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Bureau of Reclamation

Salvaguardia delle infrastrutture importanti grazie all'acquisizione della realtà e ai modelli 3D

THE FUTURE OF MAKING THINGS

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Foto per gentile concessione del Bureau of Reclamation

Strumenti altamente tecnologici gettano le basi per il futuro della diga del Glen Canyon

La diga del Glen Canyon in Arizona fornisce le risorse di acqua ed energia elettrica necessarie per il fabbisogno degli Stati Uniti occidentali. Tuttavia, dopo mezzo secolo di servizio, l'invecchiamento e le variazioni dei livelli del flusso dell'acqua causate da condizioni climatiche estreme hanno causato conseguenze negative sull'infrastruttura. Grazie all'acquisizione della realtà e alla modellazione 3D, il Bureau of Reclamation può valutare lo stato della diga e salvaguardarla per le generazioni future. Intanto, questo ente governativo degli Stati Uniti dimostra come le nuove tecnologie consentano di preservare le infrastrutture importanti di tutto il mondo.

David Winslow (a destra) nella centrale elettrica della diga del Glen Canyon. Foto per gentile concessione di BOR/Autodesk.

Centrale idroelettrica per gli Stati Uniti occidentali

Il Bureau of Reclamation è stato costituito nel 1902 dal Congresso degli Stati Uniti con l'obiettivo di "recuperare" i territori aridi tramite irrigazione per consentirne l'utilizzo da parte dell'uomo. Attualmente, l'ente gestisce 492 dighe in 17 stati occidentali e ogni anno fornisce 10.000 miliardi di galloni di acqua ad oltre 31 milioni di persone. È il secondo produttore di energia idroelettrica rinnovabile della nazione, con 40 miliardi di chilowattora di elettricità generati ogni anno.

Oggi, dopo più di un secolo dalla sua fondazione, la missione dell'ente sta cambiando. Oltre a fornire sostentamento alle comunità degli Stati Uniti occidentali, l'obiettivo del Bureau of Reclamation è quello di salvaguardare le proprie infrastrutture dai danni del tempo. "Questi impianti sono fondamentali per la nazione" ha affermato David Winslow, CAD Manager ed ingegnere civile presso il Bureau of Reclamation di Salt Lake City, Utah. "Il nostro compito è quello di gestire una centrale che continuerà ad essere operativa ancora per centinaia di anni. Queste strutture rimarranno a lungo anche quando noi non ci saremo più, ma devono essere utilizzate e gestite in modo corretto".

David Winslow (a destra) nella centrale elettrica della diga del Glen Canyon. Foto per gentile concessione di BOR/Autodesk.

Manutenzione delle infrastrutture: una sfida globale

La diga del Glen Canyon è stata completata nel 1963, nel periodo del boom delle costruzioni di dighe tra gli anni '50 e gli anni '70 del 1900. In quel periodo, per garantire il controllo delle risorse idroelettriche e delle inondazioni in tutte le zone del mondo, venivano costruite circa un migliaio di dighe ogni anno, tra cui la diga di Assuan sul fiume Nilo in Egitto, la diga di Kurobe in Giappone, la diga di Idukki in India, la diga di Ilha Solteira in Brasile e la diga di Contra in Svizzera.

Per creare questi imponenti progetti infrastrutturali, allora non c'era il supporto del CAD. La diga del Glen Canyon, una delle più grandi dighe di cemento al mondo, "è stata costruita con regoli calcolatori e tabelle trigonometriche" ha spiegato Winslow. "Tutti i disegni sono stati creati manualmente su tecnigrafi". Potendo contare solo su planimetrie e cianografie cartacee, il Bureau of Reclamation aveva pochi dati a disposizione per prevedere quali sarebbero stati gli effetti prodotti dall'invecchiamento, dal clima e dai cambiamenti estremi del flusso dell'acqua sulle condizioni della diga.

Questo problema non riguarda solo la diga del Glen Canyon. Secondo i dati della Banca Mondiale, delle oltre 58.000 grandi dighe del mondo, più della metà è in funzione da almeno 50 anni. L'esigenza di trovare strumenti più efficienti per la manutenzione e la resilienza delle dighe è chiaramente una sfida di livello mondiale.

La diga del Glen Canyon negli anni '60. Foto per gentile concessione del Bureau of Reclamation.

"Dovevamo trovare un metodo alternativo alla gestione dell'impianto con migliaia di disegni 2D. Per la diga del Glen Canyon, avevamo bisogno di un modello 3D completo, con le pareti del canyon, l'area del bacino idrico a monte della diga, il fiume a valle e la centrale elettrica."

—David Winslow, CAD Manager e ingegnere civile, Bureau of Reclamation

 

Nuovi strumenti tecnologici per diagnosticare l'invecchiamento di una diga

Il Bureau of Reclamation si è rivolto ad Autodesk per trovare gli strumenti e i metodi migliori per creare un modello digitale 3D dettagliato della struttura, ovvero una diga del Glen Canyon "virtuale". I dati tridimensionali offrono livelli di precisione e contestualizzazione che i documenti cartacei 2D del Bureau non possono fornire. I dati digitali sono inoltre dinamici e non rimangono cristallizzati nel tempo come una vecchia cianografia. I modelli digitali possono essere aggiornati, è possibile simulare nuovi scenari e le modifiche possono essere confrontate con i set di dati originali per altre centinaia di anni.

Un modello 3D fornirebbe al Bureau of Reclamation una vastissima serie di nuove funzionalità per la gestione e la manutenzione della diga del Glen Canyon. Semplificherebbe l'individuazione, la diagnosi e la riparazione dei danni attuali e consentirebbe di prevedere e prevenire i danni futuri.

Ma come è possibile creare un modello computerizzato di una struttura costruita prima dell'invenzione del CAD? Con l'acquisizione della realtà.

"Dovevamo trovare un metodo alternativo alla gestione dell'impianto con migliaia di disegni 2D. Per la diga del Glen Canyon, avevamo bisogno di un modello 3D completo, con le pareti del canyon, l'area del bacino idrico a monte della diga, il fiume a valle e la centrale elettrica."

—David Winslow, CAD Manager e ingegnere civile, Bureau of Reclamation

 

Acquisizione di imponenti volumi di dati da un sito di grandi dimensioni

L'acquisizione della realtà si basa sulla raccolta di dati relativi ad un oggetto, ad esempio immagini e misurazioni di dimensioni, forma e posizione. I dati raccolti vengono quindi inseriti in un modello computerizzato. Utilizzando i fondi del suo programma Science and Technology, il Bureau of Reclamation ha assegnato ad Autodesk l'incarico di raccogliere i dati necessari per creare modelli 3D, con la partecipazione dei dipendenti del Bureau alle procedure e ai processi di sviluppo. Nell'agosto del 2016, il Bureau of Reclamation e Autodesk hanno iniziato ad acquisire i dati della diga, utilizzando scanner laser (noti come lidar), sonar e telecamere per creare la documentazione del sito.

Il team Autodesk ha sottoposto a scansione e fotografato la diga e l'ambiente circostante. Un'impresa impegnativa che ha richiesto 12 ore di lavoro al giorno per un'intera settimana. I membri del team hanno acquisito le immagini e le misurazioni delle parti interne ed esterne della centrale idroelettrica, delle pareti a valle e a monte e della sommità della diga, del paesaggio circostante e anche di parte del centro per i visitatori. Hanno raccolto 700 scansioni lidar e migliaia di fotografie e video ripresi da terra, dall'acqua e da mezzi aerei, utilizzando un armamentario di strumenti avanzati.

Foto per gentile concessione di BOR/Autodesk.

Winslow (a sinistra) osserva i membri del team di progetto mentre acquisiscono misurazioni e immagini 3D precise della diga e delle pareti del canyon utilizzando uno scanner laser.

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La tecnologia laser, o lidar, consente di acquisire misurazioni del vasto sito della diga inviando impulsi di luce e misurando il tempo che impiegano per tornare alla sorgente.

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Nel bacino del lago Powell, il partner di Autodesk e-Trac guida un sottomarino comandato a distanza che utilizza la tecnologia sonar per eseguire la scansione delle superfici subacquee della diga.

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I membri del team Autodesk hanno scattato foto aeree sovrapposte del paesaggio da un elicottero Medevac per convertirle in modelli digitali 3D con un processo chiamato fotogrammetria.

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I membri del team Autodesk hanno sottoposto a scansione la parte interna del locale del generatore principale della centrale idroelettrica acquisendo le immagini da una videocamera installata su un drone.

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I membri del team Autodesk hanno sottoposto a scansione la parte interna del locale del generatore principale della centrale idroelettrica acquisendo le immagini da una videocamera installata su un drone.

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Foto per gentile concessione di BOR/Autodesk.

Modello della diga del Glen Canyon, creato con Autodesk ReMake.

Trasformazione dei dati in modelli digitali

Le scansioni del Glen Canyon hanno consentito di convertire immagini straordinarie e milioni di punti dati in nuvole di punti 3D fotorealistiche e dettagliate. I modelli fotografici sono stati creati dalle fotografie scattate dal team, unendo le foto sovrapposte mediante un processo chiamato fotogrammetria. Per unire tutti questi dati non elaborati, il team ha utilizzato ReCap Pro per creare una nuvola di punti più grande e completa.

Dopo aver importato la nuvola di punti in Revit , il team ha creato un modello tecnico 3D in cui sono stati inseriti i singoli componenti della diga, dalla struttura in acciaio ai generatori idroelettrici. Questo modello consente di unire i vecchi dati con quelli nuovi, mappando i vecchi disegni 2D ai dati della sofisticata nuvola di punti. In questo modo, gli utenti possono conoscere non solo le parti e i componenti della diga, ma anche il modo in cui questi interagiscono tra loro come sistemi.

Nell'ultima fase del progetto, il team importerà il modello tecnico in InfraWorks e aggiungerà flussi di dati in tempo reale sulle prestazioni della diga, ad esempio, la quantità di acqua erogata e la quantità di elettricità generata. Il risultato sarà una rappresentazione virtuale dinamica della diga che consentirà agli operatori di identificare i rischi da evitare e le opportunità da sfruttare.

Modello della diga del Glen Canyon, creato con Autodesk ReMake.

Previsione del futuro

Il Bureau of Reclamation utilizzerà il modello 3D dinamico della diga del Glen Canyon come strumento di base per tutti i dipendenti e gli operatori, indipendentemente dal loro livello di competenze. "Sarà un modello multiuso" ha specificato Winslow. Un modello che offre anche nuovi metodi per informare il pubblico, ad esempio, attraverso la condivisione di panoramiche video della diga virtuale, in particolar modo delle aree a cui i visitatori non possono accedere per motivi di sicurezza. L'ente prevede di creare modelli 3D simili anche degli altri asset che gestisce, tra cui la diga di Hoover in Nevada e la diga di Grand Coulee a Washington.

Aspetto ancora più importante, il modello è uno strumento essenziale per prepararsi ad affrontare i problemi del futuro. "Ogni anno, il flusso dell'acqua e le condizioni climatiche cambiano, quindi non possiamo conoscere le portate esatte dell'afflusso di acqua nel bacino" ha spiegato Winslow. "Stiamo cercando di capire come ottimizzare la fornitura dell'acqua per il futuro della nazione, non solo per la parte restante di questo secolo, ma anche oltre". Il modello 3D dinamico è "uno strumento multidisciplinare che ci consentirà di gestire in modo ottimale la centrale negli anni a venire", ha aggiunto Winslow.

Basato su milioni di punti dati, il modello 3D fornisce una visualizzazione precisa della diga e dell'ambiente circostante.

Un membro del team mentre acquisisce immagini del vasto sito della diga del Glen Canyon con un dispositivo lidar. Foto per gentile concessione di BOR/Autodesk.

Strumenti tecnologici con un impatto globale

Oggi, gli operatori delle dighe di tutto il mondo devono preparasi ad affrontare un futuro pieno di incertezze. Sono in corso iniziative per ripristinare dighe della stessa generazione di quella del Glen Canyon, come ad esempio la diga di Kariba in Africa, completata nel 1959, la diga di Oroville in California, completata nel 1968 e la diga di Burdekin Falls in Australia, completata nel 1987, insieme a programmi nazionali mirati a modernizzare dighe in Indonesia, India, Armenia e Vietnam. Il processo di creazione del modello 3D usato per la prima volta per la diga del Glen Canyon "può permettere ai proprietari e agli operatori delle dighe di ottimizzare l'utilizzo e la gestione futuri degli impianti" ha aggiunto Winslow.

Per la diga del Glen Canyon e per altre vecchie dighe, così come per centrali elettriche, ponti, porti e altre infrastrutture importanti in decadenza, l'acquisizione della realtà e i modelli digitali 3D sono strumenti dinamici che consentono di visualizzare le strutture, monitorare il loro stato e prevedere le loro prestazioni future. Il risultato è una manutenzione più conveniente dal punto di vista dei costi, che permette di prolungare la durata delle infrastrutture.

Un membro del team mentre acquisisce immagini del vasto sito della diga del Glen Canyon con un dispositivo lidar. Foto per gentile concessione di BOR/Autodesk.