IFC and BIM based concept for improved material resource efficiency in the built environment

Markova, Stanimira; Brück, Sabine; Beetz, Jakob

doi:10.18154/RWTH-2019-03795

IFC and BIM based concept for improved material resource efficiency in the built environment

Markova, Stanimira^RWTH*

2019

Verantwortlichkeitsangabevorgelegt von Dipl.-Ing. Stanimira Stoyanova Markova

ImpressumAachen 2019

Umfang1 Online-Ressource (120 Seiten, 38 ungezählte Seiten) : Illustrationen, Diagramme

Dissertation, Rheinisch-Westfälische Technische Hochschule Aachen, 2019

Veröffentlicht auf dem Publikationsserver der RWTH Aachen University

Genehmigende Fakultät
Fak02

Hauptberichter/Gutachter
Brück, Sabine (Thesis advisor)^RWTH* ; Beetz, Jakob (Thesis advisor)^RWTH*

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2019-04-17

Online
DOI: 10.18154/RWTH-2019-03795
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/759919/files/759919.pdf

Einrichtungen

Lehr- und Forschungsgebiet Bauplanung und Baurealisierung (213220)

Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
BIM (frei) ; Gebäudelebenszyklus (frei) ; Kreislaufwirtschaft (frei) ; Rezyklierbarkeit (frei) ; Wiederverwendbarkeit (frei) ; building life cycle (frei) ; circular buildings (frei) ; circularity (frei) ; material resource efficiency (frei) ; recycling (frei) ; reuse (frei)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 720

Kurzfassung
Umweltrelevante Ziele mit Schwerpunkt auf der Ressourceneffizienz, wie z.B. Materialkreislauffähigkeit (Recyklierbarkeit, Wiederverwendbarkeit), Austauschbarkeit und Minimeren der materiellen Ressourcenverschwendung (Abfallpotenzial) gehören aktuell nicht zu den Anforderungen und Zielen im Gebäudedesign. Die hohe Divergenz und Mannigfaltigkeit der Datentools und Formate verwendet im Gebäudedesign, machen es praktisch unmöglich, die gesamte notwendige Information für die Modellierung und Simulation der Umweltperformanz während der Designphase, in einer ausreichenden, unifizierten Qualität und Quantität zu sammeln. Aus den oberen zwei resultierend, ist es aktuell nicht möglich, eine Simulation der zukünftigen, den gesamten Lebenszyklus umfassenden Ressourceneffizienz von dem Gebäudekonzept in der Designphase zu ermitteln und zu modellieren - die Phase, in der die Mehrheit der Gebäudeparameter bis zum Ende des Lebenszyklus endgültig bestimmt werden und aber noch anpassbar und optimierbar sind. Diese Defizite sind kritisch in dem Fall von Produkten, wie Gebäude, die nur als “Prototyp” entworfen und gebaut werden und darüber hinaus eine überdurchschnittliche Lebensdauer aufweisen. Im Kontext der steigenden Ressourcenknappheit und den systematischen Versuch in vielen Industrie- und Wirtschaftsbereichen, eine möglichst effektive Wiedereinführung von Materialien in geschlossenen Produktionskreisläufen mit minimalen Ressourcenverlusten zu erreichen, ist es essentiell, diese Defizite im Bauwesen zu adressieren und eine praktisch implementierbare Lösung dafür zu entwickeln. Mit der progressiven Einführung des Industry Foundation Classes (IFC) Datenstandards wurde ein unifiziertes Framework für die Erstellung, Austausch und Dokumentierung der gesamten gebäuderelevanten und lebenszyklusrelevanten Information ermöglicht. Währen IFC als ein Framework für den semantischen Inhalt aller Datenobjekte mit Bezug auf das Gebäude und seinen Lebenszyklus anbietet und deren hierarchische Organisation regelt (geometrische, zeitliche, Materialparameter usw.), ist Bildung Information Modellig (BIM) die interdisziplinäre Projektumgebung, in der Gebäude mittels semantischen Datenobjekten, Parametrisierung der Daten und Informationskontrolle entworfen und erstellt werden. Die Hauptfrage, die die Arbeit zu beantworten sucht, ist, ob das „Zero-Waste-House“, also die Gebäudedesignmethode, die geschlossenen Materialkreisläufe über den Gebäudelebenszyklus hinaus ermöglicht, weitestgehend technisch und praktisch für jedes Bauvorhaben erreichbar ist. Das Hauptziel der Arbeit ist diese Methode zu entwickeln und ihre Umsetzbarkeit zu verifizieren. Daraus ergeben sich die weiteren, unterstützenden Forschungsfragen, die in der Arbeit adressiert werden: Wie soll das Gebäudedesignprozess strukturiert und organisiert werden, um das „Zero Waste House“ zu ermöglichen und zu erreichen. Welche sind die Methoden, Verfahren und Tools, die das Ermöglichen und Erreichen des „Zero Waste House“ unterstützen. Welche sind die grundlegende Designziele, Gebäudeparameter und Variablen, notwendig für die Simulation und Optimierung von jedem beliebigen Bauvorhaben, um das „Zero Waste House“ zu ermöglichen und zu erreichen? Der Focus der Arbeit liegt somit auf der Entwicklung einer Roadmap für Design, Simulation und Optimierung Gebäudekonzepte hinsichtlich verbesserte materielle Ressourceneffizienz und Kreislauffähigkeit, unterstützt durch die Prinzipien und Techniken des semantisch-parametrischen Gebäudedesigns. Im ersten Teil der Arbeit ist ein methodisches Konzept vorgestellt, in dem die relevanten Parameter, parametrischen und prozessbezogenen Zusammenhänge, sowie regelbasierte Workflows zur Logiküberprüfung definiert bzw. entwickelt sind und in semantischen und zeitlichen hierarchischen Strukturen organisiert sind. Der Fokus im zweiten Teil der Arbeit liegt auf IFC und BIM. Auf den Methoden für Erweiterung des semantischen Inhalts innerhalb IFC und BIM und die Implementierung der Simulations- und Optimierungsworkflows in beiden Umgebungen. Für die Verifizierung der Implementierbarkeit und der praktischen Umsetzbarkeit, ist das Konzept angewendet an einem realen Fallbeispiel aus der Praxis angewendet. Im letzten Teil - „Diskussion und Ausblick“- werden die Ergebnisse im Kontext der notwendigen, noch zu erfüllenden Rahmenbedingungen in Industrie und Politik diskutiert, die die Entwicklung und Implementierung in der Praxis eines Softwaretools für die automatisierte Simulation und Optimierung, basierend auf der vorgeschlagenen Roadmap, fördern würden. Im Kapitel „Diskussion und Ausblick“ l werden darüber hinaus verschiedene Szenarien ausgelegt und kritisch analysiert, die den Impact von der Förderung und Aktivierung von Maßnahmen für die Verbesserte Ressourceneffizienz im Bauwesen bis hin zum Verfehlen einer rechtezeitigen Reaktion auf den Status Quo im Bauwesen seitens Gesellschaft, Wirtschaft, Industrie und Politik.

The building sector constitutes a significant proportion to the global resource availability situation, consuming alone more than 50% of the material resources and producing more than 65% of the waste worldwide (European Commission, 2009, European Commission, 2011, ECN Policy Studies, 2013, European Commission, 2011a, European Commission, 2011b). The causes can be identified in some of the specifics of the typical building design process: 1) environmental performance goals focused on material recourse efficiency in buildings, such a material recovery and recyclability, material and element reusability and material waste reduction design, have not been explicitly introduced as equally important to technical, construction, safety and other design goals in the building design process yet, 2) due to the highly divergent tools and data formats utilized in a typical building project, the necessary material information for environmental performance simulation is not available in unified quantity and quality, and hence, 3) as result of 1) and 2) no reliable design-stage simulation and optimization of the building material efficiency performance over the entire life cycle can be performed at the very moment, when the majority of building performance parameters are immutably determined for the entire life cycle. This is a crucial point in the case of one-of-a-kind products like buildings, which have a comparatively long life expectancy. In the context of aiming for a clean re-introduction of materials in possibly closed, low-waste material cycles, it is essential. With the introduction and progressing adoption of the Industry Foundation Classes (IFC) standard, a unified framework for the entire building related data generation, documentation and exchange was established. While IFC is the framework of the semantic content of all building and building life cycle related objects and the hierarchical organization between them (geometrical, temporal, material etc.), Building Information Modelling (BIM) is the interdisciplinary design process based environment wherein buildings are design by means of semantic objects and parameter data representation and data control. The main question underlying this work is if the “zero waste house”, in other words the building design method, which enables the near to closed utilization cycle of materials after the end-of life of the building in the next building projects, is technically and practically achievable in a large scale for any building project nowadays. In this context, further supporting questions to be researched are: How should the design process be structured and organized to achieve the “zero waste house”? Which are the tools and systems to support and achieve “zero waste house” design? and which are the design goals, building parameters and variables fundamental to the simulation and optimization of any building concept towards the “zero waste house”? The focus of the work is on the development of a roadmap for design, simulation and optimization for improved building material efficiency, supported by the principles and techniques of the semantic parametric building design. In the first part of the work a methodical material efficiency concept is proposed, where the relevant parameters of the material information, as well as parametric and process interdependencies, critical for the material efficiency performance, and logic-check workflows of the concept are defined and organized in semantic and temporal hierarchical structures. The next part of the work is focused on the IFC and BIM approaches, the methods for semantic content extension and the simulation and the optimization of explicit design goals in both environments. To verify the implementability and functionality of the concept in practice, a proof of concept is defined and tested on a real building use-case. In the last section, the results are discussed from different perspectives, including the industrial and political frameworks required for the development of a software tool for the automated simulation and optimization following the roadmap. Different scenarios are outlined and critically addressed, discussing the span from the possible impact of the systematic activation of measure in the building process on the one side to possibility of complete failing of society, industry, economy and politics to react to the status quo of the resource inefficiency in the built environment.

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