Implementierung von Ökobilanzen in frühen ­Entwurfsphasen

Neue Herausforderungen erfordern neue Lösungen. Das von Bollinger+Grohmann entwickelte Structural Web Tool bietet eine Möglichkeit, Ökobilanzen in die frühen Entwurfsphasen von Planungsprozessen einzubinden, unterschiedliche Tragwerkskonzepte vergleichend zu prüfen und damit einen entscheidenden Beitrag zur Reduktion von CO₂-Emissionen und Schonung von Ressourcen in den Bereichen Neubau und Bauen im Bestand zu leisten.

1 Kontext

Unsere Gesellschaft steht vor großen Herausforderungen: Klimanotstand, Energie- und Ressourcenknappheit sind die Konsequenzen der großen Beschleunigung [1], die menschliche Aktivitäten auf dem Planeten in den letzten 100 Jahren ausgelöst haben. Sie erfordern ein schnelles Handeln, um ein neues planetares Gleichgewicht zu finden. In dieser gesamten Entwicklung spielt das Bauen eine entscheidende Rolle. Wissenschaftler des Weizmann Institute of Science stellten im Jahr 2020 fest, dass die von Menschen verarbeitete Masse inzwischen die gesamte lebende Biomasse [2] übersteigt. Das Gewicht der gebauten menschlichen Umwelt (Gebäude und Infrastrukturen) beträgt mittlerweile ca. 1100 Gt, im Vergleich dazu beträgt die Masse aller Bäume und Sträucher weltweit nur ca. 900 Gt [2]. Der UN 2020 Global Status Report for Buildings and Construction zeigt, dass die CO₂-Emissionen aus dem Bausektor mit fast 10 GtCO₂ [3] die höchsten sind, die jemals gemessen wurden. Um das Bauen jetzt zu verändern, benötigt es eine Vielfalt von Lösungsansätzen. Einer davon ist die Veränderung unserer Entwurfs- und Planungsprozesse, um präziser CO₂-Emissionen und Ressourcenverbrauch im Neubau, bei der Instandsetzung und der Sanierung des Bestands als Planungsparameter mit einzubeziehen. Computergestützte Methoden und Entwurfswerkzeuge können dabei einen wesentlichen Beitrag leisten.

1.1 Potenzial von Ökobilanzen in den frühen Entwurfsphasen

In den letzten Jahren ist die MacLeamy-Kurve (Bild 1) zu einem stehenden Begriff für die Notwendigkeit geworden, bereits zu Beginn des Entwurfsprozesses wichtige Grundsatzfragen mit einem höheren Aufwand zu bearbeiten. Zu diesem Zeitpunkt können mit vergleichsweise geringem Einsatz von Planungsressourcen hohe Einsparpotenziale erzielt werden, während im weiteren Planungsprozess der Aufwand für Korrekturen von Entwurfszielen oder Fehlern exponentiell ansteigt. Dieses ursprünglich auf die Kostenoptimierung entwickelte Argument trifft unter der neuen Perspektive ebenso auf die systematische Analyse und Bewertung der Umweltwirkungen von Bauwerken zu, die unter den Begriffen Ökobilanz oder Life Cycle Assessment (LCA) zusammengefasst werden.

In aktuellen konventionellen Planungsprozessen werden Ökobilanzen erst in der Planungsphase erstellt, die mit einer Mengenermittlung verbunden ist. Hauptmotivation dieser Bilanzen ist das Erreichen von Nachhaltigkeitszertifizierungen wie der LEED- oder DGNB-Standard (Budig et al. [4]). In der Regel ist der Planungsprozess zu diesem Zeitpunkt aber bereits zu weit fortgeschritten, um grundsätzliche Änderungen des Entwurfs zu bewirken. Zudem wird die im Tragwerk beinhaltete graue Energie nicht entsprechend ihrem hohen Massenanteil bewertet. Mit dem QNG-Siegel im Neubaubereich ist mittlerweile eine sinnvolle Zielstellung gegeben, nur fehlt es an methodischen Ansätzen und Werkzeugen für die Zielverfolgung im Entwurfsprozess.

1.2 Bestehende Methoden und Werkzeuge

Für die Erstellung von Ökobilanzen in Hinblick auf CO₂-Emissionen stehen den Planenden verschiedene Möglichkeiten zur Auswahl (Bild 2). Die einfachste Vorgehensweise ist die Verknüpfung der Gebäudemassen mit dem Global Warming Potential (GWP) der eingesetzten Materialien. Als digitales Werkzeug ist hier ein einfaches Tabellenkalkulationsprogramm ausreichend. Probleme dieser einfachen Methode sind die oft fehlenden Massenangaben in frühen Entwurfsphasen und die Fehleranfälligkeit durch die ­manuelle Eingabe von Werten. Stehen vollständige 3D-Gebäude­modelle zur Verfügung, können über entsprechende individuelle Skripte (z. B. über Grasshopper (GH)) Ökobilanzen generiert werden, die bei Änderungen von Geometrien oder Materialkenn­werten automatisch aktualisiert werden. Nachteil dieses an sich leistungsstarken Ansatzes ist die Notwendigkeit von Programmierkenntnissen der Nutzer:innen. Hier bieten erste kommerzielle Anbieter wie CAALA oder OneClickLCA den Anwendenden mit einfachen und intuitiven Oberflächen nutzungsfreundliche Alternativen. Nachteil des Einsatzes von vollständigen 3D-Modellen ist, dass sie je nach Art der Generierung der Datensätze mit einem sehr zeitintensiven Erstellungsprozess verbunden sind, der oft erst mit dem Beginn einer BIM-Planung in späteren Entwurfsphasen beginnt. Das widerspricht der Notwendigkeit einer flexiblen Untersuchungsmöglichkeit von Entwurfsalternativen des Tragwerks, bei dem Tragsystem, Werkstoffe, Spannweiten und Knick­längen veränderbar sind.

1.3 Neue Methode

Auf der Grundlage dieser Analyse entstanden ein neuer methodischer Ansatz und eine entsprechende Werkzeugentwicklung unter folgenden Zielsetzungen:

einfache und intuitive Benutzeroberfläche, die eine Anwendung mit hoher Breitenwirkung ermöglicht

Echtzeit-Feedback zu den gewünschten Leistungsindikatoren einschließlich Nachhaltigkeitskriterien sowie zu KPIs (Key-Performance-Indikatoren) wie Kosten und lichten Raumhöhen

Eingabemöglichkeit verschiedener Parameter wie bspw. Material, Tragsystem, Stützenraster, Lastannahmen und Geschosshöhen

Einfache Erstellung mehrerer Gebäudevarianten, um den Einfluss von Entscheidungen analysieren zu können

1.4 Webframework

Eine Herausforderung des Bauwesens ist seine starke Fragmentierung und die damit verbundene stagnierende Produktivität. Diese bekannte Schwäche könnte aber auch die Grundlage einer der wichtigsten Grundsätze der Wende im Bauwesen sein: die Erzeugung von Vielfalt. Voraussetzung dafür sind aber individuelle und anpassbare Entwurfswerkzeuge. Vor diesem Hintergrund und um Lizenz- und Kompatibilitätsprobleme zu überwinden, wurde für das neue Werkzeug ein plattformunabhängiger Ansatz gewählt, der nicht in eine kommerzielle Software eingebettet ist. Es wurde ein Webframework entwickelt, um die Zugänglichkeit des erstellten Werkzeugs zu erhöhen und Interoperabilitätspro­bleme verschiedener Programmpakete zu vermeiden (Bild 3). Entscheidender Grundgedanke war, dass eine Nutzung des Werkzeugs nur ein Endgerät und eine Internetverbindung voraussetzt.

Für die geometrische Eingabe und die Darstellung der resultierenden Gebäudevarianten wurde die Open-Source-3D-JavaScript-­Bibliothek Three.js als Framework verwendet. Da Three.js eine Grafikbibliothek und keine Modellierungssoftware ist, mussten Geometrieoperationen, die normalerweise von CAD-Programmen bereitgestellt werden, in Three.js von Grund auf neu implementiert werden. Für die Geometrieeingabe haben die Nutzer:innen die Möglichkeit, entweder einfache Gebäudeumrisse und Grundrisse direkt im Browser zu zeichnen oder einen schon erzeugten Datensatz in die Anwendung hochzuladen. Um die gewünschten KPIs zu berechnen, wurde eine JavaScript-Logik der Berechnungsalgorithmen auf einem Node.js-Backend entwickelt. Für die Interaktion der Benutzer:innen wird das JavaScript-Frame­work Vue.js verwendet, während eine Datenbankanbindung den Abruf aktueller Kennwerte gewährleistet.

Die implementierte Logik des Webframeworks wurde unter Verwendung von computergestützten Methoden erstellt. Ein implementierter BIM-ähnlicher, objektorientierter Ansatz ermöglicht die Erweiterung der Geometrieklassen von Three.js, um die bereitgestellten übergeordneten Klassen mit mehr Informationen über das tatsächliche Bauteil zu versorgen.

Die Verwendung eines parametrischen Systems ermöglicht es letztendlich, aus den Eingabeparametern verschiedene Gebäudevarianten zu generieren. Durch die Definition von einfachen, klaren Regeln und Einschränkungen wird das auch für Benutzer:innen möglich, die nicht über Programmierkenntnisse bzw. die Verwendung von visuellen Programmierschnittstellen (z. B. Grass­hopper) verfügen. Gleichzeitig bleibt das Werkzeug für weitere Entwicklungen anpassungsfähig.

1.5 Vorbemessung

Entscheidend für die notwendige Präzisierung der Massen- und Werkstoffangaben für das Tragwerk ist die Möglichkeit einer computergestützten Vordimensionierung (Bild 4). Zur Sicherstellung einer schnellen Rückmeldung auf Entwurfsentscheidungen entschied man sich, den Einsatz von FEM und anderen rechen­intensiven Methoden zu vermeiden. Eine wesentliche Ver­einfachung ist die ausschließliche Betrachtung des vertikalen Lastabtrags durch den Vordimensionierungsalgorithmus. Für Ein­wirkungen aus horizontalen Lasten wird eine ausreichende Aussteifung durch Gebäudekerne vorausgesetzt. Der entwickelte Vordimensionierungsalgorithmus enthält verschiedene Ansätze. Für einige Bauteile werden Vorbemessungsformeln aus der Fachliteratur verwendet, während andere nach gängigen statischen Nachweisverfahren bemessen werden. Ein weiterer Weg war die Einbettung von Lasttabellen in die Programmlogik, die von Herstellern zur Vorbemessung zur Verfügung gestellt wurde. Diese werden dann entsprechend den eingegebenen Last- und Geometrieparametern ausgewertet. Ergänzt werden die beschriebenen Ansätze durch Daten aus abgeschlossenen Projekten von Bollinger+Grohmann.

Da die Methode auf die frühen Entwurfsphasen eines Projekts abzielt, versucht der Algorithmus nicht, exakte Bemessungsergebnisse zu erreichen. Vielmehr ist das Ziel, einen zuverlässigen Referenzwert für den Vergleich verschiedener Varianten innerhalb eines betrachteten Projekts zu liefern. Dieser Ansatz ist für den vorgesehenen Anwendungsfall angemessen, wenn das inhärente System konsistent ist (Toth et al. [8]).

1.6 Performance-Indikatoren

Nach der Vordimensionierung einer Gebäudevariante ist es wichtig, dass der Benutzende in der Lage ist, diese Ergebnisse zu bewerten. Aus diesem Grund wurden verschiedene KPIs eingeführt. Das wichtigste Ziel war, eine Rückmeldung über die Umweltauswirkungen einer Gebäudevariante zu geben. Daher wurden die Massen mit den embodied carbon factors (ECF) des jeweiligen Materials verknüpft. Aufgrund der Verortung des Projekts im Bereich des Bauingenieurwesens bezieht sich das GWP ausschließlich auf das Tragwerk eines Gebäudes. Außerdem werden die Lebenszyklusmodule A1–A3 und C3–C4 für Holzkon­struktionen berücksichtigt, um negative Bilanzierungswerte für Bauteile aus Holz zu vermeiden.

Das GWP ist nicht der einzige Indikator, der beurteilt, ob ein Gebäude nachhaltig ist oder nicht. Stahl kann z. B. einen sehr hohen GWP-Wert haben, hat aber den Vorteil, dass er fast vollständig recycelt werden kann. Um dieser Tatsache Rechnung zu tragen, wurden zwei verschiedene Indikatoren für die Recyclingfähigkeit mit einbezogen. Darüber hinaus werden den Nachhaltigkeitsindikatoren Informationen über die Kosten des Gebäudes gegenübergestellt. Des Weiteren zeigt das Ergebnisfeld weitere wichtige Werte wie die lichte Geschosshöhe, die Höhe der tragenden Deckenkonstruk­tion und die Gesamtfläche, welche ebenfalls einen großen Einfluss auf die zu treffenden Entscheidungen haben können.

1.7 Datenvisualisierung

Während die finalen KPIs helfen, Entscheidungen zu treffen, hilft die Datenvisualisierung, komplexe Zusammenhänge auf einfache Weise verständlich zu machen (Deutsch [9]). Daher wurde ein Dashboard entwickelt, das die verschiedenen Ergebnisse visualisiert. Dieses beinhaltet eine Auflistung der bereits genannten Ergebnisse und verschiedene Möglichkeiten des qualitativen oder quantitativen Vergleichs. Zusätzlich können die betrachteten Varianten mit dem SCORS-Ratingschema (Arnold [10]) bewertet werden und der abstrakte Wert des CO₂-Äquivalents wird durch die Anzahl der entsprechenden Transatlantikflüge veranschaulicht. So können Entscheidungsträger:innen Maßnahmen auf Grundlage einer ganzheitlichen Sichtweise treffen. Dies ist wichtig, da es im komplexen Ablauf eines Bauprozesses nicht unbedingt eine einzige optimale Lösung gibt (Gholam [11]). Das entwickelte Dashboard ermöglicht den Nutzer:innen vielmehr, eine Reihe von potenziellen Lösungen zu vergleichen (Bild 5).

2 Validierung

Zur Validierung von Methode und Werkzeug wurde der Einsatz im Entwurf eines realen Projekts getestet. Bei dem betrachteten Fallbeispiel handelt es sich um ein sechsstöckiges Forschungsgebäude, das aus zwei verschiedenen Gebäudeteilen besteht: Labor- und Bürotrakt (Bild 6). Während für den einen Gebäudeteil die schwingungsempfindlichen Labore die Tragstruktur definierten, konnten für den Büroteil verschiedene Varianten untersucht werden. Durch die Vorgabe des Stützenrasters aus dem Laborgebäude unterscheiden sich die untersuchten Varianten in der Wahl der Materialien und der Tragsysteme.

Zum Testen des Werkzeugs wurde ein einfacher Grundriss, bestehend aus dem Gebäudeumriss und den Gebäudekernen, in die Webapplikation hochgeladen. Anschließend wurden die Eingabeparameter an die Anforderungen des Laborgebäudes angepasst und viele unterschiedliche Kombinationen aus Material- und Konstruktionsoptionen auf das untersuchte Gebäude angewendet (Bild 7). Nach der Bewertung der Ergebnisse der einzelnen Entwurfsoptionen wurden diese auf sechs mögliche Lösungen beschränkt, die in einem weiteren Schritt tiefer betrachtet wurden. Da das GWP und die Baukosten eine wichtige Rolle im Entwurfsprozess spielten, waren sowohl die Konstruktion einer Holzrippendecke als auch die einer Holz-Beton-Verbunddecke (HBV) die am besten bewerteten Optionen aus dem entwickelten Entwurfswerkzeug.

Die finale Entwurfsvariante des Tragwerks (Bild 8), welche sich aktuell in der Realisierung befindet, besteht aus HBV-Decken mit Stützen aus BauBuche. Letztendlich führten auch im Werkzeug unberücksichtigte Faktoren wie z. B. die Schwingungsanfälligkeit zu diesem Ergebnis.

3 Fazit

Der beschriebene Prozess und weitere Testläufe haben gezeigt, dass das entwickelte Konzept ein wertvolles Instrument zur Einbindung von Ökobilanzen in frühe Entwurfsphasen und zur Gegenüberstellung von Nachhaltigkeitskriterien mit anderen Leistungsindikatoren darstellt. Die Ergebnisvergleiche mit Resultaten aus konventionellen Softwareanwendungen wie OneClickLCA bestätigen eine ausreichende Genauigkeit (Bild 9).

Im dargestellten Testfall ermöglichten der methodische Ansatz und das Werkzeug eine gute Entwurfsberatung, die innerhalb kurzer Zeit LCA-Schätzungen verschiedener Gebäudealternativen erlaubte. Darüber hinaus gestattet das gewählte Open-Source-Webframework eine einfache Möglichkeit, zukünftige Funktionen hinzuzufügen, und leistet zusätzlich einen wichtigen Beitrag zur Demokratisierung der Entwurfsarbeit, da es auf kostenpflichtige Softwareapplikationen verzichtet.

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Literatur

1. Steffen, W.; Broadgate, W. et al. (2015) The Trajectory of the Anthropocene – The Great Acceleration. The Anthropocene Review 2, No. 1, pp. 81–98. https://doi.org/10.1177/
   2053019614564785
2. Elhacham, E.; Ben-Uri, L.; Grozovski, J. et al. (2020) Global human-made mass exceeds all living biomass. Nature 588, pp. 442–444. https://doi.org/10.1038/s41586-020-3010-5
3. United Nations Environment Programme (2020) 2020 Global Status Report for Buildings and Construction: Towards a Zero-emission, Efficient and Resilient Buildings and Construction Sector. Nairobi: UN environment programme.
4. Budig, M.; Heckmann, O.; Hudert, M. et al. (2021) Computational screening-LCA tools for early design stages. International journal of architectural computing 19, No. 1, pp. 6–22. https://doi.org/10.1177/1478077120947996
5. World Business Council for Sustainable Development (2021) Decarbonizing Construction – Guidance for investors and developers to reduce embodied carbon [online]. Geneva: wbcsd. https://www.wbcsd.org/Programs/Cities-and-Mobility/Sustainable-Cities/Transforming-the-Built-Environment/Decarbonization/Resources/Decarbonizing-construction-Guidance-for-investors-and-developers-to-reduce-embodied-carbon [Zugriff am: 2. Dez. 2022]
6. Chen, J.; Kharbanda, K.; Loganathan, H. (2021) Cardinal LCA v0.0.1 [Software]. Barcelona: McNeel Europe S.L. https://www.food4rhino.com/en/app/cardinal-lca [Zugriff am: 2. Dez. 2022]
7. food4Rhino One-Click-LCA 1.2.2.1 [Software]. Barcelona: McNeel Europe S.L. https://www.food4rhino.com/en/app/one-click-lca [Zugriff am: 2. Dez. 2022]
8. Toth, B.; Salim, F.; Drogemuller, R. et al. (2011) Closing The Loop of Design and Analysis – Parametric Modelling Tools for Early Decision Support in: Herr, C. M.; Gu, N.; Roudavski, S. et al. [eds.] Circuit bending, breaking and mending – Proceedings of the 16^th International Conference on Computer-Aided Architectural Design Research in Asia. CAADRIA 2011, Newcastle, Apr. 27–29, 2011. Hong Kong: The Association for Computer-Aided Architectural Design Research in Asia, pp. 525–534.
9. Deutsch, R. (2015) Data-driven design and construction – 25 strategies for capturing, analyzing and applying building data. Hoboken: John Wiley & Sons.
10. Arnold, W.; Cook, M.; Cox, D.; Gibbons, O. (2020) Setting carbon targets: an introduction to the proposed SCORS rating scheme. Struct. Eng. 98, No. 10, pp. 8–12. https://doi.org/
    10.17863/CAM.63446
11. Gholam, B. (2020) What do we mean by efficiency? A holistic approach to reducing embodied carbon. Struct. Eng. 98, No. 10, pp. 14–17.

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Autoren

Niklas Haschke, nhaschke@bollinger-grohmann.de
Prof. Dr.-Ing. Christoph Gengnagel, cgengnagel@bollinger-grohmann.de
Bollinger+Grohmann, Frankfurt am Main/Berlin
https://structural-webapp.vercel.app
www.bollinger-grohmann.com/de.home.html