Titolo della tesi: L’INTEGRAZIONE DEI DATI PER LA DIGITALIZZAZIONE DEL PATRIMONIO IMMOBILIARE IN OTTICA NZEB
La tesi di dottorato si colloca all’interno di un lavoro di ricerca realizzato nell’ambito del Progetto PRIN 2015 (Progetto di Rilevante Interesse Nazionale) che ha visto per 36 mesi la collaborazione di dodici università Italiane, allo scopo di realizzare un network di ricerca per la riqualificazione del parco edilizio esistente in ottica nZEB (nearly zero energy buildings). Gli studi, le sperimentazioni e i progetti pilota di edifici ad alta efficienza energetica sono importanti al fine di accelerare i processi verso la realizzazione di edifici autosufficienti, fornendo esempi ed esperienze pratiche sulle prestazioni, le tecnologie, i costi, e dove possibile le esperienze degli utenti. Inoltre, l’adozione di sistemi ibridi di energia in grado di combinare combustibili fossili con fonti di energia rinnovabile è considerata una valida soluzione per il risparmio di energia primaria negli edifici. Sulla scia del contesto energetico, la ricerca si inserisce in un quadro procedurale in corso di sviluppo nei ultimi anni, identificato come Building Information Modelling (BIM), che implica una gestione informativa e una digitalizzazione automatica dell’edificio. La pubblicazione della UNI 11337 avvenuta nel gennaio del 2017, e la serie ISO 19650 avvenuta nel mese di dicembre 2018, stabiliscono i primi passi da rispettare per supportare tutte le parti nel raggiungimento dei propri obiettivi qualitativi ed economici, fissando l’obbligo di utilizzo del BIM per le opere pubbliche e private. Il tema prevede un insieme di tecnologie, processi e politiche che consentono a più parti interessate di progettare, costruire e gestire in modo collaborativo un immobile. La tecnologia BIM offre la sua ampia applicazione attraverso l'uso di modelli integrati che includono in un unico database tutte le informazioni relative alla costruzione. Nondimeno, come ampiamente documentato in letteratura, mentre l'utilizzo di metodi di progettazione tradizionale porta a limitazioni procedurali, attraverso il nuovo flusso di lavoro si utilizza un’unica banca dati per lo scambio e l'integrazione delle informazioni tra i vari professionisti del settore. La multidimensionalità del processo, intesa in 7 dimensioni, comprende la classica gestione 2D e 3D del disegno, ma anche la gestione informativa 4D dei tempi, 5D dei costi, 6D del Facility Management e 7D della sostenibilità. Pertanto, l'implementazione del BIM 7D può fornire una significativa ottimizzazione del processo progettuale e dello sviluppo degli aspetti energetici, al fine di migliorare le caratteristiche prestazionali dell’edificio. Sono numerose le sfide attribuite all'adozione di sistemi informativi automatizzati per la digitalizzazione del patrimonio costruito, sia da parte dell'industria che da parte del mondo accademico, orientando il futuro verso un'era connessa, che consente al gemello digitale dell’opera (Digital Twin) di vivere, crescere e aggiornarsi in tempo reale in funzione dello stato dell'oggetto fisico, favorendo il progredire dell’IT nell’industria delle costruzioni. Gli elementi costruttivi, dalle materie prime alle grandi metropoli sono soggette ad una rappresentazione omologa digitale, che non solo ne rappresenta la forma e l’aspetto, ma ne raccoglie un notevole patrimonio di dati informativi affini, in uno scenario di informazione geo-localizzato. È possibile, ad esempio, collegare al Digital Twin parametri di tipo energetico, in modo da monitorare il consumo di energia, i relativi costi e le possibili misure volte alla loro ottimizzazione, mostrando come l’efficienza venga influenzata dal continuo utilizzo e dal tempo. O ancora, tali possibilità di monitoraggio possono trovare applicazione nella gestione delle infrastrutture o, su scala ancora più ampia, di intere aree urbane. La rappresentazione omologa digitale, che racchiude la forma e il patrimonio di dati informativi affini all’oggetto digitalizzato, trova il suo punto di contatto con il BIM. In altre parole, questa ricerca trae la sua motivazione dal fatto che l'industria delle costruzioni AEC (architettura, ingegneria e costruzione) è sotto pressione per migliorare le pratiche che causano le inefficienze sul settore immobiliare, dalla pianificazione, alla stessa necessità di gestione dell’edificio durante tutto il suo ciclo di vita. Pertanto, la ricerca si sviluppa integrando gli attuali temi di sostenibilità e digitalizzazione dei processi, molto sentiti sia a livello nazionale che internazionale. Offrendo con la digitalizzazione del processo la possibilità di sovrapporre informazioni multidisciplinari di architettura, materiali, impianti, sostenibilità e contesto geo-spaziale, l’obiettivo è di dimostrare le possibilità offerte dalla trasformazione digitale nel campo della sostenibilità energetica. Su questi aspetti, la creazione, la manipolazione e l'analisi dei dati, rappresentano il ruolo predominante per far fronte ai cambiamenti di innovazione tecnologica. Nel presente elaborato si vuole dimostrare l’efficacia in termini di trasparenza del dato proveniente da una modellazione parametrica BIM, fino alla simulazione in un software energetico, la successiva gestione del dato in un database PostgreSQL, e la visualizzazione semplificata in un sistema geo referenziato Cesium. La ricerca è stata portata avanti su tre casi applicativi di differente entità, il caso Test (base) per l’approccio al tema, il caso semplice per la verifica della procedura e il caso complesso, dotato di sistema impiantistico avanzato. L’impianto ibrido investigato all’interno dell’ultimo caso studio contribuisce a sostenere l’approccio orientato alla riduzione delle emissioni di CO2 e al risparmio in termini di energia primaria, il quale, unito alle nuove tecnologie procedurali contribuisce al raggiungimento di un futuro più sostenibile e autosufficiente. Per dimostrare le possibilità offerte dall’innovazione sono state considerate due tipi analisi, la simulazione energetica e di illuminamento, e due formati di interscambio, il file gbxml e il file IFC. Alla fine di questa prima fase sono state valutate le risposte sia dal punto di vista di trasmissione del dato che di validità delle simulazioni. Successivamente, i dati geometrici sono stati referenziati in un sistema geo-spaziale e, insieme alle informazioni energetiche, sono stati ospitati e manipolati all’interno di un Database gestionale in grado di archiviare le fonti e interrogarle per mezzo di servizi WEB. In primo luogo quindi, sono stati digitalizzati i 3 casi di studio all’interno di Revit, il caso Test, il caso semplice e il caso complesso. Per mezzo di esportazioni in formato file IFC e gbXML, e grazie all’ausilio di strumenti middleware intermedi, i modelli energetici sono stati importati all’interno di strumenti di simulazione quali IDA-ICE per l’analisi energetica e Honeybee con motore EnergyPlus per l’analisi di illuminamento. Una volta generati i dati geometrici ed energetici, questi sono stati geo referenziati grazie all’integrazione dei sistemi BIM al GIS, per mezzo di trasformazione delle informazioni in formato file CityGML. La totalità delle informazioni ottenute è stata quindi importata all’interno di un Database SQL in grado di archiviare e unire le informazioni evitando ridondanze ed errori. Infine, è stato utilizzato un sistema web service e front-end web per rendere i dati disponibili e comprensibili anche all’utente finale. Il sistema complessivo è costituito da risorse fisiche reali, modelli virtuali, simulazioni e algoritmi, interfacciati con servizi basati su Cloud. Ogni servizio è ospitato in modo indipendente nel Web e comunica con gli altri moduli tramite chiamate API (Application Programming Interface), che rappresenta la componente strategica della Digital Transformation. Le chiamate API sono interrogazioni specifiche dei dati che permettono di semplificare il dialogo tra un’applicazione e un’altra evitando ridondanze. Inoltre, a seguito delle analisi condotte sul caso studio Complesso è stato possibile tracciare uno scenario in merito al tema delle future dinamiche di efficientamento energetico nel settore edilizio, nella fattispecie nell’ambito residenziale. È stata studiata l’adozione degli Smart Energy Systems per la riduzione delle emissioni di CO2 attraverso la costruzione di un nuovo sistema ibrido basato sull'integrazione trans-critica di pompe di calore ad anidride carbonica. È stato concettualizzato un dissipatore di calore freddo condiviso per quattro pompe di calore a CO2 transcritica. Inoltre, sono state accoppiate le fonti rinnovabili insieme al micro-CHP, per la produzione di elettricità in loco e per lo stoccaggio in sistemi di accumulo. Le simulazioni hanno dimostrato l’efficienza del sistema ibrido in confronto a quello tradizionale. Tutti i risultati sono stati condivisi nel database e visualizzati nel sistema georeferenziato. In conclusione, la tesi riflette le fasi di ricerca affrontate nel corso dei tre anni, raggruppando obiettivi, metodi e risultati ottenuti. Lo studio affronta diverse tematiche con spirito pragmatico, tentando di fornire spunti e soluzioni all’ integrazione dei dati, con lo scopo di facilitare e razionalizzare il processo di digitalizzazione del patrimonio edilizio. Il fine ultimo è quello di fornire un supporto digitale più affidabile per lo studio e la riqualificazione degli edifici in ottica nZEB. In sintesi, combinando le diverse strategie di ricerca, paradigmi e metodi, questo studio:
(1) affronta la multidisciplinarietà dei problemi;
(2) sviluppa flussi di lavoro e strumenti che facilitino la valutazione, l'apprendimento e il miglioramento delle prestazioni energetiche con processi BIM, approcciando la sua integrazione nel sistema informativo geografico;
(3) sviluppa modelli teorici impiantistici avanzati che contribuiscano al raggiungimento della qualifica nZEB.