Tesi di Laurea Ingegneria dell'edilizia - Martini Gabriele

Politecnico di Milano

Dipartimento di Architettura Urbanistica e Ingegneria delle Costruzioni

Corso di Laurea in Ingegneria dell’Edilizia

La realtà aumentata e la realtà virtuale come fonti di rinnovo del settore edile

Relatore: Prof. Giuseppe Martino Di Giuda

Correlatore: Prof.ssa Valentina Villa

Tesi di Laurea: Gabriele Martini

Matr. 772466

Anno Accademico 2015-2016

Ringraziamenti

Desidero ringraziare tutti coloro che hanno reso possibile la stesura di tale elaborato di tesi. Innanzitutto l’ufficio del professor Di Giuda, punto di riferimento per fondamentali consigli tecnici e pareri sul tema. Ringrazio inoltre i miei genitori che hanno reso possibile questo percorso formativo, e tutti coloro che mi hanno supportato e sopportato in esso.

Per ultimo, ma non in ordine di importanza, ringrazio la mia ragazza Eleonora, che mi è stata a fianco fin dall’inizio dei miei studi, e in particolare mi ha sostenuto in questo lavoro. Tutte le persone citate hanno svolto un ruolo fondamentale nella stesura della tesi, ma desidero precisare che ogni errore o imprecisione è solamente a me imputabile.

Sommario

Nelle fasi che interessano un progetto di costruzione edile si fa ancora ampiamente ricorso ad un approccio di tipo tradizionale, basato su supporti cartacei e desktop. Come ampiamente dimostrato da molti studi e ricerche, tale metodo si è rivelato poco efficace e soggetto a errori. Da molti anni si sta quindi cercando di adattare alcune tecnologie, già impiegate in altri ambiti, nel settore edile, in modo da migliorare diversi suoi aspetti.

Il seguente lavoro di tesi si prefigge la presentazione delle principali tecnologie che attualmente hanno le maggiori potenzialità di migliorare e massimizzare la produttività complessiva del sistema delle costruzioni edili. Viene quindi esposto un quadro generale, che si concentra principalmente sulle tecnologie di Virtual Reality (VR) e Augmented Reality (AR), raggruppando in esso tutte le questioni e le soluzioni assunte al fine di integrare al meglio questi strumenti nel processo di costruzione.

Tale studio è stato svolto sulla base di un’analisi approfondita che ha interessato circa 100 testi, tra cui ricerche, report di convegni, articoli scientifici e riviste, redatti da esperti e università, che da diversi anni risultano attive nella ricerca e nello sviluppo di queste tecnologie per il settore edile. L’analisi delle bibliografie di ulteriori 400 testi trattanti il medesimo argomento, ha consentito di integrare la valutazione di adozione e ricerca di tali tecnologie nel mondo, con un focus dettagliato per Stati Uniti e Regno Unito. Per supportare ulteriormente quanto scritto, è stata svolta un’indagine, in modo da valutare la conoscenza di questi strumenti tra i professionisti operanti in Italia. Tale ricerca si presta al confronto tra i dati raccolti sul suolo americano, e quelli ottenuti mediante il suddetto questionario.

Prima di procedere nella trattazione dettagliata di queste tecnologie vengono presentate le loro caratteristiche, la loro storia e lo sviluppo nel panorama mondiale. Successivamente saranno approfonditi i vari ambiti di applicazione di settore, con le relative difficoltà affrontate per consentire la loro adozione. A tal proposito sono inoltre discussi alcuni esempi significativi di casi studio specifici, attuati per verificare l’applicabilità della Virtual Reality e Augmented Reality. A conclusione dello studio sono infine presentati i lavori futuri e i miglioramenti, volti a promuovere l’adozione e l’innovazione nel settore delle costruzioni.

Keywords: Miglioramento della progettazione, Virtual Design and Construction, Processo di costruzione, Virtual Reality e Augmented Reality

Indice dei contenuti

• Capitolo 1 Introduzione ................................................................................................... 1
• Capitolo 2 Contesto dell’attività di ricerca ................................................. 5
• 2.1 Tema della ricerca .................................................................................................................. 5
• 2.2 Obiettivi generali ................................................................................................................... 6
• 2.3 Fonti di ricerca ........................................................................................................................ 7
• 2.4 Metodo di ricerca e valutazione .......................................................................................... 8
• Capitolo 3 Quadro generale ....................................................................................... 11
• 3.1 Virtual Design and Construction ...................................................................................... 11
• 3.1.1 Definizione e caratteristiche ............................................................................................ 12
• 3.1.2 Cenni storici ....................................................................................................................... 13
• 3.1.3 Differenze tra BIM e VDC ................................................................................................ 16
• 3.2 Virtual Reality & Augmented Reality .............................................................................. 18
• 3.2.1 Definizione e caratteristiche ........................................................................................... 18
• 3.2.2 Differenze tra AR e VR .................................................................................................... 21
• 3.2.3 Cenni storici ...................................................................................................................... 22
• 3.2.4 Principali dispositivi e strumenti di attuazione .......................................................... 26
• 3.2.5 Ambiti di applicazione ..................................................................................................... 33
• Capitolo 4 Applicazioni di realtà virtuale e aumentata nel settore edile ........................................................................................................................... 39
• 4.1 Stato dell’arte nel panorama mondiale ........................................................................... 39
• 4.2 Principali applicazioni e utilizzi ........................................................................................ 48
• 4.2.1 Formazione ........................................................................................................................ 49
• 4.2.2 Sicurezza ........................................................................................................................... 52
• 4.2.3 Informazioni di progetto ................................................................................................ 54
• 4.2.4 Pianificazione del progetto ............................................................................................. 55
• 4.2.5 Progettazione della costruzione ..................................................................................... 57
• 4.2.6 Marketing .......................................................................................................................... 60
• 4.2.7 Progettazione urbana ..................................................................................................... 62
• 4.2.8 Prefabbricazione ............................................................................................................. 64
• 4.2.9 Rilievo in sito .................................................................................................................... 66
• 4.2.10 Attuazione del programma di costruzione ................................................................ 67
• 4.2.11 Opere di manutenzione e gestione del costruito ........................................................ 69
• 4.3 Problematiche e sfide affrontate ..................................................................................... 72
• 4.4 Soluzioni assunte per migliorare l’adozione ................................................................. 74
• Capitolo 5 Esempi di applicazione .......................................................................... 81
• 5.1 Caso studio 1 – Walt Disney Concert Hall ...................................................................... 82
• 5.2 Caso studio 2 – Future Home ............................................................................................... 87
• 5.3 Caso studio 3 – School of Architecture and Landscape Architecture .................... 89
• 5.4 Caso studio 4 – Lecture Hall 600 ...................................................................................... 92
• 5.5 Caso studio 5 – UCSF Mission Hall .................................................................................. 95
• 5.6 Considerazioni critiche ....................................................................................................... 96
• Capitolo 6 Indagine sullo stato dell’arte in Italia ...................................... 99
• 6.1 Metodo di indagine .............................................................................................................. 100
• 6.2 Presentazione del questionario ...................................................................................... 101
• 6.3 Lavori correlati .................................................................................................................. 104
• 6.4 Risultati di indagine ........................................................................................................... 106
• 6.5 Analisi dei risultati ............................................................................................................ 116
• 6.6 Confronto con ricerche modello ................................................................................... 119
• Capitolo 7 Lavoro futuro ........................................................................................... 121
• 7.1 Miglioramenti e innovazioni tecnologiche ................................................................... 121
• 7.2 Sviluppi futuri ...................................................................................................................... 123
• 7.3 Importanza della formazione ........................................................................................... 128
• 7.4 Promozione nel settore edile ........................................................................................... 130
• Capitolo 8 Considerazioni conclusive ............................................................ 133
• Bibliografia di riferimento ..................................................................................... 137

Indice delle figure

• Figura 3.1 – Processo logico della progettazione gestita attraverso il metodo della Virtual Design and Construction 12
• Figura 3.2 – Ivan Sutherland’s al lavoro con una delle prime applicazioni CAD (1960s) 14
• Figura 3.3 - Utilizzo integrato di Building Information Modeling e Virtual Design and Construction 17
• Figura 3.4 – Dispositivo di Virtual Reality impiegato in studio per visualizzare i progetti 18
• Figura 3.5 – Immagine stereoscopica visualizzata attraverso occhiali di Virtual Reality 20
• Figura 3.6 – Sensorama (Norton Heiling), predecessore degli strumenti di Virtual Reality 23
• Figura 3.7 – Headsight, primo display indossabile per visualizzazioni in Virtual Reality 23
• Figura 3.8 – VCASS, simulatore di volo per la formazione militare 24
• Figura 3.9 – VIEW, prima applicazione nel settore astronautico di un sistema di Virtual Reality 25
• Figura 3.10 – I-Glasses (a sinistra), precursori degli attuali dispositivi di Augmented Reality, i Google Glass (a destra) 26
• Figura 3.11 - Esempio di Cave for Automated Virtual Environment 27
• Figura 3.12 – Oculus Rift, esempio di Head Mounted Display 28
• Figura 3.13 – Esempio di Immersive WorkBench 29
• Figura 3.14 – DAQRI, elmetto intelligente 31
• Figura 3.15 – Ambiente di Virtual Reality generato con l’ausilio incrociato di Revit e Unity3D 32
• Figura 3.16 - Sessione di gioco di un videogame in ambiente virtuale 33
• Figura 3.17 – Il futuro dell’educazione con lezioni svolte mediante il supporto delle tecnologie virtuali 34
• Figura 3.18 – Visualizzazione in ambiente virtuale di un antico tempio greco non più interamente esistente 35
• Figura 3.19 – Impiego della Virtual Reality per presentare al pubblico automobili Volvo 35
• Figura 3.20 – Operazione chirurgica svolta con l’ausilio di visori 36
• Figura 4.1 - Cartina geografica raffigurante la distribuzione della conoscenza della AR e VR nel settore edile 43
• Figura 4.2 - Cartina geografica raffigurante le università attive nel Regno Unito sul tema della AR e VR nel settore edile 45
• Figura 4.3 - Cartina geografica raffigurante le università attive negli Stati Uniti d’America sul tema della AR e VR nel settore edile 47
• Figura 4.4 – Virtual Reality impiegata durante una sessione di formazione universitaria 50
• Figura 4.5 – Esperimento della Virginia Polytechnic Institute and State University 51
• Figura 4.6 – Studio dei piani di evacuazione all’interno di un ambiente virtuale con personale specializzato 53
• Figura 4.7 – Discussione del progetto in una riunione tra progettisti all’interno di un ambiente virtuale 58
• Figura 4.8 – Modello fisico di parte di edificio realizzato per lo studio di criticità 59
• Figura 4.9 – Spazio adibito nelle vicinanze del cantiere, dedicato al sistema CAVE per la vendita di appartamenti 61
• Figura 4.10 - Visualizzazione di impianti ed elementi nascosti, per la progettazione mediante la realtà aumentata 62
• Figura 4.11 – Modello di edificio assemblato all’interno di un ambiente virtuale (a sinistra), unendo elementi prefabbricati contenuti in libreria (a destra) 65
• Figura 4.12 – Controllo dell’avanzamento della costruzione in cantiere mediante l’Augmented Reality 68
• Figura 4.13 – Operazione di manutenzione e controllo di impianti di un edificio mediante l’utilizzo di un tablet e applicazioni di Augmented Reality 70
• Figura 4.14 – Valutazioni di domini strutturali mediante strumenti di Augmented Reality per dissesto di edificio adibito ad uffici 71
• Figura 4.15 – Revisione di un progetto di rinnovo urbano attraverso la Mixed Reality 74
• Figura 4.16 – Dispositivi mobili che consentono l’esplorazione virtuale del cantiere 77
• Figura 5.1 – Walt Disney Concert Hall, Los Angeles, 2003 82
• Figura 5.2 – Suddivisione del modello di edificio in macro-aree 84
• Figura 5.3 – Collaborazione del team di progetto all’interno di un ambiente CAVE 85
• Figura 5.4 – Dettaglio del soffitto della sala da concerto con modello BIM (a sinistra) e relativa messa in opera in cantiere (a destra) 86
• Figura 5.5 – Edificio interamente progettato e gestito in ambiente virtuale per il progetto FutureHome 87
• Figura 5.6 – School of Architecture and Landscape Architecture, Pennsylvania State, 2005 90
• Figura 5.7 – Modellazione BIM dell’edificio successivamente importato in ambiente virtuale 91
• Figura 5.8 – Sessione di revisione tra subappaltatori coinvolti nel progetto 91
• Figura 5.9 – Lecture Hall 600, University of Helsinki, 2005 93
• Figura 5.10 – Sessione di revisione in CAVE tra soggetti coinvolti al progetto 94
• Figura 5.11 – Simulazione in ambiente virtuale del percorso delle particelle d’aria emesse da impianto di climatizzazione 94
• Figura 5.12 - UCSF Mission Hall, University of San Francisco, 2014 95
• Figura 5.13 – Progettazione e pianificazione della costruzione dell’edificio attraverso la tecnologia di Virtual Reality 96
• Figura 6.1 – Questionario di indagine mediante moduli Google 103
• Figura 6.2 – Esempio di risultati ottenuti da sondaggio Google 104
• Figura 7.1 – Utilizzo di QR Code in modo integrato con la tecnologia di Augmented Reality 125
• Figura 7.2 – Utilizzo in cantiere dell’elmetto DAQRI per la visualizzazione di informazioni di progetto 127

Indice delle tabelle

• Tabella 4.1 – Stato dell’arte nel panorama mondiale 41
• Tabella 4.2 - Stato dell’arte nel Regno Unito 44
• Tabella 4.3 - Stato dell’arte negli Stati Uniti d’America 46
• Tabella 6.1 - Generalità dei soggetti intervistati 107

Introduzione

Capitolo 1

Introduzione

In questo ultimo decennio, per via dell’aumento del numero di informazioni necessarie e della vasta gamma di soggetti coinvolti, la complessità dei progetti nel settore Architecture, Engineering and Construction (AEC), ha subito un incremento esponenziale. Questo scenario complica ancora di più il già articolato processo di progettazione di un edificio.

Ogni disciplina genera in esso, una propria rappresentazione delle parti del progetto, volta ad essere significativa per lo specifico compito che sta perseguendo. Le informazioni che si producono risultano quindi essere parecchie, diverse e frammentarie, con la necessità di continui aggiornamenti per soddisfare le esigenze di progetto. In questo modo si va a ridurre l’efficienza delle singole attività, in quanto, si rivela necessario un lavoro di reinterpretazione costante dei dati.

Oltre a ciò, la progettazione e la costruzione sono due processi dinamici, in quanto, entrambi sono costituiti da numerosi passaggi, i quali devono spesso essere svolti in parallelo. Tutte queste variabili, rendono più semplice l’influenza di disturbi nella costruzione, non prevedibili durante la fase di progettazione.

Per risolvere questi problemi, non è possibile assumere un metodo universale, in quanto ogni processo è in sé unico, e non può quindi essere pianificato e controllato in modo generale. E inoltre, l’approccio tradizionale di gestione del progetto, attuato mediante la suddivisione del lavoro nelle varie specializzazioni coinvolte, non è in grado di