I modelli virtuali in 3D di edifici e infrastrutture, i digital twin, costituiscono un copia perfetta dell’originale in ogni sua singola parte, componente e processo e offrono il grande vantaggio di poter monitorare e verificare il funzionamento di ogni impianto e anche di segnalare possibili disfunzioni e guasti successivi. Un importante aiuto per i facility manager che avranno così possibilità di conoscere con largo anticipo il comportamento di un bene immobile e di intervenire in anticipo per preservarne lo stato di salute.
Gli addetti ai lavori lo chiamano digital twin: in pratica, è una replica digitale (un gemello virtuale) di una realtà fisica quindi, in ambito architettonico, di un edificio.
Una tecnologia all’avanguardia, nata tuttavia diversi anni fa nel campo aerospaziale (è stata la Nasa a fare da pioniere) e, successivamente, estesa al settore industriale e manifatturiero.
Dal 2000 – con lo sviluppo dell’intelligenza artificiale, di Internet of Things e del Building Information Modeling – il digital twin ha avuto un rapido sviluppo anche nel comparto delle costruzioni e, in particolare, in quello delle infrastrutture.
Il tre lati del digital twin: fisico, virtuale e connessione
Per realizzare un “gemello digitale” devono essere presenti tre prerequisiti principali: i prodotti fisici nello spazio reale, i prodotti virtuali nello spazio virtuale e, infine, le connessioni di dati e informazioni che legano tra loro i prodotti questi due mondi.
Partendo da un oggetto fisico si può creare la sua copia virtuale – una rappresentazione tridimensionale – grazie a tecniche avanzate di rilievo digitale, come il laser scanner e la nuvola di punti.
Quali sono i vantaggi?
Fare riferimento a un digital twin è molto utile per mettere a fuoco e analizzare lo stato di un bene in tutte le sue parti, per poter fare simulazioni sul funzionamento di ogni singola componente e monitorare così tutte le prestazioni che un edificio deve garantire.
È, in sostanza, un metodo molto efficace per controllarne la gestione nel tempo. Ma non finisce qui, perché grazie al gemello virtuale – che è in grado di fornire in tempo reale informazioni sullo stato di salute del bene – è possibile per chi si occupa di facility management simulare ipotesi future per migliorare sempre più attività e servizi, in altre parole mettere in atto quella che è stata definita “manutenzione predittiva”.
Come può un modello digitale incamerare progressivamente un numero così elevato di dati, restituendo in qualsiasi momento uno specchio di ciò che sta accadendo in un edificio?
Attraverso una serie di differenti sensori, installati all’interno degli edifici smart e, in particolare, nelle componenti di processo il digital twin raccoglie così informazioni operazionali e ambientali, in seguito rielaborate con tecniche analitiche e simulazioni algoritmiche.
Gemello vivo
Un digital twin è vivo perché impara e si aggiorna continuamente da molteplici fonti, rappresentando il suo stato quasi in tempo reale, le condizioni di lavoro o i fattori ambientali. Il gemello digitale impara da sé stesso e dai dati che incessantemente raccoglie, attraverso l’intelligenza artificiale e gli algoritmi di apprendimento automatico. Si tratta di un processo fondamentale per individuare risposte sempre più mirate per far fronte a specifiche esigenze e risolvere problemi concreti.
Grazie a tali dati, il digital twin si evolve e si aggiorna continuamente in modo da rispecchiare le modifiche alla controparte fisica in tutto il ciclo di vita dell’immobile.
Il digital twin, essendo una copia non solo virtuale ma anche dinamica di un bene fisico, ha la capacità di mostrare in tempo reale qual è il funzionamento di un grattacielo o di una infrastruttura e, di conseguenza, di evidenziare gli ambiti nei quali è indispensabile intervenire con tempismo per ottimizzare le prestazioni o per prevenire eventuali criticità e malfunzionamenti.
Nuovi orizzonti per il facility management
Questa tecnologia è destinata nel giro di alcuni anni a modificare radicalmente il modello di gestione di un edificio. Il gemello digitale aiuterà il facility manager ad accedere ai dati in modo molto più agevole e immediato e a svolgere interventi di manutenzione in tempi estremamente rapidi e da remoto.
E non solo: egli potrà anche avere sempre a disposizione lo storico dell’edificio, dal momento che il digital twin è una sorta di cartella clinica del costruito, dove ai dati del passato si sommano quelli presenti e futuri per garantire un monitoraggio costante.
Di conseguenza il modello digitale può essere utilizzato sia per valutare la condizione attuale del bene, sia – aspetto più importante – per prevederne il comportamento futuro, attraverso il perfezionamento del controllo delle prestazioni e la possibilità di ottimizzarne costantemente il funzionamento.
Il valore aggiunto della manutenzione predittiva consiste proprio nella capacità di determinare la vita utile residua di un impianto così come di un componente o di un materiale per stabilire quale sarà il momento più idoneo per eseguire la manutenzione o la sostituzione dei singoli elementi.
Il digital twin consentirà al facility manager di effettuare interessanti previsioni su ciò che avverrà nel futuro a un edificio o a un’infrastruttura.
Una tecnologia che nella gestione delle strutture può contribuire a migliorare notevolmente il modo in cui gli edifici operano, creando nuove possibilità di pianificazione e crescita e che consente a chi si occupa di manutenzione di avere uno sguardo dettagliato sul funzionamento di ogni singolo sistema dell’asset e di monitorare con maggiore precisione ogni singola prestazione nel tempo.
Inoltre, il gemello virtuale offre anche il vantaggio di aiutare a guidare e sviluppare le performance e le innovazioni, perché fa sì che il controllo, l’analisi e la capacità predittiva siano a portata di mano del gestore della struttura.
Previsione e gestione
Con il vantaggio di rispondere più correttamente e puntualmente – da remoto – a interruzioni e guasti del sistema e, grazie ai dati ininterrottamente raccolti attraverso i sensori, di svolgere analisi più articolate per evidenziare nuove possibilità di gestione. Inoltre, l’utilizzo del digital twin migliora l’efficienza degli edifici e riduce gli sprechi energetici, garantendo livelli più elevati di comfort per chi vi abita.
Questo gemello digitale permette anche di testare diversi scenari, individuando quindi molteplici variabili per ottimizzare sempre più le prestazioni e garantisce una manutenzione più specifica ed efficace, rendendo possibile individuare con esattezza il momento in cui un dispositivo o un impianto potrà cominciare a manifestare problemi di funzionamento, in modo da poter intervenire prima che tutto questo accada.
Più complesso è il tema della predizione, è necessario in questo caso mettere a punto un modello più sofisticato per la simulazione. Per esempio, se si vuole gestire il condizionamento e quindi il livello di comfort, dovendo considerare il numero di persone che occupano un ambiente e che si spostano, monitorando i cambiamenti in tempo reale, occorre aggiungere sensoristica specifica.
Se poi si aggiunge il grado di temperatura prevista, facendo coincidere esposizione e di orientamento solare, il modello assume una complessità ancor più avanzata. In sostanza, è fondamentale avere chiaro l’obiettivo che si intende raggiungere, quindi il modello dell’edificio cui fare riferimento: a questo punto, entra in gioco il gemello digitale che può fornire soluzioni utili a gestire questioni complesse.
Prima dell’avvento dell’intelligenza artificiale e del digital twin i facility manager dovevano passare ore e ore a valutare i costi e i benefici di una qualunque modifica al sistema, prima di implementarla o installarla, senza poter disporre – tra l’altro – di dati reali per valutare le effettive possibilità di successo.
Oggi questa tecnologia consente agli addetti alla gestione delle strutture di testare ogni singolo elemento prima di attivarlo e di analizzare in anticipo quello che sarà l’impatto di ogni decisione prima di metterla in pratica.
Digital twin e Bim, diversi e complementari
Due tecnologie spesso percepite come similari e sovrapponibili nonostante abbiano, in realtà, ambiti di applicazione ben distinti. Il Bim si concentra sulle fasi di progettazione e costruzione, mentre il Digital Twin mette al centro le modalità con cui le persone interagiscono nell’ambiente costruito, in sostanza come lo vivono e lo utilizzano.
La differenza tra un modello gemello e un modello Bim è la capacità di collegare dati in tempo reale durante il ciclo di vita operativo dell’asset.
I modelli Bim sono modelli in 3D dell’edificio in fase di progettazione e costruzione, quindi sono utili per la quantificazione e il coordinamento dei materiali. Il gemello digitale può offrire un valore aggiunto costante al proprietario dell’immobile per l’intero ciclo di vita.
Il Bim si fonda sulla collaborazione dell’intera filiera al fine di visualizzare l’evoluzione del progetto e la sua realizzazione, quindi il suo obiettivo è quello di aiutare architetti e ingegneri a sviluppare il progetto grazie a un processo collaborativo incentrato sugli aspetti fisici e funzionali di un edificio e le sue relazioni spaziali.
Il suo utilizzo successivo e l’attività di manutenzione non riguardano il Bim, che infatti non è stato pensato per fornire risposte operative in tempo reale. Tutto questo è compito del gemello digitale, tecnologia che trasmette simultaneamente informazioni sullo stato dei sistemi e impianti dell’edificio, stato che può variare nel tempo in relazione alla presenza e ai comportamenti di residenti e utenti.
Resta il fatto che Bim e digital twin vanno necessariamente a braccetto e sono del tutto complementari: grazie al Bim, infatti, vengono raccolti e strutturati i dati che in seguito saranno utilizzati per costruire il gemello digitale.
Quindi il Bim è una fonte di dati fondamentali per sviluppare il digital twin, ma non è in grado da solo di fornire risposte alle esigenze di chi deve gestire quanto realizzato.
Un binomio che sul piano teorico lascia prevedere per un prossimo futuro grandi opportunità di innovazione e crescita per il comparto delle costruzioni. Purtroppo, soprattutto in Italia, bisogna fare anche i conti con la realtà e considerare che nel nostro Paese quella del digital twin (a parte alcune eccellenze note come i modelli delle Stazioni Centrali di Milano e Napoli) è una tecnologia ancora sottoutilizzata.
Per una ragione molto precisa: semplicemente perché nella gran parte dei progetti i dati non vengono ancora organizzati in modo corretto, presentano lacune qua e là, oppure non sono sufficienti alla realizzazione di un gemello digitale.
È indispensabile che si attui un radicale cambiamento nelle modalità di gestione di un progetto e, a questo scopo, è fondamentale investire in formazione e qualificazione dei professionisti. Questa è l’unica strada possibile per ottimizzare l’organizzazione delle informazioni, a partire dalla fase di progettazione fino a quella esecutiva e gestionale.
Strumento ideale per le smart city
Un binomio destinato a divenire sempre più stretto, quello fra gemello digitale e città intelligenti. Lo sostiene Abi Research, società di consulenza statunitense specializzata in ambito tecnologico, che ha pubblicato nel 2019 un report dove ha evidenziato come il concetto di digital twin combinato alla modellazione urbana stia trasformando radicalmente il modo in cui le città saranno progettate, monitorate e gestite.
Secondo Abi Research entro il 2025 saranno oltre 500 le smart city nel mondo.
Grazie a questa tecnologia è possibile rappresentare con precisione tutte le infrastrutture presenti: edifici, strade, infrastrutture, servizi.
Il modello è alimentato dai dati e dal flusso costante generato, grazie ai sensori, così da aggiornare tutto in tempo reale. Il digital twin può anche fornire informazioni immediate sul flusso energetico o idrico, così come sulla presenza di lavori in corso. In sostanza, tutto quello che avviene in città viene replicato nel modello virtuale.
Il gemello digitale di una città consente la modellazione di rischi ambientali (prevedendo per esempio uno scenario di potenziale inondazione), la gestione energetica di molteplici edifici, l’ottimizzazione delle energie rinnovabili e del flusso del traffico oltre a permettere lo studio e la pianificazione di un eventuale sviluppo dell’area urbana.
Il digital twin di una città intelligente include la simulazione dei movimenti delle persone e delle evacuazioni di emergenza, ma anche la stessa progettazione di edifici smart e la gestione dell’energia attraverso diversi parametri.
Permette anche di concentrarsi maggiormente sulla sostenibilità, prestando grande attenzione ai parametri ottenuti dal monitoraggio della qualità dell’aria e dalla progettazione delle infrastrutture verdi. Va sottolineato che un modello di questo tipo tiene conto anche dell’analisi delle minacce informatiche, quindi contribuisce allo sviluppo della cybersecurity.
I benefici della modellazione sono numerosi e vanno dalla manutenzione preventiva, all’efficienza operativa e al risparmio sui costi, al miglioramento dei servizi per i cittadini, all’aumento della sicurezza e dell’ottimizzazione delle risorse.
Un esempio di smart city all’avanguardia è Singapore, un laboratorio urbano continuo e centro di innovazione mondiale, dove gli esperti – ingegneri, architetti, urbanisti – lavorano mettendo al centro il modello digitale di quella che oggi è una vera e propria città del futuro.
Qui vendono portati avanti esperimenti avanzati sui veicoli a guida autonoma, sulla mescolanza etnica dei suoi quartieri, oltre che sulla costruzione di nuovi appartamenti e infrastrutture.
Qui la raccolta massiccia di dati, combinati con l’intelligenza predittiva dei Big Data, è usata in tutti i settori per modellare progetti, pianificare e cercare di offrire servizi più innovativi che vanno dalla fluidità, alla sicurezza e il comfort degli autobus, alla localizzazione dei centri di assistenza per l’infanzia.
La municipalità di Singapore ha sperimentato anche un sistema di gestione del traffico molto sofisticato che si basa su tariffe variabili a seconda della concentrazione dei flussi automobilistici, del quartiere, dell’orario e del giorno della settimana.
Singapore sta sviluppando un sistema per virtualizzare gli edifici, le infrastrutture, le aree verdi e praticamente tutti gli aspetti della vita cittadina, per poi riprodurre l’intera città in forma tridimensionale interattiva. Si chiama Virtual Singapore ed è un modello dinamico tridimensionale della città e una piattaforma di dati collaborativa che include le mappe in 3D della città.
Questo sistema permetterà al pubblico, alle imprese, al governo e alle agenzie di ricerca di ottenere approfondimenti, sviluppare soluzioni ed eseguire simulazioni utilizzando questo modello su larga scala.
Virtual Singapore con la sua immensa banca dati in costante aggiornamento può aiutare i professionisti a prendere decisioni a lungo termine su tematiche come la gestione delle infrastrutture e delle risorse, la pianificazione urbana, la sostenibilità ambientale.
Ad esempio, un tecnico o un progettista possono utilizzare l’app per valutare il potenziale solare di alcuni edifici attraverso il posizionamento simulato di pannelli solari o sviluppare soluzioni per migliorare l’accessibilità per le famiglie, la popolazione anziana e le persone con disabilità.
