Evaluation of BIM-based LCA in the early design phase (low LOD) of buildings

Abstract

Bygningsinformasjonsmodellering (BIM) er et nyttig digitalt verktøy som samler informasjon om alle byggeprosjekters faser på én plattform. I de tidlige stadiene av prosjekteringsfasen er ikke utviklingsgraden av den virtuelle BIM modellen standardisert, men begrepet Level of Development (LOD) er et konsept som strukturer beslutninger fordelt på fem nivåer. I denne masteroppgaven sees LOD på som en mulighet til å effektivisere miljøberegninger i ulike stadier av prosjekteringen, gjennom metoden livssyklusanalyse (LCA). Tidlige miljøanalyser i prosjekteringsfasen vil gi tydelig oversikt over hvilke bygningselementer som bidrar til høyest utslipp av CO2, som igjen vil bevisstgjøre materialvalg og vil påvirke utformingen mot bærekraftige og miljøvennlige bygg.

Denne studien evaluerer BIM-basert LCA i tidlig prosjekteringsfase av byggeprosjekter. Byggeprosjektet Valle Wood av NCC er en case benyttet for å gjøre LCA i forskjellig nivåer av LOD ved bruk av LCA-programvaren One Click LCA (OCL). Omfanget av denne masteroppgaven, og miljøanalysene, er systembegrenset til produksjonsfasen (A1-A3). Et LCA-rammeverk betinget av LOD-nivåer er foreslått, med hensikt å strukturere miljøvennlige beslutningsplaner i prosjektering-stadiene.

Arbeidet er basert på kvalitative og kvantitative metoder. De kvalitative metodene undersøker litteraturens svar på samhandlingen mellom BIM og LCA gjennom en litteraturstudie, og hvordan BIM-baserte LCAer fordelaktig kan utføres. Tilgjengeliggjorte dokumenter i form av BIM-modeller er studert gjennom oppgavens dokumentstudier. De kvantitative LCA-beregningene på caset baserer seg på informasjon uthentet fra tre BIM-modeller, samt én LCA ved bruk av inndata bestemt av de prosjekterende i Valle Wood.

De viktigste resultatene og funnene i denne masteravhandlingen tilsier at LCA-metodikken bør og kan integreres i BIM. Det er i hovedsak tre innfallsvinkler mot en BIM-basert LCA som benyttes i dag. Disse innfallsvinklene spenner fra bruken av flere dataprogrammer til å gjennomføre LCA i BIM, til uthenting av informasjon i BIM til å utøve LCAer. Funnene i casestudiet og miljøanalysene i OCL viser at en høyere LOD i BIM utgjør mer nøyaktige LCA-resultater. Likevel er disse resultatene ikke troverdig, da uthentingen av data i BIM ikke samsvarer med formatet i OCL. En forbedring på 66\% i klimagassutslipp, CO2-eq, i tilsvarende LOD-nivå (LOD 350) inntraff da riktige mengder og materialer fra prosjektbeskrivelsen ble benyttet.

Konklusjonen i oppgaven er et konkret tiltak der dagens uforutsigbare utvikling i BIM blir satt inn i et LOD-rammeverk basert på informasjonsnivå, for å muliggjøre troverdige LCAer underveis i tidlig prosjekteringsfase. Sammenkobling av BIM- og LCA-verktøyer gjør miljøanalyser mer automatisert og enklere fordi tilgjengeligheten til nødvendig informasjon er på samme plattform.

Videre anbefaler masteroppgaven mer utvikling i standardiserte metoder som hensyntar både BIM og LCA. Miljødeklarasjoner som oppsummerer miljøprofilen til bygningsmaterialer, er en mangel hos flere komponenter. Disse dataene er nødvendige for å utføre korrekte og nøyaktige LCAer.

Building Information Modelling (BIM) is a convenient tool that is capable of collecting information throughout the whole life cycle of a building in one platform. The evolution in the digital BIM model in early design stages is not standardized, but Level of Development (LOD) is a concept that systematically structures the design processes divided into five levels. LOD is assessed in this master thesis as an opportunity to enhance the calculation of the environmental impacts in different early design stages more efficiently, using the methodology Life Cycle Assessment (LCA). Enlightening the building elements that contribute to the highest release of CO2, permits early building material selection. This facilitates a pathway towards sustainable and environmentally friendly buildings.

This study evaluates BIM based LCA in early design stages (low LOD). Valle Wood by NCC, is the building project appearing as the thesis' case study, employed for executing LCAs at different LOD levels using the LCA software One Click LCA (OCL). The scope of this master thesis, as well as the conducted LCAs, is limited to the production stage (A1-A3), which will be considered as the system boundary for this study. An LCA framework determined by LOD levels is proposed to systematize a sustainable decision process in the early design stages.

Qualitative and quantitative methods are the basis of this thesis' results. The qualitative methods investigate the findings regarding the interactions between BIM and LCA, as well as how BIM based LCAs can be advantageously rendered through comprehensive literature reviews. BIM models were deliberated this study through document reviews, received from NCC. The quantitative LCA calculations on the BIM models are based on using quantity take-off generated by BIM, as well as one LCA using input data retrieved from designers in Valle Wood, to obtain environmental impact in OCL.

Central findings of this master thesis indicate feasible integration of the LCA methodology inside BIM. There are three main approaches ranging from the use of several software, the inclusion of LCA information in BIM, and quantity take-offs generated by BIM to conduct BIM based LCAs. Results from the LCAs using OCL designated more accurate assessments in higher LOD. Nevertheless, results based on quantity take-offs generated by BIM were not trustworthy as the take-offs do not correspond to OCLs format. Consequently, an improvement of 66\% with respect to CO2 emissions at the same LOD level (LOD 350), occurred when the right quantity of materials were selected, according to the project description.

The conclusion to this master thesis is a concretized suggestion where today's unpredictable development of BIM becomes part of a LOD framework. This will enable reliable and trustworthy LCAs during the early design stages. Interaction of BIM and LCA tools entitle an automated LCA process as the accessibility to the requisite information is located on the same platform.

Suggestions for further work is the development regarding a standardized methodology accounting both BIM and LCA. Environmental data on various building materials is still absent and needs development. This information is required with respect to the compilation of LCAs using undocumented and unverified data.