INDUSTRIALIZZAZIONE EDILIZIA E PREFABBRICAZIONE TRA

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L’idea di ottimizzare l’efficienza dei pro-cessi costruttivi attraverso la prefabbri-cazione degli elementi non è recente.

Fin dagli inizi degli anni Venti del Novecento il di-battito sorto intorno a standard tipologici e tecnici,prototipi di produzione, caratteristiche degli ele-menti ripetibili e intercambiabili, dimostra la vo-lontà di misurarsi con i problemi dell’industrializ-zazione edilizia, di cui si iniziarono a comprenderepotenzialità e limiti (Campioli, 1992). Già a partiredagli anni Settanta comincia a delinearsi una viainedita per l’industrializzazione edilizia, finalizza-ta, soprattutto, a un maggior controllo delle presta-zioni formali e tecnologiche di sistemi e compo-nenti (Bacigalupi, 1978; Nardi, 1981). La produ-zione off-site si trova infatti per la prima volta nellapossibilità di utilizzare procedure versatili e adatta-bili basate su sistemi integrati di lavorazione, fruttodi una combinazione efficiente di flessibilità e au-tomazione. Anche se contraddistinta da costi ele-vati, la comparsa di frammenti di Intelligenza Arti-ficiale all’interno del processo produttivo apre allaprefabbricazione nuove opportunità, capaci di ri-durre molte delle criticità che la avevano caratte-rizzata nei decenni precedenti. Dalla metà degli an-ni Ottanta, l’emergere del Digitale, del Parametri-co e dell’Informativo trasforma in profondità ilmodo di progettare e produrre architettura. I cam-biamenti epistemologici che affrontano i dominidel sapere progettuale, derivanti dalle potenzialitàcomputazionali degli strumenti digitali in tutte lefasi del processo, dischiudono indubitabilmentegrandi opportunità di sviluppo soprattutto per ilsettore della produzione industriale. Nuovi proces-si, soluzioni, strumenti e tecniche trasformano lastessa natura della produzione in fabbrica, a cui sirichiede di riformulare i concetti fondamentali delmanufacturing allo scopo di verificarne la appro-priatezza rispetto al ‘rivoluzionario’ campo di ri-cerca emergente (Landolfo, 2012; Barucco, 2015).

Le tecnologie digitali applicate all’industriapermettono di organizzare non solo i progetti in si-stemi parametrici basati su logiche di relazione traparti, offrendo la possibilità di alterare la configu-razione complessiva del sistema agendo sulle va-riabili poste alla base del processo progettuale, masoprattutto di introdurre nelle modalità produttivedi sistemi e componenti radicali innovazioni diprocesso e di prodotto. In tale ambito è chiaramen-te individuabile l’emergere di strumenti di digitalfabrication per la realizzazione di prodotti non

ABSTRACTIl presente contributo intende investigare le possibilitàofferte dai paradigmi di progettazione e produzionedell’Industria 4.0 nell’ambito del settore Architecture,Engineering & Construction, attraverso il coordinamen-to tra sistemi per la gestione integrata del processo pro-gettuale (Building Information Modeling) e strumenti perla prototipazione rapida (Computer Aided Manufactu-ring). Si propone un’interpretazione del significato cheuna trasformazione industriale del settore AEC ha per ilprogetto di Architettura, simulando una metodologia inambiente BIM per la progettazione di edifici ad uso resi-denziale in Cold-Formed Steel con involucri a secco,sfruttando le potenzialità della fabbricazione digitale edegli strumenti avanzati per il design computazionale.This paper aims to investigate the possibilities offered bythe design and production paradigms of Industry 4.0 inthe Architecture, Engineering & Construction industry,through the coordination between systems for the inte-grated management of the design process (Building In-formation Modeling) and rapid prototyping tools (Com-puter Aided Manufacturing). Is hereby proposed an inter-pretation of the meaning that an industrial transformationof the AEC industry takes over for the Architectural de-sign, simulating a methodology in a BIM environmentfor the design of residential buildings in Cold-FormedSteel with drywall envelopes, exploiting the potential ofdigital manufacturing and computational design ad-vanced tools.

KEYWORDSBIM, fabbricazione digitale, file to factory, lean produc-tion, off-site manufacturingBIM, digital fabrication, file to factory, lean production,off-site manufacturing

standardizzati a elevata customizzazione, svinco-lati oramai dai limiti produttivi degli scorsi decen-ni (Anderson, 2013). La diretta corrispondenzache si crea tra modellazione virtuale e produzionereale, si avvale infatti di tecnologie a controllo nu-merico (CNC – Computer Numerical Control) ca-paci di ‘aprire’ a illimitate modificazioni formali eprestazionali, guidando la trasposizione da virtua-le a reale attraverso un percorso protetto che tendea limitare i rischi di perdita di informazioni secon-do un flusso di lavoro file to factory (dal file allafabbrica), cioè traducendo con macchine di deri-vazione industriale dei modelli digitali diretta-mente in produzione.

Alla luce di ciò, in riferimento a un contestoeconomico globale caratterizzato dalla persistenteeredità di una profonda crisi finanziaria che ha im-pattato soprattutto il settore Architecture, Engi-neering & Construction, affiora la necessità di alli-neare il comparto delle costruzioni, tradizional-mente riluttante nei confronti delle innovazioni,agli altri settori produttivi, attraverso una trasfor-mazione in senso realmente industriale. L’elevatogrado di complessità delle opere di architettura eingegneria, oltre alla quantità e disomogeneità de-gli attori che compartecipano alla filiera, richiede-rebbe infatti una organizzazione del lavoro che fa-ciliti innanzitutto il controllo della qualità del pro-dotto nel rispetto dei requisiti prestazionali fornitidalla committenza e dalle normative. Le trasfor-mazioni in atto nel settore AEC derivanti dalla di-gitalizzazione di processi, prodotti e strumentistanno determinando infine profondi ripensamentisu ruoli e competenze dei differenti protagonistidel processo edilizio, ma soprattutto una rivisita-zione del concetto stesso dei luoghi all’interno deiquali vengono ‘prodotte’ le architetture: lo studiodi progettazione, l’industria, il cantiere, stanno in-fatti assumendo definitivamente paradigmi indu-striali di natura digitale che li rendono radicalmen-te differenti rispetto solo al decennio trascorso(Russo Ermolli, 2018).

Lo stato della filiera edilizia – Il comparto dell’in-dustria AEC si presenta come quello caratterizzatoda uno dei più bassi indici di digitalizzazione tratutti i settori produttivi, secondo la comparazionedi tre parametri, ossia: livello generale di digita-lizzazione dell’impresa (assets); transazioni, inte-razioni, processi relativi al business o relativi allecampagne e le strategie di marketing (usage); im-

AGATHÓN – International Journal of Architecture, Art and Design | n. 05 | 2019 | pp. 93-100ISSN: 2464-9309 (print) - ISSN: 2532-683X (online) - DOI: 10.19229/2464-9309/5102019

Sergio Russo Ermolli a, Giuliano Galluccio b

INDUSTRIALIZZAZIONE EDILIZIAE PREFABBRICAZIONETRA MATERIALITÀ E IMMATERIALITÀ

BUILDING INDUSTRIALIZATION

AND PREFABRICATION

BETWEEN MATERIALITY AND IMMATERIALITY

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patto delle nuove tecnologie sulla digitalizzazionedel lavoro (labor; McKinsey, 2016). Tale disavan-zo incide in relazione alla maggiore probabilità dipresenza di difetti nei prodotti, causati da erroridovuti a correzioni, conflitti e informazioni errateo incomplete; ostacola un’efficiente pianificazio-ne, altrimenti guidata da analisi della domanda se-condo metodi non aggiornati, generando un pro-blema di sotto/sovrapproduzione; contribuisce al-la perpetuazione di processi obsoleti che generanoattese, le quali spesso dipendono da una insuffi-ciente programmazione delle fasi del processoproduttivo (Fig. 1).

Tali problematiche sono imputabili al mancatoaggiornamento degli operatori del settore, la cui so-pravvivenza è connaturata all’avvio di processi dirinnovamento, attraverso l’introduzione di innova-zioni di prodotto, processo, organizzative o dimarketing (ANCE, 2016). Ciò non può dipenderedall’impegno del singolo soggetto, ma fa riferimen-to necessariamente al ridisegno dell’intero sistemae delle relazioni che intercorrono tra tutte le sue par-ti, partendo proprio dall’osservazione della genera-lizzata ed elevata frammentazione del sistema pro-duttivo italiano. Al confronto di altri comparti pro-duttivi, quello delle costruzioni si distingue per lapeculiarità del luogo finalizzato alla realizzazionedei suoi prodotti, ovvero il cantiere, che non con-sente l’attuazione di modelli di produzione basatisu flussi ‘snelli’ (Lean Manufacturing), tipici inve-ce dell’industria automobilistica o aerospaziale,nelle quali la produzione e l’assemblaggio dei pro-dotti finiti avviene tutta all’interno dell’officina/sta-bilimento, permettendo un maggiore grado di con-trollo qualitativo, automazione, riduzione dell’erro-re e di produzione di scarti di lavorazione (Kieran.2004; Fig. 2). In aggiunta, la filiera edile è ancorataa processi a cascata, di fasi linearmente sequenzialiche però non sono più in grado di soddisfare lacomplessità delle attuali esigenze del mercato.Questa condizione di inefficienza aggrava i tempidi realizzazione, i costi di produzione e gestione e leprestazioni dei prodotti in termini di impatto sul-l’ambiente e di consumi energetici1, particolarmen-te elevati proprio nel settore delle costruzioni.2

Lo sforzo normativo dell’ultimo decennio3 sul-l’impiego di strumenti di modellazione integrata

avanzata nelle attività di progettazione per le operepubbliche ha perseguito il fine di incoraggiare l’uti-lizzo del Building Information Modeling per i pro-getti edili e infrastrutturali finanziati con fondi pub-blici nell’Unione Europea, già a partire dal 2016.Con il Nuovo Codice degli Appalti4 anche nel no-stro Paese vengono recepite, su indicazione delledirettive europee, le nuove linee guida e i nuovi in-dirizzi strategici per il conseguimento degli obietti-vi di ottimizzazione e produttività nel settore dellecostruzioni. Ciò evidenzia ancora maggiormentequanto il BIM, a prescindere dalla sua definizione,rappresenti una delle chiavi per l’evoluzione del-l’intera filiera nello scenario più ampio della digita-lizzazione, del data-driven design, della progetta-zione performance-oriented (Ciribini, 2016).

Processi avanzati per la progettazione integrata –L’avvento della Quarta Rivoluzione Industriale èdescritto come connesso all’adozione contestualedi diverse tecnologie abilitanti, in grado di incide-re in maniera radicale nel modo di concepire laproduzione industriale e il consumo di risorse(Marsh, 2013). A caratterizzare in maniera pecu-liare la nuova industria è la fusione di realtà vir-tuale e produzione industriale in un unico sistema,ovvero cyber-fisico, il quale presuppone la crea-zione di un network di comunicazione autonomatra macchine intelligenti e sistemi di stoccaggio,in grado di replicare il mondo fisico e assumeredecisioni decentralizzate, anche attraverso la ca-pacità predittiva di queste macchine, ovvero lapossibilità di eseguire simulazioni delle decisioniche, grazie ai feedback forniti nel sistema virtuale,consentono di modificare le strategie operative(National Building Standard, 2018; Fig. 3). In edi-lizia, l’influenza di tali cambiamenti interesserà laconcezione stessa del cantiere (Gramazio, 2014),come luogo di produzione e assemblaggio di ele-menti non standard, sia prefabbricati in officinache realizzati in opera da macchinari avanzati acontrollo numerico (CNC), nella direzione di unaricucitura tra la qualità artigianale e la rapidità diesecuzione, ripensando al ruolo della standardiz-zazione (Iwamoto, 2009; Fig. 4).

Dal punto di vista del progetto, tali strumenti difabbricazione e simulazione digitale consentono la

realizzazione, a costi contenuti, di morfologiecomplesse, ad altissime performance sia ambienta-li che strutturali, derivate da processi di form-fin-ding, ovvero di ottimizzazione morfologica e topo-logica (Frazer, 1995). Tali processi offrono inoltrela possibilità, già in fase di progettazione, di stabi-lire un principio di uso razionale delle risorse econtrollare le prestazioni secondo i parametri diprogetto, anche sulla base di specifiche esigenzedel mercato attuale, caratterizzato da fenomeni dicustomization, servitization e in generale diffusaframmentazione della domanda (Russo Ermolli,2018; Fig. 5). Secondo Reiser e Umemoto (2006),le nuove tecnologie di produzione non-standardaprono le porte al superamento dei paradigmi for-disti, mutando profondamente le logiche industria-li, nell’introduzione del concetto di unicità: ogninodo – ogni asta – è unico, o meglio è al tempostesso simile e diverso da ogni nodo – asta – che visi trovi accanto. Ma l’assemblaggio di tali compo-nenti richiede una concezione radicalmente diver-sa della produzione stessa, oltre che della consegnae della catalogazione, differente dal modello mo-dernista della produzione di massa.

Per Negroponte (2010), il rapporto uomo-mac-china non si limita alla creazione di un sistema cor-rettivo dell’errore umano, quanto a un mutuo sup-porto nell’elaborazione di modelli comportamenta-li, basati sull’analisi dell’esperienza, che ricadanoin strutture-dati estrapolabili, modificabili, interro-gabili, simulabili, ovverosia che costituiscano unabase affidabile per assecondare decisioni logiche.

In questo scenario, il BIM si propone come ilprocesso di gestione e generazione dei dati: leinformazioni sono intrinsecamente legate agli og-getti e ogni oggetto porta con sé, al suo interno, unaserie di informazioni strutturate (Garber, 2014). Inquesto senso, ancora Negroponte segnala la diffe-renza che intercorre tra l’adozione di processi com-puterizzati (computerised) ovvero digitalizzati epertanto velocizzati, e processi assistiti dal compu-ter (computer-aided) che, piuttosto, sfruttano l’in-telligenza della macchina per individuare nuovesoluzioni sulla base dei dati raccolti e della capa-cità di farli interagire. Il BIM consente, come tec-nologia di terzo ordine, un elevato livello di inte-grazione tra le diverse professionalità e sistemi ar-

Russo Ermolli S., Galluccio G. | AGATHÓN | n. 05 | 2019 | pp. 93-100

Figg. 1, 2 - Typical criticalities of inefficient productive sectors; Automated assembly plant of Chrysler car parts.

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tificiali, poiché si basa su un modello condiviso, inmaniera collaborativa, tra tutte le figure coinvolte(Fig. 6). L’adozione del BIM, in rapporto a proces-si file to factory, si lega con le possibilità produtti-ve garantite dagli attuali sistemi CAD/CAM, ovve-ro grazie alla diffusione di macchine a controllonumerico, come stampanti 3D o laser cutter chestanno radicalmente modificando il concetto stessodi standardizzazione, consentendo di fondare unasorta di nuova fabbrica artigianale in bilico tra tra-dizione e Industria 4.0 (Fig. 7).

Sistemi innovativi di prefabbricazione – In virtùdella logica prestazionale che il processo BIM im-pone nella progettazione, non è possibile prescin-dere da una ricerca di tipo scientifico, indirizzata aifattori che riguardano l’ottimizzazione dei processiproduttivi che stanno alla base del settore delle co-struzioni (Davies, 2005). La svolta digitale nel pro-cesso edilizio passa pertanto non solo attraversol’adozione di un diverso paradigma progettuale,ma anche tramite nuovi paradigmi industriali, chedistribuiscano sul mercato sistemi costruttivi e pro-dotti a elevata eco-efficienza e, in generale, conelevati standard prestazionali. Disporre di sistemidi progettazione avanzati non assicura che ciò chesi sta progettando abbia effettivamente le qualitàdesiderate: occorre innanzitutto orientare diversa-mente le strategie di progettazione, su sistemi co-struttivi industrializzati, in modo da offrire solu-zioni che assicurino un elevato grado di personaliz-zazione. Allo stesso modo, adottare strategie digi-tali implica inesorabilmente anche un profondocambiamento all’interno delle dinamiche degli stu-di di progettazione e del loro rapporto con le azien-de e le imprese (Smith, 2017).

Nel settore dell’edilizia prefabbricata, in parti-colare, le processualità assumono i lineamenti del-la produzione industrializzata, dove le principaliattività vengono svolte fuori dal cantiere, ovvero infabbrica. Nell’ottica della filosofia Lean, il concet-to di prefabbricazione (Off-Site Manufacturing –OSM) ha assunto un significato differente da quel-lo che, nella memoria collettiva, ad esso è statosempre attribuito, soprattutto nel nostro Paese (Al-bus, 2017). Nell’obiettivo di superare le criticitàrelative al carattere di serialità, ripetitività e imper-sonalità della produzione edilizia standardizzata ti-pica della prefabbricazione dei decenni passati,l’applicazione di procedure DFMA – Design ForManufacturing And Assembly (progettazione perla produzione e l’assemblaggio) è finalizzata a re-

stituire un maggiore grado di personalizzazione, ri-ducendo al contempo la complessità delle opera-zioni sia nella fase di progettazione che in quella diproduzione e successivo assemblaggio, consenten-do la riduzione di tempi e costi di fabbricazione.Tale metodologia si basa, da un lato (DFM – Desi-gn For Manufacturing) sull’implementazione diaccorgimenti che consentono di includere informa-zioni sul processo di fabbricazione già nello svi-luppo progettuale del prodotto, dall’altro (DFA –Design For Assembly) mira alla riduzione del nu-mero delle parti, all’ottimizzazione delle loro pro-prietà fisico-geometriche che incidono sui tempi diassemblaggio, alla razionalizzazione dei tempi digiunzione, ecc. (Landolfo, 2012).

Nell’ambito dell’attività di ricerca svolta, gra-zie al contributo di numerose aziende produttrici,tra le quali Lamieredil e Irondom srl, entrambe ec-cellenze presenti nel Sud Italia, è stato possibileanalizzare da vicino il processo produttivo di unparticolare tipo di sistema costruttivo in acciaio,ovvero costituito da profili sottili formati a freddo(CFS) e caratterizzato, in generale, da elevata ver-satilità nei confronti della domanda e delle tipolo-gie di applicazioni possibili. In ambito applicativoè possibile avvalersi di differenti soluzioni costrut-tive che si caratterizzano da gradi di prefabbrica-zione diversi, oltre che per specifiche metodologiedi progettazione, verifica e assemblaggio. La me-todologia di lavoro adottata ha inteso verificare larelazione che sussiste tra le soluzioni per la proget-tazione e gestione delle opere basate sulla digitaliz-zazione con le più avanzate tecnologie per la mani-fattura artigianale e industriale. L’applicazione delBIM a sistemi prefabbricati in CFS è coadiuvatadalle possibilità della fabbricazione digitale conmacchine CNC, sia per la loro leggerezza, che con-sente di trasportare in cantiere gli elementi da for-mare con apparecchiature in situ, sia per l’alto gra-do di prefabbricazione che garantiscono, offrendola possibilità di effettuare le operazioni di verifica emontaggio in officina, lasciando al cantiere il solocompito di assemblare anche moduli completi disignificativa dimensione.

Nello specifico dei sistemi in CFS, l’interope-rabilità dei sistemi BIM facilita la definizione e ca-talogazione degli elementi costruttivi, così comel’integrazione tra design e progettazione impianti-stica per la modellazione degli elementi (clash de-tection – verifica delle interferenze). Come risulta-to, i profili, tagliati e forati dalle CNC, sono prontiper essere assemblati in cantiere con un ridotto nu-

mero di operazioni da eseguire in opera, riducendotempi e costi (Fig. 8). Se nei processi tradizionali,la standardizzazione riguardava la geometria e lecaratteristiche degli elementi fisici, nel sistemaproposto avviene l’opposto, grazie all’introduzio-ne di formati standard (tipo Industry FoundationClasses – IFC5), processati da precise tipologie dimacchine additive o sottrattive, che realizzano tipipressoché illimitati di oggetti personalizzabili.

Caso studio – L’introduzione di una nuova pro-cessualità, basata sull’utilizzo di strumenti digitaliper la modellazione e gestione informativa dei da-ti e degli elementi di progetto, determina al tempostesso la necessità di un ripensamento, o meglio diun aggiornamento, della prassi progettuale, in mo-do da meglio approfittare della disponibilità dellenuove tecnologie per il controllo tecnico-presta-zionale del progetto (Dunn, 2012; Fig. 9). Oltre adefinire, quindi, un vero e proprio workflow BIM-oriented, parte del lavoro qui presentato è stata de-dicata alla sperimentazione pratica attraverso lamodellazione di un edificio residenziale costituitoda un modulo costruttivo volumetrico in CFS, didimensioni 3x10x3,5 metri, realizzabile completa-mente off-site, che si configura come modello aper-to, ovvero la cui caratteristica peculiare sta nell’es-sere personalizzabile ma al tempo stesso prefab-bricabile, oltre che utilizzabile, nei suoi compo-nenti, per interventi edilizi di scale differenti. Ciòche quindi si è inteso dimostrare è che l’imple-mentazione delle tecnologie digitali può consenti-re di superare la dicotomia tra artigianale e indu-striale, permettendo, a parità di costi, di realizzareprodotti di manifattura avanzata, altamente perfor-manti, attraverso processi snelli.

Il modulo si propone pertanto come ‘genoti-po’, ovvero cellula elementare a partire dalla qualene sono state esplorate le possibilità aggregative, inrelazione a numero di utenti, disposizione in pian-ta, tipologia di chiusura verticale e orizzontale,nonché materiali di rivestimento (Fig. 10). Il prin-cipale beneficio che comporta tale processo, innan-zitutto progettuale e poi produttivo, è che le azien-de possono disporre di strumenti utili per indirizza-re le scelte dei clienti rispetto alla propria linea diproduzione. Le fasi progettuali individuate per lasperimentazione sono le seguenti: 1) definizionedegli obiettivi e delle strategie progettuali; 2) ela-borazione del processo progettuale e delle caratte-ristiche del sistema costruttivo; 3) analisi e ridise-gno dei processi aziendali e produttivi; 4) modella-


Figg. 3, 4 - Enabling technologies of Industry 4.0; Evolution of the construction site during the four industrial revolutions.

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zione degli elementi costruttivi strutturali e deipacchetti di chiusura; 5) simulazione delle presta-zioni e analisi dei feedback; 6) redazione dei dise-gni costruttivi (kit di assemblaggio) e preparazionedei file per la linea di produzione CAD/CAM.

Sulla base di costanti confronti con le aziendepartner, gli obiettivi hanno inteso incidere su diffe-renti aspetti. Innanzitutto, si è tentato di efficienta-re la produzione, in quanto la capacità di simula-zione dei processi implicita nel BIM, specialmentenell’ambito del ‘quantity take off’ (BIM 5D), haconsentito una più efficace gestione degli acquistidi materiale: l’azienda acquista il materiale stretta-mente necessario a soddisfare la commessa, evi-tando sprechi di denaro e soprattutto limitandol’accumulo di prodotto inutilizzato in deposito (ju-st in time). È stata studiata la possibilità di forma-tura degli elementi, grazie all’automazioneCAD/CAM delle operazioni: l’integrazione delleoperazioni con strumenti CNC ha contribuito adaumentare la precisione delle lavorazioni, riducegli scarti di lavorazione e velocizza la lavorazione.Sono state sviluppate strategie in merito alla tipo-logia e la modalità di offerta dei prodotti sul merca-to, personalizzabili a seconda delle contingenze efruibili sotto forma di BIM Library interoperabile,inseribili dagli stessi progettisti direttamente neimodelli che creano; inoltre, ne è stato miglioratol’assemblaggio, in relazione alla possibilità diestrapolare i disegni dal modello BIM (Fig. 11).

In fase di produzione, la capacità di simulazio-ne dei processi implicita nel BIM ha consentito unapiù efficace gestione dell’approvvigionamento delmateriale (produzione just in time), incidendo su-gli oneri derivanti dall’accumulo di prodotto inuti-lizzato in magazzino; in fase di formatura, l’auto-mazione CAD/CAM ha aumentato la precisione,riducendo gli scarti e velocizzando le operazioni.Sono emerse al contempo criticità rispetto all’ado-zione di soluzioni BIM, in particolare per aziende estudi professionali di dimensione medio-piccola.Le principali difficoltà hanno riguardato il costo diinvestimento iniziale per software e hardware, lanecessità aggiornamento delle risorse umane e diadozione degli standard da parte di tutti gli opera-tori coinvolti nella filiera.

Una volta definiti gli obiettivi e gli strumenti

all’interno di un ecosistema di operatori coinvoltinel processo di progettazione, è stata svolta la mo-dellazione, tramite il software di BIM AuthoringAutodesk Revit, di una serie di prototipi di edificiresidenziali costituiti da struttura in acciaio sottileformato a freddo. Nel caso degli elementi maggior-mente complessi, come le travi reticolari, la model-lazione ha riguardato prima i loro componenti, ov-vero i profili a U o a Omega, che poi sono stati in-trodotti nell’ambiente di modellazione delle travistesse, costituendo perciò quella che si definisceuna famiglia ‘nidificata’. Lo stesso principio chevale per gli elementi strutturali ha senso anche perquelli di chiusura: grazie alla modellazione para-metrica è stato infatti possibile controllare in ma-niera istantanea le conseguenze che determinatescelte tecniche e progettuali hanno sulle prestazio-ni termo-igrometriche degli involucri, consenten-do quindi di poter monitorare costantemente leperformance dell’edificio. Tale processo ha inoltrefacilitato l’operazione di optioneering, ovvero divalutazione tra più ipotesi progettuali, sulla basedella miglior scelta possibile tra un ventaglio di va-riabili (Figg. 12-15).

Conclusioni – I temi che hanno stimolato il pre-sente lavoro appaiono particolarmente attuali,sebbene discendano da riflessioni che hanno attra-versato tutto il secolo scorso. Le trasformazioniverificatesi tra gli anni intercorsi tra la primagrande stagione di industrializzazione edilizia, av-venuta durante il periodo denominato dei GloriosiTrenta (1945-1973) e l’epoca attuale, impedisco-no di riproporre il tema della prefabbricazione ne-gli stessi termini (Poretti, 2013). Il dibatto con-temporaneo non può infatti esimersi dal concen-trarsi sul rapporto legato alla materialità e all’im-materialità della relazione tra componenti e utenti,che rappresenta una novità di estremo interesse edalle implicazioni ancora inesplorate. D’altro can-to, è diverso anche l’obiettivo, che se prima era ri-volto alla ripetibilità delle soluzioni, oggi pare in-vece andare nella direzione della versatilità e dellapersonalizzazione (customization), secondo unalogica che lascia la standardizzazione solo ai for-mati file (immateriali), consentendo invece gran-de varietà alla produzione e alla prototipazione

(materialità). In altri termini, lo scenario più plau-sibile per l’industrializzazione pare essere non piùnella prefabbricazione pesante, quanto nei sistemidi Lean Management and Manufacturing, guidatidai principi di una disciplina, il cosiddetto Know-ledge Management, attraverso i nuovi strumentiper la gestione delle informazioni e della compu-tazionalità dei processi (Ciribini, 2016).

ENGLISHThe idea of optimizing the efficiency of construc-tion processes through the prefabrication of the el-ements is not recent. Since the early twenties of thetwentieth century, the debate around typologicaland technical standards, production prototypes,characteristics of repeatable and interchangeableelements, demonstrates the desire to compete withthe problems of building industrialization, whosepotentials and limits began to be understood (Cam-pioli, 1992). At the beginning of the seventies, anew way of building industrialization began toemerge, aimed, above all, at a greater control ofthe formal and technological performance of sys-tems and components (Bacigalupi, 1978; Nardi,1981). Off-site production is in fact for the firsttime in the possibility of using versatile and adapt-able procedures based on integrated processingsystems, as the result of an efficient combination offlexibility and automation. Although characterizedby high costs, the appearance of fragments of Arti-ficial Intelligence within the production processopens up new opportunities for prefabrication, ca-pable of reducing many of the criticalities that hadcharacterized it in previous decades. From themid-eighties, the emergence of the Digital, theParametric and the Information transforms indepth the way of designing and producing archi-tecture. The epistemological changes that face thedomains of design knowledge, deriving from thecomputational potential of digital tools at allstages of the process, undoubtedly open up greatopportunities for development especially for theindustrial production sector. New processes, solu-tions, tools and techniques transform the very na-ture of factory production, which requires reformu-lating the fundamental concepts of manufacturingin order to verify its appropriateness, relating to

Figg. 9, 10 - Lamieredil plant: reconversion hypothesis in an Industry 4.0 key; Diagram of the customization of standard accommodation in CFS.


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the ‘revolutionary’ emerging field of research(Landolfo, 2012; Barucco, 2015).

The digital technologies applied to the industryallow not only to organize projects in parametricsystems based on relations between parts, offeringthe possibility of altering the overall configurationof the system by acting on the variables at the baseof the design process, but above all to introduceradical components of process and product inno-vations into systems and components productionmethods. In this context it is clearly identifiable theemergence of digital fabrication tools for the real-ization of non-standardized products with highcustomization, now free from the production limitsof the past decades (Anderson, 2013). The directcorrespondence that is created between virtualmodeling and real production, in fact, makes theuse of numerical control technologies (CNC –Computer Numerical Control) able to ‘open’ to un-limited formal and performance modifications,guiding the transposition from virtual to realthrough a protected path that tends to limit the riskof information loss according to a file to factoryworkflow, translating, through machines of digitalderivation, digital models directly into production.

Considering this, with reference to a globaleconomic context characterized by the persistentlegacy of a profound financial crisis that impactedabove all on the Architecture, Engineering & Con-struction sector, emerges the need to align the con-struction sector, traditionally reluctant towards in-novations, to the other productive sectors, througha transformation in a truly industrial sense. Thehigh degree of complexity of architectural and en-gineering works, in addition to the quantity andnon-homogeneity of the actors who participate inthe supply chain, would in fact require a work or-ganization that first of all facilitates the control ofproduct quality, in compliance with the perfor-mance requirements provided by the client and bythe regulations. The transformations taking placein the AEC sector resulting from the digitalizationof processes, products and tools are ultimately de-termining profound rethinking of the roles andskills of the different protagonists of the buildingprocess, but, above all, a review of the very conceptof the places where the architectures are ‘pro-duced’: the design study, the industry, the con-struction site, are in fact definitively taking on in-dustrial digital paradigms that make them radical-ly different compared just to the past decade (Rus-so Ermolli, 2018).

The state of the construction industry – The AECindustry is characterized by one of the lowest digi-talization indexes among all the productive sec-tors, according to the comparison of three parame-ters, namely: general level of digitalisation of thecompany (assets); transactions, interactions, busi-ness-related processes or campaign-related pro-cesses and marketing strategies (usage); impact ofnew technologies on the digitalisation of work-flows (labor; McKinsey, 2016). This deficit affectsthe greater probability of product defects beingcaused by errors due to corrections, conflicts andincorrect or incomplete information; hinders effi-cient planning, otherwise guided by demand anal-ysis according to outdated methods, generating aunder/overproduction problem; contributes to theperpetuation of obsolete processes that generatepauses, which often depend on an insufficient

programming of the phases of the productionprocess (Fig. 1).

These problems are imputable to the failure ofthe sector’s operators update, whose survival is in-herent in the start of renewal processes, throughthe introduction of product, process, organization-al or marketing innovations (ANCE, 2016). Thiscannot depend on the commitment of the individualsubject, but necessarily refers to the redesign of theentire system and the relationships that exist be-tween all its parts, starting from the observation ofthe generalized and high fragmentation of the Ital-ian production system. In comparison with otherproduction sectors, the construction sector is dis-tinguished by the peculiarity of the place aimed atthe realization of its products, that is the construc-tion site, which does not allow the implementationof production models based on ‘lean’ flows (LeanManufacturing), typical instead of the automotiveor aerospace industry, where the production andassembly of finished products takes place all with-in the workshop/plant, allowing a greater degreeof quality control, automation, error and process-ing waste production reduction (Kieran, 2004;Fig. 2). In addition, the construction supply chainis anchored to cascade processes, based on linear-ly sequential phases which, however, are no longerable to satisfy the complexity of current market re-quirements. This condition of inefficiency aggra-vates production times, management costs andperformance in terms of environmental impact andenergy consumption1, which are particularly highprecisely in the construction sector.2

The regulatory effort of the last decade3 on theuse of advanced integrated modeling tools in de-sign activities for public works has pursued the

aim of encouraging the use of Building Informa-tion Modeling for construction and infrastructureprojects financed with public funds in the Euro-pean Union, already starting from 2016. With thenew procurement code4 also in our country aretransposed the new guidelines and the new strate-gic indications for the achievement of the optimiza-tion and productivity objectives in the constructionsector, according to the European directives. Thisfurther highlights how BIM, regardless of its defi-nition, represents one of the keys to the evolution ofthe entire supply chain in the broader scenario ofdigitalization, data-driven design, performance-oriented design (Ciribini, 2016).

Advanced processes for integrated design – Theadvent of the Fourth Industrial Revolution is de-scribed as connected to the simultaneous adoptionof different enabling technologies, capable of rad-ically affecting the way of conceiving industrialproduction and resource consumption (Marsh,2013). To characterize the new industry in a pecu-liar way is the fusion of virtual reality and indus-trial production in a single system, i.e. cyber-physical, which requires the creation of an au-tonomous communication network between intel-ligent machines and storage systems, able to repli-cate the physical world and take decentralized de-cisions, also through the predictive ability of thesemachines, or the possibility to perform simula-tions of decisions which, thanks to the feedbackprovided in the virtual system, allow for the modi-fication of operational strategies (National Build-ing Standard, 2018; Fig. 3). In Construction, theinfluence of these changes will affect the very con-ception of the construction site (Gramazio, 2014),as a place of production and assembly of non-standard elements, both prefabricated in theworkshop and built on site by advanced numericalcontrol machinery (CNC), in the direction ofbridging the artisan quality and the speed of exe-cution, rethinking the role of standardization(Iwamoto, 2009; Fig. 4).

From the design point of view, these digitalmanufacturing and simulation tools allow the real-ization, at low cost, of complex morphologies, withvery high environmental and structural perfor-mances, derived from form-finding processes, i.e.morphological and topological optimization(Frazer, 1995). These processes also offer the pos-sibility, already in the early design phase, to estab-lish a principle of rational use of resources andperformance control, according to design parame-ters, also based on specific needs of the currentmarket, characterized by phenomena of customiza-tion, servitization and in general, widespread frag-mentation of demand (Russo Ermolli, 2018; Fig.5). According to Reiser and Umemoto (2006), newnon-standard production technologies open thedoor to overcoming Fordist paradigms, profoundlychanging industrial logics, in the introduction ofthe concept of uniqueness: each node – each strut –is unique, or rather it is at the same time similarand different from every node – strut – that is nextto it. But the assembly of these components re-quires a radically different conception of produc-tion itself, as well as of delivery and cataloguing,unlike the modernist model of mass production.

For Negroponte (2010), the man-machine re-lationship is not limited to the creation of a correc-tive system of the human error, but to a mutual sup-

Figg. 7, 8 - Numerical control machines: main additiveand subtractive technologies; Processes from BIM toproduction in off-site construction.


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duction, where the main activities are carried outoutside the construction site, ie in the factory. Inthe perspective of the Lean philosophy, the conceptof prefabrication (Off-Site Manufacturing – OSM)has taken on a different meaning from that which,in the collective memory, has always been attribut-ed to it, especially in our country (Albus, 2017). Inorder to overcome the critical issues related to thecharacter of seriality, repetitiveness and imperson-ality of standardized building production, typicalof the prefabrication of past decades, the applica-tion of DFMA procedures – Design For Manufac-turing And Assembly is aimed at returning agreater degree of customization, while reducingthe complexity of operations both in the design,production and subsequent assembly phases, al-lowing the reduction of manufacturing times andcosts. This methodology is based, on the one handon the implementation of measures that allow in-formation on the manufacturing process to be in-cluded already in the design development of theproduct (DFM – Design For Manufacturing), onthe other, aims at reducing the number of parts, tothe optimization of their physical-geometric prop-erties that affect assembly times, to the rationaliza-tion of joining times, etc. (DFA – Design For As-sembly; Landolfo, 2012).

As part of the research activity carried out,thanks to the contribution of numerous manufactur-ing companies, including Lamieredil and Irondomsrl, both excellences present in Southern Italy, itwas possible to closely analyze the production pro-cess of a particular type of construction system inCold-Formed Steel (CFS) and characterized, ingeneral, by high versatility towards the demandand the types of possible applications. In the appli-cation area, it is possible to use different construc-tion solutions that are characterized by different de-grees of prefabrication, as well as specific design,verification and assembly methods. The workingmethodology adopted was intended to verify the re-lationship existing between the design and manage-ment solutions based on digitization and the mostadvanced technologies for artisanal and industrialmanufacturing. The application of BIM to CFS pre-fabricated systems is aided by the possibilities ofdigital fabrication with CNC machines, both fortheir lightness, which allows to move the elementsto be formed on site with on-site equipment, and forthe high degree of prefabrication, guaranteed by of-fering the possibility of carrying out verificationand assembly operations in the workshop, leavingto the building site the sole task of assembling com-plete modules of significant size.

Specifically, in CFS systems, the interoper-ability of BIM systems facilitates the definitionand cataloguing of construction elements, as wellas the integration between architectural and sys-tems design for element modeling (clash detec-tion). As a result, the profiles, cut and drilled bythe CNC, are ready to be assembled on site with asmall number of operations to be performed onsite, reducing time and costs (Fig. 8). If in tradi-tional processes, the standardization concernedthe geometry and the characteristics of the physi-cal elements, in the proposed system the oppositeoccurs, thanks to the introduction of standard for-mats (such as Industry Foundation Classes – IFC5),processed by precise types of additive or subtrac-tive machines, which produce almost unlimitedtypes of customizable objects.

Case study – The introduction of a new process,based on the use of digital tools for data and pro-ject elements modeling and information manage-ment, determines at the same time the need for arethinking, or rather an update, of the designpractice, to better take advantage of the avail-ability of new technologies for the technical-per-formance control of the project (Dunn, 2012; Fig.9). In addition to defining, therefore, a real BIM-oriented workflow, part of the work presentedhere was dedicated to practical experimentationthrough the modeling of a residential building,consisting of a volumetric construction module inCFS, with dimensions 3x10x3.5 meters, to realizecompletely off-site, which is configured as anopen model, whose peculiar characteristic lies inbeing customizable but at the same time prefabri-cated, as well as usable, in its components, forbuilding interventions of different scales. Whatwas therefore intended to prove is that the imple-mentation of digital technologies might allow toovercome the dichotomy between artisanal andindustrial practice, allowing, at the same costs,to create products of advanced manufacture, highperformance, through lean processes.

The module is therefore proposed as a ‘geno-type’, an elementary cell from which the aggrega-tive possibilities have been explored, in relation tothe number of users, layout, type of vertical andhorizontal envelopes, as well as coating materials(Fig. 10). The main benefit of this, first and fore-most design and then production, process, is thatcompanies can adopt useful tools to guide customerchoices, in line with their production line. The de-sign phases identified for the experimentation arethe following: 1) definition of the design goals and

port in the development of behavioural models,based on the analysis of experience, which fall intodata-structures that can be extrapolated, modified,interrogated, simulated, as they constitute a reli-able basis for supporting logical decisions.

In this scenario, BIM is proposed as the pro-cess of data management and generation: infor-mation is intrinsically linked to objects and eachobject carries within it a series of structured in-formation (Garber, 2014). In this sense, Negro-ponte still signals the difference between theadoption of computerized or therefore speeded upprocesses, and computer-aided processes that,rather, exploit the intelligence of the machine toidentify new solutions based on the data collectedand on the ability to make them interact. BIM al-lows, as a third-order technology, a high level ofintegration between the different professionalismsand artificial systems, since it is based on ashared model, in a collaborative way, among allthe figures involved (Fig. 6). The adoption ofBIM, in relation to file-to-factory processes, islinked to the production possibilities guaranteedby current CAD/CAM systems, or rather thanks tothe spread of numerical control machines, such as3D printers or laser cutters, that are radicallychanging the concept itself of standardization, al-lowing to found a sort of new artisan factory, be-tween tradition and Industry 4.0 (Fig. 7).

Innovative prefabrication systems – By the perfor-mance logic that a BIM process imposes in design,it is not possible to leave aside a scientific re-search, addressed to the factors that concern theoptimization of the productive processes that are atthe base of the construction sector (Davies, 2005).The digital turning point in the building processtherefore passes not only through the adoption of adifferent design paradigm, but also through newindustrial paradigms, able to distribute on themarket construction systems and products withhigh eco-efficiency and, in general, with high per-formance standards. Using advanced design sys-tems does not ensure that what is being designedactually has the desired qualities: it is first of allnecessary to orientate design strategies differently,on industrialized construction systems, so as to of-fer solutions that ensure a high degree of cus-tomization. Similarly, adopting digital strategiesinexorably implies a profound change within thedynamics of design studies and their relationshipwith companies and businesses (Smith, 2017).

In the prefabricated building sector, the pro-cesses assume the features of industrialized pro-

Figg. 9, 10 - Lamieredil plant: reconversion hypothesis in an Industry 4.0 key; Diagramof the customization of standard accommodation in CFS.


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strategies; 2) elaboration of the design process andof the characteristics of the construction system; 3)analysis and redesign of business and productionprocesses; 4) structural construction elements andenvelope packages modeling; 5) performance sim-ulation and feedback analysis; 6) drafting of con-struction drawings (assembly kit) and files prepa-ration for the CAD/CAM production line.

Based on constant comparisons with partnercompanies, the goals intended to affect differentaspects. First of all, an attempt was made to makeproduction more efficient, as the process simula-tion capability implicit in BIM, especially in thearea of quantity take-off (BIM 5D), allowed a moreeffective management of material purchases: thecompany buys the strictly necessary material tosatisfy the order, avoiding waste of money andabove all limiting the accumulation of unusedproduct in storage. The possibility of forming theelements has been studied, thanks to the CAD/CAMautomation of tasks: the integration of operationswith CNC tools has contributed to increase theprecision of the machines, reducing processingwaste and speeding up processing. Strategieshave been developed regarding the type andmethod of offering products on the market, whichcan be customized according to contingencies andcan be used in the form of interoperable BIM Li-braries, which can be inserted by the designersthemselves directly into the models they create;furthermore, the assembly has been improved, inrelation to the possibility of extrapolating thedrawings from the BIM model (Fig. 11).

In the production phase, the simulation capa-bility of the processes implicit in BIM has allowed amore effective management of the supply of the ma-terial (just in time production), affecting thecharges deriving from the accumulation of unusedproduct in the warehouse; during forming, CAD/CAM automation has increased accuracy, reducingwaste and speeding up operations. At the sametime, critical issues emerged regarding the adop-tion of BIM solutions, for companies and profes-sional firms of medium-small size. The main diffi-culties concerned the initial investment cost forsoftware and hardware, the need to update humanresources and the adoption of standards by all op-erators involved in the supply chain.

Once the goals and tools were defined withinan ecosystem of operators involved in the designprocess, the modeling was carried out, throughthe Autodesk Revit BIM Authoring software, of aseries of prototypes of residential buildings con-sisting of a Cold-Formed Steel structure. In caseof the more complex elements, such as reticularbeams, the modeling concerned first their compo-nents, i.e. the U or Omega profiles, which werethen introduced into the modeling environment ofthe beams themselves, thus constituting what isdefined as a ‘nested’ family. The same principlethat applies to the structural elements also makessense for the envelopes: thanks to parametricmodeling it was in fact possible to instantly con-trol the consequences that certain technical anddesign choices have on the thermo-hygrometricperformance of walls, thus allowing to be able toconstantly monitor building performance. Thisprocess also facilitated the optioneering opera-tion, or rather the evaluation of several projecthypotheses, based on the best possible choice be-tween a range of variables (Figg. 12-15).

Conclusions – The themes that have stimulated thepresent work appear particularly topical, althoughthey derive from reflections that have passedthroughout the last century. The transformationsthat occurred between the years between the firstgreat season of building industrialization, whichtook place during the period called Glorious Thirty(1945-1973) and the current era, prevent us fromrepeating the theme of prefabrication in the sameterms (Poretti, 2013). The contemporary debatecannot in fact avoid concentrating on the relation-ship linked to the materiality and the immaterialityof the relationship between components and users,which represents a novelty of extreme interest andwith unexplored implications. On the other hand,the goal is also different, which, if before wasaimed at the repeatability of solutions, today itseems instead to go in the direction of versatilityand personalization (customization), according toa logic that leaves standardization only to file for-mats (immateriality), instead allowing great vari-ety in production and prototyping (materiality). Inother words, the most plausible scenario for indus-trialization seems to be no longer in heavy prefab-rication, but in Lean Management and Manufactur-ing systems, guided by the principles of a discipline,the so-called Knowledge Management, throughnew processes information and computation man-agement tools (Ciribini, 2016).

ACKNOWLEDGEMENTS

The contribution is the result of a common reflection ofthe Authors. However, the paragraphs ‘Introduction’ and‘Conclusions’ are to be attributed to S. Russo Ermolli, theparagraphs ‘The state of the construction industry’, ‘Ad-vanced processes for integrated design’, ‘Innovative pre-fabrication systems’ and ‘Case study’ are to be attributedto G. Galluccio.

NOTES

1) The data published by ISPRA (Higher Institute for En-vironmental Protection and Research) regarding CO2

emissions into the atmosphere by production sector re-veal how construction is one of the most responsible sec-tors, in similiar terms to manufacturing and industry.[Online] Available at: www.isprambiente.gov.it/files2017/pubblicazioni/rapporto/R_257_17.pdf [Accessed 10April 2019].2) Buildings, in particular residential buildings, entailvery high annual costs for energy expenditure, being infirst place for electricity consumption, more than thetransport sector and industry, as denounced in 2018 byENEA (National Agency for New Technologies, energyand sustainable economic development). [Online] Avai-lable at: www.efficienservgetica.enea.it/allegati/Some%20dati%20sui%20consumi%20energetici%20in%20Ita-lia.%20per%20insegnanti%20e%20studenti%20di%20scuole%20secondarie%20.pdf [Accessed 10 April 2019].3) On January 15 2014, the European Parliament ap-proved the procurement reform (European Union PublicProcurement Directive, EUPPD). [Online] Available at:https://eur-lex.europa.eu/legal-content/en/TXT/?uri=CELEX:32014L0024 [Accessed 10 April2019].4) Cfr. Legislative Decree n. 50, April 18 2016, and Leg-islative Decree n. 560 of, December 1 2017.5) IFC is an open data format, not controlled by a singleoperator, according to the ISO16739 standard, promotedby Building Smart.

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a SERGIO RUSSO ERMOLLI, Architect, is AssociateProfessor of Architectural Technology at the De-partment of Architecture of the University ofNaples ‘Federico II’ (Italy); he develops researchon the relationship between project and digital in-novation in industrial production processes withinthe transformation of the building heritage. Mob.+39 340/51.81.989. E-mail: [email protected]

b GIULIANO GALLUCCIO, Architect, is a PhD studentin Architecture at the Department of Architectureof the University of Naples ‘Federico II’ (Italy); hecarries out his research on the subject of designand production, in relation to the use of BIM-ori-ented methodologies and of digital manufacturingtechnologies applied to off-site construction. Mob.+39 333/50.12.048. E-mail: [email protected]

Figg. 12-15 - Case study: ground floor plan; first floor plan; view of the interior; external view.


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INDUSTRIALIZZAZIONE EDILIZIA E PREFABBRICAZIONE TRA