Verso il gemello digitale per la gestione del patrimonio costruito

Gestire gli edifici al giorno d’oggi

Il patrimonio costruito pubblico

Il progetto "Towards Topology-Oriented Digital Twins for built heritage Performance-Based Management" è tra i 9 vincitori del premio BIM&Digital Award 2024 promosso da ASSOBIM in collaborazione con Clust-ER Build e SAIE, precisamente nella categoria "Ricerca universitaria".

Le amministrazioni pubbliche locali sono responsabili della gestione di una parte significativa del patrimonio edilizio nazionale. L'ammontare di risorse economiche spese annualmente per mantenere e utilizzare questi edifici è molto elevato anche a causa della loro obsolescenza costruttiva, della loro complessità funzionale e delle loro grandi dimensioni.

Due le primarie questioni che le amministrazioni locali sono chiamate ad affrontare oggigiorno in quest’ambito: da un lato, conservare e migliorare gli edifici, le loro caratteristiche fisiche e il loro stato di conservazione e, dall’altro, garantirne la compatibilità funzionale, ambientale ed economica, rispettando l'attuale quadro esigenziale anche in termini di logistica e modernizzazione tecnologica.

I costi e tempi necessari per una ristrutturazione profonda di questo patrimonio inducono la messa in campo di strumenti in grado di pianificare l'allocazione delle risorse tecniche ed economiche per ridurre i costi operativi, obiettivo che non può essere raggiunto nel breve termine senza disporre di una base di conoscenza strutturata e misurabile delle prestazioni del patrimonio.

Gestione: un problema “complesso”

Allo stato attuale, le pratiche di gestione dei grandi asset pubblici evidenziano numerose criticità, inquadrabili in cinque principali categorie tematiche:

1. conoscenza del patrimonio,
2. coordinamento delle molteplici figure dedicate alla gestione,
3. disponibilità di finanze e risorse economiche,
4. qualità delle informazioni e
5. loro accessibilità.

Tali criticità fanno ricondurre le pratiche gestionali all’interno di sistemi “complessi”, ovvero sistemi difficili da governare mediante strumenti tradizionali - sia nel breve (gestione operativa) che nel lungo periodo (pianificazione strategica) - perché caratterizzati da una moltitudine di problematiche e dall’interconnessione di molteplici profili disciplinari.

Tante sono inoltre le esigenze che chiamano i building manager a espletare compiti e responsabilità sia manageriali che tecnici inerenti a varie aree, quali la gestione degli spazi e della loro occupazione, l’efficienza energetica, l’ottimizzazione dei costi, il soddisfacimento del comfort ambientale interno, il controllo degli impatti ambientali, la gestione dei rifiuti e delle acque, la gestione delle manutenzioni, della sicurezza, la rendicontazione della sostenibilità.

La mancanza di strumenti adeguati rende difficile inquadrare sistematicamente tutte queste istanze all’interno di una visione strategica, a maggior ragione se si pensa che, in alcuni casi, chi gestisce gli edifici spesso non è un “addetto ai lavori” esperto in materia di building science.

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La transizione digitale in supporto al building management

La transizione digitale si presenta oggi come una grande opportunità di sviluppo in diversi settori, tra i quali rientrano certamente quello della gestione degli edifici. In questo ambito, cogliere le potenzialità offerte dall’avvenente transizione digitale, accompagnata dalla crescente attenzione per gli impatti ambientali, significa in prima istanza efficientare l’uso degli edifici in termini di costi e benefici, ovvero coniugare le caratteristiche genetiche degli stessi con le possibilità di adattamento alle esigenze funzionali dettate sia dall’impiego di nuovi modelli organizzativi, sia dal rinnovamento dell’apparato tecnologico, nel rispetto del quadro normativo vigente, anche in termini di salvaguardia ambientale e di benessere psico-fisico degli utenti.

L’esempio più esplicito che riguarda la tematica è il caso degli istituti bancari che, nel corso dell’ultimo decennio, hanno progressivamente modificato gli organigrammi organizzativi con una smaterializzazione delle procedure mediante le tecnologie digitali e che hanno conseguentemente veicolato la messa sul mercato di ingenti patrimoni immobiliari, perché ritenuti non più funzionali allo scopo e al contempo di notevole costo gestionale. Seppure affette dalle medesime problematiche, le amministrazioni pubbliche sono condizionate da una serie di vincoli di sistema che non consentono una analoga capacità trasformativa. Ciò può convertirsi nell’incapacità di perseguire processi gestionali finalizzati all’ottimizzazione dei costi-benefici e, quindi, nello spreco di risorse della finanza pubblica.

Nonostante i notevoli ostacoli che si oppongono alla digitalizzazione del settore delle costruzioni, nell’ultimo decennio la comunità scientifica internazionale ha approfondito l’utilizzo di varie tecnologie digitali in supporto alla gestione, quali il BIM, l'Heritage BIM, gli Smart Buildings, i Cognitive Buildings, l'IoT e, più recentemente, l’Intelligenza Artificiale e i gemelli digitali. Questi ultimi appaiono particolarmente promettenti per superare alcune criticità nell’ambito in esame.

Un nuovo paradigma: il “gemello digitale”

Conoscenza e controllo dei processi

Negli ultimi anni il paradigma del gemello digitale si sta proponendo come uno dei più promettenti per consentire la rivoluzione digitale di vari settori. Già nel 2016 Gartner indicava i digital twin come una delle dieci tecnologie strategiche di maggiore impatto per gli anni successivi, anticipando le tendenze odierne. Oggi, il concetto di gemello digitale, principalmente sviluppatosi nel campo manifatturiero, inizia ad essere utilizzato in vari domini, tra i quali rientrano quello dell’aerospazio, delle automobili, dell’ health care e della medicina, dell’agricoltura, dell’ambiente, della gestione delle emergenze e delle costruzioni.

In tutti questi domini, il valore producibile da questo nuovo strumento è principalmente esprimibile in termini di visualizzazione, controllo e ottimizzazione di prodotti e processi, quindi di riduzione dei tempi di analisi, contenimento dei consumi e dei costi, incremento del coinvolgimento degli utenti, supporto ai processi decisionali e integrazione di diverse tecnologie dell’informazione.

Un po’ di “storia”

Il termine “Digital Twin” è stato per la prima volta definito da Michael Grieves nel corso di Product LifeCycle Management all’Università del Michigan. La prima definizione proposta dallo statunitense è stata da lui stesso rielaborata nel 2017 nel noto articolo “Digital Twin: Mitigating Unpredictable, Undesirable Emergent Behavior in Complex Systems”. Qui il gemello digitale viene inteso come insieme di informazioni virtuali che descrivono un prodotto manifatturiero (potenzialmente o effettivamente esistente) dal livello atomico fino al livello geometrico e che possono permettere di ispezionarlo anche a distanza. A partire da allora, tale concetto si è evoluto trovando spazio anche nel settore AECO. 

Definizioni dalla letteratura

Una delle definizioni maggiormente inclusive è quella proposta da BIM Dictionary, che intende il Digital Twin come un insieme di asset digitali (composto da modelli, documenti e dati) che rappresentano un asset fisico per tutto o per parte del suo ciclo di vita. Si tratta quindi tipicamente di sistemi virtuali ricchi di dati (statici e dinamici) che possono permettere di rappresentare, monitorare e trasformare il loro gemello fisico, ovvero gli edifici esistenti nel mondo reale.

Sintetizzando varie definizioni presenti in letteratura, è possibile quindi affermare che un DT consiste in un ecosistema informativo capace di acquisire, trasmettere, archiviare, processare, integrare, e visualizzare le informazioni rilevanti di un oggetto, di un processo, di un ambiente o di un sistema del mondo fisico-reale.

Il digital twin nel settore del building management

Nel settore del building management, questo paradigma esprime notevoli potenzialità per descrivere, ispezionare, monitorare, mantenere e gestire in maniera efficiente i beni durante il loro ciclo di vita. Inoltre, adoperando modelli computazionali intelligenti, è facile immaginare come, in un prossimo futuro, i gemelli digitali potranno ragionare, imparare, ottimizzare, prendere decisioni e trasformare autonomamente i loro gemelli reali sulla base di dati statici – provenienti da modelli quali BIM e GIS – e dinamici – provenienti, ad esempio, da dispositivi IoT e sensori.

Una tecnologia orientata ai servizi

Particolarmente interessante è il modello di DT proposto in campo manifatturiero dalla Beihang University. Secondo tale modello il DT non è composto dalle sole tre entità proposte inizialmente da Grieves – ovvero l’entità fisica, quella reale e la loro connessione – ma da cinque. Queste sono:

1. Physical Entity: l’entità fisica nello spazio fisico;
2. Virtual Entity: l’entità virtuale nello spazio virtuale;
   
3. Connections: la connessione di dati e informazioni che lega le entità fisiche e virtuali;
   
4. DT data: consistono nella fusione e integrazione di tutti i dati correlati alle entità fisiche e virtuali e nella loro elaborazione in informazioni più accurate e complete, ad esempio attraverso algoritmi predittivi;
   
5. Services: facilitano la visualizzazione e l’utilizzo delle informazioni raccolte o elaborate dal DT, le quali vengono standardizzate ed “incapsulate” in base alle necessità dei diversi attori e delle diverse funzioni.

Tale articolazione permette alla tecnologia di essere sviluppabile verso una logica architetturale orientata all’erogazione di servizi in supporto ai processi gestionali. Considerando che gli utenti destinatari spesso non hanno particolari conoscenze digitali, tale aspetto è estremamente importante per far sì che le informazioni contenute in tali sistemi siano facilmente trasmissibili, interrogabili e, quindi, utilizzabili.

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Un DSS per la gestione performance-based degli asset costruiti

Ricerca e innovazione nell’Università di Bologna

Per far fronte ad alcune delle necessità sinora espresse, il Dipartimento di Architettura dell’Università di Bologna ha intrapreso una ricerca di dottorato intitolata “Towards Topology-Oriented Digital Twins for Built Heritage Performance-Based Management”, condotta dall’ingegnere-architetto Angelo Massafra e supervisionata dal professor Riccardo Gulli.

La ricerca, terminata nel 2024, ha poi ricevuto un finanziamento dal programma di trasferimento tecnologico della stessa università (bando AlmaValue2023) ed è attualmente in corso di sviluppo sotto il nome del progetto di ricerca “BeTwin” (Building Digital Twin for Built Heritage Performance-based Management), affrontando inoltre tematiche comuni al progetto PRIN “DigitMan” (Occupant-based Digital Predictive Management to Improve the Built Environment) e al progetto Horizon Europe “Herit4ages” (volto a sviluppare soluzioni di retrofit per un patrimonio culturale più sostenibile, efficiente e inclusivo), entrambi condotti nel Dipartimento di Architetura UniBo. l lavoro è stato inoltre considerato meritevole di premi prestigiosi a livello nazionale e internazionale, quali il BIM&Digital Awards 2024 promosso da AssoBIM (categoria ricerca universitaria) e il premio Lions Ricerca Scientifica e Innovazione Tecnologica.

Di seguito si presentano alcuni risultati di questo percorso di ricerca, volto a importare un decision support system (DSS), orientato verso quello che in futuro sarà un vero e proprio digital twin, e proporlo quale ambiente dati condiviso per l’archiviazione, l’implementazione e la condivisione della conoscenza dei beni edilizi con i vari operatori coinvolti nel ciclo di vita dello stesso. Gli amministratori sono intesi quali i principali destinatari della tecnologia sviluppata.

Il contesto di ricerca

Il parco edilizio dell’Università di Bologna

La ricerca è stata applicata su parte del parco edilizio dell’Università di Bologna, il quale ha rappresentato un’opportunità interessante per testare il paradigma del gemello digitale su un vasto patrimonio di natura pubblica.

Dal punto di vista dimensionale, le dimensioni del patrimonio Alma Mater collocano l’ente al primo posto come detentore del patrimonio immobiliare pubblico della Regione Emilia-Romagna. Dal punto di vista funzionale, le tipologie della macchina universitaria, che ospita più di 80.000 studenti, sono molteplici e soggette a mutamento nel tempo: di rappresentanza, amministrativa, di didattica, di ricerca, di servizio, di cura. Quindi uffici, aule, laboratori, biblioteche, sale studio, auditorium, strutture sportive, residenze, spazi ricreativi, archivi, depositi, mense e spazi ristoro.

Gestione energetica occupancy-based dei campus universitari

In particolare, l'intento principale della ricerca è stato quello di prototipare un sistema capace di integrare informazioni statiche e dinamiche inerenti alla domanda energetica e alle condizioni di occupazione di un edificio scelto come caso pilota: la sede storica della Scuola di Ingegneria e Architettura.

Le due categorie analizzate sono occupazione ed energia. La prima comprende le questioni inerenti alla fruizione degli spazi, ossia come questi vengono utilizzati, quali funzioni ospitano, quante persone accolgono, se sono sovraffollati o sottoutilizzati. La seconda, invece, si riferisce alle tematiche inerenti ai consumi di energia necessari per il controllo delle condizioni ambientali interne (riscaldamento, raffreddamento, ventilazione e illuminazione), come noto, strettamente correlate alle caratteristiche occupazionali.

Il sistema è stato quindi prototipato con l’obiettivo di fornire uno strumento di supporto per la condivisione di informazioni sulle prestazioni dell’edificio all’atto della pianificazione dell'occupazione, tenendo conto sia delle caratteristiche fisiche del contenitore, l’edificio, che delle necessità funzionali dei suoi contenuti, gli occupanti.

Metodi e strumenti per la prototipazione del DSS

Federazione di modelli per l’analisi sistemica

Dal punto di vista tecnologico, il DDS sviluppato si basa su tre fonti dato principali: un modello informativo dell'edificio (BIM), un modello energetico dinamico dell'edificio (BEM) e un database rappresentativo del calendario di occupazione dell’edificio (Occupancy Schedule Database - OSD), fornito dall’Asset Management Service dell’Università di Bologna.

...Continua la lettura nel PDF

Nel pdf si continua parlando di:

• Building information modeling
  
• Building energy modeling
  
• Modellazione dei dati occupazionali
  
• Integrazione dei dati in strutture a grafo
  
• Visualizzazione dati all’interno di dashboard user-friendly
• Difficoltà per l’implementazione di gemelli digitali del patrimonio costruito