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Oficina de Rehabilitación

La captura de la realidad y los modelos 3D ayudan a proteger las infraestructuras críticas

LA NUEVA MANERA DE TRABAJAR

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Fotos por cortesía de la Oficina de Rehabilitación

Las herramientas de alta tecnología sientan las bases del futuro de la presa del Cañón de Glen

La presa del Cañón de Glen de Arizona proporciona agua y electricidad como recursos vitales al oeste de Estados Unidos. Pero después de medio siglo de servicio, los años y las fluctuaciones del caudal de agua causadas por el clima extremo han tenido un grave efecto. La captura de la realidad y el modelado 3D están ayudando a la Oficina de Rehabilitación a evaluar el estado de la presa y protegerla para las generaciones futuras. En el proceso, esta agencia gubernamental estadounidense muestra cómo la nueva tecnología puede ayudar a preservar la infraestructura crítica en todo el mundo.

David Winslow (derecha) en la central eléctrica de la Presa del Cañón de Glen. Foto por cortesía de BOR/Autodesk.

Llevar agua y electricidad al oeste

En 1902, el Congreso de Estados Unidos creó la Oficina de Rehabilitación con el objetivo de "recuperar" tierras áridas para el uso humano a través del riego. Actualmente, la agencia mantiene 492 presas en 17 estados de la zona oeste y suministra 10 billones de galones de agua a más de 31 millones de personas cada año. Es el segundo mayor productor de energía hidroeléctrica renovable de la nación, y genera 40 mil millones de kilovatios hora de electricidad al año.

Hoy en día, más de un siglo después de su fundación, la misión de la agencia está evolucionando. Además de sustentar a las comunidades del oeste de Estados Unidos, su objetivo es recuperar sus propios recursos de los estragos del tiempo. "Estas instalaciones son muy importantes para la nación", afirma David Winslow, director de CAD e ingeniero civil de la Oficina de Rehabilitación en Salt Lake City, Utah. "Y tenemos la tarea de administrar algo que va a seguir existiendo durante cientos de años en el futuro. Incluso mucho después de que ya no estemos, estas estructuras seguirán existiendo. Pero se deben manejar y mantener adecuadamente".

David Winslow (derecha) en la central eléctrica de la Presa del Cañón de Glen. Foto por cortesía de BOR/Autodesk.

Mantenimiento de infraestructuras: un desafío mundial

La presa del Cañón de Glen se terminó de construir en 1963, en medio del auge mundial en la construcción de presas que tuvo lugar entre los años 1950 y 1970. Durante ese período se construyeron cerca de mil presas al año, incluidas la presa de Asuán en el río Nilo, en Egipto, la presa de Kurobe en Japón, la presa de Idukki en la India, la presa de Ilha Solteira en Brasil y la presa de Contra en Suiza, para suministrar electricidad, agua y control de inundaciones a regiones de todo el mundo.

En esa época, no había ningún sistema CAD para ayudar a crear estos proyectos de infraestructura masiva. El Cañón de Glen, una de las presas de hormigón más grandes del mundo, "fue construida con reglas de cálculo y tablas trigonométricas", dice Winslow. "Todos los planos se crearon a mano en mesas de dibujo". Con solo planos de papel y planos en los que confiar, la Oficina de Rehabilitación ha tenido una visión limitada de los efectos que han tenido los años, el clima y los cambios extremos en el caudal de agua en el estado de la presa.

Este problema no es exclusivo de la presa del Cañón de Glen: según el Banco Mundial, de las más de 58.000 presas grandes que hay en el mundo, más de la mitad han estado en funcionamiento durante al menos 50 años. La necesidad de encontrar mejores herramientas para el mantenimiento y la resiliencia de las presas es claramente un desafío mundial.

Presa del Cañón de Glen en los años 60. Foto por cortesía de la Oficina de Rehabilitación.

"Teníamos la necesidad de alejarnos de la gestión que se hacía de esta instalación con miles de planos 2D. Lo que realmente necesitábamos para la presa del Cañón de Glen era un modelo 3D completo de la presa, las paredes del cañón, el área del embalse río arriba de la presa, el río aguas abajo y la central eléctrica, por dentro y por fuera."

—David Winslow, director de CAD e ingeniero civil de la Oficina de Rehabilitación

 

Nuevas herramientas tecnológicas para diagnosticar una presa envejecida

La Oficina de Rehabilitación se puso en contacto con Autodesk para seleccionar las mejores herramientas y técnicas para crear un modelo digital 3D detallado de la estructura: una presa del Cañón de Glen "virtual". Los datos tridimensionales ofrecen profundidad y contexto más allá de lo que pueden proporcionar los documentos 2D en papel de la oficina. Además, los datos digitales son dinámicos: no están congelados en el tiempo como en el caso de un viejo plano. Se pueden actualizar los modelos digitales, se pueden simular nuevos escenarios y los cambios se pueden medir con respecto al conjunto de datos original en los próximos siglos.

Un modelo 3D proporcionaría a la Oficina de Rehabilitación un gran conjunto nuevo de capacidades para ayudar a gestionar y mantener la presa del Cañón de Glen. Sería más fácil encontrar, diagnosticar y reparar el daño actual, y predecir y prevenir daños futuros.

Pero, ¿cómo se crea un modelo informático para una estructura construida antes de CAD? La respuesta es la captura de la realidad.

"Teníamos la necesidad de alejarnos de la gestión que se hacía de esta instalación con miles de planos 2D. Lo que realmente necesitábamos para la presa del Cañón de Glen era un modelo 3D completo de la presa, las paredes del cañón, el área del embalse río arriba de la presa, el río aguas abajo y la central eléctrica, por dentro y por fuera."

—David Winslow, director de CAD e ingeniero civil de la Oficina de Rehabilitación

 

Captura de datos en masa desde un sitio masivo

La captura de la realidad implica recopilar datos sobre un objeto (imágenes y medidas de tamaño, forma y posición) y compilarlos en un modelo informático. La Oficina de Rehabilitación, mediante el uso de fondos de su programa de ciencia y tecnología, contrató a Autodesk para recopilar los datos necesarios y producir modelos 3D, mientras que los empleados de la Oficina de Rehabilitación observaron los procedimientos y procesos. En agosto de 2016, la Oficina de Rehabilitación y Autodesk comenzaron a capturar datos para la presa, utilizando escáneres láser (conocidos como lidar), sonar y cámaras para documentar el sitio.

El equipo de Autodesk escaneó y fotografió la presa y sus alrededores, una gran tarea que supuso un trabajo de 12 horas diarias durante toda una semana. Los miembros del equipo capturaron imágenes y mediciones del interior y el exterior de la central hidroeléctrica, los taludes aguas abajo y aguas arriba de la presa, la cresta de la presa, el paisaje circundante e incluso parte del centro de visitantes. Recopilaron 700 escaneos lidar y miles de fotografías y vídeos, capturados desde tierra, agua y aire utilizando un arsenal de herramientas avanzadas.

Fotos por cortesía de BOR/Autodesk.

Winslow (izquierda) observa al equipo del proyecto utilizando un escáner láser para capturar mediciones tridimensionales de alta precisión e imágenes visuales de la presa y las paredes del cañón.

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La tecnología láser, o lidar, captura mediciones del enorme sitio de la presa enviando pulsos de luz y midiendo el tiempo que se tarda en regresar al origen.

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Desde el embalse del lago Powell, el socio de Autodesk e-Trac guía un vehículo operado por control remoto (ROV) que utiliza un sonar para explorar las superficies submarinas de la presa.

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Los miembros del equipo de Autodesk tomaron fotografías aéreas superpuestas del paisaje desde un helicóptero de evacuación médica para convertirlas en modelos digitales 3D en un proceso denominado fotogrametría.

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Los miembros del equipo de Autodesk escanearon el elevado interior de la sala de generación principal de la central hidroeléctrica con un dron montado con una cámara.

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Los miembros del equipo de Autodesk escanearon el elevado interior de la sala de generación principal de la central hidroeléctrica con un dron montado con una cámara.

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Fotos por cortesía de BOR/Autodesk.

Modelo de la presa del Cañón de Glen, creado con Autodesk ReMake.

Transformación de datos en modelos digitales

Los escaneos del Cañón de Glen capturaron impresionantes imágenes y millones de puntos de datos en nubes de puntos 3D enriquecidas y fotorrealistas. Los modelos de fotos se crearon a partir de fotografías del equipo fusionando imágenes superpuestas en un proceso denominado fotogrametría. Para reunir todos estos datos sin procesar, el equipo utilizó ReCap Pro para compilar una nube de puntos más grande y más completa.

Después de importar la nube de puntos en Revit, el equipo construyó un modelo técnico 3D que se completó con los componentes individuales de la presa, desde el acero estructural hasta los generadores hidroeléctricos. Este modelo combina lo viejo y lo nuevo, asignando conjuntamente los viejos planos en 2D con los datos de las nubes de puntos avanzadas, para que los usuarios puedan comprender no solo las partes y piezas de la presa, sino cómo encajan juntas como sistemas.

En la fase final del proyecto, el equipo importará el modelo técnico en InfraWorks y agregará flujos de datos en tiempo real sobre el rendimiento de la presa: cuánta agua se libera, por ejemplo, y cuánta electricidad se genera. El resultado será una representación virtual dinámica de la presa para ayudar a los operadores a identificar los riesgos que se deben abordar y las oportunidades que se pueden aprovechar.

Modelo de la presa del Cañón de Glen, creado con Autodesk ReMake.

Pronosticando el futuro

La Oficina de Rehabilitación utilizará su modelo dinámico 3D de la presa del Cañón de Glen como herramienta para operadores y empleados de todos los niveles. "Este será un modelo multiuso", dice Winslow. También ofrece nuevas formas de educar al público: por ejemplo, al compartir tutoriales de vídeo de la presa virtual, en particular en zonas donde los visitantes no pueden ir de manera segura. La agencia planifica crear modelos 3D similares para sus otros activos, como posiblemente la presa Hoover de Nevada y la presa Grand Coulee de Washington.

Sobre todo, el modelo es una herramienta crítica para prepararse para las incertidumbres que se avecinan. "Año tras año, el caudal de agua y el clima son variables, y no sabemos exactamente lo que vamos a obtener en términos de entrada en el embalse", dice Winslow. "Estamos tratando de comprender cómo podemos mejorar el suministro de agua para el futuro de la nación, no solo por el resto de este siglo, sino durante mucho más tiempo". El modelo 3D dinámico es, continúa, "una herramienta que se puede utilizar en muchas disciplinas diferentes para ayudarnos a administrar mejor las instalaciones a lo largo de los años".

El modelo 3D, basado en millones de puntos de datos, proporciona una visualización precisa de la presa y su entorno.

Un miembro del equipo captura el enorme sitio de la presa del Cañón de Glen con un dispositivo lidar. Foto por cortesía de BOR/Autodesk.

Herramientas tecnológicas con impacto global

En la actualidad, los operadores de presas en todo el mundo deben prepararse para un futuro incierto. Se están llevando a cabo iniciativas para rehabilitar presas de la misma época que la presa del Cañón de Glen. Entre ellas se encuentran la presa de Kariba de África, que se terminó de construir en 1959; la presa de Oroville en California, finalizada en 1968, y la presa de Burdekin Falls de Australia, finalizada en 1987; junto con programas nacionales para mejorar las presas en Indonesia, India, Armenia y Vietnam. El proceso de creación de modelos tridimensionales en la presa del Cañón de Glen, dice Winslow, "puede ayudar a los propietarios y los operadores de las presas de todo el mundo a hacer un mejor trabajo manejando y administrando sus instalaciones para el futuro".

En la presa del Cañón de Glen y otras presas antiguas, sin mencionar las envejecidas centrales eléctricas, los puentes, los puertos y otras partes de la infraestructura crítica, la captura de la realidad y los modelos digitales 3D son herramientas dinámicas útiles para visualizar las instalaciones, supervisar su estado y predecir el rendimiento futuro. El resultado: un mantenimiento mejor y más rentable que ayuda a que la infraestructura dure más tiempo.

Un miembro del equipo captura el enorme sitio de la presa del Cañón de Glen con un dispositivo lidar. Foto por cortesía de BOR/Autodesk.