BIM, VIRTUAL & AUGMENTED REALITY FOR PHARMACEUTICAL FACILITY- A CASE STUDY

Articolo pubblicato sulla rivisita Ingenio e sulla rivista ASCCA News (di Rosario Lo Presti e Francesco Cappilli)

Introduzione

Fino a poco tempo fa, per gestire i processi di sviluppo, monitoraggio e manutenzione in ambiente farmaceutico venivano usati software con base CAD. L’utilizzo di queste metodologie aveva sicuramente il vantaggio di garantire una continuità della funzionalità dei processi da parte di personale non altamente informatizzato ed una semplicità nello scambio di informazioni tra i vari stakeholders o fornitori delle aziende. Il problema principale riscontrato, però, era la difficoltà di avere una corretta gestione della documentazione del progetto definitivo con problematiche relative principalmente all’affidabilità degli elaborati prodotti. Inoltre, vi era la difficoltà da parte dei formatori aziendali di spiegare i processi e, di conseguenza, di comprensione da parte di coloro che dovevano fruire dei training, dovuta all’impossibilità di poter visualizzare in maniera semplicee utile tutto l’iter di produzione, monitoraggio e manutenzione.

Descrizione del progetto

Techniconsult Firenze S.r.l., operante a livello nazionale e internazionale nel settore della progettazione, validazione di impianti e manutenzione per le maggiori Aziende multinazionali farmaceutiche ha sviluppato per conto di una grossa multinazionale un progetto di nuovo edificio produttivo (nato da un greenfield) con footprint pari a 1.500mq costituito da due piani fuori terra, piano terra e piano primo, ed un piano interrato di superficie ridotta (400mq).

La facility ospiterà un processo farmaceutico produttivo del tipo in Alto Contenimento.
Il budget per l’intera realizzazione dell’opera è pari a circa 30 milioni di euro.

A livello tecnologico l’edificio sarà connesso alle reti principali di stabilimento (fluidi termovettori, energia elettrica ed IT), sarà dotato di 3 nuovi sistemi HVAC a servizio delle aree classificate GMP e sarà dotato di nuovo loop di distribuzione acqua purificata (PW) oltre ad altri fluidi puri legati anch’essi al processo produttivo.
La sfida del progetto è stata quella di rispettare le tempistiche di realizzazione imposte dal cliente trattandosi di produzione di un farmaco salva vita.

Per raggiungere l’obiettivo, ovvero quello di completare i lavori in soli 8 mesi, si è scelto di applicare i criteri di progettazione del tipo “Fast Track Project”.
Per questo motivo abbiamo deciso di sfruttare le straordinarie potenzialità di controllo e gestione integrata offerta dall’utilizzo della piattaforma BIM.
L’approccio del tipo “Fast Track Project” ha portato subito a soluzioni progettuali che prevedevano soluzioni tecniche inedite, quali:

  • Riduzione della superficie del piano interrato rispetto al footprint totale dell’edifici per poter eseguire in parallelo palificate di fondazione e berlinese e relativo scavo del piano interrato in parallelo;
  • Sviluppo di struttura in carpenteria metallica anziché prefabbricato in cemento armato per i seguenti motivi:
    ∗ velocizzare le attività di permitting
    ∗ Ovviare a problematiche realizzative in quanto molto suite produttive avevano altezze superiori ai 6m
  • Riduzione di parte del solaio di piano primo a solo 400mq da allocare a plantroom sulla quale sono stati installati tutti gli impianti HVAC e tutte le ancillaries di processo, sulla rimanente superficie, prima di solaio, è stato previsto un reticolo realizzato in grigliato metallico per il camminamento e per l’accesso ai controsoffitti pedonali delle aree produttive;
  • Prefabbricazione delle distribuzioni aerauliche, idrauliche ed elettriche sulle travi reticolari strutturali installate a terra;
  • Prefabbricazione degli skid dei sistemi annessi alla circolazione dei fluidi puri (PW);
  • Lavorazioni in doppio torno e/o turno allungato

La società di ingegneria ha curato tutta la progettazione della facility ed ha supervisionato tutte le fasi della costruzione della nuova unità produttiva in Italia eseguendo attività di follow-up del modello BIM sviluppato nelle precedenti attività di sviluppo di ingegneria, curando nel dettaglio le seguenti fasi:

  • Sviluppo del layout legato al processo produttivo;
  • Sviluppo e calcolo del progetto strutturale e predisposizione dei documenti per pratiche autorizzative;
  • Sviluppo progetto architettonico dell’edificio,dellepartizioni interne in muratura e dei componenti farmaceutici nelle aree produttive;
  • Sviluppo dell’impiantistica tecnologica: MechanicalElectricalPiping (MEP), sistemi HVAC, tutta le distribuzioni dei fluidi termovettori e dei fluidi puri per produzione farmaceutica, skid batterie di scambio termico, sistemi di scarichi contaminati e non, vent ed emergencyvent; la componentistica elettrica, tra cui l’illuminazione comprensiva di studi illuminotecnici in quanto trattandosi di prodotto fotosensibile è stata prevista in doppia colorazione; i processi di automazione industriale, le rete dati IT, i sistemi antincendio e rivelazione GAS e fumi, controllo accessi e sistemi TVCC.
  • Ingegneria e modellazione 3D dei collegamenti delle macchine di processo (Hook-Up), nel dettaglio:
    ∗ Suite di filmatura
    ∗ Suite di compressione
    ∗ Suite di estrusione
    ∗ Suite di milling&blending
    ∗ Suite di lavaggio
    ∗ Dispensing

Il percorso ingegneristico ha seguito il seguente iter:

  • Sviluppo in parallelo di:
    ∗ Detail design civile e strutturale (BIM)
    ∗ Basic design allestimenti interni ed impianti tecnologici
  • Sviluppo in parallelo di:
    ∗ Procurement su pacchetti emessi al precedente punto
    ∗ SviluppoBIM di tutti i sistemi impiantistici
  • Supervisione cantiere con site manager e vari specialisti
  • Follow Up modello BIM per gestione interferenze in fase di costruzione
  • Collegamento equipment (BIM)
  • Attività di verifica e gestione attività di MechanicalCompletion comprensive di Walk down e gestione Punch List
  • Supervisione attività di Commissioning

Tale edificio è stato realizzato ed è in fase di validazione degli impianti.

La società di ingegneria ha messo a disposizione le seguenti risorse:

Ai fini del progetto commissionato, la fondamentale peculiarità della realizzazione in BIM (LOD 400) è stata quella di poter collegare in tempo reale tutti i dati inerenti alla componentistica usata, gestire le fasi di cantiere con le time-line 4D, i computi 5D e tutta la documentazione relativa alle schede tecniche in formato nativo (i.e. pdf, file CAD, file meccanici).

Esempi di famiglie con schedula pdf (ad esempio Canister).

Il passaggio successivo svolto da BIMaking Engineering è stato quello di ideare e realizzare il progetto di fruibilità delle componenti tecniche da parte del cliente finale, concentrando l’attenzione sulla manutenzione dell’edificio e sui cicli produttivi (formalmente definito 7D), attraverso tecnologie innovative quali la realtà virtuale e aumentata.

La prima parte del lavoro è consistita nell’estrapolazione di tutti i dati dei componenti 3D e dei componenti BIM, nell’indicizzazione di tutto ciò che era inerente al progetto finale, e nell’ideazione e ingegnerizzazione del processo di realtà virtuale. Nella seconda fase, si è utilizzato l’ambiente creato, per poter virtualizzare completamente tutti i processi produttivi e di sicurezza aziendale e la formazione ad opera, ad esempio, degli RSPP aziendali (in ambito del D.lgs. 81/08): tutto ciò assume una grande importanza considerando le moltissime e stringenti norme a cui sono sottoposte le multinazionali farmaceutiche a causa della pericolosità e della possibile contaminazione dei prodotti e processi.

La sinergia dei possibili collegamenti fra vari software ha permesso di realizzare in prima istanza un programma in ambiente Windows (eseguibile di tipo “.exe”) ed alcuni videoper il cliente finale che potessero essere facilmente fruibiliin fase di training aziendale e di gestione quotidiana e straordinaria da parte dall’azienda.

Di seguito, descriveremo nel dettaglio il progetto realizzato e le predisposizioni implementate per i futuri step di lavoro.

Partendo dai dati disponibili del progetto sviluppato in BIM, si è ritenuto necessario esportare i file in formato consono per il successivo utilizzo applicativo: ciò ha comportato la separazione di tutta la parte di 3D (base visuale) dai database, valore aggiunto della progettazione integrata in BIM.
Questa fase di primaria importanza ha richiesto l’applicazione delle conoscenze riguardanti i software in BIM e di discipline quali, ad esempio, disegno meccanico e una integrazione attraverso visual design.

La connessione di queste discipline non è sempre facile, perché la parte inerente alla visualizzazione progettuale e della realtà virtuale, esula spesso dalle canoniche competenze di ingegneria. Per questo motivo, infatti, sono sorte molte criticità nella conversione di file di tipo meccanico che hanno componenti molto complessi a livello di forma, al contrario di parti costruttive già presenti in BIM (3D meshes) che invece sono state esportate agevolmente.

Per il processo di conversione dei file, sono stati utilizzati dei software che rispettassero la parametrizzazione e l’indicizzazione dei file in BIM, permettendo, così, la conversione in 3D nel rispetto dei nomi e degli ID di tutti i componenti (o “attori”, in quanto lo scopo di questi progetti è quello di animare i componenti interessati agli ambiti di formazione nella maniera più funzionale e realistica possibile, dotandoli di caratteristiche di interattività) inclusi nel progetto in VR (Virtual Reality).

Per citare un esempio concreto del lavoro svolto, si noti che per poter implementare in VR un progetto che mostri ai soggetti formanti le procedure da seguire per le vestizioni in ambito farmaceutico classificato, è molto importante far comprendere loro le zone e le procedure tecniche da rispettare. E’ stato possibile, quindi, animare gli “attori” attraverso l’uso di ambenti di sviluppo (o frameworks) di nuovissima generazione che potessero leggere agevolmente sia le componenti 3D, che le loro caratteristiche indicizzate e salvate nel formato BIM.

Abbiamo ritenuto l’ambiente di sviluppo più consono a questo tipo di progetto, quello di un Game Engine che permettesse di importare le componenti 3D e di associarle in maniera dinamica alle loro caratterizzazioni presenti nel database precostituito in BIM. La scelta è stata dettata dalle seguenti principali caratteristiche del Game Engine utilizzato:

  • la velocità di import delle componenti;
  • la possibilità di una resa grafica ottimale;
  • lo sfruttamento più efficiente possibile delle risorse hardware normalmente disponibili nei computer dei clienti finali (ad esempio, processori grafici quali NVIDIA o AMD);
  • la possibilità della predisposizione di esportazione di formati ottimizzati per mobile (Apple o Android);
  • la possibilità di utilizzo di dispositivi di input come Gamepad o HMD (Visori per la Realtà Virtuale, come OculusRift o HTC Vive) per facilitare i movimenti e le interazioni;
  • la possibilità di distribuire il calcolo computazionale sui processori grafici e non sul processore centrale. Ad esempio, nel progetto si sono rese necessarie le ottimizzazioni NVIDA CUDA o GPGPU per il baking dell’illuminazione dei materiali dei componenti. Ciò ha permesso ad un computer di basso profilo, avente una scheda video dedicata, di avere delle prestazioni che si attestano sui 30 fps (fotogrammi per secondo)in real-time;
  • la possibilità di scalare la grafica in maniera automatica anche per i mobile device (ad es. cellulari o tablet) applicando opportune semplificazioni ai LOD (level of detail) delle mesh, procedura effettuata automaticamente dal tipo di Engine scelto;
  • la possibilità di associare dei marcatori (quali QR-Codes o codici a barre) per identificare gli oggetti in tempo reale tramite le tag associate ai file BIM e visualizzarle tramite Realtà Aumentata (AR).

L’obiettivo del lavoro non è stato solo quello di rappresentare graficamente il progetto in real-time ma soprattutto quello di renderlo usufruibile da tutti, dal momento che i software BIM e i Game Engine sono di difficile comprensione da parte degli utilizzatori (ad es. i manutentori). L’utilizzo di tali software, infatti, è molto specifico e prerogativa di alcune tipologie di professionisti, a causa della difficoltà di gestione dei modelli. Va sottolineato che esistono dei software a pagamento cheoffrono dei servizi simili per l’indicizzazione delle componenti manutentive, ma nessuno di essi si interfaccia in maniera diretta con i database in BIM e, soprattutto,attraverso il loro utilizzo non è possibile personalizzare i vari step (ad es. in ambito formativo)come è stato possibile fare in questo progetto.

Esportare il modello in maniera dinamica da BIM al Game Engine è stato la sfida più interessante e ciò è stato realizzato attraverso l’uso di tecnologie di visualprogramming, sia direttamente in ambiente BIM (ad es. per l’esportazione di dati e database), sia nei Game Engine, come noto, ambienti di programmazione puri. Sono stati scelti i linguaggi di interfaccia Python e C++ nelle loro versioni con interfaccia visiva e, quindi, più facili da comprendere anche per coloro i quali non hanno un background di programmazione.

Foto: Esempio di programmazione visuale nel Game Engine.

Concretamente, partendo dai progetti “asbuilt”, quindi da una fotografia definitiva degli elaborati costruiti attraverso i software di progettazione 3D più conosciuti, si è riuscito a esportare gli ID dei componenti BIM censiti e le mappe di illuminazione (dette UV) dei materiali.

In ultima istanza, per rendere più facilmente visualizzabile e usufruibile il progetto finito per il training aziendale, è stata creata una video rappresentazione attraverso Game Engine più leggeri rispetto ai software 3D.

Il rendering (o generazione) del video necessita comunque delle fasi descritte precedentemente:

  1. Il collegamento e la rappresentazione del 4D in maniera molto dettagliata, sempre ponendo attenzione alla predisposizione di indicizzazione tramite BIM, per poter ottenere una resa grafica molto particolareggiata delle fasi di cantiere;
  2. La presentazione del progetto tramite walk-through interattivi;
  3. Lo scopo di questa fase non è la bellezza grafica (che comunque i motori di nuova generazione offrono) ma il training dei lavoratori. Può essere sviluppata secondo due tipologie: attraverso la costruzione di schemi interattivi che guidano la formazione su rischi specifici (ad esempio in ambito aziendale farmaceutico i flussi lavorativi con materiali pericolosi) oppure attraverso la costruzione di filmati precedentemente renderizzati sempre tramite framework ed esportabili in formato video-audio, usufruibile da tutti.

Foto della esportazione in formato tabella da visual design in BIM.

CONCLUSIONE

E‘ chiaramente comprensibile che la facilità di creare simulazioni in tempo reale di processi aziendali permette di coprire completamente le casistiche di criticità che possono verificarsi,e avere così una piùchiara gestione del monitoraggio post-progettuale.
L’implementazione della piattaforma BIM con i molti software di realtà aumentata a disposizione, rendono possibile, quindi, la creazione di progetti in cui è possibile coniugare l’ingegneria con la tecnologia grafica e rendere fruibili al cliente finale dati che fino ad ora erano di difficile accesso per la loro complessità, ottimizzando così i processi aziendali.
Infine, va sottolineato che come per ogni processo elaborato in BIM anche questa applicazione con la realtà virtuale rimane dinamica e personalizzabile per ogni futura modifica al progetto originale.

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