Struktura negrafických dat pro využití LCA v BIM: případová studie

Článek byl vydán v rámci odborné konference doktorského studia Juniorstav 2021. Byl oceněn odbornou porotou konference a okomentován spolupracovníky redakce TZB-info.

Pro samotné hodnocení LCA je stěžejní obstarat vstupní data pro tzv. inventuru životního cyklu (LCI). Cílem článku je definovat, jakou datovou strukturu je nutné získat z BIM modelu pro účely LCI. Nová metodika je postavena na základě informací z datové struktury standardizace negrafických informací modelu, zvané SNIM. Výhody představené metodiky byly prokázány na případové studii. Tyto výsledky jsou vhodné, pro rozšíření BIM modelu o nová data, nezbytná pro výpočty LCA.

1. Úvod

Posuzování životního cyklu je analytická metoda, založená na hodnocení environmentálních dopadů na životní prostředí výrobků, služeb či technologií. Jedná se o je aktuální téma v souvislosti s požadavkem na udržitelnou výstavbu, který vychází ze Směrnice Evropského parlamentu a Evropské komise č. 305/2011 [1]. Posuzování životního cyklu (LCA) je také metoda, využitelná pro prokázání vhodnosti navržených materiálů, konstrukcí nebo celých budov z hlediska životního cyklu a jeho působení na životní prostředí. Udržitelné využívání přírodních zdrojů souvisí s možnostmi opětovného využití a recyklace použitých materiálů pro výstavbu, ale rovněž s recyklací celých staveb či použití materiálů a surovin šetrných k životnímu prostředí již během nové výstavby.

Kočí [2] popisuje přístup metody LCA k hodnocení environmentálních dopadů na životní prostředí s ohledem na celý životní cyklus produktů, tj. od stádia získávání a výroby prvotních materiálů přes stádium výroby produktů, jejich užívání až po samotné odstranění či opětovné využití produktů v podobě recyklace. Autor Kočí ve své publikaci popisuje životní cyklus produktů, který má různé dopady na životní prostředí, ve čtyřech hlavních stádiích. První stádium získávání surovin pro výrobu potřebných materiálů pro výrobu produktu zahrnuje těžbu ropy, železný rud či dřeva a jejich dopravu z místa, kde jsou získávány, do místa dalšího zpracování. Druhé stádium popisuje výrobu produktu z již získaných materiálů a surovin v prvním stádiu. Stádium zahrnuje přeměňování získaných surovin na materiály, které jsou použitelné v další průmyslové výrobě. Přeměňování surovin zahrnuje například také spotřebu elektrické energie či různých paliv. Třetí stádium užívání produktu zahrnuje spotřebu produktu či jeho využití pro funkci, ke které byl vyroben. Nedílnou součástí tohoto stádia jsou opět energetické a surovinové požadavky, které budou sloužit pro samotný provoz produktu a jeho případné opravy, uskladnění či údržbu. Čtvrté, poslední stádium, popisuje již závěrečné odstranění produktu včetně energetických a materiálových nároků na odstranění produktu či případně na jeho recyklaci. Životní cyklus produktů a hodnocení jejich dopadu na životní prostředí pomocí tzv. kategorií dopadu Kočí dále dělí na šest konkrétních oblastí: (i) Globální oteplování a klimatické změny, (ii) Úbytek stratosférického ozonu, (iii) Acidifikaci, (iv) Eutrofizaci, (v) Vznik fotooxidantů a (vi) Úbytek surovin. Každá z těchto kategorií dopadu zahrnuje procesy a důsledky, jakými je negativně ovlivňováno životní prostředí [2].

2. Popis současného stavu řešené problematiky

Při provádění studií LCA ve stavebnictví je nutno shromáždit určité množství dat o budově. K tomuto účelu je možné za určitých podmínek využít informační model budovy (Building Information Model – BIM), který obsahuje kromě geometrické části rovněž informační část.

V roce 1990 se poprvé objevuje komplexní environmentální analýza zátěží, modely plnohodnotného hodnocení životního cyklu a s nimi spojená kalkulace životního cyklu. Začátkem 21. století byl vytvořen program Life Cycle Initiative, jehož cílem bylo praktikovat myšlenky životního cyklu do praxe [3].

Propojením metody LCA s možností využití datové struktury BIM modelu se již zabývalo mnoho autorů. Antón [4] v závěru článku představila dva přístupy integrace mezi LCA a BIM. Jeden z nich je posouzení celého životního cyklu konstrukce a druhý přístup je materiálově orientovaný.

Autoři dalšího článku [5] přichází s metodou automatických výpočtů LCA v rané fázi, tedy již na první úrovni podrobnosti BIM (LOD100). To by mělo vést k lehčím úpravám výpočtů během dalšího vývoje BIM modelu. K tomu, aby bylo možné tohoto cíle dosáhnout, je potřeba nových vrstev dat a jejich formátů. Tato nová datová vrstva by měla vyplnit informační mezery mezi extrahovanými daty BIM a stávajícími daty LCA, poskytovanými běžnými databázemi. Výsledkem tohoto článku je přiblížení této metody a dalším doporučeným krokem je testování této metody v budoucích vědeckých pracích.

Efektivita analýzy životního cyklu je řešena v dalším článku [6]. Autoři tohoto článku se zabývají propojením mezi nástrojem založeným na přístupu BIM a nástrojem LCA za využití software Gabi 6. V článku bylo prokázáno, že BIM plug-in modul může poskytnout potřebná data pro každou fázi návrhu. To znamená, že projektant má možnost provést plnou analýzu životního cyklu mnohem efektivněji.

Posuzováním životního cyklu budov v souvislosti s využitím BIM, analýzou předchozích přístupů a shrnutím základních informací o této problematice se věnoval článek autora M. Brandtnera [7]. Tento článek navazuje na shrnuté poznatky a závěry z tohoto příspěvku.

Problematikou BIM se zabýval také Jarský a kol. [8] v publikaci věnované přípravě a realizaci staveb. V publikaci je zmínka o možnosti využití BIM modelu pro demonstraci celého životního cyklu budovy včetně procesu výstavby a provozu staveb. Téma propojení externích dat s BIM modely za předpokladu přidání dalšího datového rozměru k BIM modelu je popsáno v kapitole věnující se nD BIM modelům.

Na základě výše uvedených referencí lze konstatovat, že autoři se již v minulosti zabývali možnostmi propojení studií LCA s informacemi obsaženými ve 3D modelu, který je součástí prostředí BIM.

3. Metodika

Pro posouzení životního cyklu produktů s možností hodnocení jejich dopadu na životní prostředí metodou LCA je potřeba stanovit hodnoty jednotlivých indikátorů kategorií dopadu s ohledem na jednotlivá stádia životního cyklu produktů. Tyto hodnoty, tvořící soubor výsledků, musí mít kromě konkrétních hodnot, také jednoznačně definovány jednotky. Jednotlivé soubory výsledků jsou poté přiřazeny do konkrétních druhů kategorií dopadu, které mají různé vlivy na životní prostředí. V grafické a informační části BIM modelu stavebního díla jsou jednoznačně definovány parametry, které je možno využít pro hodnocení LCA. V souvislosti se standardizací negrafických informací modelu a se vznikem již zmíněných standardů a parametrů se nabízí možnost doplnění BIM modelu o konkrétní informace ze SNIM pro komplexní posouzení stavebního díla z hlediska jeho celého životního cyklu (LCA).

Standardizace negrafických informací 3D modelu neboli zkráceně SNIM je soubor informací a standardů, které byly vyvinuty zejména pro projektování s využitím BIM modelu v prostředí České republiky. K jednotlivým prvkům 3D modelu byly přiřazeny parametry (negrafické informace), které jsou dále rozděleny dle požadavků pro jednotlivé stupně projektové dokumentaci v souvislosti s danou fází výstavby. SNIM obsahuje seznam parametrů, které jsou přiřazeny ke konkrétním konstrukcím a třídník stavebních konstrukcí, který jednotlivé typy konstrukcí rozděluje dle technických a parametrických informací. Třídník stavebních konstrukcí byl vytvořen z důvodu snahy o lepší orientaci v projektu za pomocí databázového vyhledávání. Metoda výběru dat z prostředí SNIM je popsána ve fázi studie výstavby. Z databáze SNIM budou převzaty objemy jednotlivých konstrukcí a takzvaná data „syntaxe značení“ obsahující značení konstrukcí. Data „syntaxe značení“ ze SNIM budou použita pro účely základní strukturu LCI (studie LCA). Nejsou v těchto datech obsaženy indikátory kategorií dopadu (emise). Proto se musí přiřadit z externích zdrojů (databáze / individuálně zjištěná data od výrobců / producentů materiálu / výrobků). Příklad vzhledu datové struktury pro jednu kategorii materiálu je uveden v tabulce 1.

V rámci hodnocení byly uvažovány emise následujících látek: CO₂, SO₂, NO_X, CO, CH₄, N₂O, HCl a HF. Množství těchto emisí bylo uvažováno v pěti kategorií dopadu pro oblast České republiky. Jedná se o potenciál globálního oteplování (GWP), acidifikační potenciál (AP), eutrofizační potenciál (EP), úbytek stratosférického ozónu (ODP) a potenciál vzniku fotooxidantů (POCP). Indikátory kategorií dopadu byly převzaty ze softwaru Gabi [13] z externí databáze EPD, která zahrnuje 3 kategorie: A1 – raw material supply, A2 – transport, A3 – core processes. Převzaty byly indikátory kategorií dopadu pro typy betonů obsažené v referenčním objektu dle jejich třídy, pevnosti a stupně vlivu prostředí.

Pro klasifikaci těchto dat bylo využito maticového řešitele Matlab. Vstupní data pro řešení jsou dvě tabulky. Jedná se o tabulku syntaxí značení a tabulku indikátorů dopadu. První je tabulka prvků, která obsahuje název prvku, jeho objem, pevnost a stupeň vlivu prostředí. Druhá tabulka obsahuje hodnoty indikátorů kategorií dopadu (LCI) pro každý typ betonu a stupeň vlivu prostředí. Indikátory kategorií dopadu jsou CO, NO_x, SO_x, CH₄, CO₃, N₂0, HCl a HC.

Nejdříve je načten první řádek prvků, ze kterého se vezme objem prvku, pevnost beton a stupeň vlivu prostředí. Na základě pevnost betonu a stupně vlivu prostředí je z druhé tabulky přiřazena konkrétní hodnota LCI. Obecně MatLab přiřadí hodnotu LCI pro každý stupeň vlivu prostředí, ale pro tento konkrétní příklad je uvažováno pro všechny prvky pouze se stupněm vlivu prostředí XC1. Přiřazená hodnota LCI je pouze pro objem 1 m³ betonu, proto jsou všechny hodnoty vynásobeny hodnotou objemu daného prvku. Objem každého konkrétního prvku vynásobený příslušnou hodnotou LCI je vygenerován do nové tabulky, ze které jsou postupně filtrovány další informace. Při zadání hodnoty konkrétního typu (pevnosti) betonu (např. C 20/25) je vygenerována hodnota LCI konkrétního prvku z daného betonu. V dalším kroku jsou všechny hodnoty LCI pevnosti betonu jsou sečteny a výsledné hodnoty jsou přeneseny do grafu. Proces je opakován pro všechny zvolené typy betonu (v našem případě 3 typy) a poté podle jednotlivých hodnot LCI jsou vytvořeny grafy – co jeden prvek LCI, to jeden graf.

4. Případová studie

Případová studie je zaměřena na hrubou stavbu reálného objektu ŽB skeletu knihovny ve fázi studie výstavby s daty pro DSP ze SNIM. Jedná se objekt vymodelovaný v Revitu (BIM model), který byl následně převeden do programu Lumion, ve kterém byla vytvořena vizualizace. Pro účely výpočtu byly z BIM modelu převzaty objemy jednotlivých konstrukcí tvořící hrubou stavbu objektu. Jedná se o samostatně stojící stavbu se třemi nadzemními podlažími. Půdorys objektu je ve tvaru čtverce s vystupující severní částí. Z hlediska stavebního řešení se jedná o monolitický železobetonový skelet založený na základové desce o mocnosti 800–1200 mm. Stropní konstrukci tvoří trámový strop podepřený příčlemi a desky vyztužené v jednom směru. Stropní konstrukci podpírají monolitické železobetonové sloupy kruhového průřezu z betonu C 20/25 – XC1 o průměru 500 mm a monolitické ztužující stěny z betonu C 20/25 – XC1 tloušťky 250 a 300 mm tvořící ztužující jádra v místech budoucího schodiště a výtahu. Stropní monolitická konstrukce je tvořena deskou o mocnosti 200 mm vyztuženou v jednom směru a podepřenou výztužnými trámy o šířce 250 mm, výšce 400 mm a výztužnou příčlí ve směru druhém širokou 500 mm o výšce 700 mm. Jedná se tedy o trámový strop podepřený příčlemi s deskou vyztuženou v jednom směru. Z hlediska materiálu je celá stropní konstrukce navržena z betonu C 25/30 – XC1 s betonářskou výztuží B 500B. Přístup do jednotlivých podlaží objektu je zajištěn pomocí ŽB schodiště z betonu C 30/37 – XC2.

Obr. 1 Referenční objekt: Monolitická železobetonová skeletová konstrukce knihovny [vlastní práce autorů]

5. Výsledky a diskuse

Obr. 2 Graf procentuálního zastoupení LCI pro celý objekt s ohledem na rozložení druhů betonů

Výsledky výpočtu ukazují procentuální zastoupení kategorií dopadu pro každý typ betonu. Každý závěrečný graf obsahuje součtové hodnoty LCI pro všechny 3 typy betonů. Graf ukazuje procentuální vliv každého betonu o konkrétní pevnosti neboli ukazuje, který beton má největší podíl LCI. Závěr je procentuální rozložení jednotlivých emisních faktorů napříč betonovým zastoupením (materiálovou charakteristikou) ve stavbě. Tyto výsledky jsou vhodné, pro rozšíření BIM modelu o nové data, nezbytné pro výpočty LCA. Model BIM, rozšířený o výpočet LCA, povede ke snížení těžby přírodních zdrojů a také k pozitivnímu dopadu na životní prostředí.

Obr. 3 Graf procentuálního zastoupení LCI, příklad pro stupeň vlivu prostředí XC1

6. Závěr

Článek shrnuje teorii, současný stav řešené problematiky a také rámcový postup, jakým je možné v budoucnu přistupovat při výpočtech environmentálních dopadů u konkrétních objektů. Zvolená případová studie ověřila navrženou metodiku a ukázala nutnost zpracování mnohem většího počtu případových studií konkrétních objektů, jejichž výsledky by mohly být vzájemně porovnány. Zpracování dalších studií, porovnání výsledků těchto studií s již vypočtenými hodnotami a porovnání výsledků s prezentovanými výsledky jiných autorů je doporučeno jako předmět dalšího výzkumu této problematiky. Při ověřování navržené metodiky na konkrétní případové studii byly zjištěny zejména nedostatky v oblasti zdrojových dat pro možnost importu hodnot environmentálních dopadů do konkrétních prvků a konstrukcí do BIM modelu řešeného objektu. Bylo by vhodné se do budoucna zabývat rozšířením databáze hodnot LCI zejména pro české prostředí. Ukázalo se také, že ne všechny prvky v objektu lze přiřadit ke konkrétním kategoriím SNIM. Proto by v případě zpracovávání studí pro složitější objekty bylo nutné doplnit některé konkrétní prvky do databáze SNIM. V neposlední řadě by bylo rovněž vhodné vytvořit specializovaný software nebo plug-inu, zabývající se výpočty LCA a propojením studií LCA s BIM modelem pro české prostředí, který bude snadno využitelný ve stavební praxi.

Poděkování

Článek vznikl za podpory Standardního specifického výzkumu s registračním číslem FAST-S-20-6338 a Juniorského specifického výzkumu s registračním číslem FAST-J-20-6359.

Použité zdroje

1. REGULATION (EU) No 305/2011 OF THE EUROPEAN PARLIAMENT AND OF THE COUNCIL: laying down harmonized conditions for the marketing of construction products and repealing Council Directive 89/106/EEC. In: Strasbourg: European Council, 2011, ročník 2011, 305/2011.
2. KOČÍ, Vladimír. LCA a EPD stavebních výrobků: posuzování životního cyklu a environmentální prohlášení o produktu jako cesta k udržitelnému stavebnictví. Praha: Česká rada pro šetrné budovy, 2012. ISBN 978-80-260-3504-6.
3. Jeroen B. Guinée et all. Life Cycle Assessment: Past, Present, and Future. Environ. Sci. Technol., 2011, 45, 90-96. https://pubs.acs.org/doi/10.1021/es101316v.
4. ANTÓN, Laura Álvarez a Joaquín DÍAZ. Integration of Life Cycle Assessment in a BIM Environment. Procedia Engineering. 2014, 85, 26-32. https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1877705814018918?via%3Dihub. ISSN 18777058.
5. DUPUIS, M., A. APRIL, P. LESAGE a D. FORGUES. Method to Enable LCA Analysis through Each Level of Development of a BIM Model. Procedia Engineering. 2017, 196, 857-863. https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1877705817331375?via%3Dihub. ISSN 18777058. Dostupné také z: https://linkinghub.elsevier.com/retrieve/pii/S1877705817331375
6. BUENO, Cristiane a Márcio Minto FABRICIO. Comparative analysis between a complete LCA study and results from a BIM-LCA plug-in. Automation in Construction. 2018, 90, 188-200. https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S0926580518301249?via%3Dihub. ISSN 09265805. Dostupné také z: https://linkinghub.elsevier.com/retrieve/pii/S0926580518301249
7. BRANDTNER, M. Posuzování životního cyklu budov založené na BIM – rešerše. Juniorstav 2020, 22. odborná konference doktorského studia, sborník příspěvků. Brno: ECON publishing, 2020, (1), 5. ISSN 978-80-86433-73-8.
8. JARSKÝ, Čeněk. Technologie staveb II. Druhé přepracované a doplněné vydání. Brno: Akademické nakladatelství CERM, 2019. ISBN 978-80-7204-994-3.