Le Esperienze Didattiche sul Cantiere 4.0: Information Management & Construction Site Management

Angelo Luigi Camillo Ciribini - DICATAM, Università degli Studi di Brescia 31/07/2018 2088

Il Laboratorio Didattico sul Cantiere 4.0

Il Laboratorio del Corso di Organizzazione del Cantiere nel Corso di Laurea Magistrale a Ciclo Unico in Ingegneria Edile Architettura presso il Dipartimento di Ingegneria Civile Architettura Territorio Ambiente e di Matematica dell’Università degli Studi di Brescia (che in questa veste si è tenuto per l’ultima volta, scomparendo dal piano degli studi negli anni avvenire), attraverso il ricorso a elementi conoscitivi tratti da un caso reale, in corso di svolgimento, relativo a un importante sviluppo distrettuale di edilizia residenziale, condotto, peraltro, tradizionalmente, ha simulato la piena digitalizzazione di un cantiere On Site, vale a dire in cui le lavorazioni si svolgono principalmente in opera.
 
Il che costituisce un fattore di grande rilievo, poiché, teoricamente, se ne potrebbe in futuro simulare una versione Off Site in termini comparativi.
La cornice entro la quale si svolgono queste sperimentazioni didattiche è quella di un confronto critico, non pedissequo, tra il Settore della Costruzione e quello della Manifattura che tenda a coglierne in maniera non letterale i minimi comuni denominatori che si ascrivono specialmente al cambiamento epocale che, in particolare, stanno subendo il prodotto dell’autoveicolo e quello dell’immobile, entrambi nel senso della servitizzazione, anziché della proprietà e, come si vedrà, della autonomia.
Al Laboratorio hanno contribuito docenti del Dipartimento di Ingegneria dell’Informazione sotto vari profili (in primis, mediante, ad esempio, un corso su Python): con il DII, infatti, per il DICATAM è ormai possibile parlare di digitalizzazione in maniera seria e non velleitaria, condividendo anche alcune tematiche proprie del Digital Innovation Hub denominato InnexHub.
Il Laboratorio, assieme al Corso omologo, è durato complessivamente 12 mesi.
Quest’ultimo, di fatto, è un corso di Digitally Enabled Construction Project Management che si focalizza, nella sua parte operativa, sulla accezione del cantiere 4.0 meno rivolta ad Automation & Robotics, ma più dedicata alla Autonomization, impostata su flussi informativi e metriche computazionali legati alla Business Intelligence.
Su questa stessa linea si possono trovare le sperimentazioni, condotte in altri atenei, cosiddette oloniche, mutuate dall’industria manifatturiera.
L’obiettivo non è, infatti, solo quello di incrementare la produttività dei soggetti coinvolti nel cantiere, ma anche quello di incrementare la monitorabilità e di diminuire la aleatorietà dei lavori.

La configurazione del Data Model e dei Workflow

L’incipit del Laboratorio era relativo alla opportunità di ottenere per il committente, al termine dei lavori, corredi informativi attendibili per il Whole Life Cycle Management delle opere realizzate.
Il primo tema affrontato è stato quello relativo alla progettazione delle strutture dei dati necessari alla gestione in tempo reale ed eventualmente in remoto del cantiere, nonché della definizione della produzione e della gestione dei flussi informativi operati attraverso gli applicativi utilizzati, derivanti da una pluralità delle principali case produttrici.
La ingegnerizzazione del cantiere è, in effetti, ormai una attività di concezione di flussi informativi e di processi decisionali che implicano una logistica sempre più sofisticata.
In un’ottica cyber-physical, infatti, quale è quella della Quarta Rivoluzione Industriale, gli elementi salienti sono costituiti dall’Ambiente di Condivisione dei Dati, dalla sua gestione in cloud per sincronizzare le diverse attività del cantiere e degli altri luoghi produttivi a esso connessi, dalla sovrapposizione di diverse «realtà» e, soprattutto, dallo sfruttamento di grandi moli di dati al fine di supportare e forse di semi-automatizzare i processi decisionali.
Dalle sperimentazioni didattiche condotte è stato evidente, quindi, una certa «marginalità» dei modelli informativi, disciplinari e aggregati o federati, nei confronti della centralità della fluidità dei flussi informativi e della comprensione dei fenomeni che sono inerenti.
Il che, peraltro, di là della questione dell’interoperabilità, evidenzia che, in attesa di disporre di reali Common Data Environment, e non solo di strumenti di gestione dei documenti, occorrerebbe disporre di un «data base» che assicuri l’Intelligence della commessa, possibilmente in relazione ai sistemi informativi delle singole organizzazioni coinvolte sul versante della Domanda e dell’Offerta.
In altre parole, la ideazione dei criteri di strutturazione dei dati precede, in ordine di importanza, di gran lunga, la loro produzione e il loro scambio.
Di conseguenza, il Laboratorio ha operato sulla configurazione del sistema informativo computazionale di supporto ai processi decisionali di cantiere, tenendo conto, sia pure in sintesi, della influenza dei quadri contrattuali sulla effettiva condivisibilità dei dati e delle informazioni tra le parti in causa e nella catena di fornitura stessa.
Servirebbe, in effetti, negoziare puntualmente sia il grado di modificabilità unilaterale dei modelli informativi delle parti in causa sia il livello di accessibilità ai dati prodotti dalle stesse.
Di fatto, più che gli «oggetti», nel modello informativo, contano, naturalmente, le «entità» del sistema informativo, di cui i modelli informativi diverranno sempre più componente integrante, ma non centrale.
Ovviamente, in un contesto reale, ciò avrebbe dovuto essere regolato dal Piano di Gestione Informativa (Information Modeling Execution Plan) e attuato tramite il Master e i Task Information Delivery Plan.

La Transizione dalla Progettazione Esecutiva alla Progettazione Costruttiva

La produzione dei modelli informativi disciplinari, aggregati o federati, a partire dalla documentazione convenzionale disponibile, ha permesso di operare su alcuni punti fondamentali, tenendo conto della necessità dell’impresa contraente di gestire flussi informativi nei confronti di fornitori e subappaltatori ancora scarsamente digitalizzati:
  1. i modelli informativi abitualmente prodotti sono assolutamente poveri di contenuti alfanumerici, ma, al contempo, la via più corretta da intraprendere non prevede che i modelli informativi debbano essere i contenitori prevalenti di essi, bensì, appunto, che gestori di strutture dei dati possano essere alimentati, tra gli altri, pure dagli Information Model;
  2. la articolazione degli oggetti geometrico-(bi e tri)dimensionali, predisposta dai progettisti non riflette quasi mai le logiche costruttive, causando gravi difficoltà al soggetto realizzatore nello sfruttamento dei modelli informativi. Si è, perciò, ragionato sulle modalità di applicazione delle Breakdown Structure alla logica di configurazione del modello informativo e degli oggetti che lo compongono in sede progettuale in ottica «collaborativa» e «anticipatoria»;
  3. la natura degli oggetti presenti nei modelli informativi inerenti al progetto esecutivo è destinata a subire una forte turbolenza dovuta ai passaggi che intercorrono all’interno della catena di fornitura nei suoi livelli. Si è, di conseguenza, lavorato su alcuni assembly relativi agli impianti fluido-dinamici riconducibili alle opere di urbanizzazione del distretto urbano, per cui, oltre a tutto, si riscontra una grave carenza nelle BIM Library. D’altronde, in molti casi, gli oggetti scaricati da fonti terze presentano strutture informative eterogenee e i modelli informativi contengono molti dettagli e molti riferimenti prodotti altrove o non parametrici, proprio perché la loro finalità riguarda la produzione di elaborati tradizionali.

La Pianificazione Temporale e Spaziale delle Attività nel Cantiere

I forti malintesi relativi alla adozione del 4D Modeling sono stati risolti nel senso di anteporre a ogni altra cosa la pianificazione spaziale del cantiere che, nella edizione precedente del Laboratorio, era stata affrontata pure a livello territoriale, simulando la gestione dei flussi logistici coinvolgenti il cantiere, le fabbriche, le rivendite e le discariche, utilizzando strumenti GIS e BIM entro una piattaforma logistica di gestione dei vettori e della mobilità.
Come che possa essere, non può, infatti, darsi alcun sequenziamento delle lavorazioni in assenza di una previsione dei flussi di approvvigionamento di risorse umane e strumentali e di una articolazione spaziale di dettaglio dei luoghi di loro destinazione.
D’altra parte, uno studio di combinatorie computazionali è stato svolto per definire la localizzazione ottimale delle gru a torre in funzione dei carichi da movimentare, desumibili dal modello informativo aggregato o federato.
La progettazione spaziale del cantiere è, inoltre, come si vedrà in seguito, servita per alcune ipotesi di adozione dell’Internet of Things.
La configurazione del modello 4D, impostata sulla pianificazione spaziale e logistica, verteva principalmente sulla correlazione tra le sequenze visualizzate di oggetti tridimensionali e la progressione degli istogrammi e, soprattutto, delle curve a S e dei Performance Indicator.
La sperimentazione, da questo punto di vista, ha dimostrato che per coloro che monitorano e controllano le tendenze in atto sull’avanzamento dei lavori, le scene tridimensionali hanno poco significato se gli oggetti non sono immediatamente riferiti agli indicatori.
Si sono, a questo proposito, esplorate alcune opzioni di scripting tese a conferire maggiore carattere gestionale alla modellazione 4D.
Al di là della programmazione di lungo e di breve termine, è stato utilizzato, per quella della produzione di breve periodo, con un look ahead settimanale, un applicativo di Location-Based Management System che, iniziando da un modello informativo di dettaglio, ha generato un diagramma Line of Balance e un programma dettagliato di approvvigionamento in cui le risorse sono allocabili alle location.

Il Field BIM e la Contabilizzazione

Il Field BIM, ovvero sia il sistema gestionale digitalizzato di monitoraggio e di controllo dei lavori, è stato sviluppato attraverso la redazione di liste di riscontro, all’interno di due applicativi alternativi dedicati, per quanto riguarda Quantità, Tempo, Qualità, Salute, Sicurezza e Ambiente.
Esse dovrebbero essere bidirezionalmente connesse con i capitolati speciali di appalto (se le proprietà relative non fossero già introdotte negli oggetti) e con gli ordini di acquisto.
Il sistema di rilevazione, connesso al modello informativo e al modello 4D, ha previsto la possibilità di una imputazione manuale, derivata da valutazioni soggettive, supportata dall’implementazione di nuvole di punti che andrebbero a sovrapporsi a scene 3D per valutare al time now la presenza di determinati oggetti. In merito, è stata effettuata una scansione laser nel cantiere reale, ma, in effetti, sono già disponibili sul mercato applicazioni finalizzate.
Il flusso informativo derivante dal sistema dei controlli digitalizzati è stato, poi, messo in rapporto con sistemi di controllo della qualità in cloud, basati sulla sensorizzazione dei componenti e delle lavorazioni (nel caso in questione in relazione al getto del conglomerato cementizio), cosicché, in tempo reale, sia possibile quasi direttamente e semi-automaticamente implementare i campi delle check list e utilizzare i dashboard per le Data Analytics.
I valori delle proprietà degli oggetti acquisiti sul campo tramite il Field BIM hanno poi permesso, oltre che attraverso la correlazione con la preventivazione e la computazione ufficiale della funzione committente, anche con l’eventuale collegamento ai modi di approvvigionamento dell’impresa di costruzioni, di generare automaticamente i SAL (stato di avanzamento dei lavori) e i SIL (stato interno dei lavori).
Tutto ciò potrebbe, inoltre, essere notarizzato attraverso il Blockchain Management.
Le nuvole di punti precedentemente citate, a loro volta, sono state traducibili in elaborati 2D estrudubili al fine di corroborare l’attendibilità delle misurazioni effettuate.
Già oggi i dati ricavati dal Field BIM consentono approcci di previsione probabilistica vertenti su metodologia di Machine Learning.

L’IoT e le Realtà Miste nel cantiere 4.0

L’applicazione di soluzioni basate sull’Internet of Things ha riguardato anche la definizione di percorsi ottimizzati pre-assegnati e delle successive condizioni in tempo reale da parte di macchinari per il movimento terra, in funzione del modello informativo del terreno e degli ostacoli esistenti nelle fasi di scavo e la loro simulazione con modelli in scala di macchinari attraverso l’uso di adeguati dispositivi programmati nel Laboratorio.
Nella scorsa edizione del Laboratorio si erano, ad esempio, pure definiti protocolli di nebulizzazione automatica delle piste di cantiere grazie al ricorso a recettori e ad attuatori.
A breve, inoltre, si potrebbe effettuare nel cantiere reale una sessione dimostrativa di realtà aumentata e in un ambiente immersivo un test, oltre che esperimenti di simulazione agent-based, già condotti in altri atenei.

Sviluppi Futuri

Benché il Laboratorio abbia cessato il suo ciclo di vita, nel Corso di Organizzazione del Cantiere del prossimo anno accademico sono previste, anzitutto, attività di affinamento delle soluzioni già adombrate, includendo anche l’applicazione dei game engine e della realtà immersiva alla pianificazione e alla programmazione 4D.
Un altro filone di sperimentazione sarà offerto dalla comparazione tra soluzioni On Site e Off Site.
Il tema di maggiore rilievo è, tuttavia, l’autonomazione dei processi decisionali, permessa dall’Intelligenza Artificiale.
A parte i sistemi di analisi e di riconoscimento delle immagini, il tema appare decisivo per il fatto che i flussi informativi delineati conducono alla generazione di grandi moli di dati che, per originare valore, devono essere raccolti sistematicamente, elaborati metodologicamente, per supportare valutazioni probabilistiche sull’andamento del cantiere before-the-fact.
La logica che ha presieduto alla simulazione nel Laboratorio si rifà, quindi, alla concezione di Predictability, perciò, di mitigazione del rischio.