Knowledge network for innovation of construction sector: increasing efficiency through process digitisation of the entire chain

The construction industry has long been characterised as a project-based business that delivers one-of-a-kind products. No two buildings are alike, though they may appear similar from the outside. Hence, design and construction choices are made under uncertainty and the role of designers and constructors is consequently burdened with huge responsibilities about the success or failure of the project and its impact on the environment. Design and construction are processes that run in a cycle way through a trial-and-error procedure because it is not possible thought through the entire picture in advance. They can be considered as iterative procedures composed by a creative stage and a mechanical stage where the hypothesis of the former are tested with reference to project requirements. Moreover, the inherent variables of the construction site that can include machine/human failures, adverse weather conditions, and disadvantageous geological conditions brings the site management to face deviations between the as-planned and as-built construction performance, requiring real-time decisions during the construction development. In this context, decisions usually rely upon the knowledge of experts that act, however, under uncertainty and with access to a limited amount of information. Several studies in the field of psychology demonstrated the difficulties of human brain in evaluating samples, as people’s intuition appears to satisfy the law of small numbers. Hence, a possible precaution to the above-mentioned issues is the use of computation intended as the introduction of techniques and technologies able to support the deciders through data driven suggestions. However, the introduction of digital means in the construction sector demonstrated to be all but easy and linear. Thus, the peculiarities of the construction sector impose the development of social analysis to evaluate possible frameworks able to support the introduction of digital technologies and techniques devoted to improve knowledge management and decision making processes. On the other hand, the need to provide computational analysis in the construction sector impose technological challenges requiring the integration of disparate data generated along the construction chain in a highly fragmented environment. In first instance, this can be interpreted in the need of integrate data, information, and knowledge provided by projects that are not based on a shared rule-set to create the conditions to push the introduction of computation in the construction sector. Following this focus, the research that is here presented adopts a multidisciplinary approach including construction, knowledge and management, psychology and social science, and computer science areas. Starting from a theoretical background based on the hypertext organisation schema, the cultural historical activity theory, and the heuristic decision theory, this research investigate a novel framework for the development of a knowledge management platform for the construction sector. The theoretical analysis results in an integrated schema that forms the basis for the development of the desired framework prospecting a multi-level approach to develop collaborative environments and related platforms in the construction sector. This framework is supported by the development of dedicated case studies to consolidate the proposed processes. The experimentations are 1) a hybrid classification and clustering approach to organise digital documents from heterogeneous sources and 2) a machine learning image recognition process to verify and semantically enrich building information models. The evidences collected during the literature review and the results obtained in the development of the framework generated two implications. On the one hand, the presentation of an evolutionary view on collaborative environments in the construction sector. On the other hand, the analysis of the possible integration between the existing platforms developed at national level and the proposed framework.

L’industria delle costruzioni è stata a lungo identificata come un’attività basata su progetto e che sviluppa prodotti unici. Non esistono due edifici uguali tra loro anche se appaiono simili dall’esterno. Ne consegue che le scelte progettuali e costruttive sono prese in un contesto di incertezza ed il ruolo di progettisti e costruttori e di conseguenza caricato da grandi responsabilità con riferimento al successo o al fallimento del progetto così come del suo impatto ambientale. Progettazione e costruzione sono processi che procedono ciclicamente e per tentativi vista l’impossibilità di immaginare l’intero sistema a priori. Essi possono essere considerati processi iterativi composti da una fase creativa ed una fase meccanica dove le ipotesi della prima fase sono verificate con riferimento ai requisiti di progetto. Inoltre, le variabili intrinseche del cantiere come ad esempio guasti alle macchine, infortuni, condizioni metereologiche avverse o condizione geologiche svantaggiose portano il direttore di cantiere ad affrontare deviazioni tra le prestazioni pianificate e quelle reali, richiedendo decisioni in tempo reale durante lo sviluppo della costruzione. In questo contesto, le decisioni si basano solitamente sulla conoscenza degli esperti che agiscono, purtroppo, in condizioni di incertezza e con accesso ad un numero limitato di informazioni. Diversi studi nel campo della psicologia hanno evidenziato le difficoltà del cervello umano in valutare campioni di dati in quanto l’intuizione umana sembra soddisfare la legge dei piccoli numeri. Come possibile precauzione a queste problematiche si identifica l’uso della computazione intesa come l’introduzione di tecniche e tecnologie capaci di supportare il decisore attraverso suggerimenti basati sui dati. Tuttavia, l’introduzione di mezzi tecnologici nel settore delle costruzioni si è dimostrato tutt’altro che semplice e lineare. Le peculiarità del settore impongono lo sviluppo di analisi sociali in grado di valutare possibili strutture dedicate a supportare l’introduzione di tecnologie e tecniche digitali rivolte al miglioramento della gestione della conoscenza ad ai processi decisionali. Dall’altra parte, il bisogno di fornire analisi computazionali nel settore delle costruzioni pone nuove sfide tecnologiche richiedendo l’integrazione di dati generati lungo la catena delle costruzioni in un ambiente fortemente frammentato. In prima istanza, questo bisogno può essere visto come la necessità di integrare dati, informazioni e conoscenza forniti da progetti che non sono basati su un quadro di regole condivise così da creare le condizioni per spingere l’introduzione di componenti computazionali nel settore delle costruzioni. Seguendo questo obiettivo, la ricerca che è qui presentata adotta un approccio multidisciplinare includendo aree di studio riferite alle costruzioni, alla gestione delle conoscenza, alla psicologia, alle scienze sociali ed alle scienze informatiche. A partire da una base teorica fondata sullo schema organizzativo ipertestuale, la teoria dell’attività culturale storica e la teoria delle decisioni euristiche, il presente lavoro studia una nuova struttura dedicata allo sviluppo di una piattaforma di gestione della conoscenza per il settore delle costruzioni. L’analisi teorica sfocia in uno schema integrato che va a costituire la base per lo sviluppo della struttura ricerca prospettando un approccio multi livello per la definizioni di ambienti collaborativi e per le relative piattaforme nel contesto delle costruzioni. Questa struttura è supportata dallo sviluppo di due casi studio dedicati al consolidamento del processo proposto. Le due sperimentazioni trattano 1) un approccio ibrido per organizzare documenti testuali utilizzando tecniche di classificazione e raggruppamento e 2) un processo di riconoscimento automatizzato di immagini per verificare ed arricchire semanticamente modelli informativi di edifici. Le informazioni raccolte durante lo studio della letterature scientifica ed i risultati ottenuti nello sviluppo della struttura di sistema portano a due implicazioni principali. Da una parte, la presentazione di una visione evolutiva riferita agli ambienti collaborativi nel settore delle costruzioni. Dall’altra, l’analisi delle possibili integrazione tra le piattaforma esistenti a livello nazionale e la struttura di sistema proposta.