Presentazione
Antonio Fioravanti
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Cantieri ospedalieri a basso impatto
È con particolare piacere che mi accingo a presentare questo libro per la collana editoriale del Dottorato di Ricerca in Ingegneria dell’Architettura e dell’Urbanistica in quanto si colloca in un filone di ricerca che appartiene a questo Dottorato, allora denominato Dottorato in Ingegneria Edile, fin dal I Ciclo del 1986, quando esordiva con l’inaspettata e brillante disser tazione riguardante riflessioni sul processo di progettazione architettonica ed edilizia.
Mi riferisco alla rivoluzionaria tesi del prof. Gabriele Novembri su “Proget tazione edilizia e tecniche dell’Artificial intelligence”, che prendeva spunto dalle ricerche primordiali di Ivan Sutherland, tesista al MIT di Boston, e dalle successive portate avanti da Nicholas Negroponte nel 1968-73, nel campo disciplinare detto CAD – Computer Aided Design, ma le innova va profondamente riportandole ad un nuovo inizio, ché erano ormai state abbandonate.
Questo filone era la prosecuzione ideale della linea di ricerca impostata anni prima dal prof. Gianfranco Carrara, fondatore dell’importante CABDlab alla Sapienza nel 1977; e aveva paralleli riferimenti all’informatica nell’architettu ra, in accordo con gli appassionati amici e pionieri: Bill Mitchell, Tom Maver, Chuck Eastman, Kosta Papamichael, John Gero, Bo-Christer Björk, Marcos Novak; in Italia, Nino Saggio, Luigi Prestinenza Puglisi, ed altri. In questo ambito alla fine degli anni Ottanta, solo in Italia, oltre a Roma si contavano diverse scuole: Bari, Bologna, Genova, Palermo, Milano. Ma nel mondo, qual’erano appunto le scuole?
Si dividevano secondo due approcci filosofici diversi: il più seguito uti lizzava consapevolmente gli strumenti che si venivano perfezionando in aiuto al progetto d’architettura, rimanendo esso stesso sostanzialmente e metodologicamente immutato; il più arduo affrontava il toro per le corna e ripensava ab imis all’atto creativo del progettare, con i suoi risvolti, le nuove metodologie, le scienze cognitive e l’informatica. Era una sorta di feroce tabula rasa, e su queste nuova fondamenta, si proponeva di ricercare, o cre are, nuovi strumenti.
Allora, in linea con questo secondo approccio, perché non concepire uno strumento ex-novo che in tempo reale ci suggerisca, o disapprovi, le nostre scelte progettuali? Perché limitarsi a una verifica, dopo le scelte progettuali?
Forse era il caso di ribaltare l’assunto, cercando di domare la complessità delle problematiche con tutta la potenza di calcolo e intelligenza (naturale o artificiale) disponibili, facendo leva sulla computer science per moltipli care le proposte creative. È questa l’idea propulsiva visionaria che “sposta in avanti l’orizzonte” delle possibilità progettuali umane.
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Con questa visione, quindi, è stato indagato il “design”, inteso come verbo “progettare” e non come sostantivo “progettazione” o come “progetto”. L’at tenzione spasmodica e totalizzante è stata focalizzata sul processo progettua le: è questo il cuore pulsante della ricerca. Pertanto, questo Dottorato ha contribuito alla nascita di un nuovo settore disciplinare: il CAAD – Com puter Aided Architectural Design – ibridazione di Architettura e Informatica, finalizzata al progettare. Questo necessario preambolo è per indicare che il lavoro del Dottore di Ricerca Ugo Maria Coraglia ha profonde radici, ed è nell’alveo di un “lun go passato” di innovatori. Infatti, il mio caro amico, l’industriale Claudio Bianchi, quando confrontavamo questo settore con altri di lunghissima tradizione, mi ripeteva come un mantra: «L’elettronica e l’informatica sono discipline anch’esse vecchie, seppur non antiche! Ed è evidente alla luce di una semplice considerazione: un anno di evoluzione in queste discipline equivale a dieci anni di quello che accade nelle altre». Fatto salvo il riferimento alla nuova ideale metodologia progettuale, il pre sente lavoro si configura come un tassello in questo Grande Gioco, prenden do in considerazione le possibilità di prefigurare in fase progettuale cosa può avvenire in un cantiere all’interno di un ospedale funzionante, simu lando allo stesso tempo le vibrazioni, le polveri, l’impatto sonoro, le attività svolte e la configurazione del nuovo reparto, per un salto qualitativo nel risultato finale. Allo scopo, si sono utilizzate diverse tecnologie: tra le altre, gli automi cellulari (NetLogo) e i game engine (Unity3D), partendo da un caso reale, l’Ospedale Landesklinikum Wiener Neustadt a Vienna.
È stato un lavoro di ricerca anticipatore per affrontare concretamente le problematiche che sarebbero sorte a valle della pandemia legata al Co vid-19. L’aspirazione è stata evidentemente globale: gestire in un contesto di complessità esigenze intrecciate e divergenti; ed è in questa metodologia innovativa del progettare – applicabile a differenti contesti – che risiede il valore del presente lavoro.
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più appropriati per lo studio di problemi complessi, come quelli nelle strut ture sanitarie, e questa ricerca mostra anche come l’uso degli strumenti BIM (Building Information Modeling) consente il monitoraggio e la ge stione delle interferenze geometriche (clash), oltre la simulazione. Partendo dall’elaborazione di modelli sviluppati in ambiente BIM, utiliz zando Revit come database di informazioni geometriche e di semantica re lativa all’uso, la simulazione del processo costruttivo è realizzata attraverso l’utilizzo di un Game Engine, nel caso specifico Unity3D. Lo strumento risultante può fornire una simulazione del comportamento degli utenti, nonché dei fenomeni energetici e ambientali. L’interazione tra il modello “arricchito”, dell’edificio e del cantiere, e l’am biente simulativo rappresenta un possibile mezzo di controllo dei rischi, dei costi e dell’impatto in ambito ospedaliero durante la fase di progetto dell’intervento, risultando vantaggioso sia per i professionisti del settore sa nitario sia per quello edilizio, nella scelta delle migliori soluzioni gestionali e di design. Al fine di testare l’efficacia dell’approccio, il modello proposto è stato applicato su un reparto dell’ospedale austriaco di Wiener Neustadt, coinvolgendo reali processi di ristrutturazione.
1.1 Problemi caratterizzanti la situazione degli ospedali e dei cantieri ospedalieri
La necessità di preservare e mantenere le costruzioni esistenti alla luce di nuove esigenze di costruzione è in crescita esponenziale a livello interna zionale3. Il settore sanitario è particolarmente colpito da questi sviluppi a causa di un’elevata dipendenza dalle tecnologie integrate negli edifici. L’Italia, ricca di un background storico, artistico ed architettonico, si sta rendendo conto di doversi porre il problema poiché sul territorio nazionale sono presenti circa 1.197 istituti di cura4. Tali strutture, che presentano una serie di criticità, necessitano di continuo adeguamento e manutenzione de gli impianti che preveda l’utilizzo di nuove tecnologie. Come esempio per la scala e l’impatto della costruzione, la figura [1] mostra una situazione ante-operam (A)5 e post-operam (B)6. I lavori riguardano l’ospedale Edoardo Agnelli di Pinerolo (TO). La figura [2] mostra, inol
3. Callegari G. Montanari G. (2001), Progettare il costruito. Cultura e tecnica per il recupero del patrimonio architettonico del XX secolo, Franco Angeli Edizioni s.r.l., Roma.
ISTAT – Istituto nazionale di Statistica (2011), Italia in cifre 2011.
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4.
5. https://bit.ly/2Oj0yUX. 6. https://bit.ly/3ceCFWt.
13Introduzione 1. Lavori di salvaguardia dell'Ospedale E. Agnelli di Pinerolo (TO), (A) Ante-operam; (B) Post-ope ram. Sorgente: elaborazione dell’autore con immagini di repertorio, A e B 2. Lavori di ristrutturazione all'interno di un ospedale. Sorgente: elaborazione dell'autore 3. Lavori per l’adeguamento tecnologico-impiantistico. Sorgente: immagine di repertorio A ed elaborazione dell’autore B A A A B B B
Ambienti
stanze di degenza
Limite del Rumore
30 dB(A)
corridoio 40 dB(A)
sala operatoria 35 dB(A) zone di connessione 40 dB(A) area visitatori 40 dB(A) area servizi generali 40 dB(A)
Tabella 3. Limite di rumore per gli ambienti ospedalieri
L’INAIL (Istituto Nazionale per l’Assicurazione contro gli Infortuni sul Lavoro) ha cercato di tradurre in indicazioni operative le misure tecniche ed organizzative per la riduzione del rischio rumore fissate dall’art.192 del D.Lgs. 81/08, come minimo di 85 dB(a) LEX e/o 137 dB(C) di LPICCO (Li vello di picco)11. Vista la complessità e la varietà degli ambienti presenti in una struttura ospedaliera, i valori generali richiesti non possono essere soddisfacenti e per tale motivo devono essere presi in esame anche il livello equivalente ponderato A (LAeq), il rumore di fondo e il tempo di riverberazione (T60), come riportato in [Tabella 4]12 . Le linee guida dell’INAIL, rifacendosi al D.Lgs. 81/2008, per la valuta zione del rischio da vibrazione dovuto all’utilizzo degli strumenti di lavoro, prendono in considerazione l’effetto che questi strumenti generano sul la voratore, sia sul sistema mano-braccio sia su quello intero corpo, definen do i valori soglia di esposizione ma trascurando gli effetti negativi che le vibrazioni, invece, generano sugli strumenti sanitari di estrema sensibilità. Uno strumento di supporto per il cantiere deve quindi essere completa mente personalizzabile, in relazione a più standard e, per questo motivo, l’implementazione prodotta per questa tesi è stata resa configurabile in ter mini di livelli accettabili di vibrazioni, polvere e rumore.
11. INAIL (2013), Metodologie e interventi tecnici per la riduzione del rumore negli ambienti di lavoro, Volume unico, Tipolitografia INAIL.
12. Ibidem.
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Tipologia di livelli sonori
Livello di Esposizione (LEX)
Livello equivalente pondera to A (LAeq)
dB(A)
Destinazione d'uso
< 65 servizi di diagnostica, terapia e laboratori di analisi
< 40 locali con possibilità di degenze (ad es. camere di degenza, guardia medica, etc.)
< 50 locali dove è un livello di concentrazione elevato (sale operatorie, ambulatori, studi medici, servizi di diagnostica, terapia, etc)
Rumore di fondo (LAeq)
< 60 locali con attività che prevedono il ricorso frequente ad attrezzature (laboratori di analisi, etc.)
< 35 locali a massima esigenza di comfort e di qualità nella comunicazione verbale (ad es. camere di degenza, guardia medica, sale operatorie, etc.)
< 40 – 45 altri locali (corsie, sale d'attesa, sale di accettazione, servizi, etc.)
Tempo di riverberazione (T60)
< 0,5 – 0,8 locali con volume < 200 m3
0,8 – 1,3 locali con volume 200 – 1000m3
> 3 – 4 locali con volume > 1000m3
Tabella 4. Tipologie di livelli sonori
2.2 Approccio proattivo e matrice del rischio
Le linee guida internazionali stabiliscono un approccio proattivo alla ge stione del rischio, ICRA (Infection Control Risk Assessment), il quale va luta il potenziale rischio di trasmissibilità degli agenti patogeni all’interno di un ospedale. L’obiettivo è limitare le fonti di rischio ambientali sostenen do allo stesso tempo la progettazione architettonica e impiantistica.
Le dimensioni del progetto e l’entità della costruzione influiscono sull’im patto e quindi anche sui rischi. Tuttavia, non per questo bisogna cadere nel tranello che ad un progetto di dimensioni ridotte corrisponda un mi nor impatto o che non vi siano rischi da dover valutare. Infatti, per molti piccoli progetti, realizzati completamente all’interno di una struttura sa nitaria operativa, risulta, quindi, fondamentale determinare la dimensione dell’impatto di tali progetti su pazienti, visitatori, personale, attrezzature ed ambiente circostante.
25Stato dell’arte
7. Modello integrato in BIM di una struttura ospedaliera a New York (2013). Sorgente: WASA/Studio A
8. Simulazione in NetLogo 3D. Sorgente: elaborazione degli autori
semplicemente come un database da cui esportare schemi, informazioni e modelli da importare all’interno dello strumento che si vuole proporre in ambiente Game Engine.
Concettualmente, l’approccio previsto tende ai modelli BIM di life-cycle: poiché le operazioni (e.g. relative alle attività ospedaliere) e le attività di ristrutturazione si verificano contemporaneamente, è opportuno pensare ad una base dati comune che permetta e supporti l’aumento dell’interope rabilità dei dati per il Facility Life Cycle Management.
Uno degli aspetti fondamentali del management di un ospedale, ad esem pio, riguarda l’accurato controllo delle risorse finanziarie finalizzate alla
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riduzione dei costi. A tal proposito, l’Ente Americano per la Salute (He althcare Organization) ha istituito l’Healthcare BIM Consortium (HBC) in modo da favorire la collaborazione tra industria, venditori di software, progettisti, costruttori e consulenti per supportare l’incremento dei dati di interoperabilità per il Facility Life Cycle Management. Attraverso un modello di BIM 6D, oltre a prendere in considerazione tem pi e costi con il modello BIM 3D, 4D e 5D, viene monitorato l’intero ciclo di vita dell’ospedale. Attualmente, infatti, il modello BIM può essere integrato con un sistema real-time di localizzazione ad infrarossi, così da permettere il tracciamento della strumentazione medica direttamente nel modello 3D e facilitarne la successiva ricollocazione4.
3.2 Modellazione e Simulazione basata su Agenti
Per affrontare la prototipazione del modello simulativo proposto in questa ricerca è stato scelto uno strumento di modellazione e simulazione basato su agenti (ABMS). La scelta è ricaduta sul software NetLogo5, il quale è caratterizzato da un’interfaccia incorporata ed un proprio linguaggio di programmazione di facile intuizione. Questo programma permette di mo dellare e simulare in ambiente 2D e 3D, implementando scenari di simu lazione semplificata ma che allo stesso tempo, rispetto ad altri software ABMS in commercio (e.g. Agent Cell 2D/3D, Repast HPC, Pandora), ad uno sforzo relativamente semplice per lo sviluppo del modello contrappone una capacità medio-alta di modellazione computazionale e di scalabilità dei modelli6 [8]7 .
4. Linehan M., Andress B. (2013), Medical equipment and BIM – Advancing the planning process with Buil ding Information Modeling, HFM Magazine, November.
5. Krawczyk R. J., Cellular Automata: Dying to Live Again, Architecture, Art, Design, in Adamatzky A., Mar tinez G. J., Eds., (2016), Designing Beauty: The Art of Cellular Automata, Springer, pp. 39-52.
6. Abar S., et al. (2017), Agent Based Modelling and Simulation tools: A review of the state-of-art software, Computer Science Review, n. 24, pp.13-33.
7. Coraglia U. M., Wurzer G. (2017), CONVIS – A tool enabling uninterrupted operation during refurbishments of complex buildings, Proceedings of SIGraDi, Concepcion (Chile), vol. 3(12), pp. 376-380.
33Contesto
Attori
Pazienti
Vistatori
Personale sanitario
Operatività
Comportamenti
Addetti di cantiere
Attività sanitarie
Comportamenti in ambito sanitario
Attività di cantiere
Comportamenti in ambito cantieristico
12. Simulazione di Operatività e Comportamenti. Sorgente: elaborazione dell’autore
comfort
Fenomeni energetico-ambientali
salute & sicurezza
13. Fenomeni Energetico-Ambientali. Sorgente: elaborazione dell’autore
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39Framework concettuale 14. Tipologie di Visualizzazione A C B D Base di conoscenza Simulazione Visualizzazione 15. Framework Concettuale. Sorgente: elaborazione dell’autore
23. Esempio di campo di velocità risultante allo scenario 1. Sorgente: elaborazione degli autori
stato deciso di non introdurre un risolutore CFD all’interno del modello, al fine di evitare di rallentarlo. Si è preferito, piuttosto, importare un campo di flusso precalcolato e usarlo per dirigere le particelle.
Per generare il campo di flusso, sono state simulate in un software CFD due stanze di degenza di dimensioni 3x3x3m. Le condizioni al contorno per entrambi gli scenari erano: aria immessa 6x27m³/h, rho = 1.185 kg/m³ e Vp_gap = 0.0076 m³/s.
Il primo scenario era caratterizzato da una bocchetta di immissione, attiva vicino all’entrata, che genera un flusso d’aria equivalente a 6 cambi aria per ora (6 ACH), come mostrato in figura [22 A]20 .
Nel secondo scenario, invece, l’ingresso d’aria risulta era posizionato sulla parete opposta [22 B]21 .
In entrambi gli scenari, la presa di aspirazione dell’aria era situata sul pavi mento, all’angolo opposto rispetto a dove è stata posizionata la bocchetta di ingresso dell’aria. Entrambe le bocchette, di entrata e di uscita, hanno una dimensione di 0.4x0.4m.
Inoltre, è stata posta una sola porta di dimensioni 1x2m, con un gap di 0,005m intorno al suo telaio. Il solutore CFD ha utilizzato un modello
Ibidem.
Ibidem.
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20.
21.
24. (A) Transizioni tra le celle e (B) direzione vettoriale dominante per cella. Sorgente: elaborazione degli autori
standard di turbolenza k-ε, generando così un campo vettoriale di circa 1,4 milioni di vettori [23]22 .
Questi campi vettoriali sono stati usati per guidare le particelle attraverso lo spazio, tuttavia i costi per il calcolo e la memoria erano troppo alti per essere fattibili. Per questo motivo, è stata eseguita una discretizzazione sul campo vettoriale per modellarlo come una rete di transizione tra le celle della CA. La metodologia è illustrata nel seguente modo:
• Per prima cosa, il campo vettoriale viene inserito in un reticolo tridi mensionale �� = (��1, ��2,…, �� ��) in cui ogni cella quadrata ���� rappresenta un volume di una certa lunghezza laterale, in questo caso 1/3m. Per fare in modo che l’approccio funzioni, il reticolo deve misurare almeno una cella in più per ogni direzione rispetto al volume della stanza.
• Per ognuna di queste celle ���� ∈ �� si ricava il set di vettori �� ���� che si tro vano nel loro volume, dove ogni vettore ���� ∈ �� ���� è definito da un punto ������ ed una direzione ������, la cui lunghezza fornisce la velocità ������.
• Per ogni vettore ���� ∈ �� ����, si comincia da ������ e si traccia in direzione ������fino a quando viene colpita una cella diversa ���� ∈ ��. La cella raggiunta ���� viene registrata e la velocità del vettore ������ viene usato come una tupla (����, ������), la quale viene registrata nella cella di origine ���� come un insieme di transizioni �� c�� .
• In una fase di aggregazione, ogni cella ���� ∈ �� viene rivisitata. Il numero totale di transizioni per quella cella |�� ����| ha valore 100%. �� ���� è suddiviso
53Prototipo del modello di Automa Cellulare (CA)
22. Ibidem.
A B
