AI, infinte potenzialità per l'edilizia
Dalla produzione di materiali alla progettazione e gestione del cantiere: alla scoperta della rivoluzione 5.0.
di Francesca Negri
Ridurre i costi di costruzione, automatizzare il lavoro, incrementare i livelli di sicurezza nei cantieri, massimizzare l’efficienza e la produttività. Questo può fare l’utilizzo delle tecnologie di intelligenza artificiale (AI dall’inglese Artificial Intelligence) nel settore delle costruzioni: un mondo di potenzialità tutte ancora da esplorare.
Le tecnologie digitali e la loro integrazione sono un elemento chiave per sostenere l’evoluzione del comparto ma, ciò nonostante, quello dell’edilizia è ancora uno dei settori meno digitalizzati dell’economia. Con l’eccezione del Building Information Modelling (BIM), sono poche le digital technology ampiamente adottate. Eppure, la digitalizzazione va oltre l’uso del BIM e comprende l’acquisizione dei dati, l’automazione dei processi e altre tecnologie digitali di informazione e analisi. Insomma, non stiamo parlando di un futuro immaginario ma di qualcosa che è ormai una realtà – la AI – che entrerà sempre di più nelle nostre vite e nel nostro lavoro.
«Anche in edilizia, uno dei settori storicamente più tradizionali e complessi per l’alto numero di soggetti costituenti la filiera, oltre che per la forte incidenza di manodopera, l’intelligenza artificiale avrà un impatto potenzialmente dirompente – affermano dall’Associazione Nazionale Costruttori Edili –, e porterà notevoli benefici in tutte le fasi di attività, a patto che la transizione, sia pur rapidissima, sia guidata dal fattore umano e dall’etica. È, peraltro, questo il principio alla base della “rivoluzione 5.0”, ovvero il digitale sostenibile, l’alleanza tra le nuove tecnologie, come l’intelligenza artificiale, l’automazione, ecc. e la loro dimensione umanistica, fondata sul rispetto della persona e sull’obiettivo del miglioramento della società nei suoi diversi ambiti».
Se il settore delle costruzioni è un motore fondamentale dell’economia europea e mondiale – la società internazionale di consulenza McKinsey & Company stima infatti siano circa 10mila miliardi i dollari spesi in beni e servizi legati all’edilizia ogni anno –, soffre però di diversi problemi come: la carenza di manodopera, la competitività, le criticità legate all’efficienza di risorse ed energia e la produttività, cresciuta meno di un terzo rispetto al settore manifatturiero (rispettivamente 1,0% contro 3,6%) negli ultimi due decenni.
A queste problematiche può porre rimedio la forza innovatrice dell’intelligenza artificiale.
Infatti, «un’azienda che utilizza l’intelligenza artificiale sfrutta fino a 40 volte in più il suo potenziale», spiega Pasquale Viscanti, co-founder di Intelligenza Artificiale Spiegata Semplice, la più grande community italiana dedicata alla scoperta dell’AI.
Il termine intelligenza artificiale si riferisce alla capacità di alcuni sistemi computerizzati di imitare le funzioni cognitive umane finalizzate alla risoluzione di problemi, al riconoscimento di schemi e all’apprendimento. L’apprendimento automatico, in particolare, può essere considerato come un sottoinsieme dell’AI che ha lo scopo di fornire ai sistemi informatici la capacità di “apprendere” dai dati, dall’esperienza e dalla realtà circostante. Nel settore delle costruzioni, l’intelligenza artificiale e l’apprendimento automatico rappresentano un vero e proprio punto di svolta.
L’AI è parte integrante di tecnologie digitali che si stanno progressivamente ricavando spazio nel settore delle costruzioni ma è soprattutto una colonna portante dell’economia a livello europeo, contribuendo a quasi il 9% del PIL e fornendo 18 milioni di posti di lavoro. Sono quasi 6mila i player del settore AI in Europa tra aziende, istituzioni governative e istituti di ricerca, e sono quasi 2mila i brevetti depositati per soluzioni di intelligenza artificiale (fonte dati AI Watch - Landscape Dashboard del Joint Research Centre della Commissione europea).
COSTRUIRE 4.0
Ma quali sono le tecnologie che porteranno all’affermarsi di questa nuova era dell’edilizia?
Il BIM, ça va sans dire, sarà sempre più utilizzato per creare rappresentazioni digitali di edifici e infrastrutture, consentendo di prendere decisioni più informate durante l’intero ciclo di vita del progetto e di usare tecniche di prefabbricazione e costruzione modulare che possono ridurre i costi e migliorare l’efficienza. I droni sono l’altra tecnologia che si sta diffondendo massivamente per i rilievi, le ispezioni e il monitoraggio, in quanto si possono raccogliere dati in modo rapido e sicuro. Un altro esempio è poi l’uso della realtà aumentata per sovrapporre informazioni digitali su ambienti reali, fornendo dati in tempo reale e ausili visivi per migliorare la sicurezza e l’efficienza.
E si arriva poi all’intelligenza artificiale (AI), l’altro segmento della digitalizzazione che offre vantaggi significativi nell’intero ciclo di vita del progetto, soprattutto come supporto alla pianificazione.
Le tecnologie dotate di intelligenza artificiale hanno, infatti, la capacità di gestire autonomamente e in breve tempo un’enorme quantità di parametri e variabili aiutando i professionisti dell’edilizia a pianificare qualunque aspetto relativo alla progettazione, costruzione o gestione di un’opera.
Seppure l’impiego sia ancora embrionale, l’implementazione dell’intelligenza artificiale consente di incrementare la produttività, prevenire l’aumento dei costi, affrontare la carenza di manodopera e migliorare i processi di gestione delle strutture.
Le prime applicazioni reali hanno dimostrato un potenziale di aumento fino al 40% della produttività del lavoro e del completamento del progetto, con un risparmio di oltre il 10% del budget, come segnalato già nel 2020 da uno studio della Global Consulting Roland Berger.
Ad esempio, i sistemi AI per la gestione dei progetti di cantiere possono aiutare i costruttori a prevedere i ritardi della messa in opera analizzando i dati storici e identificando le variabili che potrebbero causare problemi ma anche ottimizzare l’allocazione delle risorse analizzando i dati sull’utilizzo delle attrezzature, dei materiali e sulla produttività.
Grazie ad algoritmi di deep learning – metodo d’intelligenza artificiale che insegna ai computer a elaborare i dati in un modo che si ispira al cervello umano – si possono riconoscere modelli nei grandi volumi di dati, riconoscere tendenze e prevedere risultati o ancora intercettare in anticipo lo sforamento del budget, valutare danni strutturali e monitorare la salute strutturale.
L’AI può migliorare la sicurezza nei cantieri, attraverso tecnologie di visione artificiale per monitorare il comportamento e i potenziali rischi per la sicurezza, come ad esempio lavoratori che non indossano l’equipaggiamento di sicurezza appropriato o lavorano in condizioni non sicure. Inoltre, i sistemi di manutenzione predittiva possono aiutare a ridurre i tempi di inattività delle strumentazioni e a prolungare la durata dei macchinari analizzando i dati sull’utilizzo degli stessi e identificando potenziali problemi di manutenzione, portando a una maggiore efficienza e risparmi sui costi. Anche nella fase finale del ciclo di vita dell’edificio, l’uso dell’intelligenza artificiale può essere prezioso per migliorare la gestione dei rifiuti da costruzione e demolizione.
Il settore genera 374 milioni di tonnellate di rifiuti in Europa e l’AI può prevederne la produzione, inoltre se combinata con sensori appropriati (per esempio infrarossi) può selezionare gli inerti a seconda della tipologia di materiale anche in ottica di riciclo come dimostrato dallo studio Development of a Prediction Model for Demolition Waste Generation Using a Random Forest Algorithm Based on Small DataSets della sud coreana Dankook University, in cui sono stati impiegati algoritmi di machine learning per prevedere la generazione di rifiuti da costruzione e demolizione da un set di dati (regione, struttura dell’edifico, destinazione d’uso, materiali per le coperture e per le pareti) di 784 edifici residenziali.
PROGETTARE CON L’AI
L’intelligenza artificiale presenta varie modalità di applicazione e può agevolare anche il processo di disegno e modellazione degli edifici. L’AI può supportare architetti e progettisti mediante il generative design, un approccio data-driven basato sul machine learning che si serve di software a intelligenza artificiale e utilizza algoritmi per analizzare ed esplorare le possibili opzioni di progettazione fino a generare soluzioni che soddisfino una serie di vincoli e obiettivi. Questa applicazione offre, inoltre, un miglioramento della modellazione 3D e maggiori stimoli creativi su più scale, da quella urbana a quella del quartiere e del singolo edificio. Anche le attività di rendering ed editing grafico possono trarre beneficio dalle generative AI usate per snellire e accelerare la progettazione edilizia preliminare esplorando (a livello figurativo) diverse idee progettuali generate utilizzando prompt testuali per creare immagini.
Infine, l’integrazione tra BIM e AI porta vantaggi al progettista come la facilitazione dell’estrazione di set di dati da modelli informativi, l’interazione tra diversi player, le verifiche di conformità agli standard normativi (model checking) e la compilazione automatica dei modelli con le informazioni (model completion). Negli ultimi anni sono stati sviluppati software in grado di eseguire – in seguito a modifiche dei parametri originali – controlli automatici della conformità di tutti i tipi di regole e interferenze calcolabili, compresi i piani meccanici, elettrici e idraulici, senza un controllo umano diretto, riducendo così in modo significativo il tempo richiesto per approvare i progetti di costruzione.
AI IN EDILIZIA: ESEMPI VIRTUOSI NELLE UNIVERSITÀ
C’è chi sta già usando con successo l’AI: è il caso della startup Reconstruct, nata nel 2016 dall’incubatore EnterpriseWorks e avviata da alcuni docenti dell’University of Illinois Urbana Champaign, che impiega tecniche di computer vision (campo dell’intelligenza artificiale che permette di ricavare informazioni significative da immagini digitali, video e altri input visivi), per mettere a punto soluzioni di monitoraggio dei progressi e di controllo della qualità su progetti di costruzione. Negli ultimi due anni ha conosciuto una crescita del 300% e ha ottenuto importanti finanziamenti, l’ultimo dei quali di 17,3 milioni di dollari. Lo stesso ateneo dell’Illinois, insieme ad alcuni docenti della Carnegie Mellon University, sta promuovendo la nascita del National Institute for Artificial Intelligence in Construction – anche grazie al supporto di 40 partner industriali – per sostenere attività di ricerca e coordinamento al fine di stabilire collaborazioni tra i ricercatori di AI, del campo delle costruzioni e i partner dell’industria con l’obiettivo di formare un centro di ricerca e sviluppo che metta al centro l’impiego dell’intelligenza artificiale in edilizia.
Anche in Italia c’è chi studia possibili applicazioni di tecniche di intelligenza artificiale in edilizia, dalla progettazione alla costruzione. Uno di questi è Fulvio Re Cecconi, docente del Dipartimento di architettura, ingegneria delle costruzioni e ambiente costruito del Politecnico di Milano ed esperto di building technology e construction management: «Ci sono diversi aspetti critici e complessità da risolvere in edilizia e nel settore delle costruzioni. Uno dei modi migliori per risolverli è proprio utilizzando l’intelligenza artificiale. Certo, richiede una certa preparazione e capacità di leggere la grande quantità di dati creati durante il processo costruttivo, spesso destrutturati e a rischio di essere dispersi. Tuttavia, l’AI è lo strumento migliore per rispondere alle sfide presenti e future».
Il docente e due suoi dottorandi stanno conducendo ricerche differenti per ambito applicativo, ma con una finalità analoga, su come applicare tecniche AI nel settore dell’edilizia, anche in ambito manutenzione e ristrutturazione. L’uso di reti neurali, attraverso una nuvola di punti ottenuti con un rilievo ricavato mediante scanner, ha permesso di individuare le parti architettoniche, anche non comuni, di un edificio complesso come il Duomo di Milano che rappresentano informazioni preziose sia per svolgere interventi di manutenzione (una volta creato il digital twin), ma anche per fornire informazioni storico-culturale per l’utente finale.
IL PUNTO DI VISTA DEI PRODUTTORI DI MATERIALI E PARTNER BigMat
Ma gli operatori del settore in Italia a che punto sono con l’AI? Abbiamo chiesto ad alcuni produttori e brand partner di BigMat di raccontarci le loro esperienze e punti di vista.
Knauf Italia, ad esempio, sta portando avanti numerosi progetti all’interno dell’azienda che mirano, a tutti i livelli e in tutti i processi, a utilizzare l’intelligenza artificiale per migliorarne l’efficienza e la qualità dell’offerta. Gli stabilimenti produttivi, ad esempio, elaboreranno tutti i loro dati di processo grazie ad algoritmi AI, con l’obiettivo di arrivare a una più completa conoscenza del processo e a una predizione di potenziali difetti nella qualità del prodotto e a una manutenzione predittiva. I processi aziendali non sono l’unico campo di applicazione dell’intelligenza artificiale, ma coinvolgono tutta la filiera e l’intero ciclo di vita degli edifici impattando significativamente sul mondo costruito, la sua efficienza e la sua gestione. È per questo che Knauf Italia sta promuovendo anche ricerche e studi in collaborazione con importati enti di ricerca e Università (l’ultimo in ordine di tempo con l’Università della Svizzera USI) volti a contribuire alla crescita e alla trasformazione dell’intero settore, impegnandosi così a promuovere non solo comportamenti virtuosi ma anche una conoscenza diffusa sui temi dell’innovazione tecnologia e dei processi lungo tutta la filiera grazie all’AI. «Il settore delle costruzioni è da sempre considerato uno dei più tradizionali e restii al cambiamento. Tuttavia, negli ultimi anni, l’avvento di tecnologie innovative come l’intelligenza artificiale sta aprendo a nuove possibilità e sfide per il comparto – afferma Damiano Spagnuolo, marketing e product director di Knauf Italia –. L’AI, infatti, ha il potenziale di rivoluzionare e influenzare sensibilmente l’intera filiera produttiva contribuendo alla sua crescita; è per questo che è un’opportunità da non perdere».
Poi c’è Carimali design water_space, brand di Calflex Srl, che fa uso di algoritmi derivanti dall’intelligenza artificiale nella schedulazione del processo produttivo. «I benefici di questa applicazione – fanno sapere dall’azienda – si traducono in una riduzione di errori e inefficienze, cercando di minimizzazione i costi di produzione e riducendo i tempi di elaborazione attraverso la simulazione di piani produttivi. L’AI interviene anche nella rilevazione ed elaborazione del tempo medio impiegato nella fase di assemblaggio per un determinato articolo. Questo dato viene utilizzato per avere una stima temporale della procedura e migliorare l’efficienza produttiva. Nonostante l’AI comporti innumerevoli vantaggi, sarebbe sbagliato non parlare anche delle sue criticità, come la dipendenza tecnologica e il limite di un database alimentato dalla stessa fonte dati. In entrambi i casi il rischio è quello di generare un output che non sempre coincide con un dato realmente applicabile».
Ancora in fase di sviluppo l’applicazione di AI per la gestione del magazzino e dell’archivio, la profilazione e l’elaborazione di modelli predittivi della domanda grazie all’utilizzo di algoritmi di machine learning per «analizzare i dati storici delle vendite di rubinetti, considerando fattori come la stagionalità, le tendenze di mercato, le promozioni passate e le influenze esterne (ad esempio, condizioni meteorologiche); questo può aiutare a identificare modelli e tendenze che possono essere utilizzati per prevedere la domanda futura».
Più naturale per le software house come Maticad approcciarsi all’AI. Ne è un esempio RealityRemod, innovativa web app che, grazie alla potenza dell’intelligenza artificiale, è in grado di riconoscere pavimenti e rivestimenti direttamente da una foto, permettendo di sostituire i materiali da rivestimento, in modo da vedere in anteprima l’impatto cromatico ed estetico di nuove possibili alternative. RealityRemod si avvale dell’intelligenza artificiale per riconoscere da una foto dell’ambiente sia le superfici sia tutti gli oggetti presenti nella scena, in modo da poter intervenire poi specificatamente su ciascuno di questi con sostituzioni di elementi mantenendo la giusta prospettiva. Grazie alla computer vision e alla generative AI, infatti, RealityRemod compie uno screening dell’immagine e permette in un secondo momento all’utente di inserire pavimenti e rivestimenti direttamente sulla foto.
AI, IL FUTURO SONO LE CITTÀ
Parlare dell’utilizzo dell’intelligenza artificiale in edilizia è riduttivo se si pensa al singolo edificio e non al contesto urbano. C’è già chi guarda avanti e immagina il volto delle città di domani. Uno dei progetti più recenti, del 2024, è il Purdue Laboratory for Future-Ready Infrastructure (FuRI Lab), presso la statunitense Purdue University, che intende condurre ricerche all’avanguardia contando sulla «ricchezza senza precedenti di dati, capacità di simulazione avanzate, tecnologie di rilevamento e automazione, e strumenti di progettazione e visualizzazione 4D, disponibili oggi per ottimizzare la progettazione e la gestione delle infrastrutture». A dirigerlo è l’italiano Claudio Martani, che spiega: «L’ambito di ricerca su cui opererà il Lab è focalizzato sullo sviluppo di modelli innovativi per valutare il livello di flessibilità, resilienza e reattività/adattività delle infrastrutture, necessari per gestire l’incertezza futura e creare interventi ottimali di riduzione del rischio per la costruzione e le infrastrutture». Come spiega Martani, il FuRI Lab lavorerà su due filoni, ossia sviluppare idee progettuali capaci di minimizzare gli effetti dell’incertezza futura e modellare scenari per la validazione economica di scelte di questo genere: «L’impiego dell’AI è prezioso per supportare la progettazione e la gestione di infrastrutture future-ready nel lungo termine, aiutando a definire in modo mirato i punti di attivazione ottimali per intraprendere determinate azioni di adattamento».
Più il quadro è complesso (controllo luci, regolazione luminosità interna, gestione parametri temperatura, umidità, qualità dell’aria indoor, ecc.), più gli algoritmi di intelligenza artificiale, specificatamente allenati, permettono di attivare determinate azioni sulla base delle condizioni e delle esigenze sapendo fornire azioni di risposta grazie alla possibilità di imparare. Insomma, l’AI diventerà uno strumento indispensabile per la progettazione delle città e bisogna essere pronti ad accogliere questa tecnologia.
ETICA E FATTORE UMANO
Recentemente il dibattito globale sulla dimensione etica dell’intelligenza artificiale ha avuto un’accelerazione marcata, grazie anche alle iniziative regolatorie intraprese da diverse istituzioni, in primis a livello europeo. In questo quadro si innesta l’AI Act, il primo progetto normativo al mondo, promosso della Commissione europea, per stabilire regole condivise in grado di coniugare le enormi potenzialità di questa tecnologia con il rispetto dei diritti fondamentali e della sicurezza.
«Nel settore delle costruzioni, così come in ogni settore industriale, l’intelligenza artificiale dovrà essere adottata e sfruttata in modo critico – sottolinea Ance – come un nuovo e formidabile strumento a supporto del decisore, e non come una delega “in bianco” alla macchina, questo sì il vero rischio di tale innovazione».
Dobbiamo ricordare anche l’importanza del fattore umano nel settore delle costruzioni, se la tecnologia può dare un notevolmente supporto, il comparto deve essere incentrato su un solido pensiero critico che deve sempre verificare e interpretare dati e modelli in relazione al loro contesto di utilizzo. Con la consapevolezza che questi strumenti faranno sempre più parte della quotidianità, i professionisti e le imprese dell’edilizia dovranno formarsi adeguatamente per comprenderne e sfruttarne le infinite potenzialità.
Poi c’è Carimali design water_space, brand di Calflex Srl, che fa uso di algoritmi derivanti dall’intelligenza artificiale nella schedulazione del processo produttivo. «I benefici di questa applicazione – fanno sapere dall’azienda – si traducono in una riduzione di errori e inefficienze, cercando di minimizzazione i costi di produzione e riducendo i tempi di elaborazione attraverso la simulazione di piani produttivi. L’AI interviene anche nella rilevazione ed elaborazione del tempo medio impiegato nella fase di assemblaggio per un determinato articolo. Questo dato viene utilizzato per avere una stima temporale della procedura e migliorare l’efficienza produttiva. Nonostante l’AI comporti innumerevoli vantaggi, sarebbe sbagliato non parlare anche delle sue criticità, come la dipendenza tecnologica e il limite di un database alimentato dalla stessa fonte dati. In entrambi i casi il rischio è quello di generare un output che non sempre coincide con un dato realmente applicabile».
Ancora in fase di sviluppo l’applicazione di AI per la gestione del magazzino e dell’archivio, la profilazione e l’elaborazione di modelli predittivi della domanda grazie all’utilizzo di algoritmi di machine learning per «analizzare i dati storici delle vendite di rubinetti, considerando fattori come la stagionalità, le tendenze di mercato, le promozioni passate e le influenze esterne (ad esempio, condizioni meteorologiche); questo può aiutare a identificare modelli e tendenze che possono essere utilizzati per prevedere la domanda futura».