Cir­co­la­ri­tà e fu­tu­re-rea­dy de­si­gn

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Le costruzioni e le infrastrutture sono progettate per durare decenni. Sebbene questa longevità sia spesso auspicabile, espone inevitabilmente alla sfida dell’incertezza circa il modo in cui tali opere verranno utilizzate in futuro. Cambiamenti nei bisogni sociali (ad esempio, la crescente diffusione del lavoro da remoto), sviluppi tecnologici (come l’espansione dell’e-commerce a scapito del commercio tradizionale), dinamiche urbane (ad esempio l’impatto potenziale, seppur incerto, dei veicoli a guida autonoma sulla mobilità) e condizioni ambientali (come il cambiamento climatico) possono rendere obsoleta o inadeguata nel tempo la funzione originaria di un’opera.

Questa incertezza intrinseca comporta spesso la necessità di interventi di adattamento attraverso modifiche, riusi o anche parziali demolizioni e ricostruzioni. Tuttavia, ogni intervento sull’ambiente costruito ha conseguenze significative su tutte le dimensioni della sostenibilità: economica, sociale e ambientale. I costi possono essere rilevanti, gli impatti sulle comunità considerevoli, e quelli ambien­tali – come il consumo di materiali, la produzione di rifiuti e le emissioni di gas serra (GHG) ‒ notevoli. L’industria edilizia svizzera è responsabile di circa un terzo delle emissioni nazionali¹ di GHG, e il settore delle costruzioni e demolizioni genera l’80% dei rifiuti del Paese.²

Una delle principali sfide nello sviluppo di un ambiente costruito sostenibile consiste nel fatto che, pur operando in contesti incerti e in continua evoluzione, la capacità di adattamento di edifici e infrastrutture viene determinata in gran parte già nella fase di progettazione. Ciò rende la progettazione per un futuro incerto un’attività ad alto rischio, spesso generatrice di soluzioni miopi: opere che rispondono perfettamente alle condizioni attuali ma non sono in grado di funzionare efficacemente al variare delle circostanze.³

Per affrontare questa sfida, è necessaria una strategia duplice. In primo luogo, le costruzioni e le infrastrutture dovrebbero essere concepite per ridurre al minimo la necessità di interventi nel corso della loro vita utile. In secondo luogo, quando gli adattamenti risultano inevitabili, essi dovrebbero essere realizzati contenendo i costi economici, limitando le perturbazioni sociali e minimizzando l’impatto ambientale.

A sostegno di questi obiettivi, negli ultimi anni sono emersi due filoni di ricerca complementari nel settore delle costruzioni. Il primo è il future-ready design (o «ingegneria strategica»), che esplora come ottimizzare la progettazione iniziale di opere a lunga durata per ridurre l’impatto e lo sforzo richiesti da futuri interventi, massimizzando al contempo i benefici netti di lungo periodo per tutti gli stakeholder. Il secondo è la circolarità, che mira a ridurre l’impronta ambientale degli interventi promuovendo riuso, adattabilità ed efficienza dei materiali lungo l’intero ciclo di vita dell’ambiente costruito.⁴

In effetti, future-ready design e circolarità si integrano concettualmente. Entrambi mirano a garantire che le opere costruite restino funzionali e preservino il loro valore il più a lungo possibile, minimizzando al contempo la produzione di rifiuti ed emissioni. La differenza risiede soprattutto nel focus: il future-ready design si concentra sull’adattabilità a cambiamenti esterni (tecnologici, climatici o sociali), mentre la circolarità mira a rallentare, restringere, chiudere e rigenerare i cicli dei materiali, prolungando la vita fisica delle risorse nell’ambiente costruito.⁵ Il future-ready design può dunque essere considerato un fattore strategico abilitante per la circolarità: progettare opere capaci di evolversi ed evitare demolizioni premature è infatti pienamente coerente con il pensiero circolare nello sviluppo di un ambiente costruito sostenibile. Nei paragrafi seguenti vengono presentati una panoramica dei contributi di ricerca più recenti in entrambi i campi, esempi pratici e alcune direzioni per ulteriori sviluppi.

Future-ready design

Il future-ready design è un ambito di ricerca emergente nell’architettura e nell’ingegneria civile che si concentra sullo sviluppo e sulla valutazione di alternative progettuali in un contesto segnato da incertezza di lungo periodo e dai suoi effetti sugli stakeholder.

Questo approccio prevede la modellazione dei servizi che una costruzione o un’infrastruttura deve garantire a tutti gli attori coinvolti e l’identificazione e caratterizzazione delle incertezze esogene, ossia fattori esterni all’opera che non possono essere previsti o mediati con affidabilità nel tempo (come dinamiche demografiche, prezzo dell’energia o sviluppo tecnologico). A partire da queste incertezze viene generato un insieme di soluzioni progettuali alternative. Queste vengono poi valutate tramite simulazioni basate su scenari, allo scopo di analizzarne le prestazioni in una ­gamma di futuri possibili. L’obiettivo è individuare quale soluzione assicuri le migliori prestazioni complessive per tutti gli stakeholder, nonostante l’inevitabile incertezza del futuro. Di seguito si presenta una sintesi delle fasi principali del processo.

Il percorso inizia con la modellazione del servizio. È un passaggio fondamentale perché stabilisce le metriche con cui valutare ogni proposta progettuale e richiede una comprensione approfondita del funzionamento previsto dell’opera nel periodo considerato. Si sviluppa quindi un modello statico del sistema. Questo modello assume la forma di una funzione obiettivo, ossia una formulazione matematica delle finalità degli stakeholder, strutturata per descrivere come la costruzione o l’infrastruttura fornisca i propri servizi. La funzione si basa su una gerarchia definita di costi e su principi utilitaristici, sintetizzando in un’unica unità di misura le conseguenze economiche, ambientali e sociali di qualunque riduzione del servizio. In questo modo è possibile individuare un equilibrio ottimale tra costi e benefici, evitando di dover attribuire pesi arbitrari ai diversi tipi di impatti.

La fase successiva consiste nell’identificazione e caratterizzazione delle incertezze esogene. Si tratta di individuare quali parametri della funzione obiettivo potrebbero influenzare in modo significativo l’erogazione del servizio qualora variassero. Questi possibili cambiamenti vengono analizzati rispetto ai processi che potrebbero determinarli. I dati storici vengono esaminati per riconoscere tendenze ed eventuali cambi di comportamento, fornendo la base per esplorare scenari futuri plausibili e la loro probabilità. Quando i dati sono limitati o inconcludenti, il giudizio di esperti integra e rafforza le informazioni disponibili. Si sviluppano quindi modelli probabilistici per stimare i valori futuri dei parametri chiave, validati verificando la loro capacità di riprodurre i risultati storici (cfr. fig. 1).

Una volta chiarito il quadro delle incertezze, l’attenzione si sposta sulla generazione delle alternative progettuali. Ciò implica definire una gamma di soluzioni iniziali che affrontano la readiness futura in modi differenti. Possono essere resilienti, ossia progettate per resistere a variazioni prevedibili della domanda e quindi poco bisognose di modifiche (anche dette robuste); flessibili, cioè destinate a richiedere adattamenti futuri ma relativamente economiche e semplici da modificare; oppure responsive, ossia capaci di autoregolarsi in modo dinamico al mutare delle condizioni. Possono essere considerate anche soluzioni miopi. Queste ultime sono ottimizzate per le condizioni attuali e rischiano di essere meno performanti nel lungo termine, ma hanno il vantaggio di costi iniziali più contenuti. Un esempio di insieme di alternative progettuali per l’ampliamento di un’autostrada è illustrato nella figura 2.

L’ultima fase consiste nel valutare queste alternative per supportare decisioni ottimali di lungo periodo sugli interventi nell’ambiente costruito. A questo punto il modello statico viene esteso per incorporare l’incertezza modellata sui parametri variabili, tenendo conto delle loro interazioni e dei loro effetti sull’intero sistema. Ciò avviene simulando tutti i parametri in modo stocastico, sulla base delle specifiche incertezze individuate per ciascuno, e integrandoli in un insieme coerente di scenari. Questo approccio consente di evitare una dipendenza eccessiva dal valore medio o dall’esito «più probabile», che rischierebbe di ignorare variazioni reali—un errore che può generare perdite di valore significative nei progetti infrastrutturali.⁶ Nella cornice individuata dagli scenari, ogni alternativa viene valutata per determinare quale garantisca il maggiore beneficio netto per tutti gli stakeholder su un’ampia gamma di condizioni future plausibili (cfr. fig. 3).

Negli ultimi vent’anni sono stati compiuti progressi significativi nell’applicazione del pensiero future-ready a progetti edilizi e infrastrutturali. Una selezione di casi rilevanti è disponibile sul sito di Strategic Engineering.⁷ Tra questi figurano studi sull’ottimizzazione della flessibilità e della resilienza degli ospedali in vista di un fabbisogno futuro incerto;⁸ sugli edifici per uffici, considerando possibili variazioni future dei prezzi di gas ed elettricità, dei carichi termici e delle prestazioni degli impianti,⁹ oltre che sull’oscillazione della richiesta di spazi.¹⁰ Approcci analoghi sono stati applicati alle infrastrutture di trasporto, in relazione all’incertezza sulla domanda di traffico futura;¹¹ agli edifici per uffici soggetti a incerte variazioni della richiesta di superfici;¹² e ai sistemi idrici, considerando l’incertezza sui consumi e sulla disponibilità di acqua.¹³ La reattività è stata indagata anche in ambito sanitario, ad esempio negli ospedali che affrontano una costante variabilità dell’afflusso dei pazienti,¹⁴ e nelle stazioni ferroviarie, dove il carico di traffico varia sensibilmente tra le ore di punta e i periodi di minore utilizzo.¹⁵

Queste iniziative hanno mostrato un notevole potenziale nel migliorare la gestione della domanda edilizia e infrastrutturale nel lungo periodo. Tuttavia, due limiti continuano a frenare l’uso dei principi di future-ready design nell’ottimizzazione dei progetti sotto incertezza futura:

1.  Il numero limitato di alternative progettuali generate da processi guidati dall’uomo. Al momento la creazione di alternative dipende fortemente dalla creatività umana, che limita inevitabilmente quantità e diversità delle soluzioni. Questo collo di bottiglia può essere superato ricorrendo all’intelligenza artificiale generativa, che può produrre in modo automatico un set molto più ampio e mirato di alternative specifiche per il problema di ottimizzazione.
2. Le alternative in termini di materiali e tecniche restano vincolate a quelle offerte dall’economia lineare. Le valutazioni dei progetti iniziali e degli adattamenti futuri si basano di norma su una logica lineare: impiego di materiali nuovi provenienti dalla produzione e smaltimento dei rifiuti da demolizione. L’integrazione dei principi dell’economia circolare nel processo progettuale potrebbe migliorare in modo significativo il valore sociale delle infrastrutture, tenendo conto dei benefici sistemici e di lungo periodo delle pratiche circolari.

La comunità scientifica sta lavorando attivamente per affrontare queste sfide. In particolare, il lavoro sviluppato nell’ambito della Circular Engineering for Architecture offre un contributo rilevante per colmare questi vuoti

Circular Engineering for Architecture

La circolarità rappresenta un modo rinnovato di concepire, progettare e gestire edifici e infrastrutture, recuperando pratiche diffuse prima dell’affermazione dell’economia delle costruzioni lineare e ad alto consumo di risorse. Invece di considerare l’ambiente costruito come un insieme di oggetti statici destinati a diventare rifiuti, il pensiero circolare lo interpreta come un flusso continuo di risorse da mantenere, riutilizzare e rigenerare. L’obiettivo è passare da un modello lineare del tipo «estrai, produci, usa, smaltisci» a uno che rallenti, restringa, chiuda e rigeneri i cicli delle risorse.¹⁶

L’ingegneria circolare in architettura riconosce che le risorse sono finite, il suolo urbano è limitato e i bisogni futuri incerti. Ogni decisione progettuale deve quindi bilanciare le prestazioni attuali con le possibilità future di riuso e rigenerazione. L’impiego di strutture modulari, connessioni reversibili e strati separabili permette, ad esempio, di adattare o smontare gli edifici con minimi sprechi. Analogamente, scegliere materiali durevoli o di origine biologica ne sostiene un uso più lungo e la reintegrazione in progetti futuri invece dello smaltimento.

Le tecnologie digitali hanno un ruolo centrale in questa transizione. Come descritto in «A circular built environment in the digital age»,¹⁷ strumenti quali BIM, intelligenza artificiale, material passports e sistemi di progettazione basati sui dati aumentano la trasparenza e permettono a progettisti, ingegneri e proprietari di sapere da dove provengono i materiali, come vengono utilizzati e dove possono essere impiegati in seguito. Su scala più ampia, piattaforme digitali collegano progetti e stock di materiali a livello urbano, favorendo strategie circolari e riducendo la domanda di nuove materie prime, come studiato nel progetto Innosuisse Flagship SWIRCULAR (fig. 4).¹⁸

La circolarità non è però solo una sfida tecnica: è anche un cambiamento organizzativo e culturale. Richiede di ripensare il funzionamento dell’industria delle costruzioni, dai metodi di approvvigionamento ai contratti, dai modelli di proprietà ai meccanismi di creazione del valore. I modelli di business basati su cicli di progetto brevi e bassi costi iniziali devono evolvere verso forme di gestione di lungo ­periodo, proprietà condivisa e modelli basati sui servizi, come il «building as a service». È essenziale la collaborazione tra discipline ‒ architetti, ingegneri, committenti, decisori pubblici e utenti ‒ attraverso processi decisionali condivisi. Servono nuove forme contrattuali e regolamentazioni che premiano le scelte progettuali capaci di preservare il valore dei materiali e ridurre l’impatto ambientale. I professionisti devono essere in grado di integrare aspetti tecnici, economici e sociali e progettare edifici che possano evolvere nel tempo invece di diventare obsoleti. Questo modo di pensare trasforma la progettazione da atto creativo puntuale a processo continuo di adattamento e cura dei materiali.

Conclusioni

La circolarità completa i principi del future-ready design descritti in precedenza. Se il future-ready design prepara le opere a condizioni esterne incerte, la circolarità assicura che materiali e sistemi restino in uso e mantengano valore il più a lungo possibile. Insieme, orientano verso un ambiente costruito capace di adattarsi ai cambiamenti riducendo al minimo il consumo di risorse e l’impatto ambientale. Un edificio «future-ready e circolare» soddisfa i bisogni presenti senza limitare la possibilità, per le generazioni future, di trasformarlo e riutilizzarlo.

La transizione verso un ambiente costruito circolare richiede politiche pubbliche adeguate e metriche coerenti. In Svizzera i principi della circolarità sono sempre più presenti nelle strategie nazionali di riduzione dei rifiuti ed efficienza delle risorse, ma ulteriori progressi dipenderanno dall’allineamento tra incentivi, regolamentazione e standard industriali e gli obiettivi di sostenibilità di lungo periodo.

Il futuro della costruzione sostenibile risiede nella ­progettazione di edifici che non si limitino a sopportare il cambiamento, ma lo rendano possibile. Costruire in modo circolare e future-ready significa passare da un atteggiamento reattivo a un modo di progettare che assume il cambiamento come condizione naturale.

Note 

1. Swiss Federal Office of Energy, Buildings.
2. WWF, Circularity as the new normal.
3. Martani, «Design with Uncertainty».
4. Garrido, Integrating circularity, 77-87.
5. De Wolf, «A circular built environment».
6. Savage, The Flaw of Averages.
7. strategic-engineering.co
8. De Neufville, «Using flexibility», 1–6; Esders, «Evaluating Initial Building Designs Considering Possible Future Changes: The Example of the New Pet Centre of the University Hospital of Zurich», 35–41; Esders, «Evaluating initial building designs Considering Possible Future Changes and decision flexibility: The example of the new PET Centre of the University Hospital of Zurich».
9 Martani, «A New Model for Evaluating»; Martani, «Design with Uncertainty».
10. De Neufville, Flexibility in engineering design; Martani, «Evaluating the impact», 15-40.
11. Ellingham, New generation whole-life costing; Elvarsson, «Considering automated vehicle deployment»; Martani, «Evaluating highway design», 135-155.
12. Martani, «A new process for the evaluation of the net-benefit», 156–170.
13. Adey, «Investing in water supply resilience», 104-115.
14. Suo, «A Scalable Methodology».
15. Lai. «Evaluating intelligent transport», 59-77.
16. De Wolf, «A circular built environment».
17. Ibid.
18. swircular.ethz.ch

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Sitografia 

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– «Circularity as the new normal. Future fitting Swiss Businesses» WWF, www.wwf.ch/sites/default/files/doc-2021-01/Circularity-as-the-newnormal_whitepaper-EN.pdf

– «Strategic Engineering», strategic-engineering.co

– «Swircular» Eidgenössische Technische Hochschule, Zürich https://swircular.ethz.ch/