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

Markova, Stanimira; Brück, Sabine (Thesis advisor); Beetz, Jakob (Thesis advisor)

Aachen (2019)
Doktorarbeit

Dissertation, Rheinisch-Westfälische Technische Hochschule Aachen, 2019

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.