Intonaci e malte per la realizzazione di uno strato protettivo e termicamente isolante, per quanto debolmente, che funga principalmente da filtro “attivo” e adattivo per la regolazione

del comportamento dinamico del sistema di involucro:

• termointonaco a base di calce e truciolato vegetale, costituito esclusivamente da materie

prime naturali, tra cui truciolato di origine vegetale (microscaglie di sughero o truciolato di canapa), assemblate grazie all’uso di un legante a base di calce naturale di origine minerale, per realizzare un intonaco totalmente ecosostenibile in grado di ridurre le dispersioni di calo- re delle pareti esterne e il degrado legato alla formazione di muffe e condensa;

• vernici e rivestimenti nanostrutturati termici, ottenuti dalla lavorazione di materie prime

innovative interamente riciclate, sviluppate su scala nanomolecolare (definita come mino- re del decimo di micrometro in una dimensione almeno), al fine di potenziarne i requisiti prestazionali in termini di efficienza energetica, potere termoisolante e termo riflettente;

• intonaco termocromico, costituito da pigmenti termocromici provenienti dai coloranti al tino

(di origine vegetale o sintetica), uniti a un composto sintetico derivato dal processo di sintesi di scarti di poliuretano riciclati, per il microincapsulamento dei pigmenti, e ad altri composti chimici. Pur avendo un ridotto potere termico isolante, questo materiale presenta elevati po- tenziali per il regolamento della temperatura superficiale degli edifici, grazie alla particolare composizione chimica. I pigmenti termocromici presentano la proprietà fisica di cambiare

colore al variare della temperatura dell’ambiente circostante, conferendo all’intonaco ester- no la proprietà ottica di assumere una colorazione chiara durante le ore più calde, al fine di riflettere e respingere la radiazione solare, e viceversa diventare più scuro durante le ore più fredde, al fine di massimizzare l’assorbimento di energia termica. Questo materiale, ancora oggetto di studio e ricerca in continua evoluzione, può rappresentare un dispositivo cromo- genico valido per la realizzazione di sistemi di involucro “attivo”, capace di adattarsi alle oscillazioni climatiche durante i cicli giorno-notte ed estate-inverno25_;

• malta AAM (Alkali Activated Materials) a base ceramica, derivata dal processo di attivazione

alcalina, svolto a temperatura ambiente, di materie prime inorganiche a base di calcio-allu- minio-silicato, assemblate ad altre sostanze chimiche e a un agente aerante per la formazione di bolle d’aria all’interno della malta così ottenuta. Qualora la composizione dell’AAM sia prevalentemente a base di allumino-silicati, come nel caso del metacaolino, il materiale pren- de il nome di geopolimero. Questa malta AAM, ancora oggetto di studio e di ricerca26_{, può}

contribuire significativamente a migliorare le prestazioni energetiche dell’involucro edilizio, sfruttando sia il potere isolante della malta aerata, principalmente costituita da materiali a base silicea, sia l’inerzia termica data dalla massività dello strato isolante a base ceramica. Grazie alla versatilità dell’impasto geopolimerico, questo materiale può essere impiegato sia sotto forma di termointonaco, sia sotto forma di pannelli prefabbricati ottenuti dal getto di impasto all’interno di casseforme.

25 Per approfondimenti si veda il paragrafo III.2 - II Sistema innovativo di involucro a trama esagonale G-

SKinnED - Geopolymers - Sustainable Key for an innovative Envelope Design, dedicato specificamente alla trattazione di questo tema.

26 Le ricerche in ambito di AAM (Alkali Activated Matrials) sono sviluppate dal gruppo di ricerca dell’Unità

Operativa Recupero e Restauro del CIRI - Edilizia e Costruzioni dell’Università di Bologna che, dal 2012, sta con- ducendo sperimentazioni costruttive volte alla caratterizzazione di un materiale ecosostenibile, a basso impatto am- bientale, dotato di buone proprietà meccaniche e termiche. Per ulteriori approfondimenti, si veda il paragrafo III.2 - II Sistema innovativo di involucro a trama esagonale G-SKinnED - Geopolymers - Sustainable Key for an innovative Envelope Design, dedicato specificamente alla trattazione di questo tema.

aBstract

Il secondo capitolo riguarda l’illustrazione dei processi e metodi per la riqualificazione dell’involucro considerati alla base dell’approccio innovativo proposto per la conduzione degli in- terventi di recupero del costruito, che accompagni progettisti e operatori durante l’intero processo, a partire dall’analisi fino al progetto e alla sua realizzazione finale.

Secondo lo schema grafico riepilogativo espresso all’inizio del capitolo, la prima fase del processo riguarda l’analisi dello stato di fatto del patrimonio edilizio scolastico recente (1960-80), comprendente il Rilievo geometrico e descrittivo e la valutazione dello stato conservativo, al fine di redigere schede anagrafiche e di rilievo, valide come punto di partenza per la progettazione degli interventi.

Successivamente alla fase di analisi preliminare, ha inizio la fase di Progettazione di inter-

venti “su misura” per il recupero dell’involucro edilizio dei fabbricati, svolta secondo un approc-

cio parametrico alla progettazione della morfologia del secondo involucro da giustapporre alle facciate esistenti degli edifici in oggetto.

Una volta elaborata la geometria del nuovo involucro edilizio, definita grazie all’utilizzo di software parametrico-variazionali a elevata precisione, è possibile esportare le coordinate geome- triche, al fine di realizzare un modello virtuale su cui svolgere analisi meccaniche e termiche. I risultati ottenuti da queste analisi numeriche vengono in seguito confrontati con i risultati ottenuti dalle misurazioni e dai test svolti sui modelli reali, realizzati in seguito alle fasi di Sperimentazione

costruttiva e prototipazione.

Tale fase costituisce la parte essenziale del processo, in quanto momento di Verifica

prestazionale e dei requisiti di qualità costruttiva.

La formulazione di due soluzioni progettuali di involucro risulta fondamentale per illustrare l’applicazione del processo progettuale, continuo e integrato, proposto per la riqualificazione delle facciate esistenti, supportato dall’impiego di macchine a controllo numerico CNC per la fabbrica- zione digitale degli elementi progettati che, attraverso l’uso di interfaccia CAD-CAM, consentono il passaggio dal modello virtuale a quello reale.

L’esito finale del progetto di ricerca non riguarda quindi l’elaborazione di due specifiche soluzioni progettuali di involucro, che risulterebbe alquanto riduttiva, oltre che non totalmente esaustiva (in quanto le tecniche proposte necessiterebbero ulteriori verifiche e sperimentazioni), bensì la presentazione di un nuovo approccio integrato, a supporto di operatori e progettisti, per la gestione dell’intero processo progettuale degli interventi di recupero.

résuMé

Le deuxième chapitre illustre les Processus et méthodes pour la rénovation des systèmes d’enveloppe, considérés à la base de l’approche innovante proposée pour les interventions de ré- habilitation, à support pour les concepteurs et les opérateurs tout au long du processus, à partir de l’analyse jusqu’au projet et à sa réalisation finale.

Selon le schéma graphique de synthèse exprimé au début de ce chapitre, la première étape du processus concerne l’analyse de l’état actuel du patrimoine scolaire récent (1960-1980), compre- nant le Relevé géométrique et descriptif et l’évaluation de l’état de conservation, afin de rédiger des fiches techniques, valides comme un point de départ pour la conception des interventions.

Après l’analyse préliminaire, il suit la phase de Conception des interventions “sur mesure” pour la rénovation des façades des bâtiments scolaires, réalisée selon une approche paramétrique à la conception de la morphologie de la deuxième enveloppe à juxtaposer aux façades existantes.

Une fois déterminée la géométrie de la nouvelle enveloppe du bâtiment, définie grâce à l’uti- lisation des logiciels paramétriques de haute précision, il est possible exporter les coordonnées géo- métriques, afin de créer un modèle virtuel sur lequel effectuer l’analyse mécanique et thermique. Ensuite, les résultats obtenus à partir de ces analyses numériques sont comparés aux résultats ob- tenus à partir des essais et mesures effectués sur des modèles réels, réalisées à la suite des étapes d’Expérimentation constructive et prototypage.

Cette phase constitue la partie essentielle du processus, vue qui représente la Vérification des

performances et des exigences de qualité de construction.

La formulation de deux solutions d’enveloppe est fondamentale pour illustrer l’application du processus de conception, continu et intégré, proposé pour la rénovation des façades existantes. Ce processus est soutenu par l’utilisation de machines CNC pour la fabrication digitale d’éléments numériques conçus qui, grâce à l’utilisation d’interface CAO-FAO, permettent la transition du modèle virtuel à celui réel.

Par conséquence, le résultat final du projet de recherche ne porte pas sur l’élaboration de deux solutions d’enveloppe spécifiques, qui résulterait non seulement réductrice, mais aussi in- complète (puisque les techniques proposées exigeraient des analyses et vérifications plus appro- fondies), mais sur la présentation d’une nouvelle approche intégrée pour aider les opérateurs et les concepteurs à gérer l’ensemble du processus de conception des interventions de rénovation du patrimoine bâti récent.

IntroduzIone

All’interno di questo capitolo si intende proporre un approccio innovativo che guidi progetti- sti e operatori durante lo svolgimento degli interventi di recupero del costruito, accompagnandolo durante l’intero processo che, a partire dall’analisi, conduca al progetto e alla sua realizzazione finale [Fig. 1].

L’oggetto di intervento è rappresentato dal patrimonio edilizio scolastico recente (1960-80) di Bologna, che attualmente presenta importanti carenze in relazione agli aspetti prestazionali (energetici e strutturali), manutentivi e di qualità architettonica. La prima fase del processo riguar- da la ricognizione del patrimonio e l’analisi dello stato di fatto, comprendente il rilievo geometrico e descrittivo (svolto mediante strumenti e metodi fondati sull’impiego integrato di fotogrammetria e laser scanner) e la valutazione dello stato conservativo svolta seguendo un protocollo speditivo. La combinazione di queste attività porta alla redazione di schede anagrafiche e di rilievo per ognu- na delle scuole analizzate, volto a costituire un completo quadro descrittivo e un valido punto di partenza per la progettazione degli interventi.

Successivamente alla fase di analisi preliminare, ha inizio la fase di progettazione degli in- terventi “su misura” per il recupero dell’involucro edilizio dei fabbricati scolastici. Questa fase si avvale dell’approccio parametrico per la progettazione della morfologia del secondo involucro da giustapporre alle facciate esistenti degli edifici in oggetto. Infatti, tramite l’acquisizione del rilievo geometrico svolto con il laser scanner, è possibile gestire il processo di acquisizione della nuvola di punti tridimensionali che definisce la volumetria della scuola, importandola all’interno di un sof- tware di modellazione parametrica (Rhinoceros+Grasshopper). La possibilità offerta dal Design computazionale di modellare superfici in grado di adattarsi alla morfologia dei fabbricati esistenti, adempiendo alle prerogative di parametricità, variabilità, adattabilità e riproducibilità, costituisce un aspetto innovativo per la progettazione di interventi secondo il medesimo approccio integrato, applicabile agli edifici scolastici che presentano le stesse caratteristiche architettoniche e costrut- tive. Una volta elaborata la geometria del nuovo involucro edilizio, definita grazie all’utilizzo di software parametrico-variazionali a elevata precisione (Wolfram Mathematica), è possibile espor- tare le coordinate geometriche, al fine di realizzare un modello virtuale su cui svolgere analisi mec- caniche (con software basati sul metodo agli elementi finiti, quali Cast3M 2000) e termiche (con software che operano in regime dinamico, quali DesignBuilder+EnergyPlus). I risultati ottenuti da queste analisi numeriche vengono in seguito confrontati con i risultati ottenuti dalle misurazioni e dai test svolti sui modelli reali, realizzati in seguito alle fasi di prototipazione e sperimentazione costruttiva, che costituiscono la parte essenziale di verifica delle prestazioni e dei requisiti di qua- lità costruttiva. In linea con una delle principali prerogative di gestione degli interventi di recupero secondo un processo continuo e integrato, si prevede la possibilità di gestire in modo facile e rapido

[Fig. 1] Schema rappresentativo dell’approccio proposto per la conduzione del processo progettuale in ambito di Recupero del costruito.

oggetto intervento di riqualificazione: PATRIMONIO EDILIZIO SCOLASTICO RECENTE PREFABBRICATO RILIEVO GEOMETRICO E DESCRITTIVO preliminare agli interventi Metodi Range based:

laser scanner

Computational Design Software di progettazione

parametrica Metodi Image based:

fotogrammetria ANALISI E VALUTAZIONE STATO CONSERVATIVO preliminare agli interventi PROGETTAZIONE INTERVENTI “SU MISURA” PER RECUPERO INVOLUCRO PROGETTO APPROCCIO PARAMETRIO ANALISI TERMICA E MECCANICA SPERIMENTAZIONE COSTRUTTIVA E PROTOTIPAZIONE esito finale: PROCESSO studio ed esplorazione di un approccio innovativo VERIFICA PRESTAZIONALE E REQUISITI DI QUALITA’ COSTRUTTIVA Parte I - Materiali e tecniche Orizzonti della ricerca

+

Parte II - Analisi e progetto

Confronto tra modello reale e modello virtuale

Esiti della ricerca

parametricità |variabilità |adattabilità |riprodubicilità

Schede anagrafiche e di rilievo Metodo di Valutazione Speditiva NUVOLA DI PUNTI 3D per elaborazione modello 3D esistente

il passaggio dal modello virtuale a quello reale, ricorrendo all’utilizzo di macchine a controllo nu- merico CNC per la fabbricazione digitale delle geometrie di progetto, attraverso l’uso di interfaccia CAD-CAM.

All’interno del lavoro di Tesi, la formulazione di due soluzioni progettuali di involucro risul- ta fondamentale per l’illustrazione a titolo dimostrativo dell’applicazione del processo progettuale proposto per la riqualificazione delle facciate esistenti [Fig. 1]. Infine, si propone un progetto di massima per la riqualificazione energetica di un edificio scolastico selezionato all’interno del repertorio delle Scuole Medie prefabbricate realizzate a Bologna tra gli anni Sessanta e Settanta, mediante l’applicazione di uno dei due sistemi tecnologici di involucro elaborati e proposti, svolti presso le due sedi universitarie coinvolte nella cotutela, l’una presso l’Université Paris-Est, l’altra presso l’Università di Bologna.

Infine, occorre rilevare che l’esito finale del progetto di ricerca non riguarda l’elaborazio- ne di due specifiche soluzioni progettuali di involucro, che risulterebbe alquanto riduttiva, oltre che non totalmente esaustiva, in quanto le tecniche proposte necessiterebbero ulteriori verifiche e sperimentazioni. La significatività del risultato finale non riguarda nemmeno la realizzazione di un progetto di intervento, per quanto esso rappresenti indubbiamente un importante strumento di rappresentazione del processo progettuale proposto.

Come evidenziato all’interno del capitolo conclusivo, l’obiettivo principale della presente Tesi di Dottorato consiste invece nella presentazione di un nuovo approccio integrato, a supporto di operatori e progettisti, per la gestione dell’intero processo progettuale degli interventi di Recupero volti all’efficientamento energetico degli edifici mediante addizione volumetrica in facciata.

II.1 rIlIevogeoMetrIcoPrelIMInareaglIInterventIsulcostruIto

Nell’ambito degli interventi di recupero, acquista valore fondamentale la fase preliminare di svolgimento del rilievo metrico per la restituzione grafica del fabbricato oggetto di intervento e la successiva progettazione degli interventi volti alla trasformazione dello stesso.

Gli attuali strumenti di rilievo di cui dispongono gli operatori presentano una elevata pre- cisione, oltre che grandi potenziali in termini di capacità di interfacciarsi e connettersi con altri software più specificamente usati per la progettazione degli interventi.

Le nuove tecniche e tecnologie digitali restituiscono infatti una descrizione metrica molto accurata del territorio e degli edifici, offrendo i dati e le condizioni di partenza ottimali per lo svol- gimento di attività di restauro sul patrimonio architettonico vincolato e di interventi di recupero sul patrimonio edilizio recente.

In questo paragrafo si vuole fornire una sintesi delle tecniche digitali esistenti per il rilievo, illustrandole schematicamente nell’ottica di un nuovo approccio integrato alla progettazione, che preveda un flusso continuo di informazioni e dati, numerici e grafici, che dalla fase preliminare di rilievo geometrico consenta di giungere alla progettazione “su misura” degli interventi di recupero, e di supportarla fino alla fase ultima di realizzazione e costruzione.

Le due fasi che costituiscono il processo di rilievo di un edificio sono la fase di acquisizione del dato metrico e la fase di rappresentazione e restituzione dei dati.

Per quanto riguarda la prima fase, nell’ambito dell’acquisizione del dato metrico, le due tecniche digitali che attualmente rivestono il maggiore interesse sono i metodi Image based, basati sulla fotogrammetria digitale, e i metodi Range based, ossia il laser scanner o il laser a scansione terrestre.

La seconda fase di rappresentazione e restituzione dei dati, invece, che richiede grande at- tenzione e accuratezza, viene attualmente condotta mediante l’adozione delle tecnologie moderne, che si suddividono in prodotti vettoriali e raster: ortofoto di precisione, raddrizzamenti fotografici, modelli tridimensionali foto-realistici, generati a partire da dati fotogrammetrici e da dati laser.

Come verrà illustrato nel corso dei paragrafi successivi, risulta di particolare interesse per il processo progettuale proposto ed esplorato dal progetto di ricerca la realizzazione di modelli tridi- mensionali per la realizzazione di mesh (triangolazione), secondo il metodo degli elementi finiti.

Di seguito vengono illustrati i principali metodi di rilievo geometrico e descrittivo impiegati nell’ambito architettonico, archeologico e topografico:

• metodi Image based: fotogrammetria;

MetodI Imagebased: fotograMMetrIa

L’acquisizione del dato metrico può avvenire avvalendosi dei metodi Image based, basati su immagini. Essi consentono di ottenere il rilievo metrico di un oggetto attraverso la restituzione di un’immagine digitale, cioè di una matrice di elementi di immagine, detti pixel, il cui contenuto radiometrico (costituito dal valore bianco e nero, da un livello di grigio, o da un valore RGB - Red

Green Blue) è espresso da una funzione continua, le cui due variabili sono spaziali1_.

In generale, per questa metodologia, svolge un ruolo fondamentale il sensore, connesso allo strumento utilizzato per condurre il rilievo, di dimensioni variabili: esso misura la quantità di luce incidente, che viene convertita sotto forma di tensione elettrica con intensità proporzionale, a sua volta trasformata da un convertitore analogico/digitale in digital number, cioè in bit di informa- zioni. In questo modo, il sensore consente di raccogliere e accumulare le informazioni trasportate dall’energia elettromagnetica e renderle accessibili all’utente, restituendo un’immagine digitale che consiste in una matrice di pixel.

Indipendentemente dal metodo di acquisizione, un’immagine digitale non è un’entità espri- mibile mediante un’espressione analitica chiusa e, di conseguenza, risulta necessario ricercare una funzione discreta che la rappresenti. L’operazione di conversione da una rappresentazione continua a una discreta si chiama digitalizzazione, e avviene campionando le variabili spaziali e quantiz- zando i valori radiometrici corrispondenti. Questo procedimento può avvenire in maniera diretta, tramite l’impiego di una camera digitale, o in maniera indiretta, cioè digitalizzando tramite uno scanner un’immagine diapositiva o negativa.

Il processo di formazione di un’immagine digitale consiste quindi in due operazioni, la quan- tizzazione e il campionamento, che sono direttamente legate alle due caratteristiche fondamentali di questo tipo di immagini, la risoluzione radiometrica e la risoluzione geometrica.

La risoluzione radiometrica è direttamente legata alla quantizzazione, ossia alla conversione, eseguita dal sensore, dell’intensità del segnale luminoso in un numero intero, il cui valore viene memorizzato in corrispondenza di ciascun pixel. A seconda della quantità di numeri nella quale viene trasformata l’intensità luminosa, si può rappresentare l’immagine tramite un determinato numero di livelli di radianza. Esistono tre differenti tipologie di rappresentazione: in bianco e nero (se si ottengono due valori, 1 e 0, cioè bianco e nero), a palette di colori o a toni del grigio (se si ot- tengono 256 numeri, compresi tra 0 e 255, cioè tra nero e bianco), o ancora in modalità Tavolozza, cioè immagini RGB o YCM (se si ottengono tre canali, che rappresentano i tre livelli di RGB - Red

Green Blue, oppure i tre livelli di YCM - Yellow Cyan Magenta).

1 Girelli V. A., Tecniche digitali per il rilievo, la modellazione tridimensionale e la rappresentazione nel campo

dei beni culturali, Tesi di Dottorato di Ricerca in Scienze Geodetiche e Topografiche, Facoltà di Ingegneria - Alma Mater Studiorum – Università di Bologna, 2007.

L’altro fattore fondamentale nella definizione di un’immagine consiste nella risoluzione ge- ometrica, direttamente legata al campionamento, cioè alla porzione di immagine legata a ciascun elemento del sensore. La risoluzione geometrica è espressa da un parametro, chiamato DPI (Dots

per Inch, cioè punti per pollice), che indica la dimensione dei pixel, fornita dal numero di pixel con-

tenuti in una unità di lunghezza. Il suo valore è direttamente proporzionale alla grandezza della ma- trice bidimensionale costituita dai pixel di definizione dell’immagine, contenenti l’informazione. Pertanto, un’elevata risoluzione geometrica comporta la generazione di una matrice con un elevato numero di righe e di colonne, cioè un elevato numero di pixel di piccole dimensioni, solitamente di forma quadrata. Direttamente legata alla dimensione del pixel è la definizione del sistema di coordinate di riferimento interno dell’immagine, la cui relazione rispetto ad ogni pixel deve essere definita qualora si voglia utilizzare un’immagine digitale per scopi fotogrammetrici.

Tra i vari metodi Image based, la fotogrammetria rappresenta un potente strumento, grazie alle sue peculiarità di flessibilità, rapidità di acquisizione delle immagini e bassi costi, in quanto spesso realizzata utilizzando camere a medio-basso costo. Adottata sempre più di frequente per condurre il rilievo di aree, singoli edifici o altri oggetti di interesse storico, architettonico e arche- ologico, il suo utilizzo è stato ampliato ulteriormente dalla diffusione progressiva delle tecniche