Costruzione Virtuale e Progettazione DfMA Integrata

L’intero panorama del settore AEC (Architecture, Engineering, Construction) ha subito nell’ultimo decennio un rapido cambiamento, grazie principalmente all’evoluzione e adozione di tecnologie digitali all’interno dei processi progettuali, dalle fasi di progettazione preliminare fino alla fabbricazione e costruzione. Parallelamente all’adozione del mezzo digitale come principale strumento di rappresentazione e gestione del progetto, l’approccio e le metodologie DfMA (Design for Manufacturing and Assembly) hanno acquisito nuovamente interesse grazie a una rinnovata attenzione relativamente ai temi di prefabbricazione e costruzione industrializzata. 

Questo articolo vuole mostrare l’approccio di ENCODE nel colmare il divario tra l’intento architettonico, le esigenze e i vincoli del mondo dell’ingegneria e delle costruzioni, aumentando il processo progettuale tramite l’ibridazione di tecnologie di Virtual Construction (VC) e approccio DfMA, trasferendo processi derivanti dal settore automobilistico e aerospaziale all’interno del settore AEC.

La metodologia DfMA: significato e vantaggi

Il primo importante aspetto su cui ENCODE basa la propria metodologia di lavoro è quello relativo all’utilizzo di processi di DfMA.

Il Design for Manufacture and Assembly (DfMA) è un approccio progettuale che ha origine durante il secondo conflitto mondiale, quando i due produttori automobilistici Ford e Chrysler lo applicarono ai processi produttivi del comparto bellico.

Il DfMA combina due discipline distinte in unico approccio: il Design for Manufacturing (DFM) e il Design for Assembly (DFA). 

Il Design for Manufacturing consiste nella semplificazione del design di un prodotto al fine di facilitarne la produzione; si preoccupa di selezionare i materiali più idonei e definire i processi produttivi più efficienti ed efficaci, con l’obiettivo di minimizzarne la complessità di ogni operazione.

Il Design for Assembly consiste nella progettazione al fine di semplificare l’assemblaggio di un prodotto e delle sue parti costituenti; si preoccupa di ridurre i costi di assemblaggio e di minimizzare il numero di operazioni necessarie.

Figura 1 – Esploso di un modello di assemblaggio a caduta verticale con elementi auto allineanti. © ENCODE – Design & Technology.

L’integrazione di queste due discipline consente una progettazione conscia dei processi necessari alla produzione e all’assemblaggio di un determinato prodotto, modificando l’approccio tradizionale di natura sequenziale con uno non lineare, interessato all’intero ciclo vitale del prodotto.

La migrazione di processi DfMA dal settore della manifattura industriale a quello AEC è tutt’ora in fase di sviluppo e sperimentazione data la fondamentale differente natura di tali ambiti dal punto di vista economico, culturale e produttivo. Il prodotto industriale standardizzato è progettato per una riproduzione ripetuta su scala mentre il prodotto edilizio è unico in ogni sua istanza con contesti geografici, economici, culturali e politici specifici.

Nonostante ciò, il potenziale del DfMA nel settore delle costruzioni è riconosciuto a livello internazionale, come testimonia inizialmente l’integrazione di un Overlay all’interno dell’inglese RIBA Plan of Work (2016); un suo successivo aggiornamento nel 2020, delineerà le 7 categorie caratterizzanti i “Modern Methods of Construction” (MMC) e spiegando perché il DfMA debba essere adottato come approccio di default per poter garantire i risultati che l’industria delle costruzioni necessita di ottenere.

I vantaggi principali di tale approccio contestualizzato all’interno del settore AEC possono essere così riassunti:

• Velocità - riduce notevolmente il programma in cantiere prediligendo la prefabbricazione e il pre-assemblaggio off-site. Riduce inoltre i tempi di ordine dei prodotti e materiali grazie all’uso di componenti standard reperibili sul mercato.
  
• Riduce i costi - riducendo il numero di elementi unici, diminuisce la complessità del prodotto e di conseguenza la quantità di manodopera richiesta in fase di assemblaggio.
  
• Maggiore qualità e sostenibilità - riduce gli scarti nella fase di costruzione e garantisce una maggiore efficienza nella logistica del cantiere grazie alla riduzione del movimento veicoli e all’utilizzo di materiali più rispettosi dell’ambiente.
  
• Tempi di montaggio ridotti - riduce i tempi di assemblaggio utilizzando pratiche standard come l'assemblaggio verticale e parti auto allineanti. Garantisce inoltre che il passaggio dalla fase di progettazione a quella di produzione sia quanto più possibile agevole e rapido.
  
• Maggiore affidabilità - aumenta l'affidabilità limitando il numero di materiali impiegati riducendo le operazioni di produzione, semplificando le connessioni e conseguentemente diminuendo il rischio di errore.
  
• Sicurezza - sposta parte delle attività di cantiere in un ambiente di fabbrica controllato, contribuendo significativamente ad un aumento della sicurezza.
  
• Automazione - utilizza processi progettuali, di produzione e assemblaggio automatizzabili aumentando l’efficienza, la qualità e la sicurezza.

In contrasto ai benefici sopra indicati si oppone attualmente l’assenza di un eco-sistema che ne permetta lo sviluppo e l’adozione generale. In particolare, l’assenza di linee guida, normative e tecnologie specifiche, ne rende inizialmente onerosa ed incerta l’adozione, in aggiunta alla necessità di cambiare processi e workflow consolidati nel tempo. Per questo motivo l’adozione di tale approccio comporta un iniziale investimento di risorse, ma come ogni tecnologia o approccio emergente, più progetti verranno completati con successo più l’adozione e la diffusione sarà rapida e capillare.

Virtual Design & Construction

Il secondo aspetto che ENCODE integra all’approccio DfMA, è rappresentato dall’utilizzo di tecnologie di rappresentazione digitale avanzate. L’ultimo decennio ha visto il verificarsi di una rapida digitalizzazione del processo progettuale grazie allo sviluppo di strumenti sempre più evoluti e alla necessità da parte dei progettisti di fare fronte a processi sempre più articolati e complessi, passando dal disegno (2D) alle tre dimensioni cartesiane spaziali (3D) fino, in alcuni casi, a sette dimensioni (7D).

L’industria automobilistica e aerospaziale in questo contesto rappresenta un riferimento, in quanto impiega il modello virtuale come unico strumento di progettazione e sorgente delle informazioni necessarie al completo sviluppo ed esecuzione del progetto, sostituendo in molte istanze il supporto cartaceo e il disegno tradizionale.

Questo cambio di paradigma da “drawing-based” a “model-based” rappresenta un punto di svolta non solo per il progettista utilizzatore primo dello strumento, ma anche dell’intera catena di attori presenti all’interno del gruppo di progetto. L’evoluzione del BIM in questo senso ha accelerato e soprattutto normato questa transizione integrando al precedente “BM” (Building Modeling) la componente “I” (Information), arricchendo rappresentazioni geometriche tridimensionali con dati ordinati all’interno di un database.

Figura 2 – Evoluzione dello strumento di rappresentazione di progetto. Passaggio da un paradigma “drawing-based” ad uno “model-based”.

Particolarmente rilevante è l’introduzione all’interno del progetto virtuale della componente gestionale dell’intero ciclo vitale del prodotto costruito, dalle fasi di progettazione preliminare fino al monitoraggio dell’operatività in seguito alla messa in opera.

L’arricchimento del modello con i dati dei molteplici processi necessari alla sua realizzazione, porta ad un ulteriore cambio di approccio nei confronti della pratica progettuale del manufatto, ovvero quello della definizione di un “prodotto”. Il progetto del prodotto edilizio non si limita a rappresentare il suo stato ultimo finito, ma bensì è l’insieme delle operazioni e informazioni che lo definiscono, operazioni che possono essere soggette a standardizzazione e automazione per aumentarne l’efficienza e la qualità.

I processi DfMA nello specifico beneficiano dell’utilizzo del modello virtuale in quanto necessitano di costanti analisi per identificare opportunità atte a semplificare e migliorare il processo produttivo e di assemblaggio.

L’utilizzo di modelli digitali basati sulla rappresentazione degli elementi di progetto, arricchiti di dati specifici all’ ingegnerizzazione, alla produzione, all’assemblaggio e al trasporto consentono di implementare tali processi in un ambiente digitale controllato, anticipando e pianificando la successiva attuazione nel mondo reale.

Le informazioni prodotte e rappresentate digitalmente vengono utilizzate dai molteplici attori presenti all’interno del gruppo di progetto in funzione delle loro esigenze specifiche, garantendone il coordinamento e l’accessibilità attraverso un linguaggio comune ed in tempo reale. Inoltre, questi possono utilizzare il modello per confrontarsi e scambiarsi idee durante le fasi di sviluppo del progetto, facilitati dalla rappresentazione tridimensionale degli elementi.

Figura 3 – Modello virtuale LOD300: ogni elemento incapsula data relativi all’ingegnerizzazione, alla produzione, all’assemblaggio e al trasporto. © ENCODE – Design & Technology.

Questa funzionalità assume ancor più efficacia quando tali informazioni e modelli vengono ospitate su un Cloud database, garantendone da una parte la centralizzazione e la sicurezza, e dall’altra la reperibilità globale. L’utilizzo di tali tecnologie permette la decentralizzazione del design grazie agli strumenti di progettazione collaborativa la creazione di reti più ampie che coinvolgono non solo la componente progettuale ma anche quella produttiva, grazie ad un’aumentata interoperabilità e un linguaggio comune standardizzato. Una volta completato, il modello digitale può essere utilizzato direttamente dai fornitori e fabbricatori per il reperimento e la produzione degli elementi di progetto.

Figura 4 – La piattaforma 3DExperience di Dassault Systèmes annovera tra i suoi strumenti, ENOVIA la soluzione on the cloud per il PLM (Product Lifecycle Management). Tramite il cloud database è possibile gestire il ciclo vitale di un prodotto e il sistema di relazioni con gli altri elementi del progetto tramite browser. © ENCODE – Design & Technology.

L’approccio collaborativo ed integrato

L’impiego di modelli virtuali e approccio DfMA può essere facilitato da emergenti metodi di gestione del progetto come l’IPD, Integrated Project Delivery.

Quest’ultimo si basa su un approccio collaborativo ed integrato fino dalle fasi preliminari del progetto in cui tutte le parti coinvolte, quali Architetti, Ingegneri, Fabbricatori e Costruttori condividono informazioni, tecnologia, vincoli contrattuali e requisiti specifici, incentivando l’innovazione e permettendo inoltre una maggiore sovrapposizione delle fasi di progetto.

Inoltre, i contratti IPD permettono di definire dei “risk/reward partners” del gruppo responsabile, solitamente composto da Cliente, Architetto e Contractor, che sono motivati da incentivi economici ulteriori se il progetto progredisce in modo efficiente.

Figura 5 –  Curva Effort vs Effect, Patrick MacLeamy, HOK (CURT 2004, p.4).

Il grafico “Effort vs Effect” mostra come rispetto all’approccio tradizionale, in cui parte sostanziale delle risorse di progetto vengono concentrate tipicamente in fase di sviluppo del progetto, l’IPD anticipi tali risorse nelle fasi precedenti, parallelamente agli studi preliminari. In queste fasi, la costruzione del modello virtuale e l’integrazione dei parametri di sistema necessari garantisce una maggiore flessibilità e affidabilità nelle fasi successive, in cui eventuali variazioni hanno un impatto maggiore sull’economia di progetto.

L’articolo ha voluto dare una panoramica di come ENCODE affronta le sempre più complesse sfide ed esigenze dei progetti contemporanei, ibridizzando metodologie e processi proveniente da discipline diverse come quella dell’ingegneria aerospaziale, dell’IT, della robotica e dell’architettura.

Costruzione virtuale e DfMA rappresentano non solo strumenti e metodologie di lavoro che portano vantaggi all’utilizzatore nel fornire prodotti e servizi di alta qualità ma bensì un’opportunità per l’intero settore AEC di fare un passo in avanti verso un migliore prodotto costruito, più integrato, più sostenibile e più efficiente.

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