Vanligtvis, när arkitekter eller ingenjörer ritar en ny byggnad, det är först i slutet av processen – om någonsin – som en livscykelanalys av byggnadens miljöpåverkan görs. Och då, det kan vara för sent att göra betydande förändringar. Nu, ett snabbare och enklare system för att göra sådana analyser kan förändra allt detta, gör analysen till en integrerad del av designprocessen från början.

Den nya processen, beskrivs i journalen Byggnad och miljö i en artikel av MIT-forskarna Jeremy Gregory, Franz-Josef Ulm och Randolph Kirchain, och nyutexaminerade Joshua Hester Ph.D. '18, är enkel nog att den skulle kunna integreras i den programvara som redan används av byggnadskonstruktörer så att den blir ett sömlöst tillägg till deras designprocess.

Livscykelanalys, känd som LCA, är en process för att undersöka allt material; designelement; plats och orientering; uppvärmning, kyl, och andra energisystem; och förväntad slutlig avyttring av en byggnad, när det gäller kostnader, miljöpåverkan, eller båda. Ulm, en professor i civil- och miljöteknik och chef för MIT:s Concrete Sustainability Hub (CSH), säger att LCA vanligtvis tillämpas "bara när en byggnad är helt designad, så det är snarare ett obduktionsverktyg men inte ett verkligt designverktyg." Det är vad teamet tänkte korrigera.

"Vi ville ta itu med hur man kan överbrygga den klyftan mellan att använda LCA i slutet av processen och att få arkitekter och ingenjörer att använda det som ett designverktyg, " säger han. Den stora frågan var om det skulle vara möjligt att införliva LCA-utvärderingar i designprocessen utan att det skulle lägga för många restriktioner på designvalen, vilket gör det oattraktivt för byggnadskonstruktörerna. Ulm undrade, "Hur mycket begränsar LCA designens flexibilitet?"

Mätning av designfrihet

För att ta itu med den frågan systematiskt, teamet var tvungen att komma på en process för att mäta flexibiliteten i designval på ett kvantitativt sätt. De bestämde sig för ett mått som de kallar "entropi, " analogt med användningen av den termen i fysiken. I fysiken, ett system med större entropi är "hetare, " med dess molekyler som rör sig snabbt. I teamets användning av termen, högre entropi representerar ett större utbud av tillgängliga val vid en given punkt, medan lägre entropi representerar ett mer begränsat utbud av val.

Till forskarnas förvåning, de fann att användningen av deras LCA-system hade mycket liten inverkan på att minska utbudet av designval. "Det är det mest anmärkningsvärda resultatet, " säger Ulm. När vi introducerar LCA i de tidiga stadierna av designprocessen, "du rör knappt designflexibiliteten, " säger han. "Jag var övertygad om att vi skulle komma till en kompromiss, " där designflexibiliteten skulle behöva begränsas för att få bättre livscykelprestanda, säger Ulm. "Men egentligen, resultaten visade att jag hade fel."

Systemet tittar på hela skalan av klimatpåverkan från en ny struktur, inklusive alla tre faserna:konstruktion, inklusive att undersöka den förkroppsligade energin i alla material som används i byggnaden; driften av byggnaden, inklusive alla energikällor som behövs för att ge uppvärmning, kyl, och elektrisk service; och den slutliga demonteringen och bortskaffandet, eller omplacering av strukturen, i slutet av sin tjänst.

För att utvärdera livscykeleffekten av designval krävs att man tittar på ett brett spektrum av faktorer. Dessa inkluderar:platsens klimat (för sin forskning, de valde Arizona och New England som två mycket olika fall av USA:s klimat); byggnadens dimensioner och orientering; förhållandet mellan väggar och fönster på varje sida; material som används för väggar, stiftelser, och takläggning; vilken typ av värme- och kylsystem som används; och så vidare. När var och en av dessa faktorer bestäms, utbudet av möjligheter för byggnaden blir smalare och smalare – men inte mycket mer än i någon konventionell designprocess.

När som helst, programmet "skulle också ge information om många av de saker som ännu inte är definierade, " i huvudsak erbjuder en meny med val som kan leda till en mer miljövänlig design, säger Kirchain, som är huvudforskare vid MIT och meddirektör för CSH, som stödde projektet.

Även om den är särskilt utformad för att minska klimatpåverkan från en byggnad, samma verktyg kan också användas för att optimera en byggnad för andra kriterier, som att helt enkelt minimera kostnaderna, säger forskarna.

Att komma in tidigt

Att tänka på frågor som det yttersta ödet för en byggnad i slutet av dess funktionella liv tenderar att vara "inte i samma ordningsföljd av intresse för den designande arkitekten, när de först arbetar med en design, " jämfört med mer omedelbara faktorer som hur byggnaden kommer att se ut för kunden, och uppfylla alla särskilda funktionskrav för strukturen, säger Ulm. Men om de nya LCA-verktygen är integrerade direkt i designmjukvaran de använder, då skulle indikationer på hur ett givet designval kan påverka resultatet vara ständigt tillgängliga och lätt kunna påverka val även i små, subtila sätt tidigt i processen.

Genom att jämföra designprocessen med och utan användning av sådana verktyg, forskarna fann att de totala växthusgasutsläppen i samband med en byggnad kunde minskas med 75 procent "utan en minskning av flexibiliteten i designprocessen, säger Ulm.

Ulm jämför det med indikatorer på ett gym som ger feedback på hur många kalorier som förbränns vid något tillfälle i en träningsregim, ge ett ständigt incitament till att förbättra resultaten – utan att någonsin föreskriva vilka övningar personen ska göra eller hur man gör dem.

Medan programmet för närvarande är utformat för att utvärdera relativt enkla enfamiljshus - som representerar de allra flesta bostadsområden i USA - hoppas teamet kunna utöka det för att kunna arbeta på mycket större bostads- eller kommersiella byggnader också.

Vid denna tidpunkt, programvaran som teamet designade är ett fristående paket, så "en av våra uppgifter framöver är att faktiskt övergå till att göra det till ett plug-in till några av de mjukvaruverktyg som finns där ute" för arkitektonisk design, säger Kirchain.

Även om det finns många mjukvaruverktyg tillgängliga för att hjälpa till med att utvärdera en byggnads miljöpåverkan, Kirchain säger, "vi ser inte många arkitekter som använder dessa verktyg." Men det beror delvis på att dessa tenderar att vara för föreskrivande, han säger, pekar mot en optimal design och begränsar designerns val. "Vår teori är att någon designer inte vill bli tillsagd att det är så här designen måste vara. Deras roll är att designa utan onödiga begränsningar, " han säger.

Den här historien återpubliceras med tillstånd av MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), en populär webbplats som täcker nyheter om MIT-forskning, innovation och undervisning.