Lean Construction 4.0: a new paradigm to support the adoption of Industrialized Building Systems and the digital transition of SMEs

Construction is a traditional sector where innovation is slowly adopted. The digital revolution enabled by the new 4.0 technologies is an excellent opportunity to reduce the productivity gap that building production has compared to other sectors (-1.8%). Design for Manufacture and Assembly (DfMA) and Building Information Modelling (BIM) are two approaches that can support building industrialization, and in particular offsite production, leading to a reduction of costs (-20%), time (-30/50%) and energy consumption (-30%), increasing quality (+20%) and security (+80%) at the same time. The purpose of Lean Construction 4.0 is to transfer industrial concepts to buildings in the Process, Project and Product (3P) management activities through the sector's digitalization. This new paradigm is the theoretical framework proposed for Small and Medium Enterprises (SMEs) in the Italian context: it introduces the PhygitArk and Phygital Producer as figures to overcome the current barriers to its adoption and the communication gap between the Design, Production and Construction phases. The instrument to assess and improve the digital level of companies is the LC4.0 Radar, a spider chart - driven by the Phygital Coach - evaluating the single 4.0 technologies' performances across the building life cycle. Another demonstration of the application of the paradigm is the Panelization Design Tool, a Decision Support System for the Early Design Stage, to support the broader use of offsite panelized solutions to refurbish existing buildings envelopes. It compares prefabricated technological solutions (concrete and timber panels) to traditional insulation using the design optioneering instrument in a BIM n-Dimensions environment across the building stages: from the requirements to design, production, construction, maintenance, and end-of-life. The Horizon 2020 project BIM4EEB – a BIM-based fast toolkit for Efficient rEnovation of residential Buildings – was an opportunity to develop the research's theoretical framework about the guidelines for Modern Methods of Construction (MMC) adoption in Italy and digital-testing the tool on a real case study.

Il gap produttivo (-1,8%) che l’edilizia ha rispetto agli altri settori dell’economia affonda le sue radici nella lenta adozione delle innovazioni a causa di una forte tradizione e un basso livello di digitalizzazione. La rivoluzione digitale, abilitata dalle nuove tecnologie 4.0, rappresenta un’opportunità per portare il settore delle costruzioni verso una nuova era basata sull’industrializzazione e la produzione offsite. La riduzione dei costi (-20%), dei tempi (-30/50%) e dell’energia consumata (-30%), oltre all’incremento della qualità (+20%) e della sicurezza (+80%), vengono raggiunte anche grazie all’adozione dell’approccio DfMA (Design for Manufacture and Assembly) e quello BIM (Building Information Modelling). Questa ricerca propone la Lean Construction 4.0 come nuovo paradigma digitale per l’applicazione dei concetti industriali di gestione del Processo, Progetto e Prodotto (3P) nel contesto edilizio italiano dominato dalle Piccole e Medie Imprese (PMI). Il PhygitArk e il Phygital Producer sono due figure che - rispettivamente nel breve e nel medio periodo - possono aiutare a superare l’attuale barriera comunicativa tra la progettazione, la produzione, la costruzione e la gestione. Il LC4.0 Assessment è lo strumento proposto per la valutazione del livello di digitalizzazione delle imprese lungo tutto il processo edile e che viene manovrato dal Phygital Coach al fine di valutare le performance delle varie tecnologie 4.0. Un’applicazione specifica della LC4.0 consiste nel test del Panelization Design Tool (PDT) al caso studio del progetto Horizon 2020 BIM4EEB – a BIM-based fast toolkit for Efficient rEnovation of residential Buildings. Questo secondo risultato della ricerca riguarda l’applicazione di uno strumento di supporto decisionale per la scelta tra diverse soluzioni tecnologiche di facciata. In particolare, il PDT propone una comparazione tra la riqualificazione tramite un tradizionale isolante a cappotto e l’applicazione di pannelli di facciata prefabbricata in legno (a telaio) o calcestruzzo quali seconde pelli per edifici esistenti. Le diverse soluzioni vengono comparate tramite radar multicriteriali basati su singoli parametri che vengono a loro volta associati alle n dimensioni del BIM (progettazione, produzione, costruzione, manutenzione e fine-vita). La valutazione dei vantaggi di performance dei pannelli prefabbricati fin dai primi step viene quindi quantificata con l’intento di dimostrare i vantaggi dei Metodi di Costruzione Moderni (MMC) ed in particolare delle soluzioni offsite abilitate dalle tecnologie digitali (design optioneering e parametrico) quali strumenti per l'accelerazione della produttività del settore in ottica industriale.