Application of Reclaimed Elements in Structural Engineering Towards Circular Economy

Abstract

En omstilling mot global sirkulærøkonomi er avgjørende for at byggenæringen skal klare å møte de økende kravene til bærekraft. For å lette overgangen må sirkulære prinsipper integreres i bygningsdesignprosessen. I dag brukes det stort sett nye råvarer i nybygging og rehabilitering, noe som betyr at det meste av demonterte materialer blir sendt til deponi. Dette skjer i stor grad fordi gjenbruk og ombruk er mer ressurskrevende enn å bruke nye materialer. Målet med denne oppgaven er å utforske hvordan gjenbruk av konstruksjonselementer effektivt kan implementeres i nytt bygningsdesign ved å etablere og benytte en digital materialbank for å forbedre sirkulærøkonomien i byggenæringen.

Implementeringen av et digitalt designverktøy er essensielt for å få til overgangen mot en sirkulær arbeidsmetode innen bygningsdesign. Ved å benytte algoritmeassistert design (AAD) og matchende algoritmer kan materialbanken effektivt integreres i nye design. Til tross for at matchende algoritmer har et kjent potensial, er det identifisert et hull i dagens næring som understreker behovet for en standardisert digital materialbank.

Den etablerte materialbanken presentert i denne oppgaven består av digitale representasjoner av gjenbrukte konstruksjonselementer. For å skaffe disse representasjonene ble ulike metoder for 3D-skanning testet, og en arbeidsmetode for behandling av data ble utviklet ved bruk av visuell programmering. Resultatene viser at 3D-skanning er en effektiv og nøyaktig metode for modellering av gjenbrukte elementer. Demonterte elementer fra Kjøpmannsgata 15 i Trondheim er blitt brukt som referanse for å utvikle metoden. Elementene ble skannet og dataen ble omgjort til digitale representasjoner (boundary representations - BReps). Fra disse digitale representasjonene ble geometriske parametere hentet for å skaffe nødvendige data til materialbanken.

Gjennom en case-studie ble effektiviteten av materialbanken testet med en utviklet algoritme for matching. Dette eksempelet fremhever mulighetene ved å etablere en materialbank basert på 3D skanning. Det gir arkitekter og konstruksjonsingeniører et verktøy som ikke bare kan indikere hvor de gjenbrukte elementene kan plasseres, men også visualisere de gjenbrukte elementene på den foreslåtte plasseringen i 3D modellen. Dette kan påvirke deres designvalg og forbedre den sirkulære designprosessen.

Oppgaven har vist at arbeidsmetoden som er presentert ved å bruke 3D modellering til å utvikle en digital materialbank har et stort potensial. Det fungerer som et bevis på at konseptet som er presentert er mulig å få til med dagens tilgjengelige verktøy. Likevel er det et stort potensial for videreutvikling av arbeidsmetoden i form av automatisering som vil gjøre den enda mer foretrukket for bruk av næringen.

A transition towards a global circular economy (CE) is vital for the building industry to meet increasing sustainability demands. To facilitate this transition in structural engineering, circular principles must be integrated into the building design. Today, many structural components are discarded due to premature functional obsolescence rather than technical defectiveness. However, designing with reclaimed elements is more challenging than using new products. This thesis aims to explore how reclaimed elements can be effectively applied in structural engineering by establishing a digital material bank to enhance the CE in the building environment.

The implementation of a digital design tool is essential for transitioning towards a circular workflow in structural engineering. This tool can utilize algorithm-aided design (AAD), using matching algorithms to integrate a stock of reclaimed elements into new designs. Despite the potential of this approach, a gap has been identified in the current industry, underscoring the need for a standardized digital material bank.

The established material bank comprises digital representations of reclaimed elements. To obtain these representations, distinct methods for 3D scanning were tested, and a workflow for processing the scanning data was developed using visual programming. The results show that 3D scanning is an efficient and accurate method for modelling reclaimed elements. A stock of reclaimed elements from the property at Kjøpmannsgata 15 in Trondheim served as a benchmark. The elements were scanned, and the data was processed into boundary representations (BReps). From the BReps, geometrical parameters can be extracted to obtain the necessary values for inclusion in the material bank.

Through a study case, the effectiveness of the material bank was tested with a developed matching algorithm. This highlights the opportunities in establishing a material bank as a digital representation. It provides the architects and structural engineers with a tool that can not only indicate where reclaimed elements should be placed but also visualize their placement. This can influence their choices and enhance the circular design process.

The thesis has demonstrated that the workflow shows great potential for 3D modelling as a method for developing a digital material bank. It serves as a proof of concept that uses today's available tools; there is significant potential for further development of the workflows to automate the processes even more, making them preferable for usage by the industry.