Περίληψη

Αντικείμενο και σκοπός

Η παρούσα διπλωματική εργασία αναπτύσσει και εφαρμόζει μια ροή εργασίας HBIM για τη διαχείριση της αποκατάστασης σεισμόπληκτων κτιρίων από φέρουσα τοιχοποιία, με μελέτη περίπτωσης τον Ιερό Ναό Αγίου Γεωργίου Αγιών Παρασκιών Ηρακλείου, ο οποίος υπέστη βλάβες από τον σεισμό του Αρκαλοχωρίου (27 Σεπτεμβρίου 2021). Αφετηρία αποτελεί η διαπίστωση ότι η πληροφορία για την αποκατάσταση τέτοιων κτιρίων είναι συνήθως διάσπαρτη σε δισδιάστατα σχέδια και ανεξάρτητα τεύχη, ενώ τα διαθέσιμα εργαλεία για τη φέρουσα τοιχοποιία παραμένουν περιορισμένα σε σχέση με το οπλισμένο σκυρόδεμα. Σκοπός της εργασίας είναι η διαμόρφωση και εφαρμογή μιας συνεκτικής και ιχνηλάσιμης διαδικασίας   HBIM, η οποία οργανώνει τα δεδομένα της ψηφιακής αποτύπωσης, της τεκμηρίωσης των βλαβών, των επεμβάσεων και της κοστολόγησης στο πλαίσιο της αποκατάστασης του εξεταζόμενου ναού, εντός του ελληνικού θεσμικού πλαισίου (ΚΑΔΕΤ, ΚΑΝ.ΕΠΕ., ΔΑΕΦΚ).

Μεθοδολογία και ροή εργασίας

Η μέθοδος αρθρώνεται σε διαδοχικά στάδια: ψηφιακή αποτύπωση με τρισδιάστατη σάρωση (σαρωτής SLAM FJD Trion P1) και φωτογραμμετρία από drone, επεξεργασία του νέφους σημείων στο Autodesk ReCap και μοντελοποίηση HBIM στο Autodesk Revit, καταγραφή των βλαβών και εκτίμηση της απώλειας φέρουσας ικανότητας και τέλος, η εξαγωγή ποσοτήτων μέσω των schedules του Revit και σύνταξη του προϋπολογισμού κατά ΔΑΕΦΚ. Τα αποτελέσματα της δομικής αποτίμησης (υφιστάμενου και ενισχυμένου φορέα) προήλθαν από ανεξάρτητο προσομοίωμα του στατικού μελετητή στο 3Muri και αξιοποιήθηκαν για τη μοντελοποίηση των επεμβάσεων. Η σύνδεση του μοντέλου με τη δομική ανάλυση, μέσω του προτύπου IFC, παρουσιάζεται ως προτεινόμενη δυνατότητα της μεθόδου. Το μοντέλο λειτουργεί ως ενιαία βάση δεδομένων, εξασφαλίζοντας τη συνέχεια και την ιχνηλασιμότητα της πληροφορίας.

Μελέτη περίπτωσης και δεδομένα

Ο ναός (σταυροειδής εγγεγραμμένος με τρούλο, ανέγερση 1903) κατατάσσεται σε ζώνη σεισμικής επικινδυνότητας ΙΙ (a = 0,24g) και κατηγορία σπουδαιότητας Σ3/ΣΙΙΙ, με σεισμική επιτάχυνση σχεδιασμού ag = 0,48g κατά ΔΑΕΦΚ (ε = 0,12). Οι εργαστηριακές δοκιμές έδωσαν τάση θραύσης λιθοσωμάτων 4,1–39,5 MPa (μέση 16,03 MPa), φαινόμενο βάρος ≈ 2.000 kg/m³ και θλιπτική αντοχή τοιχοποιίας f_wc ≈ 1,95 MPa έως 2,51 MPa (EC-6). Η γεωτεχνική μελέτη έδωσε επιτρεπόμενη τάση εδάφους 150 kPa και κατηγορία εδάφους C. Η καταγραφή των βλαβών οδήγησε σε απώλεια φέρουσας ικανότητας φ_χ = 0,33 (αχ = 0,67) κατά Χ και φ_y = 0,41 (αy = 0,59) κατά Υ, με χαρακτηρισμό «γενικού» χαρακτήρα.

Αποτίμηση και επεμβάσεις

Η δομική αποτίμηση, η οποία αντλήθηκε από τη μελέτη του στατικού μελετητή, στηρίχθηκε σε μη-γραμμική στατική ανάλυση (pushover), για δύο σενάρια φάσματος (Αντισεισμικός 1959 και Ευρωκώδικας 8) και στις δύο διευθύνσεις, με στόχο τη στάθμη επιτελεστικότητας Β1. Ο υφιστάμενος φορέας δεν ικανοποιούσε τον στόχο, οδηγώντας στην απόφαση για ενίσχυση με βαθύ αρμολόγημα, ενέματα ομογενοποίησης, σύστημα ανόργανης μήτρας (Geosteel Grid 400 / Geocalce F Antisismico, Kerakoll), ελκυστήρες και ενίσχυση των θόλων. Οι επεμβάσεις αυξάνουν τεκμηριωμένα τη θλιπτική αντοχή σε f_wc,f = 1,92 MPa και f_wc,fII = 2,88 MPa (E_wc,fII ≈ 1,10 GPa), ενώ ο ενισχυμένος φορέας ικανοποιεί την απαίτηση. Οι επιφάνειες των επεμβάσεων μεταφέρθηκαν, μέσω των Schedules, στον πρότυπο προϋπολογισμό του ΔΑΕΦΚ.

Αποτελέσματα, περιορισμοί και συμπεράσματα

Η εφαρμογή ανέδειξε ως βασικά πλεονεκτήματα του BIM την ενιαία τρισδιάστατη τεκμηρίωση, τη λεπτομερέστερη και χωρικά σαφέστερη τεκμηρίωση των βλαβών, καθώς και την άμεση, ιχνηλάσιμη σύνδεση του μοντέλου με τις ποσότητες και το κόστος. Καταγράφηκαν, ωστόσο, και σαφείς περιορισμοί: η φωτογραμμετρία αξιοποιήθηκε ως πλέγμα (.fbx) και όχι ως νέφος σημείων (point cloud) (λόγω μη διαθεσιμότητας της υπηρεσίας ReCap Photo για εκπαιδευτική χρήση), οι ρωγμές στις θολωτές στέγες δεν αποτυπώθηκαν παραμετρικά στο Revit και οι βλάβες καταγράφηκαν σε δισδιάστατα σχέδια και η δομική αποτίμηση στηρίχθηκε σε ανεξάρτητο προσομοίωμα του μελετητή και οι μεταβάσεις δεδομένων απαίτησαν χειροκίνητες ενέργειες, χωρίς ποσοτική σύγκριση με τη συμβατική μέθοδο.

Συμπεραίνεται ότι η ροή εργασίας είναι εφαρμόσιμη και ικανή να μεταφερθεί, με ωριμότερο και άμεσα αξιοποιήσιμο όφελος τη σύνδεση μοντέλου–ποσοτήτων–κόστους, ενώ η απευθείας μετάβαση «μοντέλο με βλάβες → δομική ανάλυση» τεκμηριώνεται ως δυναμική και προοπτική της μεθόδου. Ως κατευθύνσεις για μελλοντική εξέλιξη προτείνονται η αυτοματοποίηση των μεταβάσεων, η παραμετρική αποτύπωση των βλαβών σε καμπύλες επιφάνειες, η ποσοτική σύγκριση με τη συμβατική μέθοδο και η ανάπτυξη ολοκληρωμένου συστήματος διαχείρισης αποκατάστασης σεισμόπληκτων κτιρίων με αξιοποίηση της τεχνολογίας BIM.

Συνεισφορά της συγγραφέως

Στο πλαίσιο της εργασίας εκπονήθηκαν από τη φοιτήτρια-συγγραφέα η φωτογραμμετρική αποτύπωση των όψεων και της στέγης, η μοντελοποίηση HBIM στο Revit, η καταγραφή και κωδικοποίηση των βλαβών με εκτίμηση της απώλειας φέρουσας ικανότητας, καθώς και η εξαγωγή ποσοτήτων και του προϋπολογισμού κατά ΔΑΕΦΚ. Η τρισδιάστατη σάρωση εκτελέστηκε από την εταιρεία (ΕΝΙΚ), υπεύθυνοι της οποίας είναι οι Καμπιτάκης Νικόλαος, Φιλίππου Κώσταντίνος καθώς και η δομική αποτίμηση  και η γεωτεχνική μελέτη που αξιοποιήθηκαν ενιαία στη ροή εργασίας.

Abstract

Aim and Objectives 

This thesis develops and implements a Historic Building Information Modelling (HBIM) workflow for the management of post-earthquake rehabilitation projects involving unreinforced masonry heritage structures, using the Church of Saint George in Agies Paraskies, Heraklion, Crete, which sustained significant damage during the 2021 Arkalochori earthquake, as a case study. The research is motivated by the observation that information generated during the assessment and rehabilitation of masonry buildings is typically dispersed among two-dimensional drawings, technical reports, and isolated datasets, resulting in limited interoperability and information traceability. Furthermore, BIM-based methodologies for historic masonry structures remain considerably less mature than those developed for reinforced concrete construction. The primary objective of this study is to establish and validate an integrated HBIM workflow capable of organizing, managing, and linking data derived from digital surveying, damage assessment, structural intervention planning, and cost estimation within a unified information environment, while complying with the applicable Greek regulatory framework (KADET, KANEPE, and DAEFK).

Methodology

The proposed workflow comprises a sequence of interconnected stages. Geometric data acquisition was carried out through three-dimensional laser scanning using an (FJD Trion P1 SLAM scanner) and drone-based photogrammetry. The acquired data were processed in Autodesk ReCap to generate the geometric reference model, which was subsequently used for HBIM development in Autodesk Revit. Structural damage was systematically documented and coded within the model, enabling the assessment of the corresponding loss of load-bearing capacity. Quantity take-offs were then extracted through Revit Schedules and incorporated into a rehabilitation cost estimate following DAEFK specifications.

The structural assessment of both the existing and strengthened conditions was performed independently by the structural engineer using the 3Muri software package. The resulting analytical data were subsequently integrated into the HBIM environment to support the modelling and evaluation of the proposed strengthening interventions. In addition, the study investigates the potential interoperability between the HBIM model and structural analysis environments through the Industry Foundation Classes (IFC) standard. Within the proposed framework, the HBIM model functions as a centralized information repository, ensuring data consistency, traceability, and continuity throughout all stages of the rehabilitation process.

Case Study and Data

The investigated structure is a cross-in-square domed masonry church constructed in 1903. According to the Greek seismic hazard classification, the site is in Seismic Hazard Zone II (a = 0.24g) and belongs to Importance Class S3/III, leading to a design ground acceleration of ag = 0.48g under DAEFK provisions (ε = 0.12). Laboratory testing of masonry constituents yielded stone compressive strengths ranging between 4.1 and 39.5 MPa, with an average value of 16.03 MPa, an apparent density of approximately 2,000 kg/m³, and estimated masonry compressive strengths of f_wc ≈ 1.95 MPa according to Spyrakos' methodology and f_wc ≈ 2.51 MPa according to Eurocode 6 provisions. The geotechnical investigation determined an allowable bearing capacity of 150 kPa and classified the subsoil as Ground Type C.

The damage survey revealed a reduction in load-bearing capacity of φx = 0.33 (αx = 0.67) in the X-direction and φy = 0.41 (αy = 0.59) in the Y-direction, leading to the characterization of the damage as being of a general structural nature.

Structural Assessment and Rehabilitation Measures

Structural assessment was performed through nonlinear static (pushover) analysis considering two seismic demand scenarios, namely the 1959 Greek Seismic Code and Eurocode 8, for both principal directions of structural response and targeting Performance Level B1. The existing structure was found incapable of satisfying the prescribed performance requirements, thereby necessitating structural strengthening.

The proposed rehabilitation strategy included deep repointing of masonry joints, grout injection techniques for masonry homogenization, application of an inorganic matrix composite reinforcement system (Geosteel Grid 400 and Geocalce F Antisismico, Kerakoll), installation of steel tie rods, and strengthening of the masonry vaults. The interventions resulted in a documented improvement of the mechanical properties of the masonry, achieving compressive strength values of f_wc,f = 1.92 MPa and f_wc,fII = 2.88 MPa, with a corresponding elastic modulus of E_wc,fII ≈ 1.10 GPa. The strengthened structure successfully met the target performance criteria. Quantities associated with the interventions were automatically extracted from the HBIM model and transferred to the standardized DAEFK cost estimation framework.

Results and Discussion

The implementation of the proposed methodology demonstrated the capacity of HBIM to provide a unified three-dimensional environment for documentation, analysis, and management of rehabilitation projects involving historic masonry structures. The principal benefits identified include enhanced spatial representation of damage, improved information traceability, and direct integration between geometric data, quantity take-offs, and cost estimation procedures. 

However, several limitations were identified. Photogrammetric data were incorporated into the workflow as a three-dimensional mesh(.fbx) rather than as a point cloud due to the unavailability of Autodesk ReCap Photo services for educational users. Furthermore, cracks located on curved vault surfaces could not be represented parametrically within the Revit environment and therefore required documentation through conventional two-dimensional drawings. Structural assessment remained dependent on an external analytical model developed by the structural engineer, while multiple data-transfer operations required manual intervention. Additionally, no quantitative comparison with conventional restoration documentation and management practices was undertaken.

Conclusions

The findings demonstrate that the proposed HBIM workflow constitutes a feasible and transferable methodology for the rehabilitation management of earthquake-damaged masonry structures. The most mature and immediately applicable benefit of the approach lies in the integration of the digital model with quantity surveying and cost estimation processes. Moreover, the direct transition from a damage-informed HBIM model to structural analysis environments is identified as a promising direction for future development.

Further research should focus on the automation of data exchanges between software platforms, the parametric representation of damage on complex curved geometries, quantitative comparisons with conventional methodologies, and the development of comprehensive BIM-based platforms for the management of post-earthquake rehabilitation projects.

Author's Contribution

The author was responsible for the photogrammetric survey of the church façades and roof, the development of the HBIM model in Autodesk Revit, the documentation and classification of structural damage, the assessment of loss of load-bearing capacity, and the extraction of quantities and preparation of the DAEFK rehabilitation cost estimate. Three-dimensional laser scanning was carried out by ENIK, represented by Nikolaos Kampitakis and Konstantinos Filippou, while the structural assessment and geotechnical investigation were performed independently and subsequently integrated into the proposed HBIM workflow.