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.

I

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 principiali 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 II

Indice dei contenuti

CAPITOLO 1 INTRODUZIONE ................................................................................................... 1

CAPITOLO 2 CONTESTO DELL’ATTIVITÀ DI RICERCA ................................................. 5

2.1 T R .................................................................................................................. 5

EMA DELLA ICERCA

2.2 O G ................................................................................................................... 6

BIETTIVI ENERALI

2.3 F R ........................................................................................................................ 7

ONTI DI ICERCA

2.4 M .......................................................................................... 8

ETODO DI RICERCA E VALUTAZIONE

CAPITOLO 3 QUADRO GENERALE ....................................................................................... 11

3.1 V D C ...................................................................................... 11

IRTUAL ESIGN AND ONSTRUCTION

3.1.1 Definizione e caratteristiche ............................................................................................ 12

3.1.2 Cenni storici ....................................................................................................................... 13

3.1.3 Differenze tra BIM e VDC ................................................................................................ 16

3.2 V R & A R .............................................................................. 18

IRTUAL EALITY UGMENTED EALITY

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 S ’ ........................................................................... 39

TATO DELL ARTE NEL PANORAMA MONDIALE

4.2 P ........................................................................................ 48

RINCIPALI APPLICAZIONI E UTILIZZI

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

III

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 P ..................................................................................... 72

ROBLEMATICHE E SFIDE AFFRONTATE

4.4 S ’ ................................................................. 74

OLUZIONI ASSUNTE PER MIGLIORARE L ADOZIONE

CAPITOLO 5 ESEMPI DI APPLICAZIONE .......................................................................... 81

5.1 C 1 – W D C H ...................................................................... 82

ASO STUDIO ALT ISNEY ONCERT ALL

5.2 C 2 – F H ............................................................................................... 87

ASO STUDIO UTURE OME

5.3 C 3 – S A L A .................... 89

ASO STUDIO CHOOL OF RCHITECTURE AND ANDSCAPE RCHITECTURE

5.4 C 4 – L H 600 ...................................................................................... 92

ASO STUDIO ECTURE ALL

5.5 C 5 – UCSF M H .................................................................................... 95

ASO STUDIO ISSION ALL

5.6 C ....................................................................................................... 96

ONSIDERAZIONI CRITICHE

CAPITOLO 6 INDAGINE SULLO STATO DELL’ARTE IN ITALIA .............................. 99

6.1 M .............................................................................................................. 100

ETODO DI INDAGINE

6.2 P ...................................................................................... 101

RESENTAZIONE DEL QUESTIONARIO

6.3 L .................................................................................................................. 104

AVORI CORRELATI

6.4 R ........................................................................................................... 106

ISULTATI DI INDAGINE

6.5 A ............................................................................................................ 116

NALISI DEI RISULTATI

6.6 C ................................................................................... 119

ONFRONTO CON RICERCHE MODELLO

CAPITOLO 7 LAVORO FUTURO ........................................................................................... 121

7.1 M ................................................................... 121

IGLIORAMENTI E INNOVAZIONI TECNOLOGICHE

7.2 S ...................................................................................................................... 123

VILUPPI FUTURI

7.3 I ........................................................................................... 128

MPORTANZA DELLA FORMAZIONE

7.4 P ........................................................................................... 130

ROMOZIONE NEL SETTORE EDILE

CAPITOLO 8 CONSIDERAZIONI CONCLUSIVE ............................................................ 133

BIBLIOGRAFIA DI RIFERIMENTO ..................................................................................... 137

IV

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

) 14

(1960

s

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 V

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 VI

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 VII

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 VIII 1

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