Process-design for the semi-automated generation of BIM-based Material Passports for buildings

Abstract

Derzeit stellt Ressourcenknappheit sowie die signifikant steigenden CO2 -Emissionen relevante Themen in der nachhaltigen Entwicklung dar. Der Bausektor, als größter Verbraucher von Rohmaterialien, benötigt eine dringende Minimierung des Ressourcenverbrauchs, sowie der ökologischen Umweltfaktoren wie z.B. CO2 Emissionen. Durch den zu erwartenden Bevölkerungswachstum von 7 Milliarden bis zu 9 Milliarden im Jahr 2050, sind nachhaltige Lösungen in Bezug auf Optimierung des Ressourcenverbrauchs und der schädlichen Emissionen von Gebäuden notwendig. Bestehende Konzepte wie Circular Economy und Urban Mining fordern die Wiederverwendung und das Recycling von Gebäuden und ihren Elementen. Jedoch besteht derzeit kein Wissen über den Baubestand und den eingebauten Materialien, was eine große Herausforderung für das Recycling des Bestands darstellt. Neue digitale Werkzeuge und Methoden wie z.B. Building Information Modeling für Design-Optimierung gemeinsam mit Werkzeugen für die Materialdokumentation von Gebäuden wie z.B. der materielle Gebäudepass (MGP) haben das Potential die Kreislaufwirtschaft in der AEC-Branche zu fördern. Die Forschungsfrage dieser kumulativen Dissertation ist, wie eine automatisierte BIM-basierte Generierung eines MGP ermöglicht werden kann. Dabei dient der MGP als Optimierungswerkzeug für den Ressourcenverbrauch sowie für die ökologischen Umweltfaktoren in frühen Planungsphasen und darüber hinaus als Dokument, welches die materielle Zusammensetzung von Gebäuden darstellt. In dieser Dissertation wird das Konzept, der Umfang sowie die relevanten Parameter für den MGP definiert. Darüber hinaus wird das Potential von BIM als Wissensbasis und als Optimierungswerkzeug für den Ressourcenverbrauch und schädlichen Emissionen untersucht, sowie das Potential für die automatisierte Generierung von materiellen Gebäudepässen analysiert. Schließlich wird ein Daten- und Stakeholder Management Rahmenwerk präsentiert, welches als Basis für die Implementierung für den entwickelten BIM-basierten Workflow für MGPs dient. Der entwickelte BIM-basierte Workflow wurde an zwei Use Cases getestet, und der Proof of concept für die Anwendbarkeit des entwickelten BIM-Workflows für eine semi-automatisierte Erstellung von MGPs ist gegeben. Trotzdem ist eine Optimierung des Workflows notwendig, da ein vollautomatisierter Prozess aufgrund von inkonsistenter Parametrisierung von Materialien in BIM sowie durch Dateninkonsistenzen in unterschiedlichen Öko-Repositorien immer noch nicht möglich ist. Diese Dissertation schlägt eine Harmonisierung von MGP-relevanten Daten innerhalb der Industrie vor, welche durch Regulationen der öffentlichen Hand unterstützt werden können. Zudem wird ein neuer Stakeholder, der MGP-Konsulent, für die Standardisierung und Implementierung des BIM-basierten Prozesses zur Generierung von MGPs benötigt. Der MGP zeigt großes Potential für die Optimierung des Ressourcenverbrauchs sowie der ökologischen Umweltfaktoren in frühen Planungsphasen. Dabei repräsentiert der MGP auch einen wesentlichen Schritt in Richtung Verstärkung der Circular Economy und Urban Mining Strategien durch Unterstützung von Recycling und Wiederverwendung der Bestandsgebäude. Diese Dissertation wurde im Rahmen des Forschungsprojekts BiMaterial (Projektnummer 850049) durchgeführt und vom Bundesministerium für Verkehr, Innovation und Technologie (BMVIT) durch die österreichische Forschungsforderungsgesellschaft (FFG) gefördert.

Concerns about shortage of primary resources as well as the increase of CO2 emissions, are nowadays relevant topics in sustainable development. The construction sector, as the largest consumer of raw materials, needs urgent optimization of resources consumption as well as minimization of environmental impacts such as CO2 emissions. Since the population is expected to grow from 7 billion today up to 9 billion in 2050, sustainable solutions regarding the optimization of resources consumption and harmful emissions of buildings are required. Existing concepts, such as Circular Economy and Urban Mining are claiming the reuse and recycling of buildings and their elements. However, currently knowledge about the existing stock and embedded materials in buildings is lacking, which is the main obstacle in the recycling of existing stocks. New digital tools and methods such as Building Information Modeling (BIM) for design optimization together with methods for the material documentation of buildings, such as Material Passports (MP) offer potentials to enhance Circular Economy in the AEC-industry (Architecture, Engineering and Construction). The main research question of this cumulative PhD thesis is how to enable an automated BIM-based generation of MPs. Thereby the MP serves as optimization tool of resources consumption as well as of environmental impacts in early design stages and moreover as a document that shows the material composition of buildings. Within this thesis, the concept, scope as well as relevant parameters for the MP are defined. Further the potential of BIM as knowledge-base and optimization tool for resources consumption and emissions is investigated as well as its potential for the automated generation of MPs. Finally, a data- and stakeholder management framework is presented, which serves as basis for the implementation of the developed BIM-based workflow for MPs. The developed BIM-based workflow is tested an two use cases, and the proof of concept for the usability of the developed BIM workflow for a semi-automated compilation of MPs is provided. However, optimization of the workflow is necessary, since a fully automated process is still not possible due to inconsistent parametrization of materials in BIM as well as inconsistent data within various eco-data repositories. The thesis proposes a harmonization of MP-relevant data within the industry, supported by policy making and introduction of a new stakeholder an MP consultant to successfully standardize and implement the BIM-based process for the generation of MPs. The MP shows large potentials for the optimization of resources consumption as well as environmental impacts in early design stages. Thereby the MP also represents a crucial step towards the enhancement of Circular Economy and Urban Mining strategies, through supporting recycling and reuse of existing stocks. This dissertation was conducted within the research project BiMaterial (grant No. 850049), which was funded by the Austrian Ministry for Transport, Innovation and Technology (BMVIT) through the Austrian Research Promotion Agency (FFG).