Application of BIM visual programming algorithms for infrastructure projects

Abstract

(English) The BIM digitization has generated a growing automation of traditional AECO project development processes. However, this automation has mainly benefited building projects, which has generated a critical gap in infrastructure projects, such as (1) bridges, (2) roads, and (3) tunnels. This gap is explained by infrastructure projects' lack of standardization compared with building projects. Recently, the BIM industry has incorporated conventional computer programming as a tool capable of partially reducing this lack of automation, developing code-line algorithms. However, both the work interface and the high technical skills required to produce these scripts have been unfriendly to AECO industry professionals. To resolve this gap, BIM software development companies generated an alternative algorithm creation technique called Visual Programming (VP). This technique creates their scripts through visual expressions, represented as process charts instead of the code lines of conventional programming, optimizing the working interface of different human resources from AECO projects. However, the development of VP algorithms for infrastructure projects is still limited. To fill these gaps, the objective of this thesis will be to study the potential automation of infrastructure project processes, developing an integrated platform between VP algorithms and BIM models. At a general level, the platform proposed by this thesis has the following 2 elements: (1) VP algorithms; These custom scripts have the specific function of processing information from external databases and deliver specific data as outputs, and (2) BIM models; These information models will digitally collect the outputs of the VP algorithms and associate them with specific BIM families of the infrastructure projects under study. This thesis focuses on studying transversal problems of Civil Engineering using VP-BIM tools through the development of the following applications: Firstly, this thesis develops a calculation module to estimate (1) greenhouse (GHG) emissions; these pollutants contribute to global warming and climate change by trapping heat in the Earth's atmosphere [1–3] and (2) carbon footprint for vehicle traffic on specific roads in any country with the appropriate traffic and vehicle fleet data. The main novelty of this module is the automated integration of the GHG emission factors recommended by the European Environmental Agency (EEA) TIER 1 level with specific fleet data through a customized VP script. This proposed module was applied on a road in Barcelona (Spain), and the results were compared with a similar study made by the Barcelona transport agency. In addition, specific calculation modules were developed to measure the impact of emission reduction strategies. The second application developed by this thesis aims to use visual programming as an educational tool. A parametric programming workflow is employed to replicate the structural behavior of a beam within a BIM Model. This approach enables students to visualize and analyze structural performance, fostering a deeper connection between classroom theory and hands-on experimentation. This system aims to improve the visualization and understanding of structural data for AEC industry professionals by generating dynamic 3D and 2D models. The educational impact of this tool was assessed through a survey conducted in a structural analysis course at the University of La Serena (Chile), demonstrating its effectiveness in enhancing student comprehension and engagement with modern engineering practices.

(Català) La digitalització BIM ha generat una creixent automatització dels processos tradicionals de desenvolupament de projectes AECO. Aquesta automatització, però, ha beneficiat principalment els projectes d'edificació, comparat amb els projectes d'infraestructura. Recentment, la indústria BIM ha incorporat a la programació informàtica convencional com una eina capaç de reduir parcialment aquesta manca dautomatització, desenvolupant algoritmes de codi lineal. Tot i això, tant la interfície de treball com les altes habilitats tècniques requerides per produir aquests scripts han estat poc amigables per als professionals de la indústria AECO. Per mitigar aquesta bretxa, les empreses de desenvolupament de programari BIM van generar una tècnica alternativa de creació d'algorismes anomenada Programació Visual (VP). Aquesta tècnica crea els seus scripts mitjançant expressions visuals, representades com a gràfics de processos en lloc de les línies de codi de la programació convencional, optimitzant la interfície de treball de les parts interessades dels projectes AECO. Tot i això, el desenvolupament d'algorismes VP per a projectes d'infraestructura encara és limitat. Per reduir aquestes bretxes, aquesta tesi cerca estudiar el potencial d'automatització que tenen els processos de projectes d'infraestructura, desenvolupant una plataforma integrada entre algorismes VP i models BIM. Des d'un enfocament general, la plataforma proposada per aquesta tesi desenvolupa els elements següents: (1) algorismes VP; Aquests scripts personalitzats tenen la funció específica de processar informació de les bases de dades externes i lliurar dades específiques com a sortides, i (2) models BIM; Aquests models d‟informació recolliran digitalment les dades de sortida dels algorismes VP i els associaran a famílies BIM específiques dels projectes d‟infraestructura en estudi. Aquesta tesi se centra en l'estudi de problemes transversals de l'Enginyeria Civil utilitzant eines VP-BIM a través del desenvolupament de les aplicacions següents: En primer lloc, aquesta tesi desenvolupa un mòdul de càlcul per estimar (1) Emissions de gasos amb efecte d'hivernacle (GEI); aquests contaminants contribueixen a l'escalfament global i al canvi climàtic en retenir la calor a l'atmosfera terrestre [1–3] i (2) l'empremta de carboni del trànsit de vehicles a carreteres específiques de qualsevol país, que tingui dades de trànsit i flota de vehicles, adequades. La novetat principal d'aquest mòdul és la integració automatitzada dels factors d'emissió de GEI recomanats pel nivell TIER 1 de l'Agència Europea de Medi Ambient (AEMA) amb dades específiques de la flota vehicular un país mitjançant un script VP personalitzat. Aquest mòdul proposat es va aplicar a una carretera de Barcelona (Espanya) i els resultats es van comparar amb un estudi similar realitzat per l'Agència de Transports de Barcelona. A més a més, es van desenvolupar mòduls de càlcul específics per mesurar l'impacte d'algunes estratègies de reducció d'emissions. La segona aplicació desenvolupada en aquesta tesi té com a objectiu utilitzar la programació visual com a eina educativa. Es fa servir un flux de treball de programació visual paramètrica per replicar el comportament estructural d'una biga dins un model BIM. Aquest enfocament permet als estudiants visualitzar i analitzar el rendiment estructural, fomentant una connexió més profunda entre la teoria a l'aula i l'experimentació pràctica. Aquest sistema té com a objectiu millorar la visualització i la comprensió de les dades estructurals per als professionals de la indústria AEC mitjançant la generació de models dinàmics 3D i 2D. L'impacte educatiu d'aquesta eina va ser avaluat a través d'una enquesta realitzada en un curs d'anàlisi estructural a la Universitat de La Serena (Xile), demostrant-ne l'eficàcia per millorar la comprensió i el compromís dels estudiants amb les pràctiques d'enginyeria modernes.

(Español) La digitalización BIM ha generado una creciente automatización de los procesos tradicionales de desarrollo de proyectos AECO. Sin embargo, esta automatización ha beneficiado principalmente a los proyectos de edificación, comparado con los proyectos de infraestructura. Recientemente, la industria BIM ha incorporado a la programación informática convencional como una herramienta capaz de reducir parcialmente esta falta de automatización, desarrollando algoritmos de código lineal. Sin embargo, tanto la interfaz de trabajo como las altas habilidades técnicas requeridas para producir estos scripts han sido poco amigables para los profesionales de la industria AECO. Para mitigar esta brecha, las empresas de desarrollo de software BIM generaron una técnica alternativa de creación de algoritmos llamada Programación Visual (VP). Esta técnica crea sus scripts a través de expresiones visuales, representadas como gráficos de procesos en lugar de las líneas de código de la programación convencional, optimizando la interfaz de trabajo de las partes interesadas de los proyectos AECO. Sin embargo, el desarrollo de algoritmos VP para proyectos de infraestructura aún es limitado. Para reducir estas brechas, esta tesis busca estudiar el potencial de automatización que tienen los procesos de proyectos de infraestructura, desarrollando una plataforma integrada entre algoritmos VP y modelos BIM. Desde un enfoque general, la plataforma propuesta por esta tesis desarrolla los siguientes elementos: (1) algoritmos VP; Estos scripts personalizados tienen la función específica de procesar información de las bases de datos externas y entregar datos específicos como salidas, y (2) modelos BIM; Estos modelos de información recogerán digitalmente los datos de salida de los algoritmos VP y los asociarán a familias BIM específicas de los proyectos de infraestructura en estudio. Esta tesis se centra en el estudio de problemas transversales de la Ingeniería Civil utilizando herramientas VP-BIM a través del desarrollo de las siguientes aplicaciones: En primer lugar, esta tesis desarrolla un módulo de cálculo para estimar (1) Emisiones de gases de efecto invernadero (GEI); estos contaminantes contribuyen al calentamiento global y al cambio climático al retener el calor en la atmósfera terrestre [1–3] y (2) la huella de carbono del tráfico de vehículos en carreteras específicas de cualquier país, que cuente con datos de tráfico y flota de vehículos, adecuados. La principal novedad de este módulo es la integración automatizada de los factores de emisión de GEI recomendados por el nivel TIER 1 de la Agencia Europea de Medio Ambiente (AEMA) con datos específicos de la flota vehicular un país a través de un script VP personalizado. Este módulo propuesto se aplicó en una carretera de Barcelona (España), y los resultados se compararon con un estudio similar realizado por la Agencia de Transportes de Barcelona. Además, se desarrollaron módulos de cálculo específicos para medir el impacto de algunas estrategias de reducción de emisiones. La segunda aplicación desarrollada en esta tesis tiene como objetivo utilizar la programación visual como herramienta educativa. Se emplea un flujo de trabajo de programación visual paramétrica para replicar el comportamiento estructural de una viga dentro de un modelo BIM. Este enfoque permite a los estudiantes visualizar y analizar el rendimiento estructural, fomentando una conexión más profunda entre la teoría en el aula y la experimentación práctica. Este sistema tiene como objetivo mejorar la visualización y la comprensión de los datos estructurales para los profesionales de la industria AEC mediante la generación de modelos dinámicos 3D y 2D. El impacto educativo de esta herramienta fue evaluó a través de una encuesta realizada en un curso de análisis estructural en la Universidad de La Serena (Chile), demostrando su eficacia para mejorar la comprensión y el compromiso de los estudiantes con las prácticas de ingeniería modernas.