Early stage design methodology to ensure life cycle sustainability of residential buildings

Abstract

The work presented in this thesis evolved at the Centre for Territory, Environment, and Construction (CTAC), Department of Civil Engineering of the University of Minho. Scientific research has given overwhelming findings that environmental problems are a severe global threat, requiring an immediate response. In the years to come, ecological and economic constraints will restrain social conditions. Buildings play a fundamental role in controlling and improving both, social and environmental quality. Countless efforts are being made to promote and implement sustainable building design. New technologies to reduce resources consumption, low impact materials, standards, and guidelines, and building assessment methods are being developed worldwide. It is fair to say that despite remarkable achievements in promoting sustainable buildings, they are still behind expectation in enhancing sustainable design. When pre-design is poor or incomplete, the effectiveness of sustainable projects is compromised. Research shows if sustainability goals are established early in the project, against which to assess options of achievement, the success of accomplishing a sustainable building, increases. Nevertheless, existing sustainability assessment tools evaluate a selected option rather than allowing for comparison of alternative solutions. Also, the need for detailed data, inexistent at those phases, hampers its use at early design phases. To cope with this gap, this thesis proposes a new methodology aimed at supporting early design phases decisions towards sustainable design. It is intended to aid getting goals through a measurable and easily understood target for the building performance instead of prescribing a particular solution. To achieve such an ambitious goal, the work was divided into five main tasks. First, literature review was carried out on existing international recommendations for sustainable design and its assessment, and existing buildings sustainability assessment methods. This research aimed at identifying the stateof- the-art of such tools and standards, highlighting their advantages and drawbacks, and setting the basis for Early Stage Model for Sustainable Design – EasyMode. Then, analysis of the life cycle of buildings design was conducted. Complementing this analysis, Portuguese designers were surveyed to comprehend their understandings on sustainability and how they consider its criteria during design. After having the output of these two phases, it was possible to set approach and framework for the newly developed tool: EasyMode. After having a defined framework, stage four consisted in developing the calculation procedure of the indicators included in EasyMode. To validate the efficacy of the tool, a fifth step was taken; the tool was applied to a case study. EasyMode aims to support designers, through the decision-making process, at early design phases, towards successful sustainable design. EasyMode provides guidelines and concepts regarding the three sustainability cornerstones enabling setting early sustainable goals, making informed decisions, and selecting design options with better performance throughout the building’s lifecycle. EasyMode is intended to be easy and practical to use, so practitioners can make quick and expedite analysis, in fact making it accepted by them. This tool will endow designers with sustainability concepts in an easy manner, improving their knowledge on the subject and thus, improving their projects. Also, this work represents a step further in the scientific research in this field.

O trabalho aqui apresentado foi desenvolvido na unidade de investigação Centro do Território, Ambiente e Construção (CTAC), no Departamento de Engenharia Civil da Universidade do Minho. Os resultados de investigação científica têm mostrado problemas ambientais alarmantes, que requerem uma alteração de paradigma imediata. Nos próximos anos, as condições e desenvolvimento social serão condicionados por restrições ambientais e económicas. O papel dos edifícios para a sociedade e para a qualidade ambiental é inegável, daí que a necessidade de se adotar uma estratégia de construção sustentável, esteja a ser veemente defendida. Ao longo dos últimos anos têm sido desenvolvidas novas soluções construtivas, materiais e tecnologias de baixo impacte, normas e recomendações de sustentabilidade, e metodologias de avaliação da sustentabilidade de edifícios, tendo em vista a melhoria da sustentabilidade do meio edificado. No entanto, este objetivo ainda está longe de estar cumprido. Quando, nas fases iniciais, o projeto é parco em objetivos de sustentabilidade ou estes são insuficientemente estabelecidos, dificilmente será possível obter um edifício sustentável. Isto acontece porque, as fases iniciais são cruciais para estabelecer e concretizar os objetivos de sustentabilidade. É necessário estabelecer-se objetivos, em relação aos quais devem ser analisadas e comparadas várias opções possíveis, identificando aquela que melhor satisfaz o resultado pretendido. Todavia, as metodologias e normas atualmente existentes não permitem esta comparação, uma vez que, são essencialmente dedicadas à avaliação de apenas uma solução, a solução escolhida. Para além disso, o facto de necessitarem de informação detalhada, impossibilita a sua aplicação durante o início do projeto, já que nesta, a informação não se encontra ainda definida. Verifica-se, assim, a existência de uma lacuna que se pretende colmatar com este trabalho. A presente tese apresenta uma nova metodologia de suporte à tomada de decisão, durante as fases iniciais de projeto, tendo em vista a implementação de medidas de sustentabilidade. A ferramenta visa auxiliar projetistas com a identificação de objetivos fáceis de interpretar e quantificar, em vez de, simplesmente, prescrever uma solução específica. De forma a alcançar os objetivos traçados para este trabalho, este foi dividido em cinco tarefas principais. Primeiro, procedeu-se à revisão da literatura, procurando identificar, analisar e comparar as metodologias de avaliação de sustentabilidade de edifícios existentes, bem como as normas e recomendações internacionais sobre o tema. Esta revisão visou conhecer o estado da arte destas metodologias e normas, identificando os seus pontos positivos e negativos, estabelecendo assim a base para a nova ferramenta. Posteriormente, analisaram-se as várias fases de projeto, procurando verificar como podem os princípios de sustentabilidade ser incluídos no projeto. De forma a completar esta análise, realizou-se um inquérito a projetistas nacionais, procurando saber-se a sua visão sobre o conceito de sustentabilidade e como o englobam nos seus projetos. Após obter os resultados destas duas fases, foi possível idealizar a abordagem e estrutura a adoptar, para o desenvolvimento para a nova ferramenta - Early Stage Model for Sustainable Design – EasyMode (Modelo de desenho sustentável para fases iniciais). Assim a terceira fase consistiu na conceção da abordagem e estrutura do EasyMode. A quarta parte focou-se no desenvolvimento do processo de calculo da metodologia. Por fim, a metodologia foi validada através da aplicação a um caso de estudo. O EasyMode tem o intuito de auxiliar os projetistas na tomada de decisões, durante as fases iniciais de projeto, tendo em vista a obtenção de um edifício sustentável. Esta ferramenta guia e fornece conceitos de sustentabilidade, no âmbito dos seus três pilares – ambiente, sociedade e economia, permitindo a definição de objetivos de sustentabilidade e que sejam tomadas decisões que visem o seu cumprimento. Pretende-se que o EasyMode seja de fácil e prática utilização de forma a que os projetistas possam realizar análises expeditas. Assim, esta ferramenta dotará os projetistas com conceitos de sustentabilidade, fazendo-o de forma simples, mas permitindo estes consigam melhorar o seu conhecimento e, consequentemente, os seus projetos, visando um meio edificado mais sustentável.