Prefabrication and modularization technology in residential buildings

Prefabrication in construction industry refers to the assemblies which are produced in an off-site facility under controlled conditions without weather or any site-related impacts and then transferred to the construction site for installation. The scarcity of accommodations after the second world war gave rise to build high-rise residential blocks and contractors went towards to use prefabricated components to meet demand in a short duration. The early examples of prefabricated building systems left a negative impression on people as a result of poor-quality, mass-produced housing. In today’s world, the prefabrication and modularization technologies step forward by improved production efficiency, quality, site safety and environmental performance. However, the contemporary tools such as computer-aided design (CAD), computer-aided manufacturing (CAM) and building information modeling (BIM) technologies enable customization of products, the design flexibility of prefabricated and modular systems are still questionable. In addition, job site accessibility and logistics, limited number of providers and availability of trained workforce are the current constraints for application of off-site construction. The benefits and challenges are analyzed in detail to have a broad perspective on the use of prefabrication technologies and the construction methods and materials in these practices. The choice of construction material and method requires the consideration of a large variety of aspects including project type, design, product durability, performance and aesthetics, project budget and duration, environmental and sustainability impacts. In this study, the currently used construction materials and methods for prefabricated building systems are briefly described for different levels of prefabrication. The construction materials and methods are evaluated in terms of the relation with the design of the project; how they enable or limit the internal layout in other words how much flexibility they offer. Based on the detailed study for the construction materials and methods, several projects varied on prefabrication level and material selection are proposed for a specific case study which is low-rise, affordable residential building blocks in Segrate, Milan. The attitude is satisfying the demands of different kinds of users while using prefabricated and modular elements. In the end, a comparative study is carried out among the four proposed systems to achieve the highest prefabrication level while assuring flexibility of internal design and accordingly the project quality and energy performance.

La prefabbricazione nell'industria delle costruzioni fa riferimento agli assemblaggi prodotti in una struttura esterna in condizioni controllate senza agenti atmosferici o impatti correlati al sito e quindi trasferiti al cantiere per l'installazione. La scarsità di strutture ricettive dopo la seconda guerra mondiale ha dato origine a grattacieli residenziali e appaltatori destinati all'uso di componenti prefabbricati per soddisfare la domanda in breve tempo. I primi esempi di sistemi costruttivi prefabbricati hanno lasciato un'impressione negativa sulle persone a causa di abitazioni di scarsa qualità prodotte in serie. Nel mondo di oggi, le tecnologie di prefabbricazione e modularizzazione fanno un passo avanti migliorando l'efficienza produttiva, la qualità, la sicurezza del sito e le prestazioni ambientali. Tuttavia, gli strumenti contemporanei come computer-aided design (CAD), computer-aided manufacturing (CAM) e building information modeling (BIM) consentono la personalizzazione dei prodotti, la flessibilità progettuale dei sistemi prefabbricati e modulari è ancora discutibile. Inoltre, l'accessibilità e la logistica del posto di lavoro, il numero limitato di fornitori e la disponibilità di forza lavoro qualificata sono i vincoli attuali per l'applicazione della costruzione fuori sito. I benefici e le sfide sono analizzati in dettaglio per avere una prospettiva ampia sull'uso delle tecnologie di prefabbricazione e dei metodi e materiali di costruzione in queste pratiche. La scelta del materiale da costruzione e del metodo richiede la considerazione di una grande varietà di aspetti tra cui tipo di progetto, design, durata del prodotto, prestazioni ed estetica, budget e durata del progetto, impatti ambientali e di sostenibilità. In questo studio, i materiali e i metodi di costruzione attualmente utilizzati per i sistemi di costruzione prefabbricati sono brevemente descritti per diversi livelli di prefabbricazione. I materiali e i metodi di costruzione sono valutati in termini di relazione con il progetto del progetto; come abilitano o limitano il layout interno, in altre parole, quanta flessibilità offrono. Sulla base dello studio dettagliato dei materiali e dei metodi di costruzione, vari progetti sono variati a livello di prefabbricazione e la selezione dei materiali è stata proposta per un caso di studio specifico che è un basso edificio residenziale e basso costo a Segrate, Milano. L'attitudine è soddisfare le esigenze di diversi tipi di utenti durante l'utilizzo di elementi prefabbricati e modulari. Alla fine, uno studio comparativo viene condotto tra i quattro sistemi proposti per raggiungere il massimo livello di prefabbricazione, garantendo al tempo stesso flessibilità di progettazione interna e di conseguenza la qualità del progetto e le prestazioni energetiche.