3DCITYGH: un Approccio Parametrico Speditivo per il Rilievo Urbano Digitale e il City Information Modeling di Modelli Strutturali di isolati urbani.

The aim of the thesis is the definition of a parametric modelling methodology that allows, in a short time and at a sustainable cost, the digital acquisition, modelling and analysis of urban aggregates with the aim of facilitating seismic vulnerability mapping actions in historic centres. The research involves the use of direct data (site surveys) and derived data (available geodata) for the realisation of a parametric City Information Model (CIM). Grasshopper, a Visual Programming Language (VPL) within Rhinoceros, already widely used in the scientific community, was chosen as the working environment for the parametric computational design. \nThe methodology consists of several progressive steps that can be pursued through two innovative methods (Survey-to-CIM and Scan-to-CIM) defined and developed in this thesis. The choice of which method to adopt depends on the availability of project resources and the type of urban centre being studied. The first method, Survey-to-CIM, is intended to be a low-cost solution that integrates different data and acquisition techniques (direct survey, photo-rectification, expeditious 360 photogrammetry, Street-Level imagery, etc.) within a parametric and responsive flow useful for smaller urban centres and without the need for special professional skills. The second method, Scan-to-CIM, is developed to automate the cognitive operations of interpretation and input of survey data performed by the surveyor. This task is carried out by an Artificial Intelligence system that uses Machine Learning techniques (in particular Random Forest) to identify remarkable geometric-architectural features (openings, walls, stringcourses) within point clouds obtained through digital surveying. Both methods lead to the definition of a parametric CIM system developed in VPL.\nThe generated CIM model is equivalent to the definition of a semantic 3D City Model since all generated geometries, from the envelope to the interior, adhere to a semantic structure that defines relationships and dependencies. Since there are no guidelines in literature regarding the semantic structuring of city models in a parametric environment, an innovative format defined CityGH is proposed in this thesis. Based on the CityJSON standard, it proposes the same semantic structure of CityJSON but adapting it to the Data Structure of Grasshopper (Data Trees). This format is therefore proposed as an interchange format within parametric models to facilitate their dissemination and application. Thanks to its semantic structure, the parametric CIM model is capable of storing attributes and metadata that are fundamental steps in facilitating the beginning of the FEM analysis activities. \nThe parametric CIM model defined so far also allows the extraction of structural geometric models, both NURBS and MESH, necessary for the execution of FEM analyses. In particular, a workflow was developed in the thesis that allows FEM analysis both within the VPL environment (Karamba3D, Alpaca4D - OpenSees plugins) and in external software dedicated to structural analysis (SAP2000, FEM-Design).

Scopo della tesi è la definizione di una metodologia di modellazione parametrica che consenta, in tempi brevi e con costi sostenibili, l'acquisizione digitale, la modellazione e l'analisi di aggregati urbani con l'obiettivo di facilitare le azioni di mappatura della vulnerabilità sismica nei centri storici. La ricerca prevede l'utilizzo di dati diretti (rilievi in sito) e derivati (geodati disponibili) per la realizzazione di un City Information Model (CIM) parametrico. Come ambiente di lavoro per la progettazione computazionale parametrica è stato scelto Grasshopper, un Linguaggio di Programmazione Visuale (VPL) all'interno di Rhinoceros, già ampiamente utilizzato nella comunità scientifica.\nLa metodologia è composta da diverse fasi progressive che possono essere perseguite attraverso due metodi innovativi (Survey-to-CIM e Scan-to-CIM) definiti e sviluppati in questa tesi. La scelta di quale metodo da adottare dipende dalla disponibilità di risorse del progetto e dal tipo di centro urbano oggetto di studio. Il primo metodo, Survey-to-CIM, mira ad essere una soluzione low-cost che integra diversi dati e tecniche di acquisizione (rilievo diretto, foto raddrizzamenti, fotogrammetria 360 speditiva, Street-Level imagery, etc.) all’interno di un flusso parametrico e responsivo utile per centri urbani minori senza la necessità di particolari competenze professionali. Il secondo metodo, Scan-to-CIM, è sviluppato per automatizzare le operazioni cognitive di interpretazione ed inserimento dei dati di rilievo eseguite dal rilevatore. Questo compito è svolto da un sistema di sistema di Intelligenza Artificiale che utilizza tecniche di Machine Learning (in particolare Random Forest) per individuare caratteristiche geometriche-architettoniche notevoli (aperture, muri, marcapiani) all’interno di nuvole di punti ottenute tramite rilievo digitale. Entrambi i metodi portano alla definizione di un sistema CIM parametrico sviluppato in VPL.\n \nIl modello CIM generato corrisponde alla definizione di un 3D City Model semantico in quanto tutte le geometrie generate, dall’involucro agli interni, rispondono ad una struttura semantica che definisce rapporti e relazioni. Non essendo presente in letteratura alcuna linea guida circa la strutturazione semantica dei modelli di città in ambiente parametrico, in questa tesi viene proposto un formato innovativo definito CityGH, che su riferimento dello standard CityJSON propone la medesima struttura semantica di CityJSON ma adattandola alla Data Structure di Grasshopper (Data Trees). Tale formato si propone quindi come formato di interscambio all’interno di modelli parametrici per facilitare la diffusione e l’applicazione degli stessi. Grazie alla struttura semantica, il modello CIM parametrico è capace di immagazzinare attributi e metadati che risultano passi fondamentali per facilitare l’inizio dell’attività di analisi FEM.\nIl modello CIM parametrico fin qui definito consente anche l’estrazione dei modelli geometrici strutturali, sia NURBS che MESH, necessari per l’esecuzione delle analisi FEM. In particolare, nella tesi è stato sviluppato un flusso di lavoro che consente l’analisi FEM sia all’interno dell’ambiente VPL (plugin Karamba3D, Alpaca4D - OpenSees) che in software esterni dedicati all’analisi strutturale (SAP2000, FEM-Design).