Ανακαίνιση ή κατεδάφιση: Η περίπτωση της έξυπνης υποστήριξης αποφάσεων για γηρασμένα κτίρια
Από RemoteSensing Wiki
Πρότυπος Τίτλος Ανακαίνιση ή κατεδάφιση: Η περίπτωση της έξυπνης υποστήριξης αποφάσεων για γηρασμένα κτίρια
Τίτλος Renovation or Redevelopment: The Case of Smart Decision-Support in Aging Buildings
Ημερομηνία δημοσίευσης 08/2023
Πηγή https://www.mdpi.com/2624-6511/6/4/89
Συγγραφείς Bin Wu, Reza Maalek
Λέξεις κλειδιά βιωσιμότητα, Μοντέλο Δομικών Πληροφοριών (Building Information Modeling – BIM), τεχνητή νοημοσύνη, βελτιστοποίηση, ανακαίνιση, μοντελοποίηση πληροφοριών πεδίου (Field Information Modeling – FIM), νέφος σημείων (Point Cloud), ενσωματωμένος άνθρακας και ενέργεια, αποδόμηση και κατεδάφιση
Πίνακας περιεχομένων |
Σύνοψη
Σε πολλές ανεπτυγμένες χώρες, συμπεριλαμβανομένης της Γερμανίας, πάνω από το 60% των κτιρίων κατασκευάστηκε πριν από το 1978 και βρίσκεται σήμερα σε κρίσιμη κατάσταση, απαιτώντας είτε ανακαίνιση, είτε κατεδάφιση και ανακατασκευή. Η παρούσα μελέτη αποσκοπεί στην ανάπτυξη ενός έξυπνου πλαισίου υποστήριξης αποφάσεων για τα γηράσκοντα κτίρια με βάση τις εκτιμήσεις βιωσιμότητας του κύκλου ζωής τους. Στην κατεύθυνση αυτή ενσωματώθηκαν ψηφιακές τεχνολογίες όπως το BIM, η επεξεργασία των Point Clouds με μοντελοποίηση πληροφοριών πεδίου (FIM) και η δομική βελτιστοποίηση, παράλληλα με την αξιολόγηση των περιβαλλοντικών επιπτώσεων. Τρεις πλευρές της βιωσιμότητας, το κόστος, η κατανάλωση ενέργειας και οι εκπομπές διοξειδίου του άνθρακα, αξιολογήθηκαν ποσοτικά και συγκρίθηκαν δύο σενάρια: ανακαίνιση ή κατεδάφιση / αποδόμηση σε συνδυασμό με ανάπλαση. Ένα κτίριο κατασκευής 1961 χρησιμοποιήθηκε ως αντικείμενο πειραμάτων για τη σύγκριση των παραπάνω σεναρίων.
Τα αποτελέσματα σκιαγράφησαν τους περιορισμούς και τα πλεονεκτήματα κάθε μεθόδου όσον αφορά την οικονομία και τη βιωσιμότητα. Επισημάνθηκε ότι η βελτιστοποίηση του σχεδιασμού του κτιρίου για τη μείωση της ενσωματωμένης ενέργειας και του άνθρακα, σύμφωνα με τα σύγχρονα ενεργειακά πρότυπα, είναι σημαντική για τη βελτίωση της συνολικής ενεργειακής απόδοσης.
Εισαγωγή
Η διατήρηση των γηρασμένων κτιρίων καθορίζει και τη διαρκή συντήρησή τους. Οι κατασκευαστικές δοκιμές, τόσο καταστροφικές όσο και μη καταστροφικές, διεξάγονται για την πρόβλεψη των ιδιοτήτων των υλικών και την αξιολόγηση της δομικής απόκρισης, καθορίζοντας τον αποτελεσματικό κύκλο ζωής. Σε ακραίες περιπτώσεις, μπορεί να είναι απαραίτητη η πλήρης κατεδάφιση. Ωστόσο, τα απόβλητα των κατεδαφίσεων (Απόβλητα Εκσκαφών Κατασκευών και Κατεδαφίσεων - ΑΕΚΚ) προκαλούν σημαντικές περιβαλλοντικές επιπτώσεις, με την ΕΕ να παράγει 839 εκατομμύρια τόνους αποβλήτων ετησίως, εκ των οποίων 281 εκατομμύρια τόνοι είναι ΑΕΚΚ, συμβάλλοντας στο 33% των συνολικών αποβλήτων και στο 10-30% των αποβλήτων υγειονομικής ταφής. Πρόσφατα, η προσοχή έχει στραφεί σε στρατηγικές επαναχρησιμοποίησης και ανακύκλωσης των ΑΕΚΚ για τη μείωση των εκπομπών, της χρήσης ενέργειας και του δυναμικού υπερθέρμανσης του πλανήτη.
Η μελέτη αποσκοπεί στην αξιολόγηση του περιβαλλοντικού αντίκτυπου δύο στρατηγικών ανάπτυξης γηρασμένων κτιρίων (άνω των 60 ετών): κατεδάφιση και ανέγερση νέου κτιρίου με βελτιστοποιημένες ιδιότητες ή ανακαίνιση δύο φορές κατά τη διάρκεια της ζωής του. Η πρώτη επιτρέπει την επαναχρησιμοποίηση των ΑΕΚΚ για επαναχρησιμοποίηση, ενώ η δεύτερη περιλαμβάνει την ανακαίνιση κάθε τριάντα χρόνια. Το συνολικό κόστος, η κατανάλωση ενέργειας και οι εκπομπές διοξειδίου του άνθρακα συγκρίθηκαν ώστε να προσδιοριστεί η καλύτερη επιλογή.
Προκλήσεις στην αξιολόγηση της βιωσιμότητας υφιστάμενων κτιρίων με βάση το ΒΙΜ
Η μελέτη εξετάζει τη χρήση τυπικών μεγεθών όπως η ενσωματωμένη ενέργεια και ο άνθρακας για την ποσοτικοποίηση της βιωσιμότητας σε κτιριακά έργα, τα οποία συχνά αναφέρονται σε τιμές από την αφετηρία έως την πόρτα ή από την αφετηρία έως τον τάφο (cradle-to-gate, cradle-to-grave) ανά μονάδα βάρους του υλικού που χρησιμοποιείται. Το BIM διευκολύνει την αυτόματη εξαγωγή ποσοτήτων υλικών, βοηθώντας στην εκτίμηση των αποβλήτων κατεδάφισης και ανακαίνισης. Ωστόσο, για παλιά κτίρια όπου τα μοντέλα ΒΙΜ μπορεί να μην είναι διαθέσιμα, τα εργαλεία οπτικών μετρήσεων, όπως οι σαρωτές λέιζερ και οι κάμερες, μπορούν να προσδιορίσουν τα δομικά στοιχεία και το FIM μπορεί να δημιουργήσει σημασιολογικά ΒΙΜ. Πρόσθετες πληροφορίες για λεπτομερή απογραφή υλικών μπορούν να ληφθούν μέσω μεθόδων μη καταστροφικών δοκιμών και εγγράφων κειμένου, αν και μπορεί να απαιτούνται παραδοχές για άγνωστα εσωτερικά χαρακτηριστικά. Η ταξινόμηση των υλικών ακολουθεί τις οδηγίες του Ευρωπαϊκού Κοινοβουλίου και τα πρότυπα ASTM (American Society for Testing and Materials) Uniformat II. Είναι σημαντικό να λαμβάνονται υπόψη οι διαφοροποιήσεις στην ενσωματωμένη ενέργεια και τον άνθρακα που οφείλονται σε παράγοντες όπως η προέλευση των υλικών. Η μελέτη χρησιμοποιεί τη βάση δεδομένων ICE (Inventory of Carbon and Energy) για τους υπολογισμούς ενσωματωμένης ενέργειας, με τυποποιημένες περιβαλλοντικές πληροφορίες προϊόντων, αναγνωρίζοντας παράλληλα πιθανές εξιδανικεύσεις.
πίνακας 1
Χρησιμοποιούνται δύο συστήματα ταξινόμησης υλικών: η οδηγία 2008/98/ΕΚ του Ευρωπαϊκού Κοινοβουλίου και το ASTM Uniformat II. Το πρώτο παρέχει πληροφορίες για τους τύπους υλικών και τα χαρακτηριστικά τους, ενώ το δεύτερο παρέχει μια ιεραρχική ταξινόμηση ομάδων στοιχείων. Επιπλέον, αναφέρει ότι πολλοί παράγοντες επηρεάζουν την ενσωματωμένη ενέργεια και τον άνθρακα των υλικών, ακόμη και για τον ίδιο τύπο υλικού. Το κείμενο αναφέρεται στη βάση δεδομένων ICE, η οποία χρησιμοποιεί πρότυπα περιβαλλοντικών δηλώσεων προϊόντων για τον υπολογισμό της ενσωματωμένης ενέργειας, ενώ αγνοούνται οι επιπτώσεις των εξιδανικεύσεων.
Βελτιστοποίηση σχεδιασμού με στόχο τη βιωσιμότητα
Ο γεννητικός σχεδιασμός (GD) χρησιμοποιεί την τεχνητή νοημοσύνη (AI) για να παράγει ευρετικές λύσεις όταν οι παραδοσιακές μέθοδοι αποτυγχάνουν ή δεν μπορούν να βρουν μια ενιαία λύση που να ικανοποιεί όλους τους στόχους ταυτόχρονα. Στο σχεδιασμό κτιρίων, η ενσωμάτωση του οπτικού προγραμματισμού, της μοντελοποίησης κτιριακών πληροφοριών (BIM) και της GD έχει αποδειχθεί αποτελεσματική για την ενίσχυση της βιωσιμότητας του κύκλου ζωής. Παραδείγματα επιτυχημένης ολοκλήρωσης περιλαμβάνουν μελέτες σκοπιμότητας για υπόγειες υποδομές, σχεδιασμό εγκατάστασης γυψοσανίδας, τήρηση κανονιστικών προτύπων κώδικα, προσομοιώσεις ενεργειακής απόδοσης με βάση το cloud, διατάξεις στοιχείων χαλύβδινων σκελετών, χωροταξικό σχεδιασμό οικιστικών τετραγώνων και βελτιστοποίηση τοπολογίας.
Ωστόσο, παραμένει ένα κενό μεταξύ της ακαδημαϊκής έρευνας και της βιομηχανίας στη δομική βελτιστοποίηση λόγω της έλλειψης ισχυρών ενδιάμεσων πλαισίων. Για να γεφυρωθεί αυτό το κενό, προτάθηκε μια ροή εργασίας για αυτοματοποιημένη δομική βελτιστοποίηση με χρήση αρχιτεκτονικών σχεδίων που παράγονται από BIM. Η προσέγγιση αυτή χρησιμοποιεί λογισμικό BIM όπως το Revit, το πρόσθετο Dynamo και το Robot Structural Analysis (RSA) για τη συγχώνευση των φάσεων αρχιτεκτονικού και δομικού σχεδιασμού. Το πλαίσιο, μαζί με γενετικούς αλγορίθμους, θα χρησιμοποιηθεί για τη βελτιστοποίηση του σχεδιασμού νέων κατασκευών.
Υλικά και μεθοδολογία
Η μεθοδολογία αποτελείται από τα ακόλουθα βήματα (συνοψίζονται στην εικ. 1):
εικ. 1 Σχηματική αναπαράσταση στο πλάισιο σύγκρισης σεναρίου Α (ανακαίνιση) και του σεναρίου Β (κατεδάφιση και ανακατασκευή) για ένα γηρασμένο κτίριο
1. Συλλογή νέφους σημείων: με τη χρήση τεχνολογιών Structure-from-Motion (SfM) και Laser Scanner, με τη βοήθεια smartphones.
2. Δημιουργία BIM: Ανάπτυξη ενός μοντέλου μοντελοποίησης πληροφοριών κτιρίου (BIM) με βάση τα δεδομένα νέφους σημείων που συλλέγονται για τη δημιουργία μιας ψηφιακής αναπαράστασης του κτιρίου.
3. Αξιολόγηση του κύκλου ζωής: Αξιολόγηση της βιωσιμότητας του κύκλου ζωής του κτιρίου με τον υπολογισμό της ενσωματωμένης ενέργειας και των εκπομπών διοξειδίου του άνθρακα που σχετίζονται με τα υλικά και την κατασκευή, καθώς και με την εκτίμηση της κατανάλωσης ενέργειας κατά τη λειτουργία.
3.1 Βέλτιστη ανάπλαση με κατεδάφιση ή αποδόμηση:
3.1a Εφαρμογή φορτίων και οριακών συνθηκών στο μοντέλο BIM.
3.1b Χρήση τεχνικών βελτιστοποίησης τοπολογίας για τον προσδιορισμό του αποδοτικότερου μεγέθους, σχήματος και τοποθέτησης βασικών δομικών στοιχείων, όπως υποστυλώματα, δοκοί και πλάκες.
3.1c Αξιολόγηση της βιωσιμότητας των επιλογών κατεδάφισης και ανάπλασης για το έργο.
3.2 Αξιολόγηση της βιωσιμότητας της ανακαίνισης: Αξιολόγηση της βιωσιμότητας των στρατηγικών ανακαίνισης για το κτίριο.
4. Υποστήριξη λήψης αποφάσεων: Παροχή συστηματικών συστάσεων και στρατηγικών για τη μείωση του αποτυπώματος άνθρακα του έργου με βάση τα αποτελέσματα της αξιολόγησης.
Συλλογή Point Clouds
Χρησιμοποιήθηκαν δύο διαφορετικές στρατηγικές για τη συλλογή νεφών σημείων από την εσωτερική και την εξωτερική σκηνή. Το υπαίθριο νέφος σημείων συλλέχθηκε με τη χρήση βίντεο από smartphone και στη συνέχεια υποβλήθηκε σε επεξεργασία και αυτόματη κλιμάκωση [16] για τη δημιουργία του νέφους σημείων (περισσότερες λεπτομέρειες παρακάτω). Το νέφος σημείων εσωτερικού χώρου συλλέχθηκε με τη χρήση οργάνου LiDAR smartphone. Οι στρατηγικές για τους εσωτερικούς και τους εξωτερικούς χώρους αναβλήθηκαν λόγω: (i) τις απαιτήσεις για συγκλίνουσες εικόνες [47] και (ii) την ανάγκη ορισμού μετρικής κλίμακας [16]. Σε εσωτερικούς χώρους, λόγω της φύσης τους, δεν είναι δυνατή η διατήρηση συγκλίνουσας εικόνας και, ως εκ τούτου, η διαδικασία ενδέχεται να μην συγκλίνει ή να μην παρέχει ακριβή αποτελέσματα (βλ. Εικόνα 2α του [16]). Σε εσωτερικούς χώρους, λόγω της παρουσίας πολλών δωματίων, ο αυτόματος ορισμός κλίμακας με βάση τον στόχο πρέπει να πραγματοποιείται έτσι ώστε κάθε πεδίο στόχου να παρατηρείται τουλάχιστον από πέντε συγκλίνουσες εικόνες (βλ. Σχήμα 8 του [16]), κάτι που δεν μπορεί να διασφαλιστεί. Για το σκοπό αυτό, συλλέχθηκε ένα νέφος σημείων από σκηνές εσωτερικών χώρων με τη χρήση μιας έξυπνης συσκευής που βασίζεται σε LiDAR, το iPad Pro. Η διαδικασία δημιουργίας ενός πλήρους μοντέλου νέφους σημείων για ένα κτίριο εξηγείται λεπτομερέστερα στη συνέχεια.
1. Παρακολούθηση πρόσοψης SfM: Δημιουργήστε ένα νέφος σημείων των προσόψεων χρησιμοποιώντας βίντεο από smartphone και τη διαδικασία Structure-from-Motion (SfM) [16] με το COLMAP v.3.7 [48,49]. Λόγω της απαίτησης για εικόνες σύγκλισης [47] και της μεγάλης επικάλυψης δικτύου [16], πριν από τη συλλογή δεδομένων σχεδιάστηκε μια διαδρομή με τη χρήση του Google Maps. Για την εγγραφή βίντεο χρησιμοποιήθηκε ένα Apple iPhone 13 mini (γερμανική έκδοση), το οποίο μπορεί να αποκτήσει εγγραφή βίντεο 4k με 30 και 60 καρέ ανά δευτερόλεπτο (fps). Για να διατηρηθεί υψηλή επικάλυψη και ποιότητα εικόνων, χρησιμοποιήθηκε η μέθοδος iVS3D για τη δειγματοληψία και την προεπεξεργασία βίντεο ώστε να αυξηθεί η ταχύτητα και η ποιότητα της τρισδιάστατης ανακατασκευής με την εξάλειψη εικόνων με χαμηλό περιεχόμενο [50]. Η περίληψη του SfM παρουσιάζεται στην εικόνα 2.
2. Εσωτερική σάρωση LiDAR: Σάρωση του εσωτερικού του κτιρίου με την εφαρμογή σάρωσης μέσω smartphone LiDAR (Light Detection and Ranging), SiteScape. Τα δεδομένα LiDAR συλλέχθηκαν με τη χρήση του Apple iPad Pro (γερμανική έκδοση). Η πυκνότητα σημείων και τα μεγέθη σημείων στην εφαρμογή ρυθμίστηκαν σε μέτρια με αργή κίνηση κατά τη σάρωση (δηλαδή αποφεύχθηκαν περιστροφές από αριστερά προς τα δεξιά άνω των 15° περίπου). Για να διασφαλιστεί η σταθερή ποιότητα των δεδομένων, όλα τα δεδομένα συλλέχθηκαν διατηρώντας τουλάχιστον το 50% της μπαταρίας και ψύχθηκαν σε θερμοκρασία δωματίου πριν από την έναρξη της επόμενης σάρωσης.
3. Εγγραφή: Καταχώριση των συλλεχθέντων νεφών σημείων στο λογισμικό επεξεργασίας νεφών σημείων ανοικτού κώδικα, CloudCompare v.2.12.4 [51]. Μετά την κλιμάκωση του νέφους σημείων SfM, και τα δύο μεταφέρθηκαν στο CloudCompare όπου χρησιμοποιήθηκε η ανίχνευση δαπέδου με τη μέθοδο [52] για να προσανατολιστούν και τα δύο νέφη σημείων έτσι ώστε ο άξονας z να είναι παράλληλος με την κανονική του επιπέδου. Μια μετάθεση χρησιμοποιείται για την ισοπέδωση των δύο επιπέδων των δαπέδων. Χρησιμοποιώντας αυτό, το πρόβλημα της τρισδιάστατης καταχώρισης περιορίστηκε στη δισδιάστατη ευθυγράμμιση των εξωτερικών και εσωτερικών τοίχων στο επίπεδο x-y.
4. Scan vs. BIM: Ευθυγράμμιση και ανίχνευση αντικειμένων σε νέφη σημείων με χρήση του πλαισίου scan vs. BIM [14,53]. Χρησιμοποιώντας τα σχέδια και τις τεχνικές προδιαγραφές, δημιουργήθηκε ένα μοντέλο BIM (χειροκίνητα με τη χρήση του Autodesk Revit 2023) και ευθυγραμμίστηκε με το καταχωρημένο νέφος σημείων. Πραγματοποιήθηκε επαναληπτική καταγραφή του πλησιέστερου σημείου (ICP) μεταξύ του νέφους σημείων και του μοντέλου για τον προσδιορισμό της συμμόρφωσης με το παραγόμενο μοντέλο και τη διόρθωση του μοντέλου, εάν απαιτείται [54]. Οι τελικές ογκομετρικές διορθώσεις στο αρχικό σχέδιο BIM πραγματοποιήθηκαν χειροκίνητα από τα αυτόματα εξαγόμενα δάπεδα, οροφές και όρια/περιβάλλον του κτιρίου, όπως εξηγείται στην επόμενη ενότητα.
εικ. 2 Διαδικασία Structure-from-Motion με iV3D and COLMAP.
Δημιουργία BIM από Point Cloud
Το νέφος σημείων πρέπει να μετατραπεί σε αρχείο Recap (.rcp) στο Autodesk Recap Pro 2023 και να εισαχθεί στο Autodesk Revit 2023. Για το σκοπό αυτό, οργανώθηκε μια ροή εργασίας (που παρουσιάζεται στην εικόνα 3α) ως εξής: (i) καθορισμός της καταχωρημένης προέλευσης για το νέφος σημείων, ii) καθορισμός της θέσης σάρωσης για την οροφή, iii) καθορισμός της θέσης σάρωσης για το δάπεδο και iv) δημιουργία κατάστασης προβολής για την κάτοψη. Τα αυτόματα ανιχνευόμενα πάνελ δαπέδου και οροφής [14,52] χρησιμοποιήθηκαν στο Revit για τον καθορισμό των επιπέδων. Τέλος, δημιουργήθηκε μια κατάσταση προβολής της κάτοψης χρησιμοποιώντας ένα οριοθετημένο πλαίσιο με αυτόματα επισημασμένες ακμές ορίων από το βήμα 4 παραπάνω.
εικ. 3 Προεπεξεργασία: (α) νέφος σημείων στο Recap Pro πριν από την εισαγωγή στο Revit- (β) τρισδιάστατο μοντέλο κάτοψης χώρου.
Στη συνέχεια, δημιουργήθηκε στο Revit ένα νέο μετρικό αρχιτεκτονικό έργο με καθορισμένες μονάδες. Τα επίπεδα καθορίστηκαν χρησιμοποιώντας τα δάπεδα του νέφους σημείων και τα κύρια πλέγματα σχεδιάστηκαν (κέντρο-προς-κέντρο) σύμφωνα με τις θέσεις των υποστυλωμάτων και των τοίχων. Στο επίπεδο 1, ορίστηκε το εύρος προβολής για να παρέχεται μια σαφής κάτοψη. Οι εξωτερικοί και οι εσωτερικοί τοίχοι σχεδιάζονται με βάση αυτή την κάτοψη, την πλάκα και τα θεμέλια, ενώ ακολουθεί η σχεδίαση παραθύρων, θυρών και κουρτινών. Στη συνέχεια, όλα τα αντικείμενα επιλέγονται και αντιγράφονται στα επίπεδα 2 και 3. Προστίθενται σκάλες και κιγκλιδώματα. Τέλος, ορίζονται οι λειτουργίες όλων των δωματίων και υπολογίζονται τα εμβαδά τους. Το μοντέλο ΒΙΜ αποτελείται από τρισδιάστατα παραμετρικά αντικείμενα, επιτρέποντας την τροποποίηση των διαστάσεων και των θέσεων αυτών των αντικειμένων. Στη συνέχεια χρησιμοποιήθηκε ο ιστότοπος CADMapper για τη δημιουργία ενός τρισδιάστατου τοπογραφικού σχεδίου στο Revit για το κτίριο που δημιουργείται. Αυτός ο χάρτης επέτρεψε τη δημιουργία ρεαλιστικών σεναρίων για τον υπολογισμό της ενσωματωμένης ενέργειας και του άνθρακα στο πλαίσιο των μελετών περίπτωσης (εικόνα 3β).
Υπολογισμός ενσωματωμένου άνθρακα και ενέργειας
Οι αντικειμενοστραφείς πληροφορίες για το κτίριο ταξινομήθηκαν σε τέσσερα ιεραρχικά επίπεδα: (i) το ανώτερο επίπεδο που αντιπροσωπεύει ολόκληρο το κτίριο, (ii) το δεύτερο επίπεδο που περιλαμβάνει ομάδες δομικών και μη δομικών στοιχείων, (iii) το τρίτο επίπεδο που δηλώνει μεμονωμένα στοιχεία του κτιρίου, όπως τοίχους και δάπεδα, (iv) και το κατώτερο επίπεδο που περιλαμβάνει υλικά και προϊόντα. Τα δεδομένα για τα υλικά, όπως οι πυκνότητες, ο όγκος, το μήκος και το βάρος, εξήχθησαν από το μοντέλο ΒΙΜ και στη συνέχεια καταχωρήθηκαν στον κατάλογο υλικών.
Η ενσωματωμένη ενέργεια και ο άνθρακας του κτιρίου μελέτης υπολογίστηκαν με βάση την απογραφή αυτή μέσω των ακόλουθων εξιδανικεύσεων:
1. Εξήχθησαν τα πρωτογενή δομικά στοιχεία του κτιρίου, εξαιρουμένων των υλικών φινιρίσματος, των επίπλων και των υπηρεσιών (π.χ. χάλυβας, ξύλο, σκυρόδεμα και γυαλί),
2. Εξήχθησαν ο τύπος των υλικών, οι πληροφορίες όγκου, η πυκνότητα και η ποσότητα,
3. Στη συνέχεια υιοθετήθηκε η βάση δεδομένων ICE [7,8] για τον υπολογισμό της ενσωματωμένης ενέργειας και του άνθρακα,
4. Η ενσωματωμένη ενέργεια και ο άνθρακας υπολογίστηκαν πολλαπλασιάζοντας το βάρος του υλικού με τους συντελεστές ICE.</p>
Πλαίσιο βελτιστοποίησης σχεδιασμού
Η δομική βελτιστοποίηση αποσκοπούσε στην αξιολόγηση των πλεονεκτημάτων ενός νέου σχεδιασμού με παρόμοιες ιδιότητες με το υπάρχον κτίριο, όπως το εμβαδόν της κάτοψης και ο αριθμός των δωματίων. Αναπτύχθηκε ένα πλαίσιο παραμετρικής μοντελοποίησης στο Dynamo για τον χειρισμό των θέσεων των υποστυλωμάτων, των δοκών και των πλακών. Ο στόχος ήταν να ελαχιστοποιηθεί το συνολικό βάρος του σκυροδέματος, τηρώντας παράλληλα τους περιορισμούς του κώδικα σχετικά με το φορτίο (ζωντανό και νεκρό), τη μετατόπιση, τη λυγηρότητα και τη θλιπτική αντοχή. Οι μεταβλητές απόφασης περιλάμβαναν τις θέσεις και τον αριθμό των υποστυλωμάτων και των δοκών, καθώς και το πάχος της πλάκας. Τα δομικά φορτία καθορίστηκαν σύμφωνα με τα σχετικά πρότυπα και η ανάλυση πεπερασμένων στοιχείων πραγματοποιήθηκε με τη χρήση του RSA με ενσωμάτωση οπτικού προγραμματισμού Dynamo. Δημιουργήθηκε ένα σενάριο Dynamo και συνδυάστηκε με το RSA χρησιμοποιώντας ένα πλαίσιο γενετικού αλγορίθμου. Τα γενικά βήματα του σεναρίου απεικονίζονται στο Σχήμα 4. Η βέλτιστη δομή, η οποία ικανοποιεί τα ειδικά πρότυπα του κώδικα για την πλαστιμότητα, τη μετατόπιση και την τάση, ενώ ελαχιστοποιεί το βάρος, επιλέχθηκε με βάση το συνδυασμό με το μικρότερο βάρος.
Αποδόμηση vs Κατεδάφιση
Η κατανάλωση ενέργειας που απαιτείται για την αποδόμηση και την κατεδάφιση υπολογίστηκε με τον ακόλουθο τύπο:
P = 𝑃𝐷𝑐+𝑃𝑇𝑟+𝑃𝑅𝑐+𝑃𝑅𝑒 για την αποδόμηση
P = 𝑃𝐷𝑚+𝑃𝑇𝑟 για την κατεδάφιση
Όπου 𝑃𝐷𝑐, 𝑃𝑇𝑟, 𝑃𝑅𝑐, 𝑃𝑅𝑒 και 𝑃𝐷𝑚 είναι η κατανάλωση ενέργειας που σχετίζεται με τις διαδικασίες αποδόμησης, μεταφοράς, ανακύκλωσης, ανάκτησης ενέργειας κατά την ανακύκλωση και κατεδάφισης, αντίστοιχα. Η ροή εργασιών για την αποδόμηση και την κατεδάφιση μπορεί να συνοψιστεί ως εξής.
1. Προγραμματισμός των εργασιών αποδόμησης/αποξήλωσης, <p align="justify"> α. Ορισμός ομάδων αποδόμησης,
β. Σχεδιασμός της αλληλουχίας των εργασιών αποδόμησης,
γ. Υπολογισμός της διάρκειας για κάθε εργασία αποδόμησης,
δ. Ανάλυση κάθε εργασίας αποδόμησης, και επιλογή των κατάλληλων εργαλείων και μηχανήματα για κάθε ομάδα.
2. Σχεδιασμός τη ροής εργασίας και της μεταφοράς της ανακύκλωσης:
α. Ποσοτικοποίηση των αποδομημένων δομικών υλικών,
β. Επαναχρησιμοποίηση οικοδομικών υλικών,
γ. Ανακύκλωση οικοδομικών υλικών,
δ. Απόρριψη των μη ανακυκλώσιμων υλικών.
3. Διεξαγωγή ποσοτικής αξιολόγησης:
α. Εκτίμηση της διάρκειας και του κόστους για την αποδόμηση και την κατεδάφιση,
β. Υπολογισμός του ενεργειακού κόστους και των εκπομπών διοξειδίου του άνθρακα που προκαλούνται κατά τη διάρκεια των εργασιών κατεδάφισης ή αποδόμησης,
γ. Υπολογισμός του ενεργειακού κόστους και των εκπομπών διοξειδίου του άνθρακα κατά τη μεταφορά,
δ. Υπολογισμός της ανακτώμενης ενέργειας και των εξοικονομημένων εκπομπών διοξειδίου του άνθρακα από ανακυκλωμένα και επαναχρησιμοποιημένα δομικά υλικά και προϊόντα.
Ροή εργασίας ανακύκλωσης
Εδώ υιοθετήθηκε μια προηγμένη ροή εργασιών ανακύκλωσης για μπάζα σκυροδέματος. Η ροή εργασίας μπορεί να χωριστεί σε δύο στάδια (δηλαδή, ξηρή διαδικασία και υγρή διαδικασία). Στην ξηρή διαδικασία, τα μπάζα σκυροδέματος θρυμματίζονται σε σπαστήρα σιαγόνων, διαχωρίζονται και κοσκινίζονται σε ξηρή διαδικασία. Τα θρυμματισμένα υλικά κοσκινίζονται μέσω κόσκινου 22 mm για να ληφθεί κλάσμα μεγέθους 0/22. Τα κλάσματα >22 mm συλλέγονται και τοποθετούνται εκ νέου στο σιαγονοθραυστήρα. Εν τω μεταξύ, τα μεταλλικά θραύσματα διαχωρίζονται κατά τη διαδικασία αυτή. Στη συνέχεια, ένα κλάσμα μεγέθους 0/22 μεταφέρεται στο επόμενο στάδιο - την υγρή διεργασία. Σε αυτό το στάδιο λαμβάνουν χώρα περαιτέρω διαδικασίες διαλογής και κοσκίνισης και τα αδρανή υλικά χωρίζονται σε κλάσματα 0/2 mm, 0/1 mm, 2/8 mm και 8/16 mm [56]. Η διαδικασία συνοψίζεται στην εικόνα 5α.
εικ. 5α Διαδικασία παραγωγής υλικών ανακύκλωσης από μπάζα σκυροδέματος- β) παραγωγικότητα των αναλογιών μάζας (εισροή προς εκροή) της διαδικασίας ανακύκλωσης. εικ. 5β Μας δείχνει το ισοζύγιο μάζας των ανακυκλωμένων υλικών που υιοθετήθηκε από το [56]. Στην παρούσα μελέτη εξήχθησαν τα μπάζα σκυροδέματος από μια κατασκευή συναρμολόγησης από οπλισμένο σκυρόδεμα. Μετά την αφαίρεση των επιβλαβών υλικών και των ακαθαρσιών, το 83% των αποβλήτων κατεδάφισης ήταν μπάζα σκυροδέματος, το 9% ήταν κονίαμα και το υπόλοιπο ήταν ακαθαρσίες (π.χ. πλαστικά, γυαλί, ξύλο). Η αποδοτικότητα παραγωγής αυτής της μελέτης υιοθετείται στην ανάλυση του σεναρίου αποδόμησης (Σχήμα 5α). Εκτός από τις αναλογίες των υλικών, χρησιμοποιείται το ενεργειακό κόστος της ανακύκλωσης, που παρουσιάζεται στον πίνακα 2.
πίνακας 2 Κατανάλωση ενέργειας σε ξηρές και υγρές διεργασίες ανακύκλωσης
Τέλος, χρησιμοποιώντας την προτεινόμενη διαδικασία ανακύκλωσης, δημιουργήθηκε ένα διάγραμμα ροής υλικών και ενέργειας. Στο Σχήμα 6 παρουσιάζεται το διάγραμμα ροής υλικών και ενέργειας για τη μελέτη περίπτωσης που χρησιμοποιήθηκε στο παρόν χειρόγραφο. Η εισροή περιελάμβανε 408 τόνους μπάζα σκυροδέματος, 48,4 τόνους μικτών σπασμένων τούβλων και πλακιδίων και 10,6 τόνους χάλυβα σε σκυρόδεμα.
εικ. 6 Ροή υλικών και ενέργειας της προτεινόμενης διαδικασίας ανακύκλωσης
Κριτήρια αξιολόγησης
Τέλος, καταρτίστηκε ένα σύνολο σχετικών κριτηρίων για την αξιολόγηση των πλεονεκτημάτων και μειονεκτημάτων της χρήσης της κατεδάφισης έναντι της αποδόμησης. Ο πίνακας 3 παρουσιάζει τα κριτήρια και τα αντίστοιχα σημεία που σχετίζονται με κάθε παράγοντα. Οι παράγοντες αυτοί περιλαμβάνουν οικονομικά ζητήματα (π.χ. κόστος), βιωσιμότητα (π.χ. ενσωματωμένος άνθρακας) και κοινωνικά ζητήματα (π.χ. θόρυβος και όχληση των γειτόνων σε συνάρτηση με το χρόνο λειτουργίας των μηχανημάτων).
πίνακας 3 Κριτήρια αξιολόγησης για την κατεδάφιση έναντι της αποδόμησης
Ανακαίνιση
Η διαδικασία υπολογισμού της ενσωματωμένης ενέργειας και του διοξειδίου του άνθρακα για την ανακαίνιση είναι παρόμοια με εκείνη που παρουσιάστηκε στην ενότητα για τον ενσωματωμένο ενεργό άνθρακα. Εδώ, είναι σημαντικό να περιγραφεί η διαδικασία με την οποία υπολογίστηκε το κόστος ανακαίνισης. Η παρούσα αξία των μελλοντικών ανακαινίσεων προσδιορίστηκε με τη χρήση του δείκτη κλιμάκωσης των τιμών των κατασκευών, μαζί με το κόστος αποκατάστασης, που ελήφθη από την επίσημη γερμανική στατιστική υπηρεσία
Η τελική κατανάλωση ενέργειας υπολογίστηκε με την ενσωμάτωση του λόγου της ωφέλιμης επιφάνειας με την τιμή της ηλεκτρικής ενέργειας, η οποία χρησιμοποιήθηκε με τιμή ηλεκτρικής ενέργειας 0,38 €/kWh για το 2022. Επιπλέον, έγιναν διάφορες παραδοχές για την προσέγγιση του κόστους λειτουργίας, της κατανάλωσης ενέργειας και των εκπομπών διοξειδίου του άνθρακα, οι οποίες περιγράφονται ως εξής:
1. Η κατανάλωση ενέργειας ανήλθε σε 88 kWhm-2 ετησίως-1 (το μοντέλο συμπεριέλαβε επίσης μια βελτιωμένη ενεργειακή απόδοση περίπου 25% μετά από κάθε ανακαίνιση για να ληφθεί υπόψη η απαιτούμενη μείωση της κατανάλωσης ενέργειας στην ΕΕ).
2. Η κατανάλωση ενέργειας του νέου κτιρίου ορίστηκε σε 62 kWhm^(-2) year^(-1)
3. Έγινε υπόθεση για αύξηση της τιμής της ηλεκτρικής ενέργειας στο 0.38%
4. Η ηλεκτρική ενέργεια ήταν η μοναδική μορφή ενέργειας που χρησιμοποιήθηκε, με 1 MJ ενέργειας από ηλεκτρικό ρεύμα να παράγει 177 γραμμάρια εκπομπής διοξειδίου του άνθρακα
5. Ο χρόνος ανακαίνισης λήφθηκε υπόψη κάθε 30 χρόνια
Αποτελέσματα και συζήτηση
Περίπτωση μελέτης
Ως αντικείμενο της παρούσας έρευνας επιλέχθηκε ένα τριώροφο κτίριο κατοικιών. Τα αρχικά σχέδια και άλλα έγγραφα που σχετίζονται με την ανακαίνιση που πραγματοποιήθηκε το 2011, μαζί με το σχέδιο χώρου και τις κατόψεις, ήταν διαθέσιμα και χρησιμοποιήθηκαν για την παρούσα μελέτη. Τα κύρια χαρακτηριστικά του κτιρίου μελέτης παρουσιάζονται στον πίνακα 4.
πίνακας 4 Χαρακτηριστικά της μελέτης περίπτωσης
Συλλογή Point Clouds και διαδικασία
Για τη συλλογή δεδομένων σχεδιάστηκε ένα μονοπάτι περπατήματος με τη χρήση ενός Apple iPhone 13 mini (γερμανική έκδοση) με ανάλυση βίντεο 4K σε 60 καρέ ανά δευτερόλεπτο (fps). Χρησιμοποιώντας το πλαίσιο iVS3D, δημιουργήθηκαν 248 εικόνες και επιλέχθηκαν για Structure-from-Motion (SfM) με χρήση του COLMAP. Στη συνέχεια, η συλλογή δεδομένων από το εσωτερικό του κτιρίου πραγματοποιήθηκε με τη χρήση ενός Apple iPad Pro (γερμανική έκδοση) με την εφαρμογή SiteScape, σαρώνοντας κάθε όροφο ξεχωριστά. Το τελικό νέφος σημείων του καταγεγραμμένου εσωτερικού και εξωτερικού χώρου δημιουργήθηκε με τη χρήση του CloudCompare, όπως φαίνεται στην Εικόνα 7d.
Λίστα ποσοτήτων και αξιολόγηση βιωσιμότητας με βάση το BIM
Η μελέτη χρησιμοποίησε το μοντέλο BIM που δημιουργήθηκε από το νέφος σημείων για τον προσδιορισμό του τιμολογίου ποσοτήτων, το οποίο στη συνέχεια χρησιμοποιήθηκε για την αξιολόγηση των παραγόντων βιωσιμότητας των υλικών του έργου. Η ανάλυση επικεντρώθηκε στον προσδιορισμό των παραγόντων βιωσιμότητας σε περίπτωση κατεδάφισης και αποδόμησης. Τα αποτελέσματα αποκάλυψαν ότι τα τούβλα και το σκυρόδεμα, ως πρωτογενή υλικά κατασκευής, αντιπροσώπευαν περίπου το 46% της ενσωματωμένης ενέργειας και πάνω από το 60% των εκπομπών διοξειδίου του άνθρακα. Επιπλέον, 8,5 τόνοι πλαστικού συνέβαλαν στο 18% της ενσωματωμένης ενέργειας και στο 8% των εκπομπών διοξειδίου του άνθρακα. Η μελέτη υποδηλώνει ότι η μείωση του βάρους των κύριων δομικών υλικών, όπως το σκυρόδεμα και τα τούβλα, μέσω αποτελεσματικών στρατηγικών βελτιστοποίησης και η αντικατάσταση των πλαστικών αποβλήτων με βιώσιμα κυκλικά υλικά είναι ζωτικής σημασίας για τη μείωση της ενσωματωμένης ενέργειας και των εκπομπών διοξειδίου του άνθρακα στα κτίρια, ιδίως κατά την κατεδάφιση.
Αποδόμηση vs Κατεδάφιση
Η μελέτη έκανε λογιστικές υποθέσεις σχετικά με τις αποστάσεις μεταξύ των διαφόρων χώρων που εμπλέκονται στις διαδικασίες αποδόμησης και διάθεσης των κτιρίων. Αυτές περιελάμβαναν τις αποστάσεις μεταξύ του παλιού κτιρίου, της νέας ανάπτυξης, του χώρου υγειονομικής ταφής απορριμμάτων, του εργοστασίου ανακύκλωσης, της αποθήκευσης και της παροχής άμμου. Για παράδειγμα, η απόσταση μεταξύ του παλιού και του νέου κτιρίου θεωρήθηκε ότι είναι 2 χιλιόμετρα. Θεωρήθηκε επίσης ότι το 85% των τούβλων θα διατηρούνταν και θα επαναχρησιμοποιούνταν, ενώ τα υπόλοιπα θα αναμειγνύονταν με μπάζα από σκυρόδεμα. Τα επαναχρησιμοποιήσιμα τούβλα θα μεταφέρονταν σε μια εγκατάσταση αποθήκευσης σε απόσταση 10 km, ενώ άλλα υλικά, όπως σκυρόδεμα, άσφαλτος και μόνωση, θα στέλνονταν σε μια μονάδα ανακύκλωσης 15 km από τον χώρο αποδόμησης. Τα χαλιά και τα κουφώματα θα απορρίπτονταν σε χώρο υγειονομικής ταφής 35 χλμ. μακριά.
Με βάση αυτές τις παραδοχές, η μελέτη συνέκρινε την επιλογή μεταξύ αποδόμησης και κατεδάφισης. Διαπίστωσε ότι η αποδόμηση, με τη δυνατότητα επαναχρησιμοποίησης περισσότερων υλικών, πέτυχε υψηλότερη συνολική βαθμολογία 85 έναντι 43 για την κατεδάφιση. Κατά συνέπεια, η αποδόμηση, μαζί με τον βελτιστοποιημένο δομικό σχεδιασμό για ένα νέο κτίριο, επιλέχθηκε για σύγκριση με τη στρατηγική ανακαίνισης.
Σύγκριση αποτελεσμάτων με το σενάριο ανακαίνισης
Η μελέτη συγκρίνει τη στρατηγική της αποδόμησης με βελτιστοποιημένο σχεδιασμό νέου κτιρίου με την ανακαίνιση μιας υφιστάμενης εγκατάστασης, λαμβάνοντας υπόψη το κόστος, τη συνολική κατανάλωση ενέργειας και το αποτύπωμα άνθρακα. Τα αποτελέσματα δείχνουν ότι η αποδόμηση και η νέα ανάπτυξη συνεπάγονται περίπου 10,5% υψηλότερο κόστος και 7,8% υψηλότερη ενσωματωμένη κατανάλωση ενέργειας, αλλά προσφέρουν 9,6% βελτίωση στον ενσωματωμένο άνθρακα σε σύγκριση με την ανακαίνιση. Η ομάδα έργου πρέπει να ιεραρχήσει τα κριτήρια για να λάβει την τελική απόφαση. Εάν δοθεί προτεραιότητα στο κόστος και την ενσωματωμένη ενέργεια, προτιμάται η ανακαίνιση. Αυτή η μελέτη περίπτωσης υπογραμμίζει την αναγκαιότητα της ανάλυσης του κύκλου ζωής για αποφάσεις σχετικά με βαθιές ανακαινίσεις ή αποκαταστάσεις.
Συμπεράσματα
Η παρούσα μελέτη εξετάζει τις περιβαλλοντικές επιπτώσεις δύο σεναρίων αποκατάστασης κτιρίων: ανακαίνιση ενός υφιστάμενου κτιρίου και κατεδάφιση για την κατασκευή ενός νέου βελτιστοποιημένου κτιρίου. Χρησιμοποιεί ψηφιακά μοντέλα και σημασιολογική μοντελοποίηση κτιριακών πληροφοριών (BIM) για την αξιολόγηση των πτυχών βιωσιμότητας. Παρά τα πλεονεκτήματα της ΒΙΜ, εξακολουθούν να απαιτούνται χειρωνακτικές προσπάθειες για ακριβείς υπολογισμούς. Η έρευνα ενσωματώνει το ΒΙΜ με βάσεις δεδομένων για την αποκοπή ποσοτήτων υλικών, τον παραγωγικό σχεδιασμό, τον παραμετρικό σχεδιασμό και τη μακροπρόθεσμη αξιολόγηση της ενεργειακής απόδοσης. Προτείνεται ένα επίσημο πλαίσιο, το οποίο περιλαμβάνει στάδια όπως η ψηφιακή τεκμηρίωση, η αναδημιουργία BIM, ο σχεδιασμός, η ανακύκλωση, η βελτιστοποίηση, η εκτίμηση κόστους και η ενεργειακή ανάλυση. Η αποδόμηση κρίνεται πιο φιλική προς το περιβάλλον από την κατεδάφιση, αλλά η ανακαίνιση είναι πιο αποδοτική από άποψη κόστους με χαμηλότερη ενσωματωμένη ενέργεια. Η μελέτη υπογραμμίζει τη σημασία της ολοκληρωμένης ανάλυσης του κύκλου ζωής για την τεκμηριωμένη λήψη αποφάσεων σε έργα αποκατάστασης κτιρίων.
