Modulo Laboratorio di Disegno - Ingegneria Civile A.A. 2019-2020 - UniCa

A.A. 2019-2020                                  04-12-19
Ingegneria Civile                      SINTESI lez 8

     modulo Laboratorio di Disegno

                    Docente: Ing. Cristina Vanini, PhD

Disegno digitale

Disegno digitale
Rivoluzione Informatica

  È ormai diffuso sentir parlare di Rivoluzione Informatica, come quel
  radicale e rapido cambiamento introdotto con l’avvento del Computer in
  ogni settore della scienza e del quale siamo ancora partecipi e
  protagonisti.

  Nel campo del disegno, i primi esperimenti di applicazione
  dell’informatica risalgono agli anni Sessanta del Novecento.

Disegno digitale
Tecnologie in sinergia

  Conta il METODO e non quale STRUMENTO usiamo.

  Lo strumento deve essere scelto in base a quanto riteniamo possa
  migliorare il processo che stiamo compiendo.

  Per questo presenteremo i caratteri generali di due tecnologie digitali
  attuali: il CAD e il BIM.

  Le tecnologie digitali che facilitano ed implementano il processo
  progettuale e di gestione del patrimonio costruito e territoriale sono
  molteplici.
  La loro applicazione nasce dalla necessità di gestione della crescente
  COMPLESSITÀ dei processi.

  Le tecnologie operano in sinergia tra loro, sono funzionali le une alle
  altre ed i dati veicolano tra una e l’altra.

Disegno digitale
immagini raster e vettoriali

  La grafica digitale o Computer Graphics è la scienza che si occupa della
  creazione e manipolazione delle immagini attraverso il computer.
  Una prima classificazione, nella grafica digitale, si attua con la distinzione
  tra immagini raster e vettoriali.
  La grafica raster (o bitmap), elabora immagini costituite da una griglia di
  punti (pixel) a ciascuno dei quali sono associate informazioni di posizione e
  colore.
  La definizione dell’immagine è associata alle sue dimensioni (concetto di
  risoluzione).

  La grafica vettoriale elabora immagini definite da forme generate
  matematicamente in dipendenza da dati che definiscono punti caratteristici
  dell'oggetto.
  Pertanto la definizione dell’immagine è indipendente dalla sua dimensione,
  perché il disegno viene costantemente “ricalcolato/rigenerato”.

Disegno digitale
l’immagine raster

Disegno digitale
l’immagine raster

  In ogni caso si nota che i dispositivi di output (screen e plotter) sono
  comunque basati sul concetto di raster e risoluzione, e pertanto la grafica
  vettoriale viene, prima o poi, tramutata in raster.

  Le applicazioni raster e vettoriali non sono “compartimentate”, infatti
  generalmente software di grafica vettoriale supportano immagini raster (oltre
  che in output anche in input) e viceversa software di grafica raster hanno
  funzionalità di grafica vettoriale (es. Elementi con control points).

  Nella rappresentazione del progetto architettonico, la grafica raster occupa
  un posto importante nel cosidetto processo di post-produzione
  dell’immagine (Image Postprocessing).
  Anche nella fase di Mappatura (Mapping) entra in gioco la manipolazione
  raster dell’immagine sorgente (che non potrebbe essere migliorata a
  posteriori).

  Il problema maggiore per la grafica raster è la definizione univoca del colore,
  che dipende dal dispositivo di riproduzione.

Disegno digitale
l’immagine raster – concetto di risoluzione

Disegno digitale
l’immagine vettoriale

Disegno digitale
Il ruolo del disegno digitale nel progetto

  Come accennato nell’introduzione del corso, il disegno prende la forma
  del contenuto che deve veicolare e di esso esistono molte accezioni.

  Ci siamo occupati prevalentemente del disegno tecnico, quello che
  esprime in modo inequivocabile un contenuto preciso e volto alla
  costruzione.
  L’altro aspetto, a volte contrastante, sta nel disegno di divulgazione, che
  pone l’accento sul potere convincente della propria espressione,
  rinunciando sovente all’oggettività.

  In entrambi i ruoli il disegno digitale ha un ruolo fondamentale, perché
  permette l’elaborazione e la gestione di maggior complessità rispetto al
  disegno manuale.

Disegno digitale
CAD – esordi

  CAD è acronimo di Computer Aided Drafting or Design?
  Nel primo caso viene inteso come un potente strumento per il disegno
  tecnico 2D, senza modificare i metodi progettuali, se non nelle
  caratteristiche esposte qui sotto.
  La computer graphics fece i suoi primi sporadici esperimenti a partire dal
  decennio del 1960, con applicazioni nell’industria aeronautica ed
  automobilistica. Le prime esperienze di progettazione con CAD ebbero luogo
  soprattutto nel decennio successivo e si diffusero negli anni ‘80-’90.
  Furono subito riconosciute al CAD (Drafting) alcune caratteristiche quali:
  - la possibilità di variare con facilità la dimensione del disegno;
  - l’elevato livello di precisione;
  - l’automatizzazione di procedure ripetitive;
  - la facilità di correzione;
  - la possibilità di gestione ed archiviazione di grandi quantità di dati
  Che non avrebbero modificato sostanzialmente i metodi progettuali.

Disegno digitale
CAD - sviluppo

  In quei primi anni, nel CAD furono intraviste enormi potenzialità, in
  relazione soprattutto all’automatizzazione del processo progettuale.
  Il CAD fu visto come il naturale ambiente per la standardizzazione del
  processo industrializzato e si immaginò addirittura che potesse rendere
  superflua la figura del progettista.
  Questa tecnologia trovava naturale evoluzione nei sistemi CAM :
  Computer Aided Manifacturing.
  Inoltre era possibile gestire il disegno di curve complesse che trovavano
  possibilità costruttive nelle nuove tecnologie.
  La geometria su cui tuttora si basa la grafica vettoriale del CAD è quella
  delle curve NURBS (Non Uniform Rational B-Splines). Queste sono
  composte da punti relativi descritti in modo parametrico e la geometria è
  composta da curve di interpolazione (splines) che passano per punti
  vincolati (control points).

Disegno digitale
CAD – nuove potenzialità del disegno

  Ma il reale apporto del CAD sta ben oltre il solo potente strumento di
  disegno, il suo potenziale sta tutto nell’aver cambiato il metodo della
  progettazione rispetto ai sistemi tradizionali (e quindi Computer Aided
  Design = Progettazione Assistita dal Calcolatore).
  E per chiarire questo aspetto dobbiamo concentrarci sulle possibilità del
  CAD di generare modelli, più che solo disegni.
  Il significato del disegnare diventa più globale, il disegno digitale è
  capace di simulare la realtà in modo più completo e veloce, è capace di
  essere supporto di informazioni in modo più organico e gestibile.

  Il disegno come modello digitale ha oggi un ruolo centrale nel processo
  progettuale.

  Si mostrano esempi di disegno digitale in varie fasi di progetti complessi.

Disegno digitale
CAD 3D – disegno come simulatore

  Nel suo significato di Computer Aided Design, si intuisce il ruolo decisivo
  del disegno digitale, in grado di modificare il metodo progettuale,
  permettendo di simulare la realtà in modo completo e veloce.

  Si parla anche di Virtual Design, perché si ha la possibilità di creare
  ambienti virtuali interattivi e immersivi.

  La rappresentazione di un modello 3D digitale passa attraverso la
  definizione di tre aspetti:
  - la geometria dell’oggetto (descrizione coordinate dei vertici);
  - la topologia (descrizione delle reciproche relazioni tra le componenti
  geometriche);
  - la fotometria (descrizione dei colori, dell’apparenza delle superfici e
  dell’illuminazione della scena)

Disegno digitale
CAD 3D – alcuni principi

  Le regole base della Geometria e della Geometria Descrittiva sono applicate
  direttamente dal calcolatore, in modo automatico.
  Costruendo il modello virtuale è possibile visualizzarlo secondo i metodi di
  rappresentazione conosciuti, considerando il dispositivo di visualizzazione
  corrispondente con il piano di proiezione.
  - il concetto di scala e di misura subiscono un impatto forte, perché è possibile
  variare la dimensione della visualizzazione in tempo reale, perdendo la
  percezione delle dimensioni del disegno.
  Si disegna in scala reale e si definisce la scala di rappresentazione in funzione
  della stampa (bisogna fare attenzione al concetto dettaglio/scala di
  rappresentazione)
  - anche il fattore temporale incide in modo notevole sull’impatto della tecnica,
  perché rappresentazioni che prima avrebbero richiesto tempi lunghissimi sono
  possibili in tempo reale.
  - infatti ad esempio, con le tecniche digitali, si usa molto più spesso il metodo
  prospettico di quanto non si facesse con le tecniche analogiche.

Disegno digitale
Riflessioni disegno manuale - disegno digitale

  Tutto ciò che abbiamo studiato a proposito del disegno manuale, può
  essere riflesso e trasposto sul disegno digitale, con le opportune
  variazioni e considerazioni. Vediamone alcune:

  Metodi di rappresentazione: sono gli stessi codificati dalla Geometria
  Descrittiva, solo che il Computer può elaborarli in modo automatico.

  Tecniche: sono varie e ne vedremo alcune (disegno raster, disegno
  vettoriale, CAD 2D, CAD 3D - modellazione CSG, rendering, etc.

  Strumenti e supporti: algoritmi di calcolo del disegno e dell’immagine,
  tecnologie software, hardware di input e output.

  Fasi del disegno: possono essere, ad esempio:
  modellazione, rendering, produzione di video;
  oppure modellazione, generazione degli elaborati standard, stampa.

Disegno digitale
CAD 3D – disegno come simulatore

  A partire da un modello 3D digitale si ottiene un’immagine.

  Le macro-fasi del processo che porta all’immagine sono due:

  - modellazione
  definizione degli oggetti (comprese le texture) e della scena (punti di
  vista);

  - rendering
  a partire dalla rappresentazione geometrica, applicazione di un modello
  di illuminazione e creazione di un’immagine.

  Le due fasi sono complementari e in dialogo costante tra loro.

CAD 3D
Modellazione: metodi e primitive grafiche

 La creazione del modello segue un processo che, in ogni caso, parte da
 oggetti semplici (primitive grafiche) e tramite trasformazioni geometriche
 successive giunge ad oggetti complessi.

 Le tecniche di modellazione digitale 3D possono essere ricondotte a
 due metodi di base:

   Modellazione per superfici              Modellazione per solidi

    Le primitive grafiche sono:           Le primitive grafiche sono:

         curve e superfici                     solidi elementari

CAD 3D
modellazione per superfici

 La modellazione per superfici si può ottenere fondamentalmente
 con due tipi di tecniche:

 - tecnica di modellazione numerica, per mesh.

 - tecnica di modellazione parametrica, per superfici complesse (patch,
 NURBS).

CAD 3D - modellazione per superfici
modellazione numerica - mesh

  La prima tecnica di modellazione per superfici è:

  - tecnica di modellazione numerica, per mesh.
  Le mesh sono superfici poligonali (triangolari, quadrangolari) che si
  compongono formando poliedri che approssimano le superfici reali.
  Ogni mesh è definita dai vertici (come coordinate x,y, z nello spazio) e
  dalla normale uscente che definisce il verso positivo (orientamento) della
  faccia della superficie.
  Gli oggetti sono approssimati da superfici poliedriche composte da mesh:
  aumentando il numero di mesh si ottiene una migliore approssimazione
  delle superfici (esempio).
  Le linee che vediamo nel disegno rappresentano i confini (bordi) di ogni
  tassello/poligono della mesh.
  Disegniamo, dunque, con “linee” diverse da quelle che useremmo nel
  disegno tradizionale.

CAD 3D - modellazione per superfici
modellazione parametrica - NURBS

  La seconda tecnica di modellazione per superfici è:

  - tecnica di modellazione parametrica, per superfici complesse.
  Tali superfici vengono generate (tramite algoritmi) a partire da curve
  parametriche dotate di punti di controllo e sono superfici continue (patch).
  La variazione dei parametri (quali punti di controllo e normali e tangenti
  alla superficie) ne determina la forma.
  Le più diffuse tra queste superfici sono quelle generate a partire da curve
  NURBS (Non-Uniform Rational B-Splines).

CAD 3D
modellazione per solidi

 La modellazione per solidi si può ricondurre anch’essa a due tipi di
 tecniche principali:

 - la CSG (Constructive Solid Geometry) che, a partire da primitive
 geometriche solide, porta alla costruzione di solidi complessi ottenuti con
 successioni di operazioni booleane.

 - la B-Rep (Boundary Representation), che genera delle geometrie solide
 a partire dalla rappresentazione di vertici, contorni e facce delle superfici
 che le delimitano.
 Questa seconda tecnica consente di ottenere rapidamente forme più
 complesse rispetto alla CSG ma le modifiche sono più difficili ed è facile
 che si generino solidi non validi fisicamente (ad esempio delimitati da
 superfici non chiuse, o da superfici con normali ribaltate per cui il
 calcolatore non riesce a distinguere lo spazio interno/esterno del solido).

CAD 3D
mesh primitive - esempio

 https://en.blender.org/index.php/Doc:IT/2.6/Manual/Modeling/Meshes/Primitives
 Primitive grafiche mesh in Blender

CAD 3D
Software CGS

 Software CGS (Constructive Solid Geometry), sono software per la
 modellazione che sfruttano la tecnica per geometrie solide, permettendo
 di creare oggetti complessi usando operatori Booleani che combinano
 oggetti semplici.

  Alcuni degli strumenti di base per la CGS sono:
 - le primitive di base (definite parametricamente);
 - modificatori;
 - strumenti booleani;
 - smussi e raccordi.

 Questa tecnica è usata spesso nel CAD e si può schematizzare come nel
 diagramma seguente.

CAD 3D
modellazione solida – CSG schema

                                   OGGETTI SOLIDI
                                   COMPLESSI

                                   OPERAZIONI
                                   BOOLEANE
                                   (UNIONE-
                                   INTERZEZIONE-
                                   SOTTRAZIONE)

      PRIMITIVE GRAFICHE

 Immagine Wikimedia Commons

CAD 3D
modellazione solida – tecnica procedurale

 Le varie tecniche di modellazione solida, nel CAD, sono spesso
 combinate e alternative, anche nello stesso software.

 Citiamo ad esempio la tecnica procedurale, che sfrutta le tecniche già
 menzionate e permette di generare geometrie complesse con
 l’immissione di determinate regole e vincoli (strumenti software generano
 più o meno automaticamente la geometria voluta (es. simulatori di fluidi,
 generatori di vegetazione, di tessuti, di capelli, di frattali).

Computer graphic
Interfaccia e aspetto grafico

  Il CAD si interfaccia attraverso il monitor prima di tutto, ma i suoi risultati
  possono tradursi in output anche su un supporto cartaceo (plotting).

  L’aspetto classico del disegno CAD è geometrico lineare: per le superfici,
  le linee delimitano i bordi (edges) e uniscono i punti di controllo (control
  points). Questo tipo di visualizzazione è il più “antico” ed è detto “a fil di
  ferro” (wireframe).

  La computer graphic ha tentato di evolversi verso sistemi di
  visualizzazione sempre più realistici, simulando il comportamento di
  interazione dei corpi con la luce, l’aspetto materico e la visione umana.

  Sono stati sviluppati algoritmi di rendering, a partire dagli Hideline, ai vari
  Shading, ai Raytracing (calcola per singolo pixel il tracciato luminoso), il
  Radiosity (considera le inter-riflessioni), Unbiased e vari altri, sino agli
  attuali motori di Rendering in Realtime.

Computer graphic
rendering

  Grazie alla creazione dei modelli 3D geometrici è dunque possibile
  produrre come output immagini elaborate, sia dal punto di vista del
  metodo di rappresentazione che dal punto di vista della tecnica di
  simulazione dell’aspetto reale degli oggetti.

  La visualizzazione del modello si basa sulle tecniche di rendering.

  Tale rappresentazione è possibile anche in termini dinamici: animazione
  (sequenza di immagini).

  Attualmente è possibile produrre visualizzazioni foto-realistiche e una
  vera e propria realtà virtuale (Virtual Reality) fruibile in modo immersivo.

Computer graphic
rendering – fattori di impostazione

  Una volta definita la geometria della scena (il modello virtuale in altre
  parole), nella fase di rendering entrano in gioco i seguenti fattori:

  - geometria del modello (definita in fase di modellazione)
  - posizione e tipo del punto di vista (definita in fase di modellazione e/o in
  fase di rendering) (perspective, camera)
  - definizione del materiale e texture superficiale (mapping);
  - caratteristiche dell’illuminazione (posizione e tipo della sorgente
  luminosa, calcolo delle ombre, inter-riflessioni, etc.)
  - tecnica di rendering
  - settaggio dell’output

Sistemi OOCAD e BIM

SISTEMI OOCAD e BIM
OOCAD – grafiche intelligenti

 Recentemente un’ulteriore evoluzione del disegno digitale è stata
 introdotta con i sistemi OOCAD (Object-Oriented CAD Systems), in cui
 gli oggetti rappresentano elementi architettonici costruttivi tridimensionali
 e simulano il loro comportamento, e che vengono spesso definiti
 “grafiche intelligenti”. Uno di questi oggetti potrebbe essere, ad
 esempio, un muro, una porta, una finestra etc.
 Gli oggetti sono infatti definiti in modo parametrico (con parametri
 variabili di geometria e fattori funzionali) e ad essi sono associate regole
 o vincoli che definiscono le relazioni tra gli elementi del modello.
 Questi vincoli definiscono una rete di relazioni funzionali che riflette le
 successive modifiche su tutto il modello.
 Gli oggetti possono inoltre essere identificati, descritti e referenziati.

 Ad esempio: i muri sono oggetti che possono essere allungati (streched),
 uniti (joined), avere un’elevazione, una sezione specifica, e proprietà
 associate, come la resistenza al fuoco o il valore di isolamento.

SISTEMI OOCAD e BIM
BIM

 Il BIM (Building Information Modelling) è l’ultima generazione di
 OOCAD systems.

 Questa tecnologia è contenuta in diversi software, alcuni dei quali sono
 specializzati in alcune aree e funzioni.

 I software BIM possono integrarsi con software che eseguono analisi
 specifiche per determinate funzioni dell’edificio.

 Si mostrano vari esempi di interfacce di software BIM, in varie fasi del
 processo progettuale.

SISTEMI OOCAD e BIM
BIM funzioni - caratteristiche

 Il BIM
 Vantaggi:
 - visualizzazione 3D degli edifici e produzione degli elaborati standard in
 modo automatico;
 - facilita la gestione e la modifica di elementi in modo integrato;
 - simulazione delle prestazioni e dei costi;
 - facilita la gestione dei dati di molteplice natura, collegandoli ad un unico
 modello informativo.
 Limiti:
 - è necessario l’interscambio di dati tra software e modelli costruiti per fini
 specifici in modo che questi siano interoperabili;
 - i consueti formati di interscambio CAD non supportano le informazioni
 contenute nel BIM, e sono necessari formati file specifici (IFC);
 - il processo di modellazione è più laborioso e completo e richiede forti
 competenze, spostando una maggior quantità di lavoro sulla fase
 progettuale iniziale.

SISTEMI OOCAD e BIM
BIM - formati file

 IFC (Industry Foundation Classes) è un formato dati aperto, non
 controllato da un singolo operatore, nato per facilitare l’interoperabilità tra
 i vari operatori.
 Consente l’interscambio di un modello informativo e di elaborare tutte le
 informazioni dell’edificio, in ogni fase del suo ciclo di progettazione e di
 vita.

bibliografia

  - Docci, Gaiani, Maestri, Scienza del disegno, da pag. 411 (riassume efficacemente
  l’argomento).
  - Yee R. (traduz. Gottfried A.), Disegno Architettonico. Metodi e strumenti di
  rappresentazione. Hoepli, Milano 2014. Da pag. 91 a 131 (contiene numerosi
  esempi sulla modellazione solida).

  Per approfondimenti sulla storia del disegno digitale:
  - Giordano A., Dal secolo dei Lumi all’epoca attuale, in De Rosa A., Sgrosso A.,
  Giordano A., La Geometria dell’Immagine. Storia dei metodi di rappresentazione.
  UTET, Torino, 2000.