Thèses sur le sujet « ICAR/11 PRODUZIONE EDILIZIA »

Monitorare i progressi di costruzione è sempre stata una delle maggiori preoccupazioni per i direttori di cantiere. Molti sono i vantaggi offerti da un approccio affidabile in questo campo, tra i quali: efficiente controllo delle prestazioni del progetto e controllo di qualità, tempestive ispezioni in loco, un migliore controllo delle prescrizioni di salute e sicurezza contro gli infortuni di lavoro e di decessi, che sono ancora troppo elevati. Questo lavoro affronta lo sviluppo di un approccio semi-automatico per la gestione della costruzione, sulla base di due caratteristiche principali: da un lato una project management di riorganizzazione delle informazioni del progetto, basata su BIM (Building Information Modeling) e protocolli di modellazione 4D, il cui obiettivo è facilitare il controllo in fase di esecuzione; dall'altro lato una piattaforma di monitoraggio per la raccolta in tempo reale di dati relativi al lavoro, progresso e utilizzo delle risorse, per mezzo di tecnologie a bassissima intrusività. Il lavoro di ricerca riguarda anche lo sviluppo di modelli intelligenti probabilistici per stima in tempo reale del progresso della cantiere, che operano sulla base di un flusso continuo di dati raccolti da reti di monitoraggio distribuite sul posto. Tracce di attività sono rappresentate come un insieme di variabili di stato raffiguranti i tassi di utilizzo dei lavoratori: sforzo, attrezzature e materiali e altre informazioni ambientali. Essendo le stime sempre correlate a processi dinamici, sono stati utilizzate Reti Bayesiane Object Oriented per sviluppare una serie di modelli di primo ordine markoviani. In un secondo tempo, i modelli sono disposti come una sequenza di istanti temporali, dove ogni istante temporale propaga evidenze raccolte dalla rete di sensori di monitoraggio nel tempo. Le reti sono stati sviluppate e validate attraverso dati raccolti da un caso reale, e hanno dimostrato di essere in grado di dedurre avanzamento dei lavori, la cui precisione dipende dalla risoluzione e la qualità dei dati raccolti.

2009 - 2010
Il XX secolo è stato il periodo in cui si è avuta la maggiore produzione edilizia e in cui si è andata a delineare la configurazione attualmente prevalente delle città e dei territori. In esso si riscontra un fiorire di innovazioni sia tecnologiche sia formali che sono testimonianza del passaggio fondamentale dalle tecniche tradizionali, di impronta artigianale, alle moderne tecniche industriali. E’ evidente che sia totalmente improponibile una museificazione dell’intero patrimonio architettonico di tale periodo storico sia per la insostenibilità politica ed economica, sia perché priva di alcun fondamento culturale. Nasce, quindi, la necessità di individuare quali siano i criteri per decidere se un’ opera sia o meno idonea per essere tramandata alle generazioni future e quali siano le metodologie di conservazione più corrette. A differenza del patrimonio edilizio storico, quello moderno presenta alcuni problemi diversi. Il suo degrado è spesso sia costruttivo che prestazionale e i motivi della sua salvaguardia possono essere, contemporaneamente: collegati al proprio valore storico-artistico, si impone, quindi, il rispetto del manufatto in ogni sua forma e significato; e non collegati a tale valenza, si necessita, in tal caso, manterne il valore generale (economico, ecologico, sociale). In altre parole, la conservazione del Moderno impone di tenere in vita sia l’icona che l’ordinario, riconoscendone il valore socio-culturale e, allo stesso tempo, facendo perdurare la sua validità economica. Il lavoro di ricerca si articola in tre fasi. La prima è finalizzata ad indagare lo “stato dell’arte” del recupero del patrimonio architettonico moderno e contemporaneo. Per fare ciò è necessario analizzare il quadro normativo vigente sia a livello europeo, sia nazionale, sia regionale. Successivamente bisognerà analizzare le attuali posizioni del mondo scientifico-culturale. La seconda fase è quella di analisi dei casi studio. Dopo un primo momento di ricerca storicobibliografica, si è proceduto all’ analisi dello stato di fatto, e, successivamente, all’analisi delle problematiche rilevate. In primo luogo è stata presa in analisi la Chiesa della Sacra Famiglia, sita all’interno del quartiere Fratte di Salerno e progettata da Paolo Portoghesi e Vittorio Gigliotti nel 1968. I progettisti creano lo spazio, inteso come insieme di luoghi, cui è associata una specifica funzione, utilizzando setti curvi in calcestruzzo armato. In realtà tutto il progetto nasce dall’individuazione di sei centri che diventano fulcri di determinate attività. L’interno è caratterizzato dalla presenza di tre centri che generano altrettante volte che poggiano su setti circolari e il tutto è unito da un’unica cupola, in modo da manifestare il concetto di “uno e trino”. Gli altri tre centri individuano la sistemazione esterna. L'analisi di tale opera ha portato ad affrontare in maniera accurata la tematica relativa al degrado del materiale che più di ogni altro ha caratterizzato l'architettura del XX sec.: il calcestruzzo armato. Dopo aver affrontato le varie cause che innescano i fenomeni di degrado e le varie tecniche di ripristino, si è elaborato un lessico atto a individuare i vari fenomeni presenti in una struttura in calcestruzzo. Secondo caso-studio è la fabbrica Landis&Gyr, realizzata negli anni ‘62-’65 nella piana del Piacentino a sud di Salerno, e progettata da Luigi Cosenza. Peculiarità di tutta l’opera di Luigi Cosenza è quella di umanizzare quelli che erano i principi del Razionalismo. La persona che dovrà poi usufruire del bene architettonico diviene soggetto del pensiero progettuale, che nasce dall’analisi delle sue esigenze. E’ per questo motivo che egli cambia in modo radicale il modo di progettare una fabbrica, non pensando solo alle esigenze delle macchine, ma, soprattutto, a quelle degli operai, avendo la convinzione che il rendimento non possa che aumentare quando vi sia un perfetto equilibrio fisico e spirituale. Lo spazio nasce, quindi, dall’analisi della posizione delle macchine e degli addetti, e non viceversa. Visto lo stato in cui versa attualmente questa opera, in questo caso l'attenzione si è focalizzata circa la possibilità di rifunzionalizzare un bene nel rispetto delle sue peculiarità e, allo stesso tempo, creando un aumento del valore economico e sociale. Infine si è presa in esame la fabbrica delle Ceramiche Solimene, realizzata negli anni 1952-54 a Vietri (Sa), e progettata da Paolo Soleri. Essa si sviluppa su un lotto esiguo, delimitato da una parete rocciosa, fortemente scoscesa, e dalla strada d’ingresso a Vietri sul Mare. Lo sviluppo di una rampa interna, che poggia su pilastri simili ad alberi pietrificati, seguendo l’inclinazione della parete esterna, crea un architettura che è contemporaneamente di sosta e di percorso, poiché lungo il suo sviluppo si articolano le varie fasi lavorative e si vengono a definire le postazioni di lavoro dei vari operai. E’ sicuramente questo un’eccezionale esempio di Architettura Organica pienamente integrata nel paesaggio vietrese fatto non solo di flora, ma anche di architettura vernacolare. Questa architettura ha messo in evidenza il problema dell'adeguamento nei riguardi sia della sicurezza, sia del miglioramento energetico, sia dell'innovazione tecnologica. L'ultima fase della ricerca è stata quella relativa alla formulazione di una proposta di metodologia di intervento sul patrimonio architettonico moderno e contemporaneo. [a cura dell'autore]
IX n.s.

Le perdite idriche costituiscono un problema rilevante e costantemente presente in tutte le società avanzate, con costi economici, derivanti dallo spreco della preziosa risorsa. Il lavoro esposto in questa tesi illustra lo sviluppo di un sistema innovativo per la rilevazione e localizzazione di perdite idriche nelle tubazioni, in grado di coniugare precisione diagnostica e funzionalità avanzate quali il monitoraggio continuo ed automatico in tempo reale. Ciò è permesso grazie ad una wireless sensor network progettata ad hoc, in cui tutti i dispostivi implementano funzionalità di risparmio energetico in modo da poter rimanere in funzione fino a diversi anni senza bisogno di manutenzione, garantendo al tempo stesso una rete mesh stabile per la raccolta dati dai sensori e l’inoltro verso server di elaborazione remota. I dispositivi realizzati per l’acquisizione del segnale prodotto dalle perdite nella tubatura campionano tale segnale per mezzo di sensori accelerometrici MEMS. La rilevazione della perdita avviene per mezzo di un indice di probabilità elaborato a partire da livelli equivalenti di rumore calcolati su intervalli temporali di misura consecutivi. La localizzazione della posizione della perdita avviene mediante l’applicazione del metodo della cross-correlazione, di cui è illustrata l’analisi della funzione base (BCC) e quella generalizzata (GCC) con stimatore PHAT. Infine sono stati illustrati i risultati ottenuti in campagne di test: la GCC con PHAT ha meglio eliminato i disturbi provocati da riflessioni e onde stazionarie, e frequency shift dei dispositivi di acquisizione del segnale. Il sistema è stato in grado di limitare l’errore massimo di stima della posizione della perdita intorno a 0,5m. Per l’ottenimento di migliori risultati si consiglia un campionamento a frequenza più elevata (>1kHz) e l’adozione di modelli fisici dettagliati e caratteristici per le tubature su cui avvengano le acquisizioni. Concludendo, il sistema ha dimostrato delle ottime prestazioni sul campo.
Water loss is a major challenge in all advanced societies, with economic costs arising from the waste of the precious resource. The work here presented in this thesis describes the development of an innovative system for detecting and locating leaks in water pipes, able to combine diagnostic accuracy and advanced features such as automatic and continuous monitoring in real time. This is allowed thanks to a wireless sensor network designed ad hoc, in which all devices implement power saving features in order to be able to stay in operation for years without maintenance. Further the wireless system ensures a stable mesh network for the data collection from the sensors, and communication toward remote server for additional computing. The devices designed for the acquisition, sample signals produced by the leakages in the pipeline by using MEMS acceleration sensors. The detection of the loss occurs by using a probability index developed starting from the equivalent levels of noise calculated on time intervals of consecutive measurements. The localization of the position of the loss occurs through the application of the method of cross-correlation, which is shown with an analysis of the base function (BCC ) and the generalized (GCC ) along with PHAT estimator. Finally, the results obtained in test campaigns were presented: the GCC with PHAT has suppressed signal distortion caused by reflections and standing waves, and frequency shift of the signal acquisition devices. The system was able to limit to 0.5m the maximum error in the leakage position estimating process. To obtain the best results, we recommend sampling at a higher frequency ( > 1 kHz ) and the adoption of detailed physical models and characteristic for the pipes on which acquisitions take place. In conclusion, the system has demonstrated excellent performance on the field.

Il vantaggio principale delle Wireless Sensor Network è l’assenza di cavi, tale caratteristica le rende pervasive e facili da installare. Questa tesi dimostra la fattibilità di un sistema di monitoraggio strutturale basato su tale tecnologia. Il sistema di monitoraggio sviluppato è installabile non solo su nuovi edifici, ma anche su edifici già costruiti o in cantieri per la ristrutturazione. Il sistema proposto si compone di una backbone costituita da Router ZigBee e dai nodi sensore che hanno il compito di effettuare le misure. Sono stati sviluppati, validati e collaudati tre tipi di sensori: un inclinometro elettrolitico, un inclinometro MEMS ed un sensore di spostamento potenziometrico. La validazione dei sensori è stata effettuata con degli strumenti di riferimento in laboratorio, mentre il collaudo è stato effettuato con due installazioni su edifici reali. Sia la fase di validazione, che di collaudo hanno dimostrato l’affidabilità del sistema di monitoraggio che può essere utilizzato in sostituzione degli attuali sistemi di monitoraggio cablati.
The main advantage of Wireless Sensor Network is the absence of cables. This feature makes them pervasive and easy to install. This thesis demonstrates the feasibility of developing a structural monitoring system based on this technology; the monitoring system developed can be installed not only on new buildings, but also on existing buildings or sites for the restoration. The proposed system is composed by a backbone, consisting of ZigBee routers, and by sensor nodes that have the task to perform the measurements. We have developed, validated and tested three types of sensors: a tilt electrolyte, a MEMS inclinometer and a potentiometric displacement sensor. The validation of the sensors has been performed with the reference tools in the laboratory, while the testing has been carried out with two installations of real buildings. Both the validation phase and the testing have demonstrated the reliability of the monitoring system, that can be used to replace an existing wired monitoring systems.

I recenti progressi delle tecnologie ITC hanno profondamente influenzato il concetto di “edificio intelligente”, fornendo nuove prospettive di lavoro e rinnovati scenari operativi. L’ambiente intelligente si avvia ad essere uno spazio abitativo altamente automatizzato in cui l’utilizzo delle nuove tecnologie ICT permette di controllare in maniera ottimale gli ambienti. Ciò deve avvenire tenendo conto - come variabile e non come dato di ingresso - dei requisiti di comfort da rispettare individuati attraverso adeguati modelli simulativi; deve essere assicurata infine la sintonia del controllo con i comportamenti inerziali dei fabbricati. Questa visione è sicuramente lontana dalle attuali pratiche costruttive in cui il controllo dell’edificio è solitamente guidato da meccanismi di feedback omeostatici a breve termine e in cui gli impianti tecnici sono regolati sulla base di set-point predeterminati, non includendo quindi sistemi per il controllo della dinamica dell'ambiente naturale e del comportamento dell'utente finale. Questa prospettiva di ricerca ha sicuramente un ampio ambito di applicazione. Da un lato ciò comporta lo sviluppo di nuovi componenti edilizi attivi, dall'altro lato lo sviluppo di tecnologie ICT applicate ai sistemi domestici consente di comunicare tra loro e con la rete elettrica, permettendo il controllo autonomo e/o remoto del comportamento dell'edificio in modalità adattativa. Inoltre entrambi i sistemi condividono un comune filo conduttore riguardo allo sviluppo di una nuova classe di modelli fisici avanzati dei sistemi costruttivi e dei componenti. Questa tesi riguarda lo sviluppo di un processo di modellazione ingegneristica per lo sviluppo di modelli adattivi che supportino il controllo intelligente dei comportamenti energetici degli edifici e dei componenti. Il termine adattivo significa che l'edificio e i componenti attivi devono essere in grado di interpretare i dati rilevati (ambientali e indoor) e di prevedere gli stati futuri, modificare le loro politiche in funzione dell’evoluzione del contesto operativo, imparando dalla loro storia e dall’interazione con l’utente finale in modo tale da adattare le politiche al mutato contesto operativo.
Recently, new advances in ITC technologies discovered unforeseen scenarios that deeply influenced the original idea of smart home providing new insights that, at the end, generalised to the actual idea of smart environments. Smart environments are highly automated living spaces that are controlled through intelligent technologies that are able to optimally configure the space with respect to dynamically changing set of requirements, based on the prediction carried out by simulating models. The investigation of the impact of adaptive building technology in terms of energy saving is a relevant issue in the current smart building research scenario. It provides a vision that is definitely far away from the actual construction practice, where building control is usually operated on the basis of homeostatic short-term feed-back mechanisms, in which the technical equipment are regulated only on the basis of predetermined set points, without any attempt to include the dynamic of the natural environment and the end-user behaviour. This research perspective has definitely a broad scope. On one side it involves the development of new active building components, on the other side, the development of intelligent ICT allows the home systems to communicate with one another and with the energy grid, thereby enabling autonomous and/or remote control of the building behaviour in adaptive operating modes. Furthermore, both sides share a common redline, regarding the development of a new class of advanced physical models of both building systems and components that can be embedded in the real time adaptive building control system. This dissertation concerns the development of a model engineering process for the development of adaptive models that support the intelligent control of energy behaviors of buildings and components. The term adaptive means that the active building and components should be able to interpret the sensed data (indoor and environmental) and to forecast future states; to evolve its policies as the operating context evolves; to learn from its history and from the end-user interaction so the policies can be adapted to the evolved operating context.

In vista degli obiettivi di Horizon2020, e all’interno del dibattito sulle Smart Cities, il tema della sostenibilità dell’ambiente costruito risulta di grande attualità, specie se coniugato con la necessità di garantire un’elevata qualità della vita e una crescita individuale e sociale della comunità, ottimizzando risorse e spazi comuni. Gli attori di questo cambiamento sono i Comuni, che attraverso i propri Regolamenti Edilizi, devono governare la trasformazione del territorio e la realizzazione di nuovi edifici, tecnologicamente all’altezza delle nuove esigenze, anche introducendo incentivi, premi volumetrici, per il perseguimento dei nuovi obiettivi energetici ed ambientali.. In tale quadro risulta obbligata una revisione degli strumenti urbanistici, in particolare dei Regolamenti edilizi, i cui adeguamenti, in generale, non hanno seguito la domanda di qualità e sostenibilità urbana ed edilizia.
In view of the objectives of Horizon2020, and in the debate on the Smart Cities, the theme sustainability of the built environment is of great relevance, especially if married with the need to ensure a high quality of life and individual growth and social community, optimizing resources and common spaces. The main actor of this change is the Public Administration, which, via their own Building Regulations, need to foster the creation of intelligent buildings, introducing incentives, volumetric awards, inserting fresh objectives for energy and the environment. New housing requirements have brought about a re-thinking of recuperation methods with regard to the existing building heritage, as well as approaches to design of new structures. There needs to be an overhaul of town-planning instruments, especially Building Regulations, the updating of which have not in general responded to the demand for urban and building quality and sustainability.

L’attività di ricerca presentata in questa tesi si è svolta nel corso di tre anni, muovendosi principalmente all’interno del settore dell’automazione e dell’organizzazione avanzata degli spazi costruiti, in particolare nel campo dell’automazione di processo e del Construction Management. L’obiettivo fondamentale è stato quello dello studio e sviluppo di sistemi di monitoraggio per la gestione avanzata dei cantieri edili, con il fine di ottimizzare la gestione ed il controllo del processo di produzione edilizia, soprattutto alla luce dell’attuale disponibilità tecnologica in campo ICT. Il lavoro nasce dall’esigenza di una migliore gestione delle risorse nelle imprese di costruzioni. La produzione edilizia soffre infatti di alcune inefficienze operative che possono essere correlate anche ad una scarsa evoluzione delle tecnologie a supporto dei processi di gestione. Vi sono infatti alcune esigenze, sia a livello di management che a livello di coordinamento della sicurezza, che possono essere notevolmente supportate dalle attuali innovazioni in ambito tecnologico. Tali esigenze si generano da un quadro operativo complesso, che comprende funzioni come il controllo dell’avanzamento lavori, il monitoraggio della risorsa lavoro, l’approvvigionamento dei materiali, le ispezioni e gli ordini di servizio. La manodopera, i mezzi e le attrezzature, i materiali, il capitale, sono tutti elementi fondamentali, la cui efficace gestione non è solo una scelta auspicabile ma necessaria in un mercato sempre più globale e competitivo. La letteratura inerente la gestione automatica ed il controllo dei costi è molto esaustiva se rivolta alle imprese industriali operanti a flusso continuo, ma carente nel caso di aziende che lavorano su commessa. La caratteristica che distingue maggiormente le imprese operanti su commessa o per progetto rispetto a quelle che producono per il magazzino, è l’elevata differenziazione dei propri prodotti, che vengono di volta in volta costruiti “su misura”, in base alle richieste dei clienti. Oggi, è infatti sempre più forte l’esigenza di avere una organizzazione produttiva e di conseguenza un controllo di gestione automatica, organizzato per commessa o per progetto, piuttosto che per prodotto. Questo implica che l’impresa si doti di strumenti produttivi, organizzativi e gestionali altamente flessibili. La parte principale dello studio è stata finalizzata alla predisposizione di procedure semi-automatiche per il controllo del processo di produzione edilizia, con particolare riguardo al monitoraggio della risorsa lavoro ed alla gestione delle scorte e delle forniture nei cantieri. Partendo dall’analisi di casi reali sono stati individuati i metodi ed i punti deboli della gestione supportata da tecniche tradizionali e sono state proposte innovazioni tecnologiche atte a rendere più efficiente la gestione stessa. Gli obiettivi perseguiti sono stati diversi: permettere di conoscere in tempo reale l’avanzamento delle attività e avere in ogni istante la posizione delle risorse e dello storico, minimizzare costi, tempi e rischio d’errore relativo al monitoraggio dei materiali e delle scorte, comunicare in modo affidabile e facilmente accessibile gli ordini di servizio, migliorare la gestione della sicurezza. Affinché le tecniche e tecnologie proposte fossero realmente introducibili in azienda e soprattutto vantaggiose per l’impresa, è stato sviluppato un sistema tecnologico completo hardware e software con una serie di caratteristiche tali da consentire il suo impiego anche in un contesto ostile come quello del cantiere. La difficoltà principale incontrata infatti nell’introduzione di tecnologie innovative di monitoraggio nel settore delle costruzioni è implicitamente legata alla particolarità del settore stesso, dove i progetti sono unici, le lavorazioni e i materiali cambiano in base alle fasi di lavoro, molti materiali sono usati per più lavorazioni, ci si muove in un ambiente dinamico, aggressivo e pieno di pericoli. In particolare si sono analizzate: • le problematiche relative all’introduzione di un nuovo approccio gestionale; • la resistenza delle tecnologie all’ambiente di cantiere; • i benefici e i costi da sostenere; • l’affidabilità del nuovo sistema di monitoraggio. Il sistema proposto può avere anche un impiego nell’ambito del miglioramento del coordinamento della sicurezza nei cantieri edili. Infatti è possibile utilizzare la rete di comunicazione, sviluppata nell’ambito dell’attività di ricerca, per il controllo degli accessi in cantiere e per il monitoraggio del corretto utilizzo dei DPI da parte degli operatori. La metodologia proposta è fortemente innovativa ed i risultati ottenuti sono stati presentati in importanti convegni nazionali ed internazionali, ricevendo anche un premio come “best paper” nell’ambito del convegno ISARC ( International Symposium on Automation and Robotics in Construction ) 2010.
The research activity presented in this thesis was conducted over three years, moving mainly within the automation and advanced organization of constructed spaces, particularly in process automation and Construction Management. The basic objective was to study and development of monitoring systems for advanced management of construction sites, with the aim to optimize the management and control of the process of building production, especially relating of the actual availability of ICT technologies . This work arises from better resource management in construction companies. The production building industry is suffering because of some operational inefficiencies that may also be related to poor development of technologies to support management processes. It is possible to identify certain requirements, both at the management level and at the level of security coordination, which can be greatly supported by the current innovations in monitoring technology. These requirements are generated by a complex operational framework, which includes functions such as monitoring the progress work, monitoring of assets and human resources, procurement of materials, inspections and administrative orders. Labor, assets and equipment, materials, capital, are all essential elements, whose efficient management is a necessary choice in an increasingly global and competitive field. The literature concerning the automatic management and cost control is very comprehensive if given to industrial enterprises operating in continuous flow, but lacking in the case of companies working on commission. The characteristic that most distinguishes the companies operating on contract or per project compared to those producing for the storage, is the high differentiation of their products, according to customers' requests. Today, it is increasingly strong need to have a productive organization organized by job or project, rather than by product. This implies that the company itself have to provide with productivity, organizational and managerial highly flexible tools. The main part of the study was aimed at the development of semi-automatic control of the process of building production, with particular emphasis on monitoring of labor resources and materials. Starting on the analysis of real cases, have been identified weaknesses in the methods and management techniques supported by traditional methodology, and proposed technological innovations designed to support the management. The objectives were several: to allow to know in real time the progress of activities and have at all times the location of resources and the history, minimize cost, time and risk of error on the monitoring of materials, communication reliably and easily accessible service orders, improve safety management. In order for the techniques and technologies proposed were especially advantageous for the company, we have developed a complete hardware and software technology with a number of features that allow its use even in a hostile environment like the construction site. In fact, the main difficulty encountered in the introduction of innovative technologies for monitoring in the construction industry is inherently linked to the particularities of the sector, where projects are unique, the processes and materials vary according to the phases of work, many materials are used for more processing, it moves in a dynamic, aggressive and dangerous site. In particular, we have analyzed: • issues relating to the introduction of a new management approach; • the strength of the technologies to the site; • the benefits and the cost; • the reliability of the new monitoring system. The proposed system can also have a use in improving the coordination of safety on construction sites. In fact it is possible to use the communication network, developed as part of the research, to control access to the site and to monitor the proper use of DPIs by the operators. The proposed methodology is highly innovative and results have been presented at major national and international conferences, receiving an award for "best paper" during the convention ISARC (International Symposium on Automation and Robotics in Construction) 2010.

Il lavoro di tesi si è svolto all’interno del progetto europeo Sustainable Energy mAnageMent for Underground Stations (SEAM4US), Grant agreement 285408 del 7°FP, finalizzato allo studio del controllo ottimo dei sistemi energetici nelle stazioni metropolitane, che ha previsto la realizzazione di un pilot nella stazione Passeig de Gracia della metropolitana di Barcellona (SP). Il principale obiettivo della ricerca è stato quindi lo sviluppo di una libreria per la modellazione delle dinamiche energetiche e degli impianti che fosse compatibile con i requisiti imposti dai processi di progettazione, calibrazione e installazione di sistemi di controllo intelligente degli impianti energetici nelle stazioni metropolitane. Quindi, il principale risultato di questa tesi è lo sviluppo della libreria SEAM4US e del modello dell'intero caso pilota, la stazione metropolitana Passeig de Gracia a Barcellona. I componenti della libreria SEAM4US si sono ottenuti adattando componenti gia esistenti provenienti da librerie open source e sviluppando dei nuovi componenti specifici per ambienti sotterranei. Un secondo risultato riguarda la metodologia di calibrazione del modello. La libreria SEAM4US sviluppata è stata validata e calibrata su dati misurati. E' stata effettuata una validazione sia analitica che empirica della libreria, in modo da ottenere dei risultati più precisi. La validazione analitica della libreria è stata ottenuta confrontando la fisica dell'aerodinamica del treno e le equazioni termodinamiche dell'edificio con le soluzioni esatte dei maggiori software commerciali per ambienti sotterranei. Mentre la validazione empirica si è basata sulla metodologia evidence based adattandola al caso specifico con investigazioni locali effettuate su alcuni parametri critici. I risultati ottenuti sono stati poi valutati in termini di indici ASHRAE 14. Infine si è affrontato il problema di sviluppare una metodologia di ingegnerizzazione del processo di modellazione per lo sviluppo di sistemi di controllo intelligenti degli impianti energetici delle stazioni metropolitane.
This thesis has been developed within the research effort of the Sustainable Energy Management for Underground Station (SEAM4US) FP7 EU project. The project objective was aimed at defining a technological and methodological framework for optimized energy management in public underground spaces, which will be applied to the dynamic control of the energy consumption in Barcelona's Passeig de Gracia subway station. The research conducted within this thesis was aimed at developing a modeling library for the optimal energy control of underground stations, which fulfills most of the SEAM4US project requirements, such as open source, integration with other software for co-simulation, expressivity, accurate energy simulation and scalability of the whole metro network level. Hence, the main outcome of this thesis developed is the SEAM4US Library and the whole-building model for the pilot case of Passeig de Gracia metro station in Barcelona. The SEAM4US library components are derived adapting existing components from open source libraries, developing new components for the missed specific physics. A second outcome concerns the model calibration methodology. The developed SEAM4US library has been validated and calibrated on the measured data. Analytical and empirical validations of the library were made, in order to achieve more accurate results. The analytical validation of the library was achieved by comparing the equations of the aerodynamics of the train and thermodynamics of the buildings within the exact solutions of the main commercial underground software, while for the empirical validation an evidence based methodology supplied with local investigations about critical parameters was made. Results are expressed in terms of ASHRAE 14 Indexes. Finally, this dissertation presents a modeling process engineering that can be used to develop MPC solution using the SEAM4US Library and also presents the four case studies taken into account in order to test the scalability of the library.

Il tradizionale approccio alla gestione delle emergenze negli edifici si basa sulla previsione deterministica dei principali scenari che potrebbero verificarsi, non tenendo conto degli eventi casuali e inaspettati che potrebbero presentarsi influendo negativamente sulle operazioni da eseguire in caso di emergenza. L’approccio attuale presenta diversi punti di debolezza dovuti ad un’acquisizione di dati sullo stato di emergenza scarsa e poco efficiente e a diversi “colli di bottiglia” nel processo decisionale, che appare irrigidito dal suo carattere eccessivamente gerarchico. Il contributo scientifico di questa tesi, consiste nello sviluppo di una metodologia nella gestione delle emergenze che presenta innovative caratteristiche di efficienza in tempo reale, resilienza e capacità di risoluzione di problemi in modi non convenzionali. Si propone un cambio di rotta da un approccio deterministico ad uno volto ad affrontare la contingenza delle situazioni che potrebbero verificarsi, elevando la flessibilità e adattabilità del sistema, attraverso l’applicazione della teoria “olonica”, la quale promuove maggiore autonomia e cooperazione tra i livelli più bassi della gerarchia in risposta a un workflow troppo rigido. La ricerca ha condotto alla definizione di un’architettura di sistema a supporto delle operazioni standard previste da normativa, rendendole più efficienti attraverso l’utilizzo di dati aggiornati ed eterogenei, proponendo soluzioni alternative in caso di imprevisti, rapidamente calcolate. La metodologia è stata implementata in un caso studio, dettagliandone l’architettura di sistema fondata sull’utilizzo di modelli BIM come “contenitori” di informazioni aggiornate, coerenti e complete sull’edificio, di Reti Bayesiane per selezionare le azioni alternative più promettenti analizzando rapidamente le serie di dati al momento disponibili e una piattaforma di Realtà Virtuale come collettore di dati provenienti da fonti eterogenee e ambiente di simulazione con elementi di Intelligenza Artificiale.
The traditional approach to the building emergency management is based on a deterministic prevision of the main scenarios, regardless of contextual, changing and unexpected events that may happen and seriously affect the effectiveness of emergency measures. The current approach results affected by several weaknesses due to a poor and inefficient data acquisition regarding the evolving scenario and to the bottlenecks in the decision flow, deriving from a too rigid hierarchical workflow. The contribution of this dissertation lies on the development of a new methodology in the emergency management based on the principles of real-time effectiveness, resilience and unconventional problem solving. A shift from a deterministic to a contingent approach is proposed, leveraging the system’s flexibility and adaptability to changing scenarios, founded on the application of the Holonic Theory to the emergency management. This theory promotes a higher autonomy and cooperation among the actors of the lowest level of the hierarchy, as a response to a too rigid hierarchical workflow, often affected by bottlenecks in the decision flow that may result fatal in critical scenarios like the emergency ones. The research has conducted to the definition of a system architecture as support to the standard rescue operations, which improves the usual approach supplying more updated and significant information from different sources and investigating unusual solutions for rescue purposes in case of unforeseen events. It relies on the means of BIM (Building Information Modelling), as comprehensive building information provider, Bayesian Networks to make the decision flow more flexible and able to cope with uncertainties and Virtual Reality engines to collect data from heterogeneous sources and test the overall system. The bottlenecks in the process flow result considerably reduced, providing the system with a faster capability to face unexpected events, endowing it with the required resilience and adaptability.

It is known that, despite the actual economic crisis, the public procurement sector continues to maintain consistent dimensions and to move huge economic resources involving various sectors of market. This is true for works, supplies and services. For the environment, the consequences of our actions have today to be monitored and checked in a very efficient way, because of we have the moral obligation to save the planet life. Considering the importance of public procurement, we must include in our economical proceedings also green rules. The aim of this study is to define how the simulation can be used in the architectural field and help every phase of the building process. Trough the simulation, we can have every kind of information about our buildings and all that are important to make we able to appreciate what will be the best efficient actions for that buildings, based on real priority and on more concrete specific plans. We are speaking about simulation model as Bayesian networks, that can be used for each kind of public building, to manage the energy efficiency and ordinary life in general. With a similar tool in its hands, Public Administration will be again the main actor in the decisional show about future plans, and it will become the director of the activities, having already studying the situation and it will be able to give more specific public notice for future plans. Furthermore, one of the most important advantages we can take from this job is that all the operator involved in the procurement cycle (contractors, engineers, architects and designer in general) will have to upgrade their studio’s structure and improve their own expertise, to become more competitive in making their tenders for a specific public announcement. In this way, also Public Administration will take very huge advantages. In fact, it will have both the possibility to experiment the simulation in public procurement for retraining its own existing real estate patrimony, developing an exemplary role for the community (as required by the Directive 2012/27/UE, artt. 4 and 5), and, from the other side, it will be the first one who will take benefits from a significant economic saving, due to this more specific way of planning actions and to the important energy performance costs reduction of its own existing real estate patrimony still in activity.

In the perspective of the "Net Zero Energy Buildings" as specified in the EPBP 2010/31/EU, herein a modular unglazed solar thermal facade component for facilitating the installation of active solar thermal facades has been conceived and designed to answer three considerations: (1) easily installable elements, offering high modularity to be sized for the specific needs of the buildings considered, (2) low-price unglazed technology, given by the industrial process already developed for the fridge evaporators, and (3) versatile modules to be used for both new buildings and for existing buildings for energy retrofitting. The existing buildings stock offers a high-potential opportunity to improve the energy efficiency when using such a system. Indeed, the building envelope elements have a significant impact on energy consumptions and performances of the building, and this is a key aspect to consider during renovation. Considering buildings integrating solar thermal (BIST) by the means of facade retrofitting of solar thermal collectors (STC) opens up new challenges for engineers. Facade usage, compared to the traditional roof installations, offers two interesting potentialities: (1) increased available surfaces, and (2) minimization of the unwanted overheating problem, that appears in summer, thanks to the vertical tilt (as the energy production is almost constant over the year). This allows sizing the STC according to the actual heat needs and avoids as much as possible energy fluxes mismatch. The design methodology of such a modular component is the main contribution of the PhD work. The challenges are tackled via a parametric approach. Dynamic simulation tools support the design choices for the energy systems of BIST and to optimize the interactions between the envelope and the STC with the criteria of reducing the overall energy consumption. This methodology is described and applied to the design of a modular prototype of an innovative facade component integrating unglazed STC. We first analyze a variety of typologies of buildings as potential commercial targets of the facade component of unglazed STC integrated facade element. Both residential and non residential buildings are considered. The purpose of this analysis is to match the heat loads for properly sizing the facade elements for each typology. Benchmark models of buildings from the Department of Energy are used such as multifamily houses, hospitals, big and small hotels, schools, offices. These are simulated through EnergyPlus in three European locations (Stockholm, Zurich and Rome) in order to define the yearly heat loads for domestic hot water (DHW) and space heating (SH) needs. Finally, the prototype is conceived and designed as a low-cost product to implement into facades with the criteria of optimizing the energy production. The unglazed STC is combined with a simple configuration of combisystem in order to define some rule of thumbs through Trnsys. By the fact that the energy is produced at lower temperatures, if compared with glazed flat plate collectors, this technology is potential applicable to those buildings having the proper heat loads and the suitable system layout.

Nei cantieri edili, quali contesti altamente dinamici, lo spazio richiesto dalle attività muta continuamente evidenziando la necessità di considerarlo come una risorsa limitata. Ad oggi, le aree di lavoro non sono efficacemente gestite né dalle tecniche tradizionali di pianificazione né dagli strumenti 4D più avanzati. I manager del processo costruttivo sono costretti a condurre considerazioni spaziali manualmente sulla base di schizzi 2D. Tale approccio è altamente dispendioso e soggetto ad errori; inoltre, come dimostrano le statistiche, è una delle principali cause di infortuni e riduzione della produttività. Questa tesi di dottorato affronta il problema della gestione delle aree di lavoro, proponendo un approccio che integra la fase di pianificazione con la verifica delle interferenze, condotta da un simulatore spaziale sviluppato in un motore grafico. Tale simulatore, acquisiti il modello BIM ed il cronoprogramma, individua eventuali conflitti spaziali quale risultato di computazioni geometriche e simulazioni fisiche. La criticità dei conflitti viene stimata mediante inferenza Bayesiana al fine di escludere scenari trascurabili. Successivamente, i manager del processo costruttivo, consapevoli dei possibili conflitti spaziali futuri, modificano o confermano il cronoprogramma. Questo approccio può essere applicato per identificare i conflitti spaziali sia durante la fase di pianificazione che quella di esecuzione dei lavori. In questa tesi, il simulatore spaziale proposto è stato validato con riferimento alla fase di pianificazione dei lavori di un edificio reale. I risultati hanno dimostrato la sua capacità di identificare non solo un maggior numero di conflitti, rispetto agli strumenti dello stato dell’arte, ma anche di stimare il relativo livello di criticità evitando sovrastime. In futuro, l’approccio proposto in questa tesi, adattato con minime integrazioni, potrà essere applicato a runtime per aggiornare il cronoprogramma durante l’esecuzione dei lavori.
In the AEC industry, construction sites are very dynamic operating environments. Activities workspace demand continuously changes across space demanding and time, stressing the need to consider the space as a limited and renewable resource. This issue has not been fully handled yet, neither by traditional scheduling techniques nor by more advanced 4D tools. For these reasons, construction management teams usually carry out manually spatial considerations based on 2D sketches. This approach, especially in big construction projects, is highly time-demanding and error-prone causing, as demonstrated by statistics, injuries, and productivity slowdown. To cover these gaps, this study proposes a workspace management framework that integrates the work scheduling phase with spatial analysis, carried out by a spatial conflict simulator developed using a serious game engine. The simulator, given the BIM model and the construction work schedule, can detect eventual spatial interferences based on geometric computations and physics simulations. The detected conflicts are then judged applying Bayesian inference to filter non-critical scenarios and avoid overestimation. Afterwards, the construction management team, made aware of likely future spatial issues, can adjust or confirm the work schedule. This approach can provide a valuable contribution in detecting spatial conflicts during both the construction planning phase and works execution. In this study, the proposed spatial conflict simulator has been validated on the planning phase of a real use case, demonstrating its capability to not only detect an increased number of spatial issues, compared to the state-of-the-art tools, but also to esteem related criticality levels and avoid overestimations. In the future, the proposed approach, adapted with minor changes, can be applied at runtime for proactively refining the work schedule during works execution.

Il controllo predittivo basato su modello (MPC) è una tecnica di controllo avanzata che ha svolto un ruolo importante nella gestione di molti processi nel settore industriale. Oggi, nell’ottica di una gestione energetica efficiente degli edifici, l’utilizzo di questa strategia si sta dimostrando una soluzione promettente per ridurre al minimo i consumi e i costi energetici complessivi. Tuttavia, gli studi sulla sua fattibilità tecnica in edifici esistenti sono ancora in una fase iniziale. Pertanto, il risultato principale di questa tesi è la progettazione e lo sviluppo di un prototipo hardware e software per la verifica sul campo di un sistema di controllo predittivo, basato su modello, integrando un modello predittivo virtuale della porzione dell'edificio in esame, il controllore e l'interfaccia grafica per i dispositivi di monitoraggio e regolazione utilizzati. Inoltre, particolare attenzione è stata posta sulla fattibilità tecnica relativa all'implementazione di un tipico sistema MPC, che include un sottosistema di monitoraggio, un set di acquisizione dati e un metodo di identificazione del sistema per ottenere il modello per il controllore, mediante un approccio di modellazione grey-box. La fase di modellazione e l'approccio empirico sviluppato sono presentati nella prima parte di questa tesi di ricerca, mentre la parte centrale riguarda: lo sviluppo del prototipo di controllo predittivo, basato su modello, all'interno di uno strumento virtuale del software LabVIEW e la descrizione del test sperimentale, effettuato durante la stagione di riscaldamento, garantendo la normale operatività dell’edificio durante l'intero periodo di monitoraggio. Infine, è presentato lo studio sviluppato in ambiente di simulazione per indagare il potenziale della logica di controllo per la valutazione di scenari di riqualificazione. Il focus è sulla definizione dei principali componenti del simulatore MPC e sui risultati ottenuti testando uno degli scenari di intervento.
Model Predictive Control (MPC) is an advanced control technique which has played an important role in the management of many processes in the industry sector. Nowadays, in the perspective of an efficient building energy management, the exploitation of this strategy is proving to be a promising solution for minimising overall energy consumptions and costs. However, investigations on the feasibility of the technique in real existing buildings are at an initial stage. Hence, the main outcome of this dissertation is the design and development of a prototype hardware and software set up for on-field testing of a model-based predictive control system, integrating a virtual predictive model of the portion of the building under investigation, the controller and the interface to the monitoring and regulation devices used. Moreover, this research is addressed to investigate the technical feasibility of the development and deployment of a typical MPC system, which includes a monitoring sub-system, a data acquisition set up and a system identification method to obtain the model for the controller by means of a grey-box modelling approach. The modelling phase and the empirical approach developed are presented in the first part of this research thesis, while the core part concerns: the development of the MPC prototype, within a virtual instrument of LabVIEW software and the description of the experimental test, which was carried out during heating season, ensuring normal building operation during the entire monitoring period. Finally, this dissertation presents the study developed in simulation environment to investigate the potential of the control logic for the evaluation of retrofitting scenarios. The focus is on the definition of the main MPC simulator components and on the results obtained by testing one of the intervention scenarios.

Alkali activation has been emerging as a sustainable technology to produce innovative construction materials. Alkali-activated materials have been extensively investigated, but different levels of scientific understanding and industrial implementation can be found among several subgroups of such materials. The most widely examined alkali-activated materials are commonly known as geopolymers. The scientific knowledge of their reaction mechanisms and structures is mature, and their market implementation fairly consolidated. Conversely, inorganic polymers (IP) is a different subgroup of alkali-activated materials since their chemistry does not exactly correspond to the definition of geopolymers. These systems are challenging but unlikely geopolymers can admit a wide range of precursors offering an opportunity to valorize low-value raw materials that include several wastes and industrial by-products. The diversity of precursors that can be used in IP production hinders the definition of production guideposts, and dedicated research is needed to define ad hoc mix designs according to the precursors’ characteristics and envisioned applications. This doctoral research was focused on the multiscale development of inorganic polymers and the conceptual design of sustainable and multifunctional materials for near-zero energy consume buildings. Vitrified residues produced during the thermochemical conversion of refused derived fuel were taken as a representative case study of a broad group of currently underutilized industrial by-products, namely calcium-iron-rich slags. The aim of this work was to understand the fundamental processing parameters affecting the reaction mechanism involved in the formation of calcium-iron-rich IPs and their correlation with the chemical and physico-mechanical properties of the developed materials. The major technological constraints related to the use of such slags as IP precursors were examined, and the most suitable production conditions to obtain IP products with enhanced properties identified. A broad range of IP materials with engineered properties was developed and optimized. The efforts made in developing predictive models, in optimizing mixture proportions and in minimizing the shrinkage of IP binders and mortars are described. Optimized products characterized by a high dosage of residues in their composition, increased volumetric stability, excellent mechanical properties, and good residual characteristics after exposure to high temperatures were developed. The functionalization of IP mortars was addressed, and the effects of incorporating phase change materials in the mix design investigated. Lightweight IPs were developed using different processing routes, and their mechanical and thermal properties examined. Different IP products were used to develop multi-layer sandwich panels that were both thermal insulating and reactive to temperature fluctuations. The problematics related to their upscaling were analyzed, and the production processes optimized. Semi-industrial sandwich panels were produced to demonstrate the feasibility of the solutions proposed. The topic analyzed in this doctoral research and the insights provided are a significant contribution to the implementation of alkali-activation technology as a viable upcycling solution for industrial by-products, and particularly interesting to the construction sector in which current efforts to achieve lower environmental impacts are considerable. The use of calcium-iron-rich slags, like the ones produced in thermochemical conversion processes, in such production schemes is a plausible large-scale upcycling route that can absorb significant volumes of those residues and, by doing so, contribute to increasing the sustainability of industrial sectors in which such residues are produced.
I leganti ad attivazione alcalina (nella formulazione originale inglese “alkali-activated materials”) stanno sempre più affermandosi come soluzione tecnologica sostenibile ed innovativa nella produzione di materiali da costruzione. Molti lavori esistono al riguardo, ma il livello di comprensione scientifica e di implementazione industriale di questi materiali, varia a seconda dei diversi tipi di leganti ad attivazione alcalina a cui si fa riferimento. I materiali ad attivazione alcalina più studiati sono i geopolimeri. I meccanismi e le reazioni coinvolte nella formazione di questi materiali sono ormai noti e consolidati da tempo nella comunità scientifica, così come la loro implementazione sul mercato. Un diverso sottogruppo dei materiali ad attivazione alcalina sono i polimeri inorganici (“inorganic polymers”). La loro chimica differisce dai geopolimeri in quanto non ottenuti dall’esclusiva attivazione alcalina di materiali allumino-silicatici. Gli polimeri inorganici derivano da sistemi chimicamente complessi ma sono allo stesso tempo versatili. Contrariamente ai geopolimeri infatti, i polimeri inorganici possono essere prodotti utilizzando una vasta gamma di precursori, offrendo quindi l’opportunità di valorizzare materie prime di basso costo che includono anche numerosi rifiuti e sottoprodotti industriali. Tuttavia, l’ampia varietà di questi materiali fa sì che studi ad hoc siano necessari per ogni potenziale precursore in funzione della sua composizione chimica e dell’applicazione finale prevista. La presente tesi di dottorato è finalizzata allo sviluppo di materiali da costruzione funzionalizzati e sostenibili, utili alla realizzazione di edifici ad un consumo di energia quasi zero (“near Zero Energy Building, nZEB”) e messi a punto attraverso lo studio di polimeri inorganici prodotti da rifiuti non altrimenti valorizzabili: le scorie vetrose ottenute dalla conversione termochimica di combustibili derivato da rifiuti (CDR). Caratterizzati da alti contenuti di Ca e Fe, questi residui possono essere considerati rappresentativi di un più ampio gruppo di rifiuti e sottoprodotti attualmente scarsamente utilizzabili e spesso destinati al conferimento in discarica. Obiettivo principale del presente lavoro era quello di comprendere i meccanismi delle reazione coinvolte nella formazione di polimeri inorganici ottenuti dall’attivazione alcalina di queste scorie, e di determinarne le correlazioni con le proprietà chimiche e fisico-meccaniche del prodotto finale. Attraverso l’uso di modelli statistici predittivi, sono stati sviluppati, ottimizzati ed ingegnerizzati un’ampia gamma di polimeri inorganici. I risultati sperimentali riportati nel presente lavoro riguardano innanzitutto lo sviluppo e l’ottimizzazione di mix design, in grado di massimizzare il contenuto di scoria come precursore. Altro aspetto molto importante di studio ha riguardato la riduzione dei ritiri per una migliore stabilità volumetrica di leganti e malte prodotti a partire dagli polimeri inorganici ottimizzati. Eccellenti proprietà meccaniche e buone prestazioni residue dopo l’esposizione alle alte temperature, sono fra le principali proprietà analizzate che caratterizzano le formulazioni sviluppate. Con lo scopo di ottenere un prodotto in grado di incrementare l’efficienza energetica degli edifici, un importante parte del lavoro ha riguardato la funzionalizzate del materiale sviluppato. L’ingegnerizzazione della microstruttura, per ottenere un materiale leggero e termicamente isolante, e l’aggiunta di materiali a cambiamento di fase (“Phase Change Materials, PCMs”), capaci di ridurre le fluttuazioni termiche, sono le due principali tematiche tecnologiche investigate. Tale studio ha portato alla realizzazione di panelli multistrato in grado di offrire entrambe le proprietà termiche desiderate. Attraverso l’ottimizzazione dei parametri di produzione, compatibili con i requisiti di scalaggio industriale, sono stati realizzati in laboratorio prototipi in scala naturale, che dimostrando la piena fattibilità tecnica delle soluzioni proposte. Il tema proposto e gli approfondimenti forniti in questa tesi di dottorato sono di particolare interesse per il settore delle costruzioni, sempre più attento a soluzioni innovative capaci di ridurre l’impatto sull’ambiente. La valorizzazione di scorie ricche in calcio e ferro, così come proposta nel presente lavoro, rappresenta una plausibile via di riciclo su larga scala in grado di assorbire significativi volumi di scarti. Valorizzare questi rifiuti convertendoli in materiali da costruzione che, nella loro vita utile, consentono di ridurre l’impatto energetico degli edifici, ha quindi un elevato beneficio che è sia economico che ambientale.

Il supporto all’autonomia abitativa degli anziani è un tema sempre più rilevante e negli ultimi anni sono stati sviluppate numerose piattaforme e sistemi verticali riconducibili all’ambito dell’AAL. Tali sistemi risultano tra loro molto variegati, disomogenei e parziali, tanto che ad oggi non si registra un ingresso massivo delle soluzioni esistenti nel mercato. Per colmare le lacune delle soluzioni odierne questo lavoro di ricerca propone un cambio di paradigma: l’introduzione di sistema operativo come approccio fondamentale per integrare le componenti degli edifici in maniera innovativa garantendo la riusabilità delle risorse, degli impianti, dei processi di controllo e delle applicazioni in maniera trasparente. L’obiettivo è rendere programmabile l’edificio e il suo comportamento in funzione degli scenari rilevati al suo interno e consentire ai progettisti di concentrarsi esclusivamente sulla soluzione dei problemi relativi al proprio dominio. Gestire edifici in maniera intelligente richiede la capacità di prendere decisioni e agire in tempo reale in funzione delle situazioni che si stanno verificando al loro interno: identificare e riconoscere gli scenari diventa centrale sia per lo sviluppo di applicazioni che per l’evoluzione delle performance dell’edificio stesso in funzione dei modelli d’uso degli ambienti. Il lavoro si è concentrato quindi principalmente su due aspetti: definire un metodo generale per risolvere il problema del riconoscimento scenari in near real-time, sviluppato attraverso la tecnologia delle reti Bayesiane; definire un prototipo di sistema operativo per edifici che tramite opportune astrazioni e servizi consenta di scrivere applicazioni disaccoppiate dalle configurazioni “hardware” del singolo edificio. Un prototipo di OS per edifici, che integrasse modelli di riconoscimento scenari in near real-time è stato sperimentato nel progetto regionale PASS. La sperimentazione ha permesso di valutare l’applicabilità di tale approccio e i vantaggi.
The support to the elderly’ living autonomy is an issue of increasing relevance in recent times. Several platforms and systems have been developed, mainly in the field of Ambient Assisted Living (AAL); nevertheless, since they are partial and not homogeneous, nowadays there is still a lack of their entry into the existing solutions market. This research work is aimed at filling the gap of the current solutions, through a paradigm shift: the introduction of an operating system as fundamental approach for the interaction among building components in an innovative way, assuring the transparent resources, systems, process controls and application re-usability. The goal of this approach consists in making a building and its behavior programmable, according to the recognized scenarios, in order to let the designers focus on the solutions to the problems concerning only their own domain. Smart management of buildings involves taking decisions and acting real-time, based on the occurring situations: the scenario identification and recognition gains therefore a key role for both the applications development and the building performance evolution in accordance with the environment use models. The work has been focused on two main aspects: defining a general approach to solve the problem of the real-time scenarios recognitions, developed by the means of Bayesian networks based-models technology; defining a prototype of operating system for buildings through appropriate abstractions and services allowing developing applications detached from the specific “hardware" configuration of each building. In the regional project PASS (Private ASSisted house), it has been tested a first prototype of operating system for buildings, which integrates scenarios recognition models in near real-time. The trial has allowed assessing this approach applicability and the correlated advantages.

Il presente studio riguarda la ricerca e lo sviluppo di un inedito sistema dinamico di schermatura liquida per le vetrate degli edifici, basato sull’aggiunta, ai due vetri convenzionalmente adottati nelle vetrate isolanti, di un terzo vetro che consente di creare un’intercapedine di circa 1.5 mm in cui viene fatto salire un fluido schermante utilizzato per variare la trasmittanza solare. La capacità di garantire bassa trasmissione di calore in estate, ma allo stesso tempo di massimizzare gli apporti “gratuiti” forniti dal sole in inverno, rende questa tecnologia molto competitiva rispetto ai tradizionali vetri a controllo solare o basso emissivi, che hanno trasmittanza solare fissa. Già precedenti studi hanno individuato la miscela di fluido, la tipologia di vetro, hanno dimostrato buone prestazioni in termini energetici e di durabilità. Il principale obiettivo di questo lavoro è quello di dimostrare la fattibilità tecnologica del sistema al fine di delinearne linee guida per una progettazione matura, che sia propedeutica ad una futura produzione industriale su larga scala. La fase di progettazione del dispositivo, condotta secondo una logica legata al processo produttivo, ha portato alla produzione di un prototipo funzionante di finestra apribile con schermatura liquida. Lo sviluppo del prototipo ha permesso, sia di affrontare e risolvere problematiche ingegneristiche legate all’assemblaggio dei componenti ed alle necessarie modifiche all’infisso, sia di effettuare test di funzionamento, sia di analizzare i costi di produzione. È stata, inoltre, studiata la problematica della deformabilità del vetro dovuta alla spinta idrostatica del liquido. Simulazioni software e test di laboratorio hanno permesso di avanzare una concreta soluzione al problema della deformazione. Infine, un’analisi di benchmarking ha permesso di dimostrare prestazioni, in termini energetici, assolutamente paragonabili, ed in alcuni casi superiori, rispetto a vetri tra i più performanti sul mercato.
This study concerns the research and development of a liquid-shaded dynamic glazed facade for buildings. Compared to the most popular currently used double glazing, this novel technology is made possible by the creation of an additional 1.5-mm-thick cavity, hosting a sliding shielding liquid, which flows internally, in order to adapt the window’s solar transmittance to real needs. The ability to ensure low solar transmittance in summer and to maximize solar heat gains in winter, makes this technology very competitive compared to conventional embedding solar control and low emissive panes, which have fixed solar transmittance indeed. Previous research focused on identifying the most suitable liquid mixture and the kind of glass; it also showed good performance in terms of protection from solar radiation and durability. The main objective of this research is to demonstrate the technological feasibility of the system in order to define the guidelines for a mature design, which is the first step to a future large-scale production. The design phase of the novel technology has been developed resembling the industrial process for its manufacturing, and it has led to the construction of a full size liquid-shaded window prototype. The development of the prototype has allowed, both to address and solve engineering problems related to the assembly of the components and to the necessary modifications to the frame, both to carry out operation tests and analyze production costs. Glass pane bending when subject to hydrostatic pressure of the liquid has been then assessed. Software simulations and laboratory tests have allowed to put forward a concrete solution to the problem of deformation. Finally, a benchmarking analysis has allowed to demonstrate absolutely comparable energy performances, and in some cases greater energy performances, than the most efficient glass facades on the market.

Il Facility Management in edifici complessi richiede una grande quantità di informazioni che possono essere archiviate in un modello funzionale dell’edificio. Un modello funzionale è una rappresentazione strutturata dell'edificio che include informazioni cruciali per funzioni specifiche come la sicurezza, le azioni di ristrutturazione o il funzionamento e la manutenzione. Il rilevamento di questo tipo di dati, come le proprietà tecniche dei componenti dell'edificio, è un processo costoso. Per questo motivo, è necessario uno strumento avanzato il rilievo ingegneristico. Oggi molti studi si concentrano ancora sull'acquisizione della geometria, trascurando il fatto che molte azioni ricorrenti sono condotte su componenti all'interno degli edifici. Molti sistemi proposti sfruttano tecniche di rilevamento altamente accurate, come la scansione laser o la fotogrammetria, ma che richiedono lunghi sforzi di post-elaborazione per interpretare i dati raccolti. Inoltre, queste operazioni non vengono eseguite sul posto, portando a imprecisioni causate da un’interpretazione errata dei dati. In queste circostanze, la possibilità di eseguire la maggior parte delle operazioni in loco renderebbe sicuramente il processo più efficiente e ridurrebbe gli errori. Questa ricerca propone un sistema di digitalizzazione che sfrutta la collaborazione uomo-macchina evitando fasi di post-elaborazione del dato. A questo scopo, vengono sfruttate le potenzialità della Mixed Reality quali la sua capacità di interagire con il mondo reale, creando un ambiente ideale per la collaborazione uomo-macchina. La capacità della Mixed Reality di sovrapporre i dati digitali all'ambiente reale rende possibile il controllo dei dati direttamente in sito. Per il processo di riconoscimento degli oggetti il sistema proposto in questa ricerca si avvale di rete neurale. La rete neurale YOLO (You Only Look Once) è stata scelta per la sua velocità e funzionalità di rilevamento multiplo, ideale per applicazioni in tempo reale. Il sistema è stato sviluppato e le sue prestazioni sono state valutate per il rilevamento di componenti del sistema antincendio. Il primo set di allenamenti è stato testato ed ha raggiunto sempre più dell'85% del fattore F1. Quindi l'intero sistema è stato testato in sito per dimostrare la sua fattibilità in uno scenario del mondo reale.
Facility Management in complex buildings requires a large amount of information that can be stored in a functional building model. A functional building model is a structured representation of the building including information crucial for specific functions such as safety, refurbishment actions or operation and maintenance. Surveying this kind of data, such as technical properties of building components, is a costly process. For this reason, an advanced tool for engineering surveys is needed. Nowadays many studies still focus on capturing geometry, overlooking the fact that many recurring actions are conducted on assets inside buildings. Many systems proposed exploit highly accurate survey techniques, like laser scanning or photogrammetry, but they need long postprocessing efforts to interpret data collected. Moreover, these operations are not pursued on site leading to inaccuracies for the incorrect interpretation of data. Under these circumstances, the possibility of performing the majority of operation on-site would definitely make the process more efficient and it would reduce errors. This research proposes a system for digitization exploiting manmachine intelligence collaboration without post-processing. To this aim, Mixed Reality with its capability of interacting with real world is applied giving an environment for man-machine collaboration. The capability of Mixed Reality of overlapping digital data to the real environment makes possible checking data directly on site. For the object recognition process the system proposed in this research make use of Neural Network. YOLO (You Only Look Once) Neural Networks has been chosen for its speed and multiple detection features, ideal for real-time applications. The system has been developed and its performance evaluated for the detection of fire protection system components. First single Neural Network have been tested reaching always more than 85%of F1 factor. Then the whole embedded system proposed has been tested on site to prove its feasibility in a real-world scenario.

La tesi, in storia della costruzione, ricostruisce la programmazione dell'edilizia scolastica sperimentale nel secondo dopoguerra in Italia: terreno di una lunga sperimentazione sull’impiego di sistemi costruttivi alternativi al cantiere tradizionale, che affianca il rinnovamento tipologico dell’edificio-scuola, la pianificazione ha disseminato un fragile patrimonio di “prototipi” che testimoniano, nell’uso, la controversa “via italiana” all’industrializzazione dell'edilizia. A partire dalla letteratura dell’epoca, da numerosi archivi di Enti, progettisti e imprese e, soprattutto, dal ritrovamento e dalla catalogazione della documentazione conservata nell’archivio dell’Ex Servizio Centrale per l’Edilizia Scolastica (SCES) - l’organo esecutivo del Ministero della Pubblica Istruzione, dal 1951 al 1979, incaricato della pianificazione e del controllo tecnico dei progetti delle scuole sperimentali su scala nazionale - la ricerca ha fornito, da un lato, un primo quadro storico d’insieme, una “cronaca dei fatti” e, dall’altro, puntuali analisi storico-tecniche sui numerosi sistemi costruttivi impiegati per la realizzazione delle scuole negli anni ‘60 e ’70, offrendo un contributo specifico e operativo alla conoscenza degli edifici e, conseguentemente, alla loro corretta gestione e valorizzazione

Le problematiche ambientali e la loro attinenza con il settore delle costruzioni rappresentano un importante ambito di intervento per i prossimi anni. Il cambiamento culturale in atto e l’evoluzione del quadro normativo hanno condotto allo sviluppo di nuovi modi di operare, di sistemi costruttivi e materiali innovativi. Progettisti e imprese di costruzioni hanno intuito le potenzialità che derivano dall’adozione di soluzioni volte all'efficienza energetica ma, denunciano spesso difficoltà nel mettere a sistema in modo organico e integrato l’innovazione e gli obblighi normativi con le tecniche consolidate di realizzazione degli edifici. Frequentemente molte soluzioni sono infatti poco conosciute nella tecnica e, laddove non vi è una preparazione appropriata, il rischio di pregiudicare i vantaggi energetico - ambientali ed economici attesi è maggiore. A partire da queste considerazioni, la ricerca ha sviluppato uno strumento metodologico e tecnico per definire criteri progettuali e mettere in luce attenzioni esecutive che riguardano soluzioni d’involucro ad alte prestazioni, proponendo un apporto nella gestione della delicata fase di trasferimento delle informazioni di dettaglio tecnologico agli operatori di cantiere.

Negli ultimi decenni si è assistito ad una crescente attenzione verso il tema della qualità dell’aria indoor. Infatti essa è diminuita drasticamente a causa di diversi fattori quali: il risparmio energetico e la conseguente diminuzione della ventilazione, nuovi materiali da costruzione e nuove fonti di inquinamento indoor, oltre ad una presenza frequente di fumo di sigaretta. Le numerose campagne di risparmio energetico, unite agli elevati prezzi dell'energia, hanno spinto molte persone a rendere il più possibile ermetiche le loro abitazioni riducendo anche il tasso di ventilazione; ciò significa che la quantità di aria esterna fornita dalle infiltrazioni attraverso l’involucro e gli infissi non è più sufficiente a fornire il necessario ricambio d’aria. Anche se ad oggi sono disponibili numerosi standard e linee guida per la valutazione del tasso di ventilazione minimo in base a vari parametri, c’è comunque la necessità di conoscere i requisiti di accettabilità dell'aria interna in base agli obiettivi di benessere, comfort e prestazioni energetiche e i tassi di emissione da tutte le fonti. L’idea del progetto è di utilizzare un modello esteso per il decadimento della CO2 come strumento di diagnosi delle infiltrazioni all’aria di un edificio, ai fini della classificazione dell’involucro edilizio; si propone una metodologia alternativa alle procedure standard per il calcolo della tenuta all’aria, previste dall’attuale stato dell’arte, che risulti più efficiente da un punto di vista logistico ed economico, di facile applicazione, in grado di mantenere comunque un elevato target di accuratezza.
Recent decades have witnessed a growing attention to the indoor air quality issue. According to statistics, tipically indoor air quality is dramatically low due to several factors such as: the energy saving and the consequent decrease of ventilation, new building materials and new indoor pollution sources, as well as a frequent presence of cigarette smoke. Energy saving campaigns, combined with high energy prices, have pushed many people to make their homes hermetic as much as possible, reducing the air ventilation rate; it means that the quantity of outside air supplied by the infiltration through casing and fixtures is no longer sufficient to provide the necessary air exchange. Nowadays, in order to assess the minimun ventilation rate, there are several standards and guidelines, based on various parameters; however, it is still necessary a better knowledge of indoor air quality requirements rested on wellness goals, comfort and performance energy and all sources’ emission rates. This project aims at using an extended model for CO2 decay as a diagnostic tool to assess air infiltration rate in a building; an alternative method to the standard procedures, provided from the current state of the art, is suggested for an accurate building envelope classification. Such a method results to be more efficient from a logistic and economic point of view, of easy application, nevertheless able to maintain a high target accuracy.

La tesi si propone di analizzare le attuali metodologie per la gestione del processo edilizio e le prospettive che queste possono avere, in parallelo allo sviluppo delle possibilità e competenze informatiche raggiunte dal settore della progettazione e costruzione dell'architettura. Tali metodologie vengono introdotte e analizzate mediante un esteso approfondimento storico e dello stato dell'arte, al fine di meglio definire il quadro di riferimento e gli indirizzi delle linee di ricerca del settore. Nella parte sperimentale, si riportano i risultati ottenuti dall'impiego del prototipo informatico sviluppato. Questo applicativo combina le potenzialità della modellazione informativa dell'edificio (BIM) con tecniche di Intelligenza Artificiale, in tre casi studio. I risultati dimostrano chiaramente i vantaggi, in termini economici e di durata del cantiere, e aprono la strada ad ulteriori sviluppi delle sinergie tra informatica e ingegneria per l'architettura.

I professionisti e gli accademici concordano nel ritenere che il progetto di recupero sia un processo complesso che richiede un'organizzazione e un'analisi della conoscenza degli artefatti storici efficienti. Il processo è molto critico a causa delle ambiguità dei flussi di lavoro e degli scambi di informazioni, della dispersione della documentazione e dell'uso di strumenti inadeguati per ridurre i rischi causati da questi aspetti. Le organizzazioni e i professionisti del patrimonio sono sempre più interessati a sperimentare metodologie innovative e metodi operativi per affrontare le incertezze intrinseche al contesto. Negli ultimi dieci anni, gli esperti nella rappresentazione digitale degli edifici esistenti hanno guidato discussioni e sperimentazioni sull'uso dell'approccio BIM (Building Information Modelling), la cui concettualizzazione risale agli anni settanta. Tuttavia, questo approccio ha implicazioni e sviluppi nei settori della costruzione, delle infrastrutture e della produzione, specialmente nel presente e in proiezione verso il futuro, grazie all'evoluzione degli strumenti e i metodi digitali propri dell’Industria 4.0, che migliorano le relative metodologie. Gli studi più recenti riguardano la verifica della fattibilità di metodi e strumenti per risolvere le criticità inerenti al processo di gestione del progetto di recupero degli edifici, al fine di ridurre i rischi di errori nella valutazione dello stato di conservazione, in primo luogo, e quindi nella decisione di strategie di intervento. La propensione è verso la ricerca di un approccio olistico in grado di gestire una varietà di risorse che generano dati e informazioni e diversi metodi analitici per il consolidamento della conoscenza, al fine di comprendere le specificità e la complessità delle istanze del patrimonio costruito. Questo interesse ha investito l'ambiente accademico e professionale su scala internazionale ed è in linea con le esigenze e i problemi specifici legati al progetto di recupero a livello nazionale. In pratica, l'interesse è stato trasformato in obblighi di legge, come prima nel contesto inglese, ed ora, in quello italiano. In effetti, il CIC (Construction Industry Council) e il governo britannico hanno condotto il programma per sostenere la formazione degli attori all'interno del processo di costruzione nell'ottica di attuare il mandato del governo che imponeva la gestione dei progetti nel settore pubblico con la metodologia BIM entro il 2016. In Italia, il Decreto Ministeriale 560, 1 ° dicembre 2017, che attua il Codice degli appalti (d.lgs. n. 50/2016), definisce le modalità e i tempi della transizione al BIM delle amministrazioni aggiudicatrici, delle amministrazioni e degli operatori economici, i metodi e gli strumenti elettronici specifici. Questo cambio di paradigma coinvolge anche il recupero degli edifici esistenti, suggerendo una configurazione più adeguata dell'approccio BIM. In questo caso, l’ingegneria inversa non ha più lo scopo di tradurre il rilievo geometrico mediante fotogrammetria o scansioni laser in piante, prospetti e sezioni bidimensionali, piuttosto come punto di partenza per la modellazione tridimensionale, aspirando a passare dalla modellazione solida agli oggetti parametrici, descritti geometricamente e semanticamente. Sebbene siano stati fatti progressi significativi nella ricerca e nello sviluppo di prodotti commerciali per automatizzare questo processo in presenza di oggetti con geometrie primitive semplici, sono ancora necessarie ulteriori indagini sugli elementi architettonici con morfologia complessa. A questo proposito, le linee di ricerca stanno sfruttando il potenziale delle NURBS (Non Uniform Rational Basis-Splines) e mesh per rappresentare in modo accurato elementi quali le volte e gli oggetti a forma libera, come ad esempio i gruppi scultorei. In primo luogo, alcuni studi hanno sottolineato la necessità di divulgare una biblioteca di oggetti parametrici di componenti architettonici, continuamente aggiornata. Tuttavia, è solo negli ultimi quattro anni che è emersa la necessità di colmare una lacuna nell'approccio HBIM (Historic Building Information Modelling), l’estensione del BIM agli edifici esistenti) perché potrebbe essere efficacemente utilizzato nel processo di recupero. Questo gap riguarda l'integrazione di metodi di valutazione delle prestazioni, diagnostica e monitoraggio all'interno di un sistema strutturato per il controllo di qualità del progetto, in termini di ottimizzazione dei tempi, costi e limitazione di errori nella diagnosi e nella scelta della linea di intervento. Pertanto, la ricerca presentata in questo lavoro dottorale ha iniziato ad indagare i metodi per l'arricchimento semantico del modello durante alcune fasi importanti del processo di recupero, al fine di raggiungere il livello di sviluppo appropriato in termini di contenuto informativo, introdotto dalla UNI EN 11337: standard 4-2017 nel progetto di restauro. Gli studi di dottorato sono indirizzati all’indagine riguardante la rappresentazione della conoscenza, metodi e strumenti per collegare le diverse fonti di dati e informazioni (documentazione cartacea originale, rilievo geometrico, test diagnostici, sensori di monitoraggio strutturale e ambientale, ecc.), con una propensione allo sviluppo di sistemi dedicati ad automatizzare la diagnosi e supportare la scelta progettuale, resa possibile dalla versatilità degli strumenti BIM basati su tecnologie informatiche avanzate (database relazionali e piattaforme cloud altamente personalizzabili). In questa prospettiva, viene presentata una proposta metodologica DA-HBIMM (Modellazione e gestione delle informazioni sull'edilizia storica assistita dalla diagnosi), con l'obiettivo di automatizzare il processo di diagnosi mediante algoritmi di ragionamento, basato su una solida base di conoscenza sui fenomeni di degrado e lesionativi e supportare i progettisti nella scelta di interventi coerenti. I quadri umidi e lesionativi, così i fenomeni patologici, sono mappati in viste 2D e 3D e il database correlato mostra gli attributi semantici sulla descrizione dei danni, immagini, cause potenziali e ulteriori dati e informazioni. Il modello viene aggiornato tramite le attività di monitoraggio. Questo modello specifico dell'edificio in uno stato di degrado, può essere collegato al 4D-HBIM, la simulazione temporale delle trasformazioni e degli interventi nel tempo, al fine di supportare il rilevamento dei danni connessi con precedenti attività antropiche. L'innovazione dell'approccio si basa sulla possibilità di visualizzare, attraverso strumenti di interrogazione, l'oggetto nel modello e le sue proprietà selezionate, per ottenere la più efficiente condivisione della conoscenza per tutti gli stakeholders coinvolti (progettisti, imprenditori, proprietari e potenziali utenti). In particolare, i quadri umidi/lesionativi e le condizioni di degrado possono essere isolati e analizzati nei loro contenuti informativi, mantenendo le loro relazioni topologiche all'interno del modello. Inoltre, il repositorio è in grado di gestire le informazioni ottenute da test in situ e di laboratorio finalizzati alla accurata caratterizzazione materico-costruttiva dell'edificio e dei suoi componenti. L'originalità del metodo DA-HBIMM nel supportare la diagnosi può consentire la riduzione di ulteriori danni alla struttura e indirizzare la scelta della soluzione più coerente per il recupero funzionale, il consolidamento strutturale e il retrofit energetico. Pertanto, la ricerca è stata programmata per obiettivi: prima, la revisione critica dello stato dell’arte inerente ai metodi e agli strumenti esistenti del BIM applicato al recupero per identificare lacune nella conoscenza, organizzando lo stato dell’arte per tipologia di intervento (retrofitting energetico e rinforzo strutturale); successivamente sono stati eseguiti i test di alcuni dei processi individuati in letteratura e presentati nuovi metodi al fine di superare le lacune individuate nei correnti approcci metodologici e strutturarne una proposta. Le applicazioni presentate nell'area di ricerca sono diversificate per testare la flessibilità della metodologia che può essere configurata in base alla specificità del caso in questione, poiché è una metodologia che trova applicabilità a livello internazionale, quindi in contesti costruttivi e infrastrutture diversificate per tradizioni culturali, bisogni sociali e sistemi di costruzione. Il passo successivo è l'implementazione di una piattaforma HBIM, completamente dedicata al recupero e alla gestione dell'edificio permettendo il monitoraggio strumentale in tempo reale e la visualizzazione delle condizioni ambientali dell'edificio. In questo caso, la gestione degli edifici esistenti durante la fase operativa è completamente possibile, prima e dopo le operazioni di retrofitting energetico. In questo modo, è possibile fornire suggerimenti sulle attività di mitigazione quando le condizioni termo-igrometriche non soddisfano le soglie di riferimento per il comfort degli occupanti, il consumo di energia deve essere ridotto o quando la salute e la sicurezza degli utenti sono a rischio. L'approccio metodologico proposto è dedicato allo sviluppo dell'automazione del ragionamento inferenziale sfruttando le potenzialità dei sistemi computazionali, dei metodi di Image Processing e Surface analysis verso l’implementazione dell'Intelligenza Artificiale, promuovendo il passaggio da una collaborazione file-based ad una di tipo data-based che rappresenta una maturità BIM di Livello 3 ed una maggiore interoperabilità.
The technical and scientific debates agree considering the refurbishment project a challenging process that requires an efficient organization and analysis of the knowledge about the historic artefacts. It is very critical as a result of ambiguities of workflows and information exchanges, dispersion of documentation and the use of inadequate tools to reduce risks caused by these issues. The heritage organisations and professionals are more and more interested in experimenting with innovative methodologies and operative methods to deal with the uncertain context. In the last ten years, discussions and experiments have been undertaken among experts in digital representation of existing buildings about the use of the Building Information Modelling (BIM) approach, whose conceptualization dates back to the seventies. Nevertheless, this approach has implications and developments in the building, infrastructure and manufacturing domains especially in the present and in projection to the future, thanks to the evolution of the digital tools and methodologies of Industry 4.0 that improve the related methodologies. The most recent studies concern with verifying the feasibility of methods and tools for solving the critical issues inherent in the process of managing the building refurbishment project, in order to reduce the risks of errors in the assessment of the conservation status, firstly, and then in the decision about intervention strategies. The proclivity is towards the search for a holistic approach able to manage a variety of resources generating data and information and different analytic methods for knowledge consolidation, in order to understand the specificities and the complexity of the instances of built heritage. This interest has invested the academic and professional environment at international scale and it is in line with the specific needs and problems linked to the refurbishment project at national level. In practice, interest has been transformed into legal obligations as previously occurring in the English context and now in the Italian one. In effect, the CIC (Construction Industry Council) and the British Government led the program to support the formation of the actors within the construction process in the optics of implementing the government's mandate that projects in the public sector would have been managed with the BIM methodology by 2016. In Italy, the Ministerial Decree 560, 1st December 2017, implementing the Procurement Code (Legislative Decree No. 50/2016), defines the methods and timing of the transition to the BIM of the contracting authorities, administrations and economic operators, the obligatory methods and specific electronic tools. This paradigm shift also involves the refurbishment of existing buildings, prompting a more adequate configuration of the BIM approach. In this case, the reverse engineering has no longer the purpose of translating the geometric survey by photogrammetry or laser scans into 2D plants, elevations and sections, rather being a starting point for three-dimensional modelling, aspiring to move from the solid modelling to parametric objects, geometrically and semantically described. Although significant progress was made in research and development of commercial products for automating this process in presence of objects with simple primitive geometries, further investigation is still needed about architectural elements with complex morphology. In this regard, research lines are exploiting the potential of NURBS (Non Uniform Rational Basis-Splines) and meshes in order to accurately represent elements such as vaults and free-form objects, such as sculptural groups. Some studies have underlined, first of all, the need to disseminate a library of parametric objects of architectural components, continuously updated. However, it is only in the last four years that the need to fill a gap in the HBIM approach emerged, because it could be effectively used in the refurbishment process. This gap concerns the integration of methods of performance evaluation, diagnostics and monitoring within a structured system for quality control of the project, in terms of optimization of time, costs and limitation of errors in diagnosis and choice of the intervention line. Therefore, the current research began to investigate the methods for the semantic enrichment of the model during some important phases of the refurbishment process, in order to achieve the appropriate Level of Development in terms of information content, as introduced by the UNI EN 11337: 4-2017 standard in the restoration project. The doctoral studies are being directed towards investigation concerning the representation of knowledge, methods and tools for connecting the different sources of data and information (original paper documentation, geometric survey, diagnostic tests, structural and environmental monitoring sensors, etc.), with a propensity to develop systems devoted to automate diagnosis and support the choice of design, made possible by the versatility of BIM tools based on advanced information technologies (relational databases and cloud platforms, highly customizable). In this perspective, a methodological proposal DA-HBIMM (Diagnosis-aided Historic Building Information Modelling and Management) is introduced, with the aim of automating the diagnosis process by means of algorithms of reasoning, based on a solid Knowledge Base about the phenomena of degradation and failure, and supporting designers in choosing coherent interventions. The damp and crack patterns, so the degradation phenomena, are mapped in 2D and 3D views and the related database shows the semantic attributes about description of damages and building pathologies, images, potential causes, and further data and information. The model is updated through monitoring activities. This specific model, related to the building in a state of decay, can be connected to the 4D-HBIM, the temporal simulation of the transformations and interventions over time, implemented with intervention, in order to support the detection of damages connected with previous human activities. The innovation of the approach is based on the possibility of visualizing, through interrogation tools, the object in the model and its selected properties, to obtain the most efficient sharing of knowledge for all the stakeholders involved (designers, contractors, owners and potential users). In particular, the damp/crack patterns and degradation instances can be isolated and analysed in their informative contents, maintaining their topological relationships within the model. Furthermore, the repository can manage the information obtained from in situ and laboratory tests aimed at the accurate material and technical characterization of the building and its components. The originality of the DA-HBIMM method in supporting the diagnosis may allow the reduction of further damage to the structure and direct the choice of the most coherent solution for functional recovery, structural consolidation and energy retrofit. Hence, the research was planned by objectives: first, the critical review of the state of the art inherent to the existing methods and tools of BIM applied to refurbishment aimed at identifying gaps in knowledge, organizing the state of the art for typology of intervention (energy retrofitting and structural reinforcement); subsequently, the tests of some processes, identified in the literature, were performed and new methods were presented in order to overcome the gaps recognised in the current methodological approaches and to propose a methodological approach. The applications presented in the research area are diversified in order to test the flexibility of the methodology that can be configured according to the specificity of the case in question, since it is a methodology that finds applicability at international level, therefore in building contexts and infrastructures diversified by building culture, social needs and building systems. The next step is the implementation of a HBIM platform, completely dedicated to the refurbishment and management of the building for the real-time instrumental monitoring and the visualization of in-use conditions of the building. In this case, the management of existing buildings during the operation phase is fully possible, before and after refurbishment operations. In this way, reports and suggestion about mitigation activities can be provided when the thermo-hygrometric conditions do not meet the reference thresholds for occupant comfort, energy consumption must be reduce, or health and safety are at risk. The proposed methodological approach is devoted to be developed towards the automation of inferential reasoning by exploiting the potentials of computational systems, methods of Image Processing and Surface analysis in the direction of the implementation of Artificial Intelligence, promoting the transition from a file-based collaboration to a data-based type, representing a Level 3 BIM maturity and greater interoperability.

Abstract By considering project performance along the various phases of the project life-cycle, this paper aims to fill a gap in the literature on cost overruns and project management in Italy. Employing a large dataset of Italian transport infrastructure projects for roads, started and completed during the period 2000-2013, it applies the same methodology used by the construction management research regarding project types and phases. More specifically, the research goal is to assess the generating process of the magnitude of cost overruns in the sample, trying to evaluate the role of cost evolution by project phase distinguish between the costs of physical execution and the other costs. The findings show that contracting authorities seem to overestimate the extent of the final costs systematically. This behaviour was more important in term of financial coverage. The results can be relevant to explain the cost overruns in the execution stage suggesting the adoption of more stringent rules in budgeting and financial coverage of the projects.
Abstract This paper aims at analyzing the impact of the design phase on the performance in the realization of public works. In the literature, the design phase is largely recognized as one of the possible determinants of inefficiency in public works execution. Notwithstanding, empirical evidence on the topic remains scarce. Using a large dataset of public works awarded in Italy in the period 2008-2014, we investigate empirically the relationship between different choices made in the design phase and the performance in public works execution. Our empirical findings show that the presence of an external designer is associated with higher cost and time renegotiations. The issue is especially relevant for small municipalities that more heavily rely on external designers, possibly because of the limited expertise of their technical offices. From a public policy perspective, our findings offer some support to the recent reform of the Italian public procurement regulation that has introduced new accreditation requirements for the contracting authorities.
Abstract Cost overruns are an endemic feature of transport infrastructure provision all over the world. In the last decades, a considerable amount of studies has been devoted to assessing the magnitude and determinants of cost overruns in the transportation sector. However, empirical findings are scattered among different strands of literature, ranging from the fields of construction engineering and management to that of applied economics. To shed light on the determinants of cost overruns in the execution of transport infrastructure projects, we conduct a systematic review of the empirical literature on the topic. Of the 945 articles retrieved, 26 articles published between the years 2000 and 2016 meet our inclusion criteria. For them, we describe the different empirical approaches, provide a classification of the determinants employed in the analyses and summarise their impact on cost overruns. Finally, we discuss some directions and concerns for further research in the field.

Il settore delle costruzioni, è ormai noto, contribuisce fortemente al problema ambientale. Le attività antropiche di tale comparto producono modificazioni sempre più significative e diversificate sull’ecosistema, molto spesso di tipo irreversibile. In uno scenario siffatto, gli ultimi anni sono stati investiti dallo sviluppo di numerosi strumenti in grado di valutare il livello di sostenibilità degli edifici. Tra tutti, il metodo Life Cycle Assessment (LCA) rappresenta un approccio olistico per la valutazione degli effetti ambientali degli edifici con riferimento al loro intero ciclo di vita. LCA, infatti, è orientata al prodotto ed è una metodologia idonea a valutare tutte le fasi del processo edilizio, quali la costruzione, la manutenzione, la fase d’uso e di demolizione di un edificio. Tuttavia, allo stato attuale, l’approccio LCA per gli edifici possiede alcune limitazioni connesse alla natura stessa del processo edilizio. Il Building Information Modelling (BIM), quale innovativo approccio alla progettazione, consente in alcuni casi di superare suddette limitazioni. Tale potenzialità è garantita dalla possibilità, tra le altre, di poter gestire un’ingente mole di dati in un unico common data environment. Diversi studi hanno sviluppato work-flows utili alla conduzione di analisi LCA basate sul BIM ed è dimostrato come l’integrazione BIM-LCA sia sinonimo di miglioramento della performance ambientale degli edifici. La tesi fornisce un metodo per effettuare analisi LCA in tutte le fasi del processo progettuale. Inoltre, la tesi identifica e codifica tutte le variabili ambientali proprie della metodologia LCA implementabili in ambiente BIM per diventarne parte integrante del corredo informativo. Recenti applicazioni LCA basate sul BIM si riferiscono a modelli complessi applicabili solo a stadi avanzati del processo progettuale, laddove la raggiunta inflessibilità si traduce nella impossibilità di utilizzare le previsioni fatte in supporto dei processi decisionali. Ulteriori studi propongono approcci semplificati che, seppur utili nelle fasi iniziali della progettazione, risultano essere di difficile applicazione in quelle finali. È evidente la difficoltà nel condurre analisi LCA basate sul BIM in maniera coerente in tutte le fasi progettuali di un organismo edilizio. Inoltre, la maggior parte degli approcci impiega il modello BIM solo come un database utile a estrarre dati di carattere geometrico e quantitativo, omettendo, difatti, informazioni rilevanti nella conduzione di una LCA. La tesi fornisce un metodo per l’applicazione della LCA nel corso dell’intero iter progettuale mediante l’impiego di dati BIM quanto più accurati in relazione alla fase progettuale di riferimento. Il metodo proposto prevede l’utilizzo di differenti database LCA che riflettono i diversi livelli di sviluppo (Levels of Development, LODs) degli elementi BIM. Poiché, nelle prassi progettuali, gli elementi del modello non sono realizzati tutti al medesimo LOD in una determinata fase, le valutazioni LCA sono effettuate adoperando differenti database in maniera coerente. Il metodo è testato su un edificio residenziale multipiano. Il framework proposto fornisce informazioni sulla performance ambientale degli edifici utili nel processo di decision-making durante l’intero iter progettuale. Tuttavia, una LCA completa richiede informazioni aggiuntive rispetto ai soli dati quantitativi e geometrici. Pertanto, la tesi codifica tutti i parametri concorrenti all’impatto ambientale che possono essere impiegati nel modello BIM come parametri progettuali. Essi, dapprima strutturati all’interno di un flow-chart, sono testati su un caso di studio atto a definirne la completezza con riferimento alle necessità informative di una LCA. I parametri così strutturati migliorano l’affidabilità e la coerenza del flusso informativo condiviso tra modello BIM e strumenti LCA.
The Architecture, Engineering and Construction sector is responsible for a significant proportion of the world’s environmental impact. Several tools have been developed and are now applied to calculate the sustainability level of buildings. Life Cycle Assessment (LCA) is widely recognized to be a suitable and holistic method to evaluate the environmental impact of the construction, maintenance, operation, and demolition stage of buildings. However, LCA is currently hindered by a number of limitations in the construction industry. Building Information Modelling (BIM) has gained attention as it provides opportunities to manage a large amount of data in a common data environment. As such, BIM makes it possible to overcome some specific issues of the LCA. Several studies have developed BIM-based LCA frameworks, and researches acknowledge the integration of LCA in BIM as a way of improving the environmental performance of buildings. The focus of the thesis is the development of a method to perform the LCA throughout all the building design process phases. Furthermore, the thesis provides a method for identifying and coding all the relevant variables involved in the LCA calculation, which can be implemented into the building information model as BIM parameters. From an analysis of the literature review, two different trends are identified. Current BIM-LCA approaches use complex models in detailed design phases, when it is late for major changes, or simplified approaches only applicable in early design stages. As such, none of them provide the way for conducting a BIM-led LCA throughout the entire building design process. Furthermore, most of the existing approaches only use BIM as storage of materials and components quantities information, without providing a way to implement all the relevant LCA data within the BIM. In this context, the thesis proposes a method for applying continuous LCA over the entire building design process by using the data from BIM with as much accuracy as possible in each design stage. The method uses different LCA databases with different levels of detail for the specific Level of Development (LOD) of the BIM elements. Since the building elements are not modelled with identical LODs in each design phase, the LCA is conducted by consistently mixing the databases, which is possible as long as the databases use identical background data. The method is tested on a multi-family house. The framework helps to provide information for decision-making throughout the whole design process, both in the early design phases and later phases with a more detailed BIM. Nevertheless, a full LCA requires further information, which is not only related to the materials and components quantities. To this end, the thesis provides a framework to map all the variables responsible for the environmental impacts, which can be employed as BIM parameters. A flow-chart is proposed in order to structure the design parameters responsible of the environmental impacts throughout the lifecycle stages of buildings. The proposed parameters, which are tested on a case study, are found to be sufficient for conducting the LCA. Hence, the identified parameters, when implemented in the BIM environment, could potentially improve the reliability and consistency of the sharing information process between the building information model and the LCA tool.