Softwareværktøj kan hjælpe arkitekter med at designe effektive bygninger

Typisk, når arkitekter eller ingeniører designer en ny bygning, det er først i slutningen af ​​processen – hvis nogensinde – at en livscyklusanalyse af bygningens miljøpåvirkning udføres. Og inden da, det kan være for sent at foretage væsentlige ændringer. Nu, et hurtigere og lettere system til at lave sådanne analyser kunne ændre alt det, gør analysen til en integreret del af designprocessen fra begyndelsen.

Den nye proces, beskrevet i journalen Bygning og Miljø i et papir af MIT-forskere Jeremy Gregory, Franz-Josef Ulm og Randolph Kirchain, og nyuddannet Joshua Hester Ph.D. '18, er enkel nok til, at den kunne integreres i den software, der allerede bruges af bygningsdesignere, så den bliver en problemfri tilføjelse til deres designproces.

Livscyklusanalyse, kendt som LCA, er en proces med at undersøge alle materialer; designelementer; placering og orientering; opvarmning, afkøling, og andre energisystemer; og forventet endelig bortskaffelse af en bygning, hvad angår omkostninger, miljøpåvirkninger, eller begge. Ulm, en professor i civil- og miljøteknik og direktør for MIT's Concrete Sustainability Hub (CSH), siger, at LCA typisk anvendes "kun når en bygning er fuldt designet, så det er snarere et post-mortem-værktøj, men ikke et egentligt designværktøj. "Det var det, teamet satte sig for at rette.

"Vi ønskede at tage fat på, hvordan man bygger bro mellem at bruge LCA i slutningen af ​​processen og at få arkitekter og ingeniører til at bruge det som et designværktøj, " siger han. Det store spørgsmål var, om det ville være muligt at inkorporere LCA-evalueringer i designprocessen uden at det pålægger for mange begrænsninger på designvalgene, hvilket gør det utiltalende for bygningskonstruktørerne. Ulm undrede sig, "Hvor meget begrænser LCA designets fleksibilitet?"

Måling af designfrihed

For at løse dette spørgsmål systematisk, holdet skulle komme med en proces til at måle fleksibiliteten i designvalg på en kvantitativ måde. De slog sig ned på et mål, de kalder "entropi, " analogt med brugen af ​​dette udtryk i fysik. I fysik, et system med større entropi er "varmere, " med dets molekyler, der bevæger sig hurtigt rundt. I teamets brug af udtrykket, højere entropi repræsenterer et større udvalg af tilgængelige valg på et givet tidspunkt, mens lavere entropi repræsenterer et mere begrænset udvalg af valgmuligheder.

Til forskernes overraskelse, de fandt, at brug af deres LCA -system havde meget lille indflydelse på at reducere rækkevidden af ​​designvalg. "Det er det mest bemærkelsesværdige resultat, " siger Ulm. Når vi introducerer LCA'en i de tidlige stadier af designprocessen, "du rører næsten ikke designfleksibiliteten, " siger han. "Jeg var overbevist om, at vi ville komme til et kompromis, "hvor designfleksibilitet skal begrænses for at opnå bedre livscyklusydelse, siger Ulm. "Men faktisk resultaterne viste, at jeg tog fejl."

Systemet ser på hele spektret af klimapåvirkninger fra en ny struktur, inklusive alle tre faser:byggeri, herunder undersøgelse af den inkorporerede energi i alle de materialer, der anvendes i bygningen; drift af bygningen, inklusive alle de energikilder, der er nødvendige for at levere opvarmning, afkøling, og elektrisk service; og den endelige demontering og bortskaffelse, eller genbrug af strukturen, ved afslutningen af ​​sin tjeneste.

For at evaluere livscykluspåvirkningen af ​​designvalg kræver det at se på en lang række faktorer. Disse omfatter:stedets klima (til deres forskning, de valgte Arizona og New England som to meget forskellige tilfælde af amerikansk klima); bygningens dimensioner og orientering; forholdet mellem vægge og vinduer på hver side; materialer, der bruges til vægge, fundamenter, og tagdækning; typen af ​​anvendte varme- og kølesystemer; og så videre. Efterhånden som hver af disse faktorer bliver besluttet, rækken af ​​muligheder for bygningen bliver smallere og smallere – men ikke meget mere end i enhver konventionel designproces.

På ethvert tidspunkt, programmet "ville også give oplysninger om mange af de ting, der endnu ikke er defineret, "tilbyder hovedsageligt en menu med valgmuligheder, der kan føre til et mere miljøvenligt design, siger Kirchain, som er hovedforsker ved MIT og meddirektør for CSH, som støttede projektet.

Selvom det er designet specielt til at reducere klimapåvirkningen af ​​en bygning, det samme værktøj kan også bruges til at optimere en bygning til andre kriterier, som blot for at minimere omkostningerne, siger forskerne.

Kom tidligt ind

At tænke på emner som den ultimative skæbne for en bygning i slutningen af ​​dens funktionelle levetid har en tendens til at være "ikke i samme rækkefølge af interesse for den designende arkitekt, når de først arbejder på et design, " sammenlignet med mere umiddelbare faktorer, såsom hvordan bygningen vil se ud for kunden, og opfylde eventuelle særlige funktionelle krav til strukturen, siger Ulm. Men hvis de nye LCA -værktøjer er integreret lige i den designsoftware, de bruger, så vil indikationer af, hvordan et givet designvalg kan påvirke resultatet, være konstant tilgængelige og let kunne påvirke valg selv i små, subtile måder tidligt i processen.

Ved at sammenligne designprocessen med og uden brug af sådanne værktøjer, forskerne fandt ud af, at de samlede drivhusgasemissioner forbundet med en bygning kunne reduceres med 75 procent "uden at reducere fleksibiliteten i designprocessen, siger Ulm.

Ulm sammenligner det med indikatorer i et fitnesscenter, der giver feedback på, hvor mange kalorier der bliver forbrændt på et hvilket som helst tidspunkt i et træningsregime, at give et konstant incitament til at forbedre resultater - uden nogensinde at foreskrive, hvilke øvelser personen skal lave, eller hvordan de skal udføres.

Mens programmet i øjeblikket er designet til at evaluere relativt simple enfamiliehuse - som repræsenterer langt de fleste boligarealer i USA - håber teamet at udvide det til også at kunne arbejde på meget større bolig- eller kommercielle bygninger.

På dette tidspunkt, softwaren, teamet designede, er en selvstændig pakke, så "en af ​​vores opgaver fremadrettet er faktisk at gå over til at gøre det til et plug-in til nogle af de softwareværktøjer, der er derude" til arkitektonisk design, siger Kirchain.

Selvom der er mange tilgængelige softwareværktøjer til at hjælpe med at evaluere en bygnings miljøpåvirkning, Kirchain siger, "Vi ser ikke mange arkitekter, der bruger disse værktøjer." Men det er til dels, fordi disse har tendens til at være for præskriptive, han siger, peger mod et optimalt design og begrænser designerens valg. "Vores teori er, at enhver designer ikke ønsker at blive fortalt, at det er sådan designet skal være. Deres rolle er at designe uden unødige begrænsninger, " han siger.

Denne historie er genudgivet med tilladelse fra MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), et populært websted, der dækker nyheder om MIT-forskning, innovation og undervisning.