Development of a digital tool to assist in designing with reusable building elements

Abstract

For å nå målene i Parisavtalen om å begrense den globale oppvarmingen må CO2-utslippene reduseres kraftig innen 2030. Det haster derfor for dagens byggenæring å omstille seg mot en sirkulær økonomi. Denne avhandlingen er et bidrag til det pågående Structural Circle-prosjektet på Norges teknisk-naturvitenskapelige universitet, som utvikler et digitalt designverktøy for å forenkle utnyttelsen av gjenbrukbare elementer i den konseptuelle designfasen av en bygning. Bidragene fra denne avhandlingen inkluderer ytterligere optimaliseringsalgoritmer, støtte for flere variabler å optimere på, støtte for flere materialer og muligheten til å inkludere bidraget fra transport av elementer i optimaliseringsalgoritmene. For å forbedre samhandling mellom brukeren og designverktøyet, ble det også utviklet et grafisk brukergrensesnitt, samt en automatisk generert PDF-rapport som oppsummerer og visualiserer resultatene fra designverktøyet. Resultatene viser at en implementert versjon av Maxmium Bipartite Matching er den beste algoritmen som hittil er inkludert i designverktøyet. De gjennomførte case-studiene illustrerer hvor stor innvirkning de brukerdefinerte variablene har på elementparrene som foreslås av designverktøyet. Ved å anvende det utviklede designverktøyet kan brukere redusere den ekstra tiden som kreves når de prosjekterer med gjenbrukbare elementer. Designverktøyet kan dermed øke graden av gjenbruk i kommende byggeprosjekter og følgelig bidra i overgangen mot en sirkulær økonomi i morgendagens byggenæring.

To reach the goal of limiting global warming outlined in the Paris Agreement, CO2 emissions need to be severely reduced by 2030. Consequently, the building industry of today urgently must transition towards a circular economy. This thesis is a contribution to the ongoing Structural Circle project at the Norwegian University of Science and Technology, which develops a digital design tool intended to simplify the utilization of reusable elements in the conceptual design phase of a building. The contributions of the thesis include additional optimization algorithms, support for multiple optimization metrics and materials, together with the possibility to include the impact corresponding to the transportation of elements in the optimization algorithms. To improve the interactions between the user and the design tool, a graphical user interface was also developed, as well as an automatically generated PDF report that summarizes and visualizes the results of the design tool. The results demonstrate that an implemented version of the Maximum Bipartite Matching is the best-performing algorithm so far included in the design tool. The conducted case studies illustrate the major impact the user-defined inputs have on the proposed elements matching resulting from the design tool. By utilizing the developed design tool, designers can reduce the additional time required when designing with reusable elements. The design tool can accordingly increase the degree of reuse in upcoming building projects and thereby contribute to the transition towards a circular economy in the building industry of tomorrow.