Cantieri edili 4.0, massima sicurezza ed efficienza

Il sistema costruttivo 4.0 rappresenta l’evoluzione digitale dell’intero ciclo edilizio, ci permette di immaginare come saranno costruiti gli edifici in futuro: dalla progettazione alla manutenzione, combinando tecnologie come BIM, AI, stampa 3D, digital twin, droni e sensori IoT.

Queste tecnologie, saldamente integrate tra di loro, hanno di recente cambiato il modo di concepire la progettazione perché permettono un avanzamento di livello soprattutto nell’ambito della gestione dei dati e quindi dall’efficienza energetica, alla sostenibilità, alla sicurezza.

Uno scenario tra scienza e robotica che fino a poco tempo fa sembrava futuristico e che adesso si sta facendo sempre più concreto, un nuovo approccio che non ha solo cambiato gli strumenti di produzione ma ha anche spostato i luoghi della progettazione e della costruzione, con strutture che vengono prima progettate in laboratorio e poi integralmente realizzate in loco, rivedendo drasticamente dispositivi e tecniche di costruzione, che si avvicinano sempre di più a nuove discipline scientifiche e ridisegnando l’aspetto del cantiere che appare un po’ come un laboratorio, pulito, controllato in ogni sua sezione, sgombro di elementi superflui, super ordinato, dove ogni elemento ha un significato ben preciso, assolve alla sua funzione e soprattutto non lascia residui, perché tutto è calcolato a monte.

L’applicazione di tali tecnologie è relegata ancora a un ambito ristretto di lavori, ma i team multidisciplinari di tecnici, ingegneri e progettisti sostengono che si tratti di una realistica finestra sul futuro.

DFAB HOUSE è una delle prime case abitate che è stata progettata e costruita in gran parte con tecnologie digitali, come robot e stampanti 3D. Si trova a Dübendorf (Svizzera), all’interno dell’edificio NEST, un centro per la ricerca e l’innovazione.

La casa è frutto del lavoro del Politecnico di Zurigo (ETH) con aziende del settore. Alcuni elementi architettonici, come un soffitto in cemento stampato in 3D e una parete curva realizzata da un robot, mostrano le nuove possibilità offerte dalla costruzione digitale.

DFAB HOUSE è anche una casa intelligente: ha tecnologie domotiche avanzate, come elettrodomestici connessi, persiane automatiche, sistemi antifurto intelligenti e una gestione ottimizzata dell’energia.

Pannelli solari sul tetto producono più energia di quella che la casa consuma. Inoltre, grazie a innovazioni nel recupero del calore e nel riscaldamento dell’acqua, la casa risparmia energia e riduce gli sprechi. Il progetto mostra come la collaborazione tra ricerca e industria possa portare innovazioni concrete nel settore edilizio, rendendo la costruzione non solo più efficiente, ma anche più sostenibile.

Le principali tecnologie delle costruzioni 4.0

Le costruzioni 4.0 derivano dall’applicazione dei principi dell’industria 4.0 al settore dell’edilizia e delle costruzioni, principi come: IoT (Internet of Things), ovvero sistemi di sensori connessi che monitorano in tempo reale macchinari, materiali, condizioni ambientali, sicurezza; BIM (Building Information Modeling), la modellazione digitale dell’edificio per migliorarne la progettazione, la gestione e la manutenzione; utilizzo di droni per il rilievo, il monitoraggio dei lavori e la sicurezza; realtà aumentata e virtuale (AR/VR) per visualizzare i progetti, formare il personale o ispezionare virtualmente; intelligenza artificiale e analisi dei dati per ottimizzare tempi, costi e risorse; ma anche macchine autonome o semi-autonome, escavatori, gru o robot che automatizzano alcune fasi operative e sistemi di tracciamento e sicurezza avanzata per il controllo accessi e la protezione dei lavoratori.

Il più grande beneficio di questa rete di tecnologie così articolata e concepita (in grado di pianificare, gestire e monitorare i cantieri) è che riduce praticamente a zero il margine di errore, ma è anche vero che nel presente il sistema è appannaggio di poche grandi imprese costruttive, visti i costi e le risorse tecniche e infrastrutturali che richiede.

BIM e Intelligenza Artificiale: un’accoppiata vincente per la progettazione avanzata

Il Building Information Modeling consiste nel disegnare un edificio al computer utilizzando un modello digitale tridimensionale.

Ma non è solo un disegno, dentro questo modello ci sono tutte le informazioni utili, ad esempio: che materiali verranno usati, quanto costerà,
quanto tempo ci vorrà,
come funzioneranno gli impianti (luce, acqua, riscaldamento)
e che cosa succederà se, per esempio, si desidera spostare un muro.
In pratica, il BIM è come un “gemello digitale” dell’edificio reale, che aiuta architetti, ingegneri e costruttori a collaborare meglio, evitare errori e risparmiare tempo e soldi. I lavori basati sul BIM possono ridurre i costi di progetto fino al 20%, è quanto si evince da alcune autorevoli piattaforme scientifiche di data base come ScienceDirect, dell’editore olandese Elsevier. E sempre da questa piattaforma emerge come IA e Machine Learning, integrati con i dati BIM permettono l’automazione della pianificazione, la rilevazione di potenziali rischi o problemi (clash detection, ritardi, inefficienze logistiche), e la predizione di scostamenti costi/tempi. E grazie all’Internet of Things, i sensori connessi monitorano in tempo reale macchinari, materiali, condizioni ambientali, sicurezza.

Stampa in 3D in edilizia: una rivoluzione in atto

La stampa 3D è utilizzata per prefabbricare elementi costruttivi direttamente in sito. Negli ultimi anni, la stampa 3D è entrata anche nel mondo dell’edilizia, portando con sé nuove possibilità per progettisti e costruttori.

Si tratta di una tecnologia che permette di “stampare” elementi costruttivi (e in alcuni casi interi edifici) strato dopo strato, utilizzando materiali come il calcestruzzo o miscele speciali. I principali benefici di questa tecnica costruttiva sono tempi di costruzione molto più rapidi, meno sprechi di materiale e maggiore libertà nella forma degli edifici. Con la stampa 3D, infatti, si possono realizzare facilmente strutture curve, dalle forme organiche, o particolari, che sarebbero costose e complesse con i metodi tradizionali.

Questa tecnologia è ancora in fase di sviluppo, ma ha già mostrato il suo potenziale: sono state costruite case, uffici e perfino ponti in diverse parti del mondo. In futuro, potrebbe diventare una soluzione utile per affrontare emergenze abitative, costruire in aree difficili o ridurre l’impatto ambientale del settore edile.

Lo studio MCA Mario Cucinella Architects ha di recente realizzato un anfiteatro con la tecnica della stampa 3D sull’isola di San Servolo, a Venezia. Ispirato alla forma di un fiore, l’anfiteatro ha forme organiche e armoniose, e guarda alla laguna. Il cantiere ha coinvolto l’azienda Erratic srl di Valdagno, specializzata nella fabbricazione di robot industriali per usi molteplici, tra cui anche la stampa 3D.

A marzo 2024, durante l’evento SXSW ad Austin, la società statunitense ICON ha presentato nuove tecnologie per costruire case in modo più veloce, economico e sostenibile grazie alla stampa 3D, ai robot e all’intelligenza artificiale.

Le novità includono: Phoenix™, un robot che stampa case a più piani, dimezzando i costi; CODEX™, un catalogo digitale con oltre 60 modelli di case pronti da stampare; CarbonX™, un materiale da costruzione a basso impatto ambientale; Vitruvius™, un’intelligenza artificiale che progetta case in base alle esigenze delle persone.

ICON ha anche premiato i migliori progetti di case di livello ed economiche con costo inferiore a 99.000 dollari. Alcune di queste saranno realizzate per aiutare persone senzatetto ad Austin.

Droni, sensori e gemelli digitali

Droni e sensori IoT sono ormai strumenti integrati: si occupano di rilievi topografici, stato di avanzamento dei lavori, monitoraggio ambientale e di sicurezza e alimentano i modelli BIM/Digital Twin in tempo reale.

I droni consentono di raccogliere rapidamente immagini e dati precisi del terreno, utili per creare modelli 3D aggiornati, seguire l’avanzamento dei lavori e documentare tutto in modo dettagliato. Inoltre, migliorano la sicurezza riducendo i rischi per il personale. I sensori intelligenti e l’Internet of Things, permettono di monitorare in tempo reale vari parametri del cantiere, come vibrazioni, temperatura, umidità, stabilità e presenza di operatori.

Questi dati aiutano a prevenire problemi, migliorare l’organizzazione del lavoro e garantire la qualità, grazie a un controllo continuo e alla manutenzione predittiva.

I gemelli digitali (in inglese digital twins) sono repliche digitali di oggetti fisici, processi o sistemi presenti in un cantiere edile. Rappresentano un’evoluzione fondamentale della digitalizzazione nel settore delle costruzioni e collegano il mondo fisico a quello virtuale in tempo reale.

Un gemello digitale è un modello virtuale dinamico che riproduce fedelmente un oggetto fisico (es. gru, macchinari, edifici, infrastrutture), riceve e trasmette dati in tempo reale da sensori IoT, simula il comportamento, lo stato e le prestazioni di quell’oggetto, permette di prevedere, monitorare e ottimizzare processi e operazioni. Inoltre i gemelli digitali possono essere integrati con modelli BIM per fornire una visione completa del ciclo di vita dell’opera, dalla progettazione alla manutenzione post-costruzione. In pratica, un’impresa edile installa sensori su gru e veicoli nel cantiere e il gemello digitale riceve dati su: temperatura del motore, vibrazioni,
consumo carburante,
posizione GPS.
In base a questi dati: il sistema avvisa se un componente è vicino al guasto,
simula i percorsi più efficienti per movimentare i materiali, segnala se una zona è troppo affollata o pericolosa.

Italferr e FSTechnology, in collaborazione con Microsoft, usano droni per controllare lo stato di avanzamento dei lavori sulla nuova linea ferroviaria AV/AC Napoli-Bari. Il progetto, avviato nel 2019, sfrutta intelligenza artificiale, realtà aumentata e modellazione 3D. I droni raccolgono immagini e dati nei cantieri, che vengono poi analizzati per aiutare ingegneri a gestire meglio le costruzioni, migliorare la qualità e intervenire subito in caso di problemi (come rifiuti abusivi o rischi ambientali). Questo sistema permette di risparmiare tempo e costi, e rappresenta un passo importante verso la digitalizzazione dei cantieri. Oggi Italferr lavora con questa tecnologia in circa 200 cantieri, destinati a diventare 400 nei prossimi anni.

I benefici dell’edilizia 4.0

Secondo una recente notizia del Reuters, in Gran Bretagna, una fabbrica automatizzata che produce pannelli in legno per case consente di ridurre i tempi di costruzione di circa 10 settimane rispetto ai metodi tradizionali, con un risparmio sui costi di circa 2,8 % rispetto ai materiali in muratura.

La riduzione dei tempi e il risparmio di risorse sono sicuramente i due maggiori benefici dell’edilizia 4.0 ma no gli unici. Generalmente, l’adozione dell’automazione in cantiere migliora la produttività, e aumentano la precisione esecutiva, con effetti positivi su efficienza, costi, sicurezza e qualità.

Il BIM, obbligatorio nei bandi pubblici in Italia dal 2019 (per importo uguale o superiore a 100 milioni di euro) fino al 2025 (per importi maggiore o uguale a 1 milione di euro), secondo quanto stabilisce il Decreto n. 560/2017, detto anche “Decreto BIM”, favorisce qualità progettuale, coordinamento multidisciplinare e gestione intelligente dei cantieri.

Le tecnologie VR/AR permettono visualizzazioni immersive, formazione simulata, ispezioni virtuali, valutazioni progettuali reali, riducendo errori costosi e migliorando la comprensione del progetto. L’elaborazione di Big Data nel settore (gestito con AI, IoT, Digital Twin) permette di rilevare inefficienze, migliorare la manutenzione, ottimizzare la produzione e prevenire guasti, riducendo costi operativi e intensificando competitività.

In generale, le tecniche di computer vision (riconoscimento immagini/video via Deep Learning) possono automatizzare il controllo qualità, rilevare cricche o difetti, confrontare lo stato reale con il modello BIM, identificando discrepanze in tempo reale. Inoltre, l’automazione permette di delegare compiti pericolosi (demolizioni, lavori in quota) alle macchine, riducendo incidenti, affaticamento e rischi per i lavoratori e, sempre sul fronte della sicurezza,
la computer vision può monitorare automaticamente i comportamenti della sicurezza aumentando il controllo e prevenendo eventi gravi. Infine, in ottica ambientale, l’edilizia sostenibile può ridurre significativamente i materiali di scarto.

Le nuove competenze dell’edilizia 4.0

In un articolo di Conrad Boton e Daniel Forgues, professori dell’École de technologie supérieure di Montréal, si legge che con l’avvento delle costruzioni 4.0, molte tecnologie sostituiranno progressivamente questo ruolo umano, riducendo l’intervento dell’uomo e tendendo verso una fusione decentralizzata tra la realtà fisica e la sua rappresentazione nel cyberspazio. Tuttavia, nella fase di transizione che stiamo vivendo adesso, sembra che non sia tanto la presenza dell’uomo in questa filiera ad essere a rischio, quanto il carattere delle sue competenze, che devono necessariamente essere riviste.

I professionisti dell’edilizia 4.0 devono oggi padroneggiare strumenti digitali per la modellazione e la simulazione dei progetti, conoscere i principi della sostenibilità ambientale, interpretare dati in tempo reale e collaborare in ambienti virtuali multidisciplinari.

Competenze in ambito informatico, project management agile, cybersecurity e gestione dei big data diventano fondamentali per garantire l’efficienza e la competitività del settore. Le imprese sono chiamate a investire in formazione continua e a ripensare l’organizzazione del lavoro in chiave integrata e digitale. L’edilizia 4.0, infatti, non è solo una questione tecnologica, ma culturale: richiede un cambiamento di mentalità che favorisca l’innovazione, la collaborazione e l’adattabilità. In questo scenario, la figura del tecnico 4.0 emerge come un professionista ibrido, capace di connettere mondo fisico e digitale, con una visione sistemica del processo edilizio.

Boulder Park è un parco comunitario di 13.000 m² a Ji’nan, in Cina, che incorpora grandi massi, un materiale naturale che simboleggia l’eternità, con un’enorme grotta rocciosa costruita utilizzando il calcestruzzo stampato in 3D.

Il parco dimostra come la nuova tecnologia, la stampa 3D del calcestruzzo, possa valorizzare gli spazi pubblici, nel rispetto della cultura locale e dell’ambiente. Integrando elementi in calcestruzzo stampati in 3D con elementi naturali, offre uno spazio per il gioco, l’esplorazione e il contatto con la natura. Questo progetto esemplifica come gli elementi in calcestruzzo stampati in 3D si armonizzino con l’ambiente circostante, offrendo alla comunità un valore sia funzionale che estetico.

XISUI Design è un team multidisciplinare di architetti paesaggisti, architetti, installatori, ingegneri strutturali e designer parametrici. Molti membri hanno studiato all’estero e il team eccelle nella progettazione concettuale con approcci innovativi.

I macchinari intelligenti del cantiere 4.0

Il cantiere 4.0 è popolato da macchinari interconnessi, capaci di comunicare tra loro e con il sistema centrale, come escavatori e bulldozer a guida semi-automatica, dotati di GPS e sensori per lavorare con precisione millimetrica; gru intelligenti che ottimizzano i movimenti in base al carico e alle condizioni meteorologiche; robot muratori e posatori di mattoni, come Hadrian X (dell’azienda australiana FBR), un robot edile specializzato nella costruzione di case utilizzando blocchi di grandi dimensioni, che costruisce muri in tempi record; macchine per la stampa 3D del calcestruzzo, come quelle di ICON o WASP, in grado di realizzare case e moduli abitativi in poche ore e in generale tutti i veicoli autonomi per il trasporto dei materiali, che si muovono nel cantiere seguendo percorsi ottimizzati in tempo reale.

L’In situ Fabricator, sviluppato da Gramazio Kohler Research, un gruppo di ricerca in architettura e design digitale, con sede al Politecnico federale di Zurigo (ETH Zürich), è un robot mobile progettato per la costruzione in situ, cioè direttamente nel cantiere. Il suo scopo è assistere o sostituire i lavoratori edili nella fabbricazione di elementi costruttivi, come ad esempio reti in acciaio per muri in cemento armato o strutture autoportanti.

FAQ Costruzioni 4.0

Che cosa si intende per “Costruzioni 4.0”?

Il termine “Costruzioni 4.0” fa riferimento all’integrazione di tecnologie digitali avanzate nell’ambito dell’edilizia, ispirandosi ai principi dell’Industria 4.0. Include l’uso di strumenti come BIM (Building Information Modeling), sensori IoT, intelligenza artificiale, robotica e stampa 3D per rendere i processi di costruzione più efficienti, sicuri e sostenibili.

In che modo la tecnologia sta cambiando i cantieri?

I cantieri 4.0 utilizzano sensori, dispositivi connessi e software di monitoraggio in tempo reale per aumentare sicurezza, efficienza e controllo. Macchinari intelligenti, droni per rilievi aerei e software per la gestione dei dati rendono il lavoro più preciso e riducono i margini di errore.

Quali sono i vantaggi concreti per imprese e lavoratori?

Tra i principali benefici ci sono: riduzione dei tempi e dei costi, maggiore sicurezza per gli operai, controllo in tempo reale dello stato di avanzamento dei lavori, minore impatto ambientale e tracciabilità completa del progetto. Inoltre, la formazione dei lavoratori si evolve, aumentando la qualificazione professionale.

Quali sono le tecnologie più utilizzate nei cantieri 4.0?

Nei cantieri 4.0 si adottano tecnologie come: BIM per la progettazione collaborativa e il monitoraggio del ciclo di vita dell’edificio; Droni per il rilievo e la sorveglianza del sito; Sensori IoT per monitorare in tempo reale struttura, sicurezza e consumi; Macchinari automatizzati e robotica per ridurre errori e aumentare la produttività; Realtà aumentata (AR) e virtuale (VR) per la formazione e la simulazione dei lavori.

Le costruzioni 4.0 sono accessibili solo alle grandi imprese o anche alle PMI?

Sebbene le tecnologie più avanzate siano spesso adottate inizialmente da grandi gruppi, oggi molte soluzioni digitali sono scalabili e disponibili anche per le piccole e medie imprese, grazie a costi sempre più accessibili e a piattaforme cloud semplificate.

Il BIM è obbligatorio in Italia?

In Italia il BIM (Building Information Modeling) è obbligatorio per gli appalti pubblici sopra determinate soglie economiche, secondo quanto stabilito dal Decreto n. 560/2017 del Ministero delle Infrastrutture e dei Trasporti (noto anche come “Decreto BIM”). Questo decreto ha introdotto un cronoprogramma progressivo di obbligatorietà. Attualmente, il BIM è obbligatorio per tutti gli appalti pubblici di nuova progettazione, senza soglie di importo.

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