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L’innovazione tecnologica nella meccanizzazione, nei vettori energetici, nell’automazione, nei processi per l’informazione (ICT) e nell’uso di “intelligenza” distribuita (IoT),modificano gli assetti gestionali e i modelli organizzativi convenzionali del processo produttivo “cantiere edile” verso la “fabbrica intelligente” in logica “Industria 4.0”.
Le nuove opportunità strumentali trasformano il cantiere in un processo  dove la predeterminazione operativa delle fasi, il controllo dei processi e il rispetto delle norme consentono di portare al minimo le incertezze, con i seguenti obiettivi: 
  1. Il miglioramento dell’economia delle risorse
  2. Il miglioramento dell’organizzazione del processo produttivo
  3. La razionalizzazione delle azioni e la qualificazione dell’informazione
  4. Il miglioramento nella gestione delle informazioni con processi di interazione a rete 
e questi risultati
  • Sistemi di alimentazione elettrica
  • Hub di energia elettrica per ricarica di power bank
  • Sistemi di illuminazioni con alimentazione ibrida
  • Torre Security per il monitoraggio
  • Abbattitori di polvere
  • Piattaforma software integrata
  • Dispositivi e stazioni di lavoro dotati di intelligenza a bordo
  • Riutilizzo di sistemi tecnologici
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SY 4.0
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Sintesi del Progetto
Con SY4.0 il cantiere edile diventa un processo produttivo con modelli organizzativi e gestionali innovativi in logica Industria 4.0, in cui le macchine saranno in grado di dialogare con l'operatore e con i suoi dispositivi, con la direzione del cantiere e tra loro.

Saranno in grado di autoregolarsi, di comunicare il loro stato, di riferire il loro consumo, di prevedere e registrare interventi manutentivi e/o sostitutivi.
Il sistema informativo di cantiere sarà in grado di monitorare e memorizzare lo stato del manufatto consegnando, nella fase di commissioning, l'informazione sulla realizzazione e l'"as built" al sistema BIM – Building Information Management - che ne gestirà la vita.
 
Così il cantiere si trasforma in "fabbrica intelligente" perseguendo i seguenti obiettivi di produzione:
 
  1. Miglioramento dell'economia delle risorse
  2. Miglioramento dell'organizzazione del processo e della sicurezza degli operatori
  3. Razionalizzazione di azioni e qualificazione dell'informazione del processo produttivo
  4. Miglioramento nella gestione delle informazioni
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Metodologie

Metodologie di tipo data driven basate sull'utilizzo di sistemi informativi per l'acquisizione e la raccolta e l'analisi dei dati di campo.

I dati saranno integrati nella progettazione e realizzazione di dimostratori che saranno testati in uno o più cantieri pilota.

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Ambiti applicativi

Il processo consiste nell’ideare, progettare e realizzare dimostratori di:

  • Sistema di gestione dati del cantiere in logica 4.0,
  • Sistemi di alimentazione elettrica,
  • Hub di energia elettrica per ricarica di sistemi di accumulo di utensili e di macchine operatrici,
  • Sistemi di illuminazione,
  • Torre Security per il monitoraggio,
  • Abbattitori di polvere intelligenti,
  • Sensoristica a bassa invasività basata su tecnologie IoT,
  • Sistemi informativi per la dematerializzazione e la digitalizzazione dei processi di cantiere,
  • DPP e stazioni di lavoro dotati di intelligenza a bordo.

Saranno inoltre sviluppati approcci progettuali e procedure per la realizzazione orientate al riutilizzo di sistemi tecnologici e manufatti in fase di decommissioning.

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Partenariato

Il partenariato con competenze multidisciplinari è composto da:

  • PR Industrial (Pramac) spa, player di livello internazionale nel settore della produzione e commercializzazione di sistemi di produzione autonoma di energia elettrica e dispositivi per cantieri,
  • Magenta srl, società di ingegneria informatica specializzata nella progettazione e realizzazione di software per applicazioni industriali,
  • 3E ingegneria srl, specializzata nello studio e realizzazione di sistemi elettrici orientati al
  • risparmio energetico, compatibilità ambientale e sicurezza,
  • Arredoline Costruzioni srl, specializzata nella costruzione di strutture prefabbricate in legno sia nel contesto residenziale che commerciale, e
  • Università degli Studi di Firenze DIDA 
  • Università degli studi di Pisa DESTEC 
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Premessa al progetto
5.1. Riferimenti e premesse scientifiche

Il cantiere edile ha il suo riferimento storico dalla fabrica dell’architettura romana (J.P. Adam, L’arte di costruire presso i Romani, Longanesi 2008) e nel corso dei secoli si è consolidato in una sequenza orientata di processi tecnologici di trasformazione della materia.

A seguito di questi processi le pietre diventano muri, il legno diventa trave, l’argilla è il laterizio, il pietrisco e la sabbia saranno gli inerti nel processo formativo delle malte. La calce aerea derivata dalla cottura del calcare ha un processo di indurimento differito e progressivo, rispetto a quello più rapido della malta idraulica derivata dalla pozzolana vulcanica idratata, che sono entrambi la premessa storica del cemento e del calcestruzzo.

L’elemento dominante è comunque e sempre un processo di trasformazione dei materiali attraverso processi orientati, dove le risorse introdotte in quell’area produttiva vengono convertite in elementi costruttivi e finalizzate nella costruzione di fabbricati. Acqua e fuoco hanno ruolo decisivo in questi processi e innescano i cambiamenti di stato che sono alla base delle tecnologie costruttive.

Con questa premessa e ampliando lo scenario all’universo contemporaneo dei materiali e delle tecnologie disponibili per costruire, possiamo attualizzare il cantiere da costruzione nella più aggiornata dimensione di luogo di produzione, sintetizzabile con l termine di “fabbrica”. La semplice ma decisiva aggiunta della seconda “b” al termine originale conferisce al costruire quegli attributi più coerenti alla dimensione produttiva contemporanea e allineata nel senso indicato nella decisione n. 20 11.04.2016 Regione Toscana – Industria 4.0 al punto 1.1.

5.2. Il cantiere contemporaneo

Il cantiere contemporaneo, generalizzando l’infinità di situazioni,  è il luogo dove convivono modernità e tradizione. Dove l’innovazione sperimenta e condivide le modalità esecutive ripetute nei secoli, e spesso immutate persino negli strumenti. Si verifica una sorprendente promiscuità tecnologica, inusuale in altre fabbriche o luoghi di produzione. Processi talvolta arcaici ma perfetti convivono con la disponibilità di tecnologie più recenti, con l’unico fine di lasciare nel sito il risultato di quel processo produttivo: l’edificio, l’opera costruita, unica e ben ferma sul terreno, e normalmente non replicabile.

Quel prodotto è il risultato di una aggregazione temporanea di competenze e manualità, oltre che risorse e tecnologie, costituita ad hoc, limitata nel tempo e localizzata nello spazio del cantiere, che si conclude con il completamento dell’opera.

Molta della efficienza dei suoi processi è misurata in quantità e qualità di prodotto, e dipende da quella organizzazione e dall’uso delle tecnologie disponibili.

5.3. Verso l’innovazione

Il cantiere edile è pertanto un processo produttivo il cui ciclo operativo è incentrato nella produzione di un unico manufatto (anche se molto complesso) inamovibile dal sito in cui viene realizzato.

La progettazione, la realizzazione, la gestione e il decommissioning del cantiere edile si presenta come azione complessa, peraltro caratterizzandosi anche come caso esemplare di ambiente ad elevata incertezza.

Sono molte le variabili interne di ogni fase e molte le relazioni tra le variabili che ne fanno un prodotto ad elevata complessità e pertanto meritevole di attenzione nella logica di evoluzione tecnologica e organizzativa del panorama produttivo di riferimento.

Per l’edilizia e in specifico per il cantiere potrebbe essere un’opportunità decisiva poter applicare le più recenti innovazioni offerte da questa quarta rivoluzione industriale per far avanzare decisamente i suoi processi.

Vantaggiosamente poter distinguere i propri fattori portatori di valore oggi confusamente aggregati: la qualità immateriale dell’informazione tecnica che può essere funzionalmente distinta dalla pesantezza dei materiali e del lavoro, e dalla fatica.

Far circolare rapidamente tutte le informazioni di un cantiere costa meno che spostare un metro cubo di sabbia e genera una quantità di valore enormemente maggiore.

Questo è il senso di una evoluzione necessaria che il presente bando propone ai punti 1.1, 1.2 e 1.3 della decisione n. 20 11.04.2016 Regione Toscana – Industria 4.0 se applicato direttamente al settore manifatturiero. Il concetto di manifatturiero e di fabbrica intelligente può essere applicato anche per l’edilizia, pur nella sua atipicità, per averne vantaggi altrimenti irraggiungibili con i lenti processi ordinari con cui l’edilizia storicamente si è evoluta.

5.4. Implementazione Smart

L’innovazione tecnologica nella meccanizzazione, nei vettori energetici, nell’automazione, nei processi per l’informazione (ICT) e nell’uso di “intelligenza” distribuita (IoT), sta progressivamente modificando gli assetti gestionali e i modelli organizzativi convenzionali del processo produttivo “cantiere edile” in “fabbrica intelligente” in logica “Industria 4.0”.

Queste innovazioni, che hanno avuto introduzione progressiva negli anni più recenti, stanno consentendo maggiore efficienza dei processi, la razionalizzazione delle fasi e l’economia delle lavorazioni. Ciò si traduce in maggiore efficienza dei processi, nella razionalizzazione delle fasi e dell’economia delle lavorazioni, in miglioramento qualitativo del prodotto e in miglioramento delle condizioni di lavoro e maggiore sicurezza degli operatori.

Le nuove opportunità strumentali (soprattutto ICT oltre che meccaniche e operative) e concettuali (process management) stanno trasformando il cantiere edile in un processo produttivo dove la predeterminazione operativa delle fasi lavorative, il controllo dei processi, il rispetto delle norme del diritto e della sicurezza consentono di portare al minimo le incertezze. Questo permette di limitare alcuni fenomeni deteriori che non sono concepibili in una visione industriale.

L’uso sistematico di strumenti operativi quali:

  1. Le operazioni di WBS (Work Breakdown Structure) per l’analisi ex post dei processi,
  2. L’innesco di processi di miglioramento a seguito di autovalutazione critica,
  3. La limitazione dell’insorgenza degli errori mediante algoritmi di previsione e attenzione,
  4. Il contenimento entro soglie tollerabili dei loro effetti,
  5. L’uso di metodologie di osservazione, parametrazione, analisi e valutazione delle fasi operative, sono strumenti utili al fine di confinare i fattori generatori di diseconomie entro un intervallo quali-quantitativo congruente alla natura di ‘processo produttivo’ che ha il cantiere edilizio. 

L’architettura e il cantiere sono l’archetipo delle applicazioni della scienza e della tecnologia. Ciò caratterizza questo progetto, che vede il paradigma tradizionale del cantiere edile modificarsi in un processo produttivo con modelli organizzativi e gestionali innovativi in logica Industria 4.0. In questo nuovo approccio le macchine saranno in grado di dialogare con l’operatore e con i suoi dispositivi, con la direzione del cantiere e tra loro.

Saranno in grado di autoregolarsi sul funzionamento, di comunicare il loro stato, di riferire il loro consumo, di prevedere e registrare interventi manutentivi e/o sostitutivi. Il sistema informativo di cantiere sarà in grado di monitorare e memorizzare lo stato del manufatto consegnando, nella fase di commissioning, l’informazione sulla realizzazione e l’”as built” del manufatto al sistema BIM – Building Information Management - che ne gestirà la vita.

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Obbiettivi del progetto

L’evoluzione che il progetto intende promuovere si basa su una architrave concettuale sostenuta da quattro ambiti scientifici e operativi distinti e coerenti e soprattutto generatori di risultati che possono avere immediate applicazioni industriali.

Il sistema di competenze coinvolte sarà impegnato nel perseguire i seguenti obiettivi: 

  1. Il miglioramento dell’economia delle risorse, con particolare attenzione a quelle energetiche,idriche, alla riduzione degli scarti, alla gestione del ciclo dei materiali e al riutilizzo delle strutture e di alcuni dei dispositivi del cantiere nel ciclo di vita del fabbricato. Con questa ipotesi si intende introdurre un importante elemento di innovazione che relaziona la fase realizzativa con la fase fruitiva dell’opera costruita, al fine di incrementare le dotazioni del fabbricato in fase esercizio e agevolare le fasi manutentive del ciclo di vita del fabbricato. Ciò comporta competenze prevalentemente tecnologiche in ambito energetico, organizzativo, operativo e cantieristico con il coinvolgimento dei partner di seguito meglio dettagliato.                                                              
  2. Il miglioramento dell’organizzazione del processo produttivo al fine di migliorare l’efficienza, valorizzare l’uso delle risorse tecnologiche e operative disponibili nelle diverse tipologie di cantiere (macchine e strumenti) e migliorare le condizioni di lavoro degli operatori in termini ambientali, operativi e di sicurezza. Con questo obbiettivo si intende razionalizzare l’uso e la disponibilità delle più comuni attrezzature da cantiere, sia tradizionali che evolute, di tipo elettromeccanico e prevalentemente portatili, al fine di consentirne un modello di gestione avanzato. Ciò comporta competenze prevalentemente di product design, di tipo energetico avanzato e di tipo ICT e di gestione dati. Quest’obbiettivo è altresì generatore di alcune ipotesi di prodotto relative alle attrezzature e opere complementari del cantiere edilizio.   
  3. La razionalizzazione delle azioni e la qualificazione dell’informazione del processo produttivo. Cioè la revisione dei processi e delle fasi con modelli organizzativi più adeguati al fine di ridurre gli sprechi e finalizzati all’efficienza del processo costruttivo. Nella varietà delle tipologie cantieristiche (per dimensioni, per tecnologia impiegata, per tipologia di opera, per intervento sul nuovo o sull’esistente, per il contesto, ..) prevedere le costanti operative e i relativi fattori di miglioramento. All’interno di questi saranno implementate le nuove applicazioni di sistemi di gestione dati che metteranno in relazione le informazioni relative a ciascuna fase e al risultato oggettuale di ciascuna di esse (parte d’opera). Il risultato previsto è la piattaforma informatica in grado di relazionare i sistemi informativi parziali presenti in cantiere, finora non collegati. Per esempio la disponibilità e la gestione di tutti i documenti di cantiere (dai doc di progetto alle istruzioni d’uso di una piccola attrezzatura sono oltre 700 documenti) è previsto come output di progetto.                         
  4. Il miglioramento nella gestione delle informazioni con processi di interazione a rete, con applicazioni evolute di ICT, di scambio di informazioni su base selettiva, di rilevazione dati e di gestione di sottosistemi per categorie applicative. Potrà trattarsi di documenti statici e preliminari all’apertura del cantiere (permessi, contratti,..), ovvero di sistemi dinamici sui quali poter intervenire se necessario (per esempio il progetto nelle sue articolazioni di progetto architettonico, impiantistico, strutturale,..) e selettivamente; o di documenti testo, immagine, video, generati da inserimenti (esempio istruzioni d’uso, sequenze di montaggio,..), o da rilevazioni in opera immagine o video (archivio fotografico in corso d’opera, time lapse, riprese mirate,..). In questa sezione sono previste le applicazioni IoT relative alle attrezzature coinvolte nel sistema di rete.
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Risultati attessi

Ciò si espliciterà nell’ideare, progettare e realizzare e mettere a punto dimostratori di: 

  • Sistemi di alimentazione elettrica con migliori prestazioni in termini di consumo elettrico, emissioni inquinanti ed emissioni sonore.
  • Hub di energia elettrica per ricarica di power bank per elettroutensili portatili per la riduzione della complessità della rete elettrica di cantiere.

  • Sistemi di illuminazioni con alimentazione ibrida e integrazione con fonti rinnovabili.

  • Torre Security per il monitoraggio dei cantieri da remoto.
  • Abbattitori di polvere intelligente per applicazioni su mezzi di movimento terra e apparati di smaltimenti detriti, capaci di attivarsi solo in caso di rilevamento polveri.
  • Piattaforma software integrata, in grado di supportare la dematerializzazione e la digitalizzazione di molti processi di cantiere (es. i processi ispettivi, le installazioni, ecc.), e in generale una più razionale ed efficiente gestione dell’informazione.
  • Dispositivi e stazioni di lavoro dotati di intelligenza a bordo in grado di comunicare tra loro e con l’esterno, basati su sensori a bassa invasività e protocolli di comunicazione wireless recentemente emersi nel settore delle tecnologie IIoT (Industrial Internet of Things).

  • Riutilizzo di sistemi tecnologici, manufatti e macchine operatrici in fase di decommissioning.
I dimostratori saranno testati, prima presso l’area di fabbricazione, quindi in un cantiere pilota. 

Competenze e risultati attesi dei partners

In particolare PRAMAC, capofila del progetto, opererà su tutta la filiera energetica nelle diverse configurazioni di generazione di energia, conversione e conservazione di energia con un focus specifico su sistemi di generazione ibrida a baso impatto ambientale. Inoltre proporrà soluzioni per l’ottimizzazione di apparecchiature di cantiere per l’illuminazione, la sicurezza e l’abbattimento polveri.

MAGENTA si occuperà della ricerca e della prototipazione dei sistemi informativi destinati a costituire la base tecnologica dell’approccio data-driven alla gestione del cantiere. In quest’ottica sono di particolare interesse le tecnologie recentemente emerse nell’ambito IIoT (Industrial Internet of Things), quali ad esempio sensori (beacon) basati sulla tecnologia Bluetooth Low Energy, telecamere e altri dispositivi di tipo smart (in grado cioè di ospitare a bordo applicativi software per la raccolta e l’analisi dati in tempo reale). L’applicazione di tali tecnologie all’ambito del cantiere è oggi possibile grazie alla loro economicità e bassa invasività. 

3E INGEGNERIA studierà e sintetizzerà soluzioni per la rete di alimentazione dell’energia elettrica del cantiere e soluzioni per l’alimentazione autonoma dei dispositivi e stazioni di lavoro mediante sistemi di accumulo e le modalità con cui effettuare la ricarica a partire dal sistema di produzione sviluppato da PRAMAC. Si occuperà dei sistemi di sicurezza e della documentazione contribuendo a definire procedure e modalità di accesso all’informazione disponibili nel sistema di gestione da parte dei lavoratori. Inoltre studierà e verificherà l’evoluzione dei dispositivi di protezione personale attivi in grado di comunicare con il sistema di gestione e con i dispositivi e stazioni di lavoro presenti nel cantiere.

ARREDOLINE COSTRUZIONI applicherà alla categoria dei cantieri in legno le tecnologie adeguate per la ideazione e razionalizzazione del prefabbricato costituente il modulo di controllo e gestione. Il manufatto, sarà progettato per accogliere/contenere:

  • macchinari ed allestimenti per la gestione dati, gestione delle ricariche delle batterie degli utensili e dei trasmettitori wireless presenti in cantiere e sulle macchine operatrici.
  • superfici adibite alla raccolta e stoccaggio dell’energia (solare termico/ FV /eolico) necessaria per l’autonomia energetica del cantiere.
  • Predisposizioni per il collegamento rapido con moduli adibiti ai servizi igienici destinati alle maestranze.

a) Aree e dotazioni impiantistiche di base per l’uso successivo a quello di cantiere e relative verifiche:

b) Analisi quali/ quantitativa dei consumi energetici relativi alle utenze e programmazione ottimizzata degli stessi .

c) Analisi dell’efficienza di sistemi di v.m.c./depurazione aria etc… per segnalazione della necessità di interventi manutentivi.

d) Analisi programmata dell’efficienza dei parametri termoigrotermici all’interno dei volumi strutturali, e nei luoghi sensibili quali quelli soggetti ad infiltrazioni esterne (terrazze, tetto, infissi, scale esterne ….) o a perdite da impianti (piatti doccia, zone scarichi in generale.

e) Analisi del comportamento degli isolanti, condizioni di sviluppo di microorganismi, livelli di allerta relativi alla durabilità degli elementi strutturali inaccessibili. Segnalazione della necessità di interventi manutentivi.

f) Analisi periodica e/o in conseguenza di eventi sismici effettuata attraverso il controllo delle geometrie degli elementi strutturali per la programmazione degli interventi manutentivi. Redazione di un documento continuo sulla vita dell’edificio (fascicolo continuo del fabbricato).

UNIPI contribuirà allo studio e allo sviluppo di soluzioni innovative dei sistemi di alimentazione energetica del cantiere, alle modalità di gestione del carico ed ai bilanci energetici da sintetizzare nel sistema di gestione del cantiere.

Studierà i sistemi di alimentazione da fonti rinnovabili e come questi (in collaborazione con UNIFI) possono essere incorporati nel manufatto in fase di decommissioning.

UNIFI studierà i modelli per la realizzazione di sistemi di alimentazione avanzati per elettroutensili (consolle di gestione e ricarica), con Magenta informatica progetterà la piattaforma per la gestione integrata dei dati di tutte le macchine da cantiere, dei documenti e delle informazioni ad esse relative e le relative integrazioni tra i flussi informativi attivi.

Il gruppo di lavoro coordinato da UNIFI e UNIPI progetterà un sistema di strutture nell’ambito delle opere provvisionali da cantiere relazionate alle strutture di servizio, caratterizzate da alta efficienza energetica e da sistemi di captazione integrati sulla copertura. Saranno inoltre realizzate nuove tipologie di manufatti per il benessere dei lavoratori (docce e servizi) con autonomia energetica con impiego del solare termico.

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