Typisch, wanneer architecten of ingenieurs een nieuw gebouw ontwerpen, het is pas aan het einde van het proces - of ooit - dat een levenscyclusanalyse van de milieu-impact van het gebouw wordt uitgevoerd. En tegen die tijd, het kan te laat zijn om belangrijke wijzigingen aan te brengen. Nutsvoorzieningen, een sneller en eenvoudiger systeem voor het doen van dergelijke analyses zou dat allemaal kunnen veranderen, de analyse vanaf het begin een integraal onderdeel van het ontwerpproces maken.

Het nieuwe proces, beschreven in het journaal Gebouw en omgeving in een paper van MIT-onderzoekers Jeremy Gregory, Franz-Josef Ulm en Randolph Kirchain, en recent afgestudeerde Joshua Hester Ph.D. '18, is eenvoudig genoeg dat het kan worden geïntegreerd in de software die al door ontwerpers wordt gebruikt, zodat het een naadloze toevoeging wordt aan hun ontwerpproces.

Levenscyclusanalyse, bekend als LCA, is een proces van het onderzoeken van alle materialen; ontwerp elementen; locatie en oriëntatie; verwarming, koeling, en andere energiesystemen; en verwachte uiteindelijke vervreemding van een gebouw, qua kosten, milieueffecten, of allebei. Ulm, een professor in civiele en milieutechniek en directeur van MIT's Concrete Sustainability Hub (CSH), zegt dat LCA typisch wordt toegepast "alleen wanneer een gebouw volledig is ontworpen, het is dus eerder een postmortaal hulpmiddel, maar geen echt ontwerphulpmiddel." Dat is wat het team wilde corrigeren.

"We wilden onderzoeken hoe we die kloof konden overbruggen tussen het gebruik van LCA aan het einde van het proces en het verkrijgen van architecten en ingenieurs om het als ontwerptool te gebruiken, zegt hij. De grote vraag was of het mogelijk zou zijn om LCA-evaluaties op te nemen in het ontwerpproces zonder dat dit teveel beperkingen oplegt aan de ontwerpkeuzes, waardoor het onaantrekkelijk is voor de gebouwontwerpers. Ulm vroeg zich af, "In hoeverre beperkt de LCA de flexibiliteit van het ontwerp?"

Ontwerpvrijheid meten

Om die vraag systematisch te beantwoorden, het team moest een proces bedenken om de flexibiliteit van ontwerpkeuzes op een kwantitatieve manier te meten. Ze besloten tot een maatregel die ze "entropie, analoog aan het gebruik van die term in de natuurkunde. In de natuurkunde, een systeem met een grotere entropie is "heter, " met zijn moleculen die snel rondbewegen. In het gebruik van de term door het team, hogere entropie vertegenwoordigt een grotere verscheidenheid aan beschikbare keuzes op een bepaald punt, terwijl lagere entropie een meer beperkt aantal keuzes vertegenwoordigt.

Tot verbazing van de onderzoekers ze ontdekten dat het gebruik van hun LCA-systeem weinig invloed had op het verkleinen van het aantal ontwerpkeuzes. "Dat is het meest opmerkelijke resultaat, ", zegt Ulm. Bij de introductie van de LCA in de vroege stadia van het ontwerpproces, "je raakt nauwelijks aan de ontwerpflexibiliteit, "zegt hij. "Ik was ervan overtuigd dat we tot een compromis zouden komen, " waar ontwerpflexibiliteit zou moeten worden beperkt om betere levenscyclusprestaties te verkrijgen, zegt Ulm. "Maar eigenlijk, de resultaten bewezen dat ik ongelijk had."

Het systeem bekijkt het volledige scala aan klimaateffecten vanuit een nieuwe structuur, inclusief alle drie fasen:bouw, inclusief het onderzoeken van de belichaamde energie in alle materialen die in het gebouw worden gebruikt; exploitatie van het gebouw, inclusief alle energiebronnen die nodig zijn voor verwarming, koeling, en elektrische service; en de uiteindelijke ontmanteling en verwijdering, of herbestemming van de structuur, aan het einde van zijn dienst.

Om de impact van ontwerpkeuzes op de levenscyclus te evalueren, moet naar een breed scala aan factoren worden gekeken. Deze omvatten:het klimaat van de locatie (voor hun onderzoek, ze kozen Arizona en New England als twee heel verschillende gevallen van het Amerikaanse klimaat); de afmetingen en oriëntatie van het gebouw; de verhouding tussen muren en ramen aan elke kant; de materialen die worden gebruikt voor muren, fundamenten, en dakbedekking; het type gebruikte verwarmings- en koelsystemen; enzovoort. Naarmate elk van deze factoren wordt bepaald, het scala aan mogelijkheden voor het gebouw wordt steeds smaller, maar niet veel meer dan in elk conventioneel ontwerpproces.

Op elk punt, het programma "zou ook informatie geven over veel van de dingen die nog niet zijn gedefinieerd, " in wezen een keuzemenu bieden dat zou kunnen leiden tot een milieuvriendelijker ontwerp, zegt Kirchain, die hoofdonderzoeker is aan het MIT en mededirecteur van het CSH, die het project ondersteunden.

Hoewel speciaal ontworpen om de klimaatimpact van een gebouw te verminderen, dezelfde tool kan ook worden gebruikt om een ​​gebouw te optimaliseren voor andere criteria, bijvoorbeeld om de kosten te minimaliseren, zeggen de onderzoekers.

Vroeg naar binnen

Nadenken over zaken als het uiteindelijke lot van een gebouw aan het einde van zijn functionele levensduur is meestal "niet in dezelfde volgorde van belang voor de ontwerpende architect, wanneer ze voor het eerst aan een ontwerp werken, " vergeleken met meer directe factoren zoals hoe het gebouw eruit zal zien voor de klant, en voldoen aan alle specifieke functionele vereisten voor de structuur, zegt Ulm. Maar als de nieuwe LCA-tools rechtstreeks zijn geïntegreerd in de ontwerpsoftware die ze gebruiken, dan zouden indicaties van hoe een bepaalde ontwerpkeuze het resultaat kan beïnvloeden constant beschikbaar zijn en gemakkelijk keuzes kunnen beïnvloeden, zelfs in kleine, subtiele manieren vroeg in het proces.

Door het ontwerpproces met en zonder het gebruik van dergelijke tools te vergelijken, de onderzoekers ontdekten dat de totale uitstoot van broeikasgassen in verband met een gebouw met 75 procent kon worden verminderd "zonder de flexibiliteit van het ontwerpproces te verminderen, ' zegt Ulm.

Ulm vergelijkt het met indicatoren in een sportschool die feedback geven over hoeveel calorieën er op enig moment in een trainingsregime worden verbrand, een constante stimulans bieden om de resultaten te verbeteren - zonder ooit voor te schrijven welke oefeningen de persoon moet doen of hoe deze moet worden uitgevoerd.

Hoewel het programma momenteel is ontworpen om relatief eenvoudige eengezinswoningen te evalueren - die de overgrote meerderheid van de woonruimtes in de VS vertegenwoordigen - hoopt het team het uit te breiden om ook aan veel grotere woon- of commerciële gebouwen te kunnen werken.

Op dit punt, de software die het team heeft ontworpen is een op zichzelf staand pakket, dus "een van onze toekomstige taken is om daadwerkelijk over te stappen op het maken van een plug-in voor een aantal van de softwaretools die er zijn" voor architectonisch ontwerp, zegt Kirchain.

Hoewel er veel softwaretools beschikbaar zijn om de milieu-impact van een gebouw te evalueren, Kirchain zegt, "we zien niet veel architecten die deze tools gebruiken." Maar dat komt deels omdat deze de neiging hebben om te prescriptief te zijn, hij zegt, wijzend op een optimaal ontwerp en beperkende keuzes van de ontwerper. "Onze theorie is dat elke ontwerper niet wil horen dat dit is hoe het ontwerp moet zijn. Hun rol is om te ontwerpen zonder onnodige beperkingen, " hij zegt.

Dit verhaal is opnieuw gepubliceerd met dank aan MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), een populaire site met nieuws over MIT-onderzoek, innovatie en onderwijs.