D02 – Ganzheitliche Bilanzierung von adaptiven Hüllen und Strukturen

Im Teilprojekt D02 werden die Forschungsarbeiten der Bereiche A, B und C systematisch um die gestellten Umweltanforderungen wie den Ressourcenverbrauch erweitert.

Die Ausgangsbasis für die Arbeiten in D02 ist die Methode der Ökobilanz. Bisher wurden Bauprodukte statisch und deterministisch bilanziert. Die Dynamiken adaptiver Gebäude bzw. Teilsysteme werden bislang in der Ökobilanz nicht oder nur teilweise betrachtet.

Die umfassende Systemuntersuchung adaptiver Hüllen und Strukturen, welche Forschungsschwerpunkt in der ersten Förderphase war, ermöglicht die methodische Integration von Umweltwirkungen in den Planungsprozess adaptiver Gebäude. Aus dem komplexen Zusammenspiel der verschiedenen Einflussparameter, ihrer Anforderungen und den Entscheidungsprozessen in der Planung ergibt sich eine große Zahl an Variationen und somit eine Bandbreite an möglichen Ergebnisse für den lebenszyklusbezogenen Bedarf an Ressourcen oder CO2-Emissionen. 

Die Vorarbeiten der ersten Förderphase zeigen, dass es eine große Notwendigkeit für die Weiterentwicklung von Umweltanalysen gibt, um zum einen mit zunehmenden Mengen, zunehmender Vielfalt, variierender Qualität, zunehmender Informationshäufigkeit und -dichte und variierenden Werten umgehen zu können. Zum anderen gilt es passgenaue Antworten auf prädiktive und präskriptive analytische Fragestellungen verschiedener Akteure geben zu können. 

Ein vereinfachtes Gedankenspiel verdeutlicht dies: Eine Wand wird dreischichtig aufgebaut. Für die innere und die äußere Schicht stehen jeweils drei unterschiedliche Materialien zur Verfügung, für die mittlere Schicht stehen fünf Materialien zur Verfügung. Die Wand ist adaptiv, je nach äußerer Umgebung werden fünf oder zehn Aktoren und Sensoren je Flächeneinheit notwendig, zwei Aktortypen und zwei Sensortypen stehen zur Auswahl, je nach Ausrichtung variiert die Aktuierungshäufigkeit zwischen ein und zwei Mal je betrachteter Zeiteinheit. Elektrische Energie kann aus PV oder aus Netzstrom bereitgestellt werden. Jeder betrachtete Parameter hat ein individuelles Umweltprofil. Allein dieses vereinfachte Beispiel ermöglicht mehr als 1400 Kombinationen, die zu einer Bandbreite an Umweltwirkungen führen, deren Modellierung nach gängigen Vorgehensweisen nur mit enormem Zeitaufwand möglich ist. 

^{Zunehmende Datenvariation bei der Bilanzierung adaptiver Hüllen und Strukturen (Quelle: IABP)}

Daraus werden folgende Forschungsfragen abgeleitet:

• Wie müssen Ökobilanzmodelle ausgestaltet werden, um eine große Anzahl an Variationen aus Simulations- und Optimierungsverfahren verarbeiten zu können?
• Wie können die Ergebnisse den verschiedenen Akteuren zur Verfügung gestellt werden?
• Welche Operationen und Prozesse sind für die Verarbeitung der Daten und die Bereitstellung der Ergebnisse notwendig?
• Welche Darstellungsarten eignen sich dafür?

Wie müssen die Schnittstellen unterschiedlicher Modelle (z.B. bauphysikalisch und ökobilanziell) ausgestaltet werden, um einen hohen Grad an Automation und Standardisierung zu erreichen?

^{Anforderungsermittlung der übergeordneten Modellstruktur (Quelle IABP)}

Die in D02 entwickelte Methodik liefert eine fundierte Basis, um den Energie- und Materialbedarf sowie die Umweltwirkungen durch die Adaptivität dynamisch über den Lebenszyklus abzubilden. Dadurch lassen sich unregelmäßige, wenig oder nicht vorhersagbare Ereignisse berücksichtigen.

Zentral für das Teilprojekt D02 ist eine systemische Sicht auf die Entwicklungen adaptiver Hüllen und Strukturen. Zu berücksichtigen ist beispielsweise, wie sich adaptive Systeme im Gebäude auf den Ressourcenverbrauch und die Ökobilanz auswirken oder wie sich Umweltlasten von der Herstellung zur Nutzung oder zum Rückbau verschieben. Grundlage der Ökobilanz im Teilprojekt D02 sind sowohl Massen- und Energiebilanzen der Herstellung der benötigten Materialien als auch die für den Betrieb von adaptiven Systemen im Gebäude notwendige Energie. Dazu ist es notwendig, den gesamten Lebenszyklus zu betrachten. 

Das Teilprojekt D02 hat Schnittpunkte zu Teilprojekten der Bereiche A, B und C. Das Ergebnis ist ein Transfer der Umweltwirkungen über den Lebenszyklus in Key Performance Indikatoren, um diese im technischen Entwicklungsprozess verwertbar zu machen. Dabei wurde in verschiedenen Untersuchungen herausgefunden, dass die Masseneinsparung adaptiver Strukturen signifikante Einsparung von Umweltwirkungen ermöglicht. 

Ergebnisse des GWP für vier verschiedene Varianten der Tragstruktur des Demonstrator Hochhaus

^{Foto: IABP}

A. Ostertag, F. Schlegl, A. Gienger, J. Wagner, M. Dazer, B. Bertsche, S. Albrecht, P. Leistner, C. Tarín und O. Sawodny. „Reliable Design of Adaptive Load-bearing Structures with Focus on Sustainability“. In: Proc. of the European Safety and Reliability Conf. and the Probabilistic Safety Assessment and Management Conf. (akzeptiert) 2020]

Ergebnisse des GWP für die Integration von Fluidaktoren in der Platte

^{Foto: IABP}

Ergebnisse des GWP für die Integration von Fluidaktoren im Balken

^{Foto: IABP}

Die auftretenden Lasten auf adaptive Gebäude stehen, je nach Verursacher (Wind, Sonne, Schnee, Erdbeben etc.), mit unterschiedlichen Eintrittswahrscheinlichkeiten, Kräften und Dauern in Verbindung, die folglich einen davon abhängigen Aktuierungsbedarf erfordern. In dieser Förderperiode wird daher auf die steigende Relevanz der Nutzungsphase eingegangen und die zunehmende Menge und Vielfalt an Informationen mit variierender Qualität und variierenden Werten in der Planungsphase Beachtung finden. Für die Abbildung dieser Zusammenhänge wird der Cross-Industry Standard Process for Data Mining (CRISP-DM) als methodische Leitlinie angewendet und mit der Methode der Ökobilanz zu einer neuen Vorgehensweise kombiniert.

^{Schematische Darstellung der Anknüpfungspunkte der Methode der Ökobilanz und der CRISP-DM Methodik (T. Betten und D. Wehner. Integration of Big Data Analytics into Life Cycle Assessment. 2018)}

Teilprojektleiter:innen

• Dr.-Ing. Stefan Albrecht, Fraunhofer-Institut für Bauphysik