Setting up the sustainability digital twin : an innovative, open-source, model-based approach to enhance waste management evaluation in green public procurement

Despite BIM (Building Information Modelling) and digital tools gave a boost to the construction industry productivity, neither collaborative approaches nor digitalization is still fully accomplished. Several factors can be individuated, among them the intrinsic construction project complexity and variety, together with huge fragmentation in still strongly paper-based approaches. Key issues can be individuated in the adoption of competitive rather than collaborative approaches, and the lack of actual interoperability and collaboration in BIM-based approaches. Information Management is struggling and worsening from low digitalization and the lack of normalized processes, preventing tasks automation and shortening throughout the whole lifecycle. Thus, several studies identified the digital transition of process management as the solution for a breakthrough. The criticalities afore illustrated are particularly significant in Public Procurement, a phase often underestimated even if could have a huge impact on the long-term. Despite representing 14% of European GDP, it is still poorly digitalized and characterized by high fragmentation and inefficiency, mostly due to still paper-based approaches which struggle Information Management, Process Management (PM), and tender evaluation, resulting in long processing times and low decision speed. Although the regulation promotes the adoption of digital tools and BIM, project deliveries are still paper-based, rather than based on data useful to feed digital models as a unique knowledge repository informing decisions throughout the lifecycle. Checking the whole bid documentation is struggling and mainly based on declarations and reports with difficult information consistency checking. Thus, the European (EU) directives strongly promote strategies based on digital and data-based approaches to enhance productivity in Public Procurement, emphasizing the key role of Public Procurement in realizing smart, sustainable, and inclusive growth. Indeed, the industry is currently facing a twin transition: digital and green. The construction industry still has a huge environmental impact and the largest waste production among economies. Digital tools, as well as digital technologies, can provide features able to reduce buildings footprint, facilitating the green transition and speeding up to get zero carbon and zero waste. The Public Clients can play a key role, leading the twin transition of the construction industry by adopting more efficient, green, and digital processes, switching from paper-based inefficient approaches to data-driven digital ones. Despite the good premises and regulation requirements, the criticalities afore illustrated particularly affect Green Public Procurement (GPP) adoption both at European and Italian level. Italy was pioneering by requiring it as mandatory through the Minimum Environmental Criteria (i.e., CAM criteria) and MEAT (Most Economically Advantageous Tender) to minimize the negative environmental impact and identify the most convenient bid by crossing quality and prices based on the project lifecycle performance. Nevertheless, GPP and CAM are still poorly adopted, mostly due to the lack of staff training and competences, generating issues in drafting sustainability criteria in tender documents. A worsening factor is the lack of digital and automated data-driven tools for tender evaluation through MEAT, preventing Public Clients from completely controlling project impacts in terms of both performance and sustainability and struggling the still strongly paper-based procedure. Digital and data-driven methods would be essential to enable easy project performance checking and evaluation, promptly displaying the impact that some design choices might produce both at single and global level. Thus, a more complex perspective is needed to overcome current limitations and shift towards digital, model-based approaches with holistic Information and Process Management. Product Lifecycle Management (PLM) would be key providing full digitization, increased productivity and efficiency, and more sustainable choices in pursuing the twin transition promoted by EU. PLM supports a multidisciplinary and systemic performance view along the whole lifecycle, enabling to manage complex processes with a significant amount of data and strong variability such as construction projects. Despite PLM could lead to several benefits for model-based integrated management systems, it is far from being spread adopted in the construction field due to some criticalities related to technologies and policies. Recently, Digital Twins (DTs) are emerging as the solution to overcome the digitalization gap and manage construction complexity in a PLM perspective with more sustainable choices, providing a revolution in Information Management and decision-making. PLM and DTs could promote a holistic approach by preserving data consistency, reducing information loss and asymmetry, strengthening interoperability, and providing seamlessly connectivity among the actors involved throughout the lifecycle. The added value of DTs lies in the multidisciplinary approach which enables to dynamic evaluate several performances and aspects at the same time, unlocking great potential in GPP. The DT Prototype (DTP) and DT Instance (DTI) concepts formalized by Grieves in PLM could be borrowed in the construction industry, enabling the optimal tender and building performance evaluation, starting from bidding models with a defined information structure. GPP adoption can be enhanced through data-driven and model-based bids evaluation, instead of relying on implicit knowledge from documents and reports. At this aim, Design-Build (DB) procurement is suitable both for the introduction of model-based approaches and DTs as the geometry of the building is defined and the tender is based on the evaluation and comparison of improving proposals. The full digitalization of the procedures, tasks automation, and a more objective, transparent efficient tender evaluation method can be supported by consistent and complete information and models. Furthermore, the bids Information Requirements (IRs) can be settled as the suitable basis to develop a Sustainability DT useful to evaluate and monitor CAM criteria and environmental impact throughout the whole lifecycle through tailored KPIs. Indeed, few research investigated DTs across the entire lifecycle so far, and there are several gaps, especially concerning the early design and disposal phases. The definition of the IRs across the lifecycle is needed to provide valuable DT application through a PLM perspective, in addition to useful information protocols and standards. The awarded bidding model can be enriched in the subsequent executive design phase to develop the Sustainability DTP, exploitable during the construction phase to optimize design scenarios with respect to environmental criteria. Then, it can be further enriched, becoming the Sustainability DTI useful for monitoring performance in the operation and maintenance phase by means of further parameters and KPIs, up to the decommissioning phase. An axiom of the research is that the awarded bidding model, and particularly the Sustainability DTP, should be of the "reusable" type and enriched with needed information throughout the building lifecycle, otherwise it represents a mere simulation model. Moving from the precedent assumptions, the main aim of the research concerns the re-engineering of current DB tender procedure into a model-based, open-source and fully digitalized one with long-term and a short-term objective. The former concerns the definition of a PLM framework to incrementally develop a Sustainability DT useful to evaluate CAM criteria starting from the bidding models submitted during a DB procurement. The latter concerns the development of a replicable methodology based on the integration of process normalization, openBIM, and Information Management aimed at the definition of IRs useful to enable the semi-automated criteria evaluation in DB procurement with MEAT. Firstly, it was conducted an analysis of current procedures and regulatory framework, guidelines, and standard tender notices with a focus on telematic ones. Then, the current DB procedure was mapped through BPMN 2.0 and re-engineered, identifying automatable tasks: (i) bidding models checking against Public Client's IRs, (ii) checking anomalous bids, both outside the scope of the research, and (iii) evaluation through MEAT criterion, the focus of the research. Thus, it was possible to define the replicable methodology for semi-automated MEAT evaluation which can't be fully automated as the qualitative criteria evaluation should remain a human task. The replicable methodology developed, involved the following steps: (i) BPMN 2.0 normalization of the evaluated criterion which could be quantitative, evaluable through an algorithm, or a performance criterion evaluable recalling a micro-service; (ii) individuation of related IRs needed and mapping in IFC (Industry Foundation Classes) Class); (iii) score calculation through tailored algorithms, after exporting IFC bidding models in excel sheets; (iv) development of analytic dashboards useful to visualize and compare bids scores both at the level of the single criterion and the whole tender. The research developed promises to have strong impacts on the construction industry's Public Procurement. The PLM framework allows borrowing a complex and holistic approach typical of other industries to optimize the quality and production costs of DTs, and to leverage a new concept: the DTP. This is disruptive, the building has always been a prototype of itself but now a digital comprehensive model could be exploited to evaluate and optimize its performance with a high level of accuracy throughout the lifecycle. A great value is unlocked also given the huge number of DTs foreseen to flood the market in the coming years. Buildings quality and environmental impact can be improved as decisions are shifted to the early design phase and the construction of the DT's information structure is optimized through a step-by-step approach, accordingly to the IRs needed. More informed and accurate decision-making can be ensured at all stages of the lifecycle, starting from the early design and tendering phase, in addiction information protocols for suitable DTs can be provided, together with the truthful "as built", currently very struggling to be obtained. Due to the numerous and complex domains integrated into a construction project, a bottom-up approach was adopted, and the methodology was tested starting from the semi-automated evaluation of waste quantities in a real Italian DB procedure for a new school near Milan. The great value lies in the consideration of waste generation starting from the early design phase, key to optimizing quantities and reducing the project environmental impact. The proposed approach is undergoing experts' examination, once validated it could be extended to the other CAM criteria and the whole tender, providing both the full GPP adoption and digitalization in tendering processes, and formalizing links between the project's domains. This could be disruptive, providing a comprehensive prototype to easily and truthfully test different design choices, rather than evaluating isolated performances as currently happens. In the meantime, it was compared with the traditional approach and another IM approach previously developed, highlighting advantages, limitations, and challenges. Undoubtedly, the tendering process efficiency results improved, as currently there are no automated tasks and the information needed to evaluate the bids must be found in reports and documents, a time-consuming and error-prone task. The procedure is streamlined thanks to the implementation of digital tools and machine-readable processes with a model-based tender evaluation. Furthermore, the evaluation of bids can take place almost simultaneously with their submission, reserving the time-consuming meetings of the judgment commission for few remaining qualitative criteria evaluation. A significant improvement in transparency is provided through open-source and fully accessible information, shared among stakeholders. Finally, it enabled the results visualization related to the single criterion, the overall bid, and the whole tender, thanks to analytical dashboards providing an immediate comparison between the bid, currently prevented. The disruptive process innovation is proposed to provide several advantages and several challenges as well. The first relates to current regulations which prevent to exploitation of information models to evaluate bids, thus there is the need to review and updated them, ensuring the principles of privacy, data ownership, traceability, and transparency. Furthermore, a change management strategy is needed, due to the low propensity for innovation of the sector, and the lack of technological, digital, and BIM skills among Public Clients stuff. Another major challenge concerns the management of a huge amount of data (i.e., big data), a suitable strategy is needed, and Machine Learning and Artificial Intelligence tools could be exploited in the future. Also, the limitations still posed by the IFC standard exporting through authoring software should be considered, and, lastly, the reluctance of players to adopt fully transparent strategies. These challenges need to be addressed in future work, however, a first proposal towards a PLM approach in the construction industry is provided with the aim of filling the gap towards the definition of IRs for Sustainability DTs and digital, model-based approach for GPP enhancement.

Nonostante il BIM (Building Information Modelling) e gli strumenti digitali abbiano dato un impulso alla produttività dell'industria delle costruzioni, né gli approcci collaborativi né la digitalizzazione sono ancora pienamente realizzati. Si possono individuare diversi fattori, tra cui la complessità e la varietà intrinseca dei progetti edilizi, insieme all'enorme frammentazione degli approcci ancora fortemente basati sulla carta. I problemi principali possono essere individuati nell'adozione di approcci competitivi piuttosto che collaborativi e nella mancanza di effettiva interoperabilità e collaborazione negli approcci basati sul BIM. La gestione delle informazioni è in difficoltà e peggiora a causa della scarsa digitalizzazione e della mancanza di processi normalizzati, che impediscono l'automazione e la riduzione dei compiti durante l'intero ciclo di vita. Diversi studi hanno quindi individuato nella transizione digitale della gestione dei processi la soluzione per una svolta. Le criticità appena illustrate sono particolarmente significative nel settore degli appalti pubblici, una fase spesso sottovalutata anche se potrebbe avere un impatto enorme sul lungo periodo. Nonostante rappresentino il 14% del PIL europeo, sono ancora scarsamente digitalizzati e caratterizzati da un'elevata frammentazione e inefficienza, soprattutto a causa di approcci ancora cartacei che mettono in difficoltà la gestione delle informazioni, la gestione dei processi (PM) e la valutazione delle offerte, con conseguenti tempi di elaborazione lunghi e bassa velocità di decisione. Sebbene la normativa promuova l'adozione di strumenti digitali e del BIM, le consegne dei progetti sono ancora cartacee, anziché basarsi su dati utili ad alimentare i modelli digitali come archivio unico di conoscenze che informano le decisioni durante l'intero ciclo di vita. La verifica dell'intera documentazione di gara è difficile e si basa principalmente su dichiarazioni e relazioni, con difficoltà a controllare la coerenza delle informazioni. Pertanto, le direttive europee (UE) promuovono fortemente strategie basate su approcci digitali e basati sui dati per aumentare la produttività negli appalti pubblici, sottolineando il ruolo chiave degli appalti pubblici nella realizzazione di una crescita intelligente, sostenibile e inclusiva. In effetti, il settore sta affrontando una duplice transizione: digitale e verde. L'industria delle costruzioni ha ancora un enorme impatto ambientale e la maggiore produzione di rifiuti tra le economie. Gli strumenti digitali, così come le tecnologie digitali, possono fornire funzionalità in grado di ridurre l'impronta degli edifici, facilitando la transizione verde e accelerando il raggiungimento di zero emissioni di carbonio e zero rifiuti. I committenti pubblici possono svolgere un ruolo chiave, guidando la doppia transizione dell'industria delle costruzioni attraverso l'adozione di processi più efficienti, verdi e digitali, passando da approcci inefficienti basati sulla carta a quelli digitali basati sui dati. Nonostante le buone premesse e i requisiti normativi, le criticità illustrate in precedenza riguardano in particolare l'adozione del Green Public Procurement (GPP) sia a livello europeo che italiano. L'Italia è stata pioniera richiedendolo come obbligatorio attraverso i Criteri Ambientali Minimi (ovvero i criteri CAM) e il MEAT (Most Economically Advantageous Tender) per minimizzare l'impatto ambientale negativo e individuare l'offerta più conveniente incrociando qualità e prezzi sulla base delle prestazioni del ciclo di vita del progetto. Tuttavia, GPP e CAM sono ancora poco adottati, soprattutto a causa della mancanza di formazione e competenze del personale, che genera problemi nella stesura dei criteri di sostenibilità nei documenti di gara. Un fattore di peggioramento è la mancanza di strumenti digitali e automatizzati basati sui dati per la valutazione delle gare d'appalto attraverso il MEAT, che impedisce ai committenti pubblici di controllare completamente gli impatti dei progetti in termini di prestazioni e sostenibilità e di lottare contro la procedura ancora fortemente cartacea. Metodi digitali e data-driven sarebbero essenziali per consentire una facile verifica e valutazione delle prestazioni del progetto, mostrando tempestivamente l'impatto che alcune scelte progettuali potrebbero produrre sia a livello singolo che globale. È quindi necessaria una prospettiva più complessa per superare le attuali limitazioni e passare ad approcci digitali e basati su modelli, con una gestione olistica delle informazioni e dei processi. La gestione del ciclo di vita del prodotto (PLM) sarebbe fondamentale per garantire la piena digitalizzazione, l'aumento della produttività e dell'efficienza e scelte più sostenibili nel perseguire la doppia transizione promossa dall'UE. Il PLM supporta una visione multidisciplinare e sistemica delle prestazioni lungo l'intero ciclo di vita, consentendo di gestire processi complessi con una quantità significativa di dati e una forte variabilità, come i progetti di costruzione. Nonostante il PLM possa portare a diversi benefici per i sistemi di gestione integrata basati su modelli, è lontano dall'essere adottato in modo diffuso nel settore delle costruzioni a causa di alcune criticità legate alle tecnologie e alle politiche. Recentemente, i gemelli digitali (DT) stanno emergendo come soluzione per superare il gap di digitalizzazione e gestire la complessità delle costruzioni in un'ottica PLM con scelte più sostenibili, fornendo una rivoluzione nella gestione delle informazioni e nel processo decisionale. Il PLM e i DT potrebbero promuovere un approccio olistico preservando la coerenza dei dati, riducendo la perdita di informazioni e l'asimmetria, rafforzando l'interoperabilità e fornendo una connettività continua tra gli attori coinvolti nell'intero ciclo di vita. Il valore aggiunto dei DT risiede nell'approccio multidisciplinare che consente di valutare dinamicamente diverse prestazioni e aspetti allo stesso tempo, liberando un grande potenziale nel GPP. I concetti di DT Prototype (DTP) e DT Instance (DTI) formalizzati da Grieves nel PLM potrebbero essere mutuati nel settore delle costruzioni, consentendo di valutare in modo ottimale le prestazioni delle gare d'appalto e degli edifici, partendo da modelli di offerta con una struttura informativa definita. L'adozione del GPP può essere migliorata attraverso una valutazione delle offerte basata su dati e modelli, invece di affidarsi alla conoscenza implicita di documenti e relazioni. A questo scopo, gli appalti di Design-Build (DB) sono adatti sia per l'introduzione di approcci basati su modelli che di DT, in quanto la geometria dell'edificio è definita e la gara d'appalto si basa sulla valutazione e sul confronto di proposte migliorative. La completa digitalizzazione delle procedure, l'automazione dei compiti e un metodo di valutazione delle offerte più obiettivo, trasparente ed efficiente possono essere supportati da informazioni e modelli coerenti e completi. Inoltre, i requisiti informativi delle offerte (IR) possono essere utilizzati come base per sviluppare un DT di sostenibilità utile per valutare e monitorare i criteri CAM e l'impatto ambientale durante l'intero ciclo di vita attraverso KPI personalizzati. Finora, infatti, poche ricerche hanno studiato i DT per l'intero ciclo di vita e ci sono diverse lacune, soprattutto per quanto riguarda le prime fasi di progettazione e smaltimento. La definizione delle IR lungo tutto il ciclo di vita è necessaria per fornire una valida applicazione delle DT attraverso una prospettiva PLM, oltre a protocolli e standard informativi utili. Il modello di offerta aggiudicato può essere arricchito nella successiva fase di progettazione esecutiva per sviluppare il DTP di sostenibilità, sfruttabile in fase di costruzione per ottimizzare gli scenari progettuali rispetto ai criteri ambientali. Successivamente, può essere ulteriormente arricchito, diventando il DTI di sostenibilità utile per monitorare le prestazioni nella fase di esercizio e manutenzione attraverso ulteriori parametri e KPI, fino alla fase di decommissioning. Un assioma della ricerca è che il modello di offerta aggiudicato, e in particolare il DTP di sostenibilità, deve essere di tipo "riutilizzabile" e arricchito con le informazioni necessarie durante tutto il ciclo di vita dell'edificio, altrimenti rappresenta un mero modello di simulazione. Partendo dai presupposti precedenti, l'obiettivo principale della ricerca riguarda la reingegnerizzazione dell'attuale procedura di gara DB in una basata su modelli, open-source e completamente digitalizzata, con un obiettivo a lungo e uno a breve termine. Il primo riguarda la definizione di un framework PLM per sviluppare in modo incrementale un DT di sostenibilità utile a valutare i criteri CAM a partire dai modelli di offerta presentati durante un appalto DB. Il secondo riguarda lo sviluppo di una metodologia replicabile basata sull'integrazione di normalizzazione dei processi, openBIM e Information Management, finalizzata alla definizione di IR utili a consentire la valutazione semi-automatica dei criteri negli appalti DB con MEAT. In primo luogo, è stata condotta un'analisi delle procedure attuali e del quadro normativo, delle linee guida e dei bandi di gara standard, con particolare attenzione a quelli telematici. Quindi, l'attuale procedura di DB è stata mappata attraverso BPMN 2.0 e reingegnerizzata, identificando i compiti automatizzabili: (i) il controllo dei modelli di offerta rispetto agli IR del cliente pubblico, (ii) il controllo delle offerte anomale, entrambi al di fuori dell'ambito della ricerca, e (iii) la valutazione attraverso il criterio MEAT, oggetto della ricerca. In questo modo, è stato possibile definire una metodologia replicabile per la valutazione MEAT semi-automatizzata, che non può essere completamente automatizzata in quanto la valutazione dei criteri qualitativi deve rimanere un compito umano. La metodologia replicabile sviluppata prevedeva le seguenti fasi: (i) normalizzazione BPMN 2.0 del criterio valutato che può essere quantitativo, valutabile attraverso un algoritmo, o un criterio di performance valutabile richiamando un microservizio; (ii) individuazione degli IR correlati necessari e mappatura in classi IFC (Industry Foundation Classes); (iii) calcolo del punteggio attraverso algoritmi personalizzati, dopo aver esportato i modelli di offerta IFC in fogli excel; (iv) sviluppo di cruscotti analitici utili a visualizzare e confrontare i punteggi delle offerte sia a livello di singolo criterio che di intera gara. La ricerca sviluppata promette di avere un forte impatto sugli appalti pubblici del settore delle costruzioni. Il framework PLM permette di prendere in prestito un approccio complesso e olistico tipico di altri settori per ottimizzare la qualità e i costi di produzione dei DT, e di sfruttare un nuovo concetto: il DTP. L'edificio è sempre stato un prototipo di se stesso, ma ora è possibile sfruttare un modello digitale completo per valutarne e ottimizzarne le prestazioni con un alto livello di precisione durante tutto il ciclo di vita. Un grande valore viene sbloccato anche in considerazione dell'enorme numero di DT che si prevede verranno immessi sul mercato nei prossimi anni. La qualità degli edifici e l'impatto ambientale possono essere migliorati in quanto le decisioni vengono spostate nella fase iniziale di progettazione e la costruzione della struttura informativa del DT viene ottimizzata attraverso un approccio graduale, in base alle IR necessarie. Un processo decisionale più informato e accurato può essere garantito in tutte le fasi del ciclo di vita, a partire dalla fase iniziale di progettazione e di appalto, in cui possono essere forniti protocolli informativi per i DT adatti, insieme al veritiero "as built", attualmente molto difficile da ottenere. A causa dei numerosi e complessi ambiti integrati in un progetto di costruzione, è stato adottato un approccio bottom-up e la metodologia è stata testata a partire dalla valutazione semi-automatica delle quantità di rifiuti in una reale procedura di DB italiana per una nuova scuola vicino a Milano. Il grande valore risiede nella considerazione della produzione di rifiuti fin dalla fase iniziale di progettazione, fondamentale per ottimizzare le quantità e ridurre l'impatto ambientale del progetto. L'approccio proposto è al vaglio degli esperti e, una volta validato, potrebbe essere esteso agli altri criteri dei CAM e all'intera gara d'appalto, garantendo sia la piena adozione del GPP sia la digitalizzazione dei processi di gara, e formalizzando i collegamenti tra i domini del progetto. Questo potrebbe essere dirompente, fornendo un prototipo completo per testare facilmente e in modo veritiero diverse scelte progettuali, piuttosto che valutare prestazioni isolate come avviene attualmente. Nel frattempo, è stato confrontato con l'approccio tradizionale e con un altro approccio IM precedentemente sviluppato, evidenziando vantaggi, limiti e sfide. Indubbiamente, l'efficienza del processo di gara è migliorata, in quanto attualmente non esistono attività automatizzate e le informazioni necessarie per valutare le offerte devono essere reperite in relazioni e documenti, un'attività che richiede molto tempo ed è soggetta a errori. La procedura è stata snellita grazie all'implementazione di strumenti digitali e processi leggibili a macchina con una valutazione delle offerte basata su modelli. Inoltre, la valutazione delle offerte può avvenire quasi contemporaneamente alla loro presentazione, riservando le lunghe riunioni della commissione di giudizio ai pochi criteri di valutazione qualitativa rimanenti. Un significativo miglioramento della trasparenza è garantito da informazioni aperte e completamente accessibili, condivise tra le parti interessate. Infine, ha permesso la visualizzazione dei risultati relativi al singolo criterio, all'offerta complessiva e all'intera gara d'appalto, grazie a cruscotti analitici che forniscono un confronto immediato tra l'offerta, attualmente impedita. L'innovazione di processo dirompente si propone di offrire diversi vantaggi ma anche diverse sfide. La prima riguarda le normative vigenti che impediscono lo sfruttamento dei modelli informativi per la valutazione delle offerte, per cui è necessario rivederle e aggiornarle, garantendo i principi di privacy, proprietà dei dati, tracciabilità e trasparenza. Inoltre, è necessaria una strategia di gestione del cambiamento, a causa della scarsa propensione all'innovazione del settore e della mancanza di competenze tecnologiche, digitali e BIM tra i committenti pubblici. Un'altra sfida importante riguarda la gestione di un'enorme quantità di dati (i cosiddetti Big Data); è necessaria una strategia adeguata e in futuro si potrebbero sfruttare strumenti di Machine Learning e Intelligenza Artificiale. Inoltre, occorre considerare i limiti ancora posti dall'esportazione dello standard IFC attraverso i software di authoring e, infine, la riluttanza degli attori ad adottare strategie completamente trasparenti. Queste sfide devono essere affrontate nel lavoro futuro, tuttavia viene fornita una prima proposta per un approccio PLM nel settore delle costruzioni con l'obiettivo di colmare il divario verso la definizione di IR per i DT della sostenibilità e di un approccio digitale basato su modelli per il miglioramento delle GPP.