Modelado de información y alteraciones geométricas para respaldar el análisis preciso de activos patrimoniales

Abstract

La documentación virtual del patrimonio arquitectónico, arqueológico y cultural es un área de conocimiento con una creciente presencia en la literatura científica. Las técnicas de adquisición de datos geométricos como el escaneado tridimensional son ampliamente usadas en investigación y en proyectos de restauración en patrimonio, pues permiten capturar las características geométricas de los activos. En las últimas décadas, estas técnicas han sido implementadas en plataformas Building Information Modelling para crear modelos de información de edificios y sitios históricos (HBIM). Sin embargo, la simplificación excesiva en el modelado virtual conlleva no lograr reproducir el estado de conservación real de dichos activos, lo que a su vez imposibilita la obtención de resultados precisos en los análisis que pueden ser realizados en el patrimonio. Por lo tanto, esta tesis doctoral se centra en desarrollar una metodología para generar modelos de información del patrimonio arquitectónico, arqueológico y cultural en su estado de conservación actual (modelos as-built) a partir de la digitalización 3D, modelando sus alteraciones geométricas, a fin de respaldar el análisis preciso de estos activos con vistas a contribuir a su conservación. Para ello, se lleva a cabo un análisis crítico de las tecnologías de captura 3D (escaneado láser terrestre y escaneado óptico) y metodologías existentes y sus aplicaciones en el contexto del patrimonio. Esto supone validar el proceso de mallado de las nubes de puntos para la constitución de modelos as-built. A continuación, se propone un procedimiento semiautomático de tres pasos (nube de puntos — malla 3D — objeto sólido 3D) para la reconstitución virtual en HBIM de edificios históricos y otros activos patrimoniales en su estado de conservación actual. Con vistas a testar y validar la metodología propuesta, esta tesis aborda la generación de modelos de información de dos casos de estudio (el Cenador de Carlos V del Real Alcázar de Sevilla y las columnas de la Basílica del Conjunto Arqueológico de Baelo Claudia en Tarifa) para su análisis geométrico y numérico estructural con precisión. Por un lado, el análisis geométrico consiste en estudiar los desplomes odesplazamientos, las distorsiones y las deformaciones superficiales de las columnas, así como ladistribución de las alteraciones geométricas. Por otra parte, el análisis numérico se centra en evaluar el comportamiento estructural de la columna más desfavorable en términos de alteraciones geométricas estructurales a través del Método de Elementos Finitos. Estos análisis se llevan a cabo en distintos enfoques de modelado para los casos de estudio en función de sus alteraciones geométricas: (1) as-built, (2) simplificado y (3) modelado ideal sin deformaciones. Los resultados del análisis geométrico y el análisis estructural revelan el gran impacto del modelado as-built de información y alteraciones geométricas del patrimonio en la precisión de los estudios sobre su estado de conservación. Así, estos modelos as-built permiten identificar y medir los elementos o áreas que muestran debilidades a nivel estructural y superficial a través del estudio del alcance de sus alteraciones geométricas y deformaciones. En este sentido, el análisis geométrico de la columna más desfavorable estructuralmente en la Basílica, a partir de la metodología de modelado as-built propuesta, permite obtener desplomes y distorsiones de 132% y 235%, respectivamente, frente al resto de columnas y su geometría ideal. En cuanto a su simulación estructural considerando el modelo as-built, se obtiene un aumento del 50% en el esfuerzo cortante máximo con respecto al modelo simplificado. Por lo tanto, la contribución principal de esta tesis radica en la propuesta de una metodología para la generación de modelos de información HBIM, a partir de datos de escaneado 3D, que sean de utilidad para diversos análisis y simulaciones que determinen el estado físico de los activos patrimoniales con precisión para su preservación en el tiempo. No obstante, esto no limita la aplicación de la metodología propuesta para el patrimonio a otras disciplinas que pueden beneficiarse del modelado as-built de elementos, construcciones o espacios para su posterior análisis.

The virtual documentation of the architectural, archaeological and cultural heritage is a field of knowledge with a growing presence in the scientific literature. Geometric data acquisition techniques such as three-dimensional scanning are widely used in research and restoration projects in heritage, since they allow to capture the geometric characteristics of assets. In the latest decades, these techniques have been implemented in Building Information Modeling platforms to create information models of historical buildings and sites (HBIM). However, the excessive simplification in virtual modelling entails failing to reproduce the real conservation status of these assets, which in turn makes it impossible to obtain accurate results in the analyses that can be performed on the assets. Therefore, this doctoral thesis focuses on developing a methodology to generate information models of the architectural, archaeological and cultural heritage in their current conservation status (as-built models) from 3D digitisation, modelling their geometrical alterations, in order to support accurate analysis of these assets to contribute to their conservation. For this purpose, a critical analysis of 3D capture technologies (terrestrial laser scanning and optical scanning) and existing methodologies and their applications in the heritage context is carried out. This involves validating the point cloud meshing process for the constitution of as-built models. Next, a three-step semi-automatic procedure (point cloud — 3D mesh — 3D solid object) is proposed for the virtual reconstitution in HBIM of historical buildings and other heritage assets in their current conservation status. With a view to test and validate the proposed methodology, this thesis addresses the generation of information models of two case studies (the Pavilion of Carlos V in the Real Alcázar of Seville and the columns of the Basilica in the Archaeological Ensemble of Baelo Claudia in Tarifa) for their accurate structural geometrical and numerical analyses. On the one hand, the geometrical analysis consists of studying the displacements, the distortions and the surface deformations of the columns, as well as the distribution of the geometrical alterations. On the other hand, the numerical analysis focuses on the structural behaviour assessment of the most unfavorable column in terms of structural geometrical alterations through the Finite Element Method. These analyses are carried out in different modelling approaches for the case studies based on their geometrical alterations: (1) as-built, (2) simplified and (3) ideal modelling without deformations. The results of both the geometrical analysis and the structural analysis reveal the great impact of the as-built information and geometrical alterations modelling of heritage on the accuracy of the studies on its conservation status. Thus, these as-built models allow for identifying and measuring the elements or areas which show structural and surface weaknesses through the study of the extent of their geometrical alterations and deformations. In this sense, the geometrical analysis of the most structurally unfavorable column in the Basilica, based on the proposed as-built modelling methodology, allows to obtain displacements and distortions of 132% and 235%, respectively, against the rest of the columns and its ideal geometry. In relation to its structural simulation considering the as-built model, a 50% increase in the maximum shear stress is achieved with respect to the simplified model. Therefore, the main contribution of this thesis lies in proposing a methodology for the generation of HBIM information models, based on 3D scanning data, which are useful for diverse analyses and simulations to accurately determine the physical status of the assets for their preservation over time. Notwithstanding, this does not limit the application of the proposed methodology for heritage to other disciplines that can benefit from the as-built modelling of elements, constructions or spaces for subsequent analysis.