla incluso accediendo a aquellas torres y casas anexas a la muralla en que ha sido posible.
Por otro lado, se ha implementado el escáner láser para la obtención de geometrías de elementos aislados o particulares de murallas como pueden ser puertas o ventanas. El fin de estos trabajos es el de aislar elementos en murallas que su geometría contenga elementos comunes, de forma que se pueda estandarizar el modelado BIM de estos.
2.5.- SISTEMA AUTOMÁTICO DE DETECCIÓN DE PATOLOGÍAS.
2.5.1.- CREACIÓN DE LA BIBLIOTECA DE FIRMAS HIPERESPECTRALES.
La espectroscopia de reflectancia es capaz de determinar la composición química y mineralógica de las superficies. Los espectros de reflectancia comprendidos entre 400 y 2500 nm son muy útiles en el ámbito de la Teledetección debido a la variedad de absorciones fotónicas existentes en este intervalo de longitudes de onda. La dispersión, absorción y reemisión de radiación electromagnética son controlados por procesos físicos primarios como la transferencia de carga electrónica, los efectos del campo cristalino y los efectos vibracionales. Los procesos electrónicos implicados en iones metálicos de transición como Fe+3 y Fe+2 y los procesos vibracionales como los relacionados con H2O, OH-, CO3-2, SiO2 y SO4-2 presentan características específicas en los espectros de reflectancia, conocidas como bandas de absorción. Así, dado el espectro de una superficie puede determinarse la presencia de estos componentes según los rasgos de absorción que existan en su firma espectral. El tamaño de las partículas que lo forman, sus variaciones en la geometría debido a la iluminación y la rugosidad de la superficie también son factores que afectan a la curva espectral.
2.5.2.- CREACIÓN DE RED NEURONAL DE DETECCIÓN DE PATOLOGÍAS.
El sistema de computación se compone de elementos simples muy conectados que procesan la información como respuesta a entradas externas. Se utilizan los datos de las imágenes hiperespectrales como fuente de información para el aprendizaje y análisis. El modelo empleado es una red supervisada y se ha empleado información hiperespectral. La topología de la red creada se compone de una capa de entrada compuesta por tantas neuronas como bandas (256), una capa oculta definida por el 25% de las neuronas de entrada y una capa de salida compuesta por una neurona por cada clase. El aprendizaje empleado es adaptativo basado en ensayo y error. Esta red neuronal se ha empleado con éxito en la clasificación de varias imágenes. La prueba más compleja para validar el modelo se ha ejecutado con éxito sobre una imagen en la que se definen 9 clases distintas de materiales. El resultado ha sido una clasificación con un porcentaje de acierto muy elevado. Este proceso nos ha permitido acotar los parámetros de la red neuronal.
2.6.- CREACIÓN Y APLICACIÓN DE MODELO VIRTUAL PARAMETRICO HBIMEX.
2.6.1.- INTEGRACIÓN DE LA INFORMACIÓN EN EL MODELO.
Dada la importancia del entorno en ambos emplazamientos, se establece la metodología para la obtención de la geometría del terreno utilizando distintas técnicas de captura de la realidad para cada caso de estudio, ya que se parten de extensiones y complejidades geométricas diferentes.
En el caso de la Muralla de Cáceres, se parte de los datos obtenidos con el láser escáner terrestre, puesto que la elevada pendiente del terreno hace posible la toma de datos con este método, tanto desde la parte superior como desde los laterales, obteniéndose un alto nivel de detalle. En la Alcazaba de Badajoz se utilizan los modelos digitales de elevaciones de segunda cobertura con paso de malla de 2 metros del IGN, ya que, aunque no existen limitaciones para la toma de datos con el sistema empleado en Cáceres, su geometría y extensión unido a la escasez de vegetación, hacen adecuado el empleo de los datos obtenidos con el Lidar aéreo, reduciéndose de manera el número de tomas precisas respecto a su levantamiento con escáner terrestre.
Tras la obtención de los modelos digitales del terreno, se realiza el modelado geométrico de los casos de estudio a partir de las nubes de puntos obtenidas con el escáner láser terrestre. La complejidad del patrimonio ha hecho preciso el estudio formal y geométrico de los elementos singulares, para la creación de una biblioteca de familias paramétricas que puedan ser aplicadas en otros casos de modelado de elementos defensivos almohades. De esta manera, se realiza en el estudio geométrico y parametrización de las puertas almohades de la Alcazaba de Badajoz, así como de las ventanas, saeteras y merlones con distintos niveles de desarrollo (LOD), creándose las familias correspondientes para cada una de ellas. Después se aplican a los casos de estudio obteniéndose los modelos geométricos completos, a los que se les añade la información relativa a los materiales de los distintos elementos.
A los modelos digitales se les incorporan los datos de los sensores recogidos en una base de datos, lo cual nos permite trabajar con la información de los ensayos posicionada en las coordenadas en las que se tomaron, así como su relación con el elemento constructivo en el que se llevaron a cabo.
2.6.2.- DISEÑO DE INFORME PARA LA GESTIÓN PATRIMONIAL.
Se establecen plantillas de vista específicas para la visualización de las disciplinas estudiadas en el proyecto, facilitando la lectura e interpretación de los datos tanto geométricos como no geométricos asociados a los modelos.
2.7.- METODOLOGIA HBIMEX PARA LA EVALUACIÓN CONSERVACION Y GESTION DEL PATRIMONIO AMURALLADO.
3.- COMUNICACIÓN, DIFUSIÓN Y TRANSFERENCIA DE LA METODOLOGÍA HBIMEX.
| Nombre del congreso: | URL | Título de la ponencia: |
| VI CONGRESO GEIIC | https://www.ge-iic.com/ | SISTEMAS DE INFORMACIÓN GEOGRÁFICA APLICADOS AL INVENTARIO, CATALOGACIÓN Y GESTIÓN DE INFRAESTRUCTURAS PATRIMONIALES EN EXTREMADURA |
| XIV CONGRESO APEGA | https://apegaxivinternationalconference.org/ | CREACIÓN DE FAMILIAS BIM A PARTIR DE NUBE DE PUNTOS EN ELEMENTOS PATRIMONIALES. LA PUERTA ALMOHADE |
| INGEGRAF – 29ª Edición | http://29congreso.ingegraf.es/index.html#fechas | Gestión de los datos en proyectos “Scan to HBIM” |
| INGEGRAF – 29ª Edición | http://29congreso.ingegraf.es/index.html#fechas | HBIM. Familias paramétricas a partir de nubes de puntos en elementos patrimoniales |
| CIPA | https://www.cipa2019.org/ | RESULTS OF HYPERSPECTRAL ANALYSIS FOR THE CHARACTERIZATION OF MUDWALL. COMPARISON BASED ON NORMALIZATION |
| III CONGRESSO LUSO-EXTREMADURENSE | Caracterización espectral de la muralla de Cáceres: materiales y patologías asociadas al tapial | |
| III CONGRESSO LUSO-EXTREMADURENSE | Métodos de levantamientos arquitectónicos para la obtención de modelos 3D puertas mozárabes de murallas | |
| III CONGRESSO LUSO-EXTREMADURENSE | BIM y sensores |
Resultados más relevantes
El estudio previo que se realiza acerca de la situación de elementos patrimoniales de origen defensivo en la región de Extremadura pone de manifiesto la existencia de un gran número de elementos patrimoniales y diferente estado de conservación y de la necesidad de establecer una metodología o herramienta para la gestión e intervención del patrimonio. Estos resultados fueron publicados en el congreso VI Congreso GEIIC en el documento titulado “Sistemas de información geográfica aplicados al inventario, catalogación y gestión de infraestructuras patrimoniales en Extremadura”
Un primer paso para establecer una metodología de estudio e intervención patrimonial es la obtención de la geometría de los elementos objeto del proyecto. En la actualidad dos técnicas geomáticas son las más empleadas para este fin, dado la cantidad de información que aportan y el tiempo de trabajo, estas son fotogrametría de corto alcance y lidar (laser escáner terrestre, estático o dinámico). Una parte importante para la aplicación estas técnicas es la disponibilidad de los equipos y recursos materiales posibles. En este proyecto ha sido posible emplear fotogrametría de corto alcance con cámaras fotogramétricas de alta resolución, escáner láser terrestre estático de prestaciones competitivas en la actualidad y en el final del proyecto un escáner láser terrestre móvil, tecnología en desarrollo en la actualidad, que no pudo ser empleado al inicio al no disponer del equipamiento necesario. En torno a la adquisición de geometría se han realizado comparativas en función de los objetos a documentar entre fotogrametría y escáner terrestre ya que son técnicas que ofrecen los mismos resultados, pero presentan diferencias importantes entre medios materiales y metodología de trabajo. Las siguientes publicaciones muestran gran parte de los resultados más relevantes de este epígrafe:
• Gestión de datos en proyectos “Scan to HBIM” (congreso 29 edición de INGEGRAF). Estudia el volumen de datos generados y aprovechados en un proyecto HBIM en función de los LOD de desarrollo del proyecto para distintos casos de estudios realizados con escáner láser terrestre estático.
• Métodos de levantamientos arquitectónicos para la obtención de modelos 3D puertas mozárabes de murallas (III Congreso Luso-Extremadurense). Se evalúa las metodologías posibles para la obtención de la geometría de puetas integradas en una muralla almohade, comparando entre fotogrametría terrestre y láser escáner.
• Precisión de modelos tridimensionales obtenidos mediante fotogrametría y escáner láser (Congreso APEGA 2021). En este trabajo se evalúa el grado de adecuación de la fotogrametría a casos de estudios complejos desde el punto de vista de la geometría. Se tiene que existen zonas de una edificación, en este caso la Torre del Horno en que la fotogrametría es muy compleja de aplicar.
Para la gestión de la información geométrica obtenida a partir de las técnicas de levantamiento desarrolladas en el proyecto, se han establecido metodologías para modelado en plataformas BIM, definiendo métodos de tratamiento del terreno, levantamiento de elementos singulares mediante creación de familias paramétricas, introducción de información georreferenciada y modelado completo de sistemas.
Estos resultados han sido expuestos en los siguientes congresos internacionales:
• Integración de sistemas de teledetección y metodología HBIM para la obtención de modelos digitales del terreno. Apega 2021
• Creación de familias BIM a partir de nube de puntos en elementos patrimoniales. La puerta almohade. Apega 2019
• HBIM. Familias paramétricas a partir de nubes de puntos en elementos patrimoniales. Ingegraf 2019
• Métodos de levantamientos arquitectónicos para la obtención de modelos 3D. Congreso Luso-Extremadurense. 2019
La información de carácter no geométrico, como datos de sensorización, gestión de la información asociada a procesos constructivos y patologías, precisa de sistemas de clasificación y determinación de procesos de introducción en modelos BIM que se han desarrollado en el proyecto, exponiendo parte de este trabajo en los siguientes congresos:
• Gestión de datos en proyectos “Scan to BIM”. Ingegraf 2019
• BIM y sensores. Congreso Luso-Extremadurense. 2019
Las técnicas para caracterización de materiales o estudio patológico empeladas en el proyecto han permitido conocer el grado de aplicación de éstas a murallas almohades. La termografía y sensores de temperatura y humedad han permitido conocer el desarrollo patológico de determinadas patologías mostradas en las entidades patrimoniales estudiadas, estos datos generan resultados ubicados en una única banda del espectro y permiten hacer un seguimiento de la salud de los materiales y paramentos del patrimonio histórico construido. Las técnicas hiperespectrales empleadas en el proyecto suponen un avance en la materia, puesto a que la aplicación de éstas sobre el patrimonio construido es un campo en desarrollo. Se han podido identificar las curvas espectrales de diferentes componentes del tapial, entendiendo este como tipología constructiva compuesta de diversos materiales, así como se ha conseguido hacer clasificaciones de composición de diferentes materiales en escenas tomadas con cámara espectral. Algunos de los resultados comentados han sido publicados:
• Results of hyperspectral analysis for the characterization of mudwall. comparison based on normalization (ISPRS, archvies). Este trabajo muestra las labores de calibración del método necesarias para la toma de datos de imágenes hiperespectrales.
• Caracterización espectral de la muralla de Cáceres: Materiales y patologías asociadas al tapial (III Congreso Luso-Extremadurense). En este documento se abarca el empleo de sensores hiperespectrales para el estudio de materiales y patologías en tapial y se muestran los algoritmos empleados y las clasificaciones conseguidas.
Las técnicas de ultrasonidos suponen una herramienta de gran valor para el estudio de elementos constructivos sin necesidad de realización de ensayos destructivos, estando definidas para el estudio de materiales como el hormigón. En este proyecto se ha desarrollado una metodología para el empleo en elementos de tapia, que asociada a ensayos realizados con esclerómetro de martillo permiten determinar el estado de degradación superficial de estos elementos.