BIM-led LCA: Feasibility of improving Life Cycle Assessment through Building Information Modelling during the building design process

The Architecture, Engineering and Construction sector is responsible for a significant proportion of the world’s environmental impact. Several tools have been developed and are now applied to calculate the sustainability level of buildings. Life Cycle Assessment (LCA) is widely recognized to be a suitable and holistic method to evaluate the environmental impact of the construction, maintenance, operation, and demolition stage of buildings. However, LCA is currently hindered by a number of limitations in the construction industry. Building Information Modelling (BIM) has gained attention as it provides opportunities to manage a large amount of data in a common data environment. As such, BIM makes it possible to overcome some specific issues of the LCA. Several studies have developed BIM-based LCA frameworks, and researches acknowledge the integration of LCA in BIM as a way of improving the environmental performance of buildings. The focus of the thesis is the development of a method to perform the LCA throughout all the building design process phases. Furthermore, the thesis provides a method for identifying and coding all the relevant variables involved in the LCA calculation, which can be implemented into the building information model as BIM parameters. From an analysis of the literature review, two different trends are identified. Current BIM-LCA approaches use complex models in detailed design phases, when it is late for major changes, or simplified approaches only applicable in early design stages. As such, none of them provide the way for conducting a BIM-led LCA throughout the entire building design process. Furthermore, most of the existing approaches only use BIM as storage of materials and components quantities information, without providing a way to implement all the relevant LCA data within the BIM. In this context, the thesis proposes a method for applying continuous LCA over the entire building design process by using the data from BIM with as much accuracy as possible in each design stage. The method uses different LCA databases with different levels of detail for the specific Level of Development (LOD) of the BIM elements. Since the building elements are not modelled with identical LODs in each design phase, the LCA is conducted by consistently mixing the databases, which is possible as long as the databases use identical background data. The method is tested on a multi-family house. The framework helps to provide information for decision-making throughout the whole design process, both in the early design phases and later phases with a more detailed BIM. Nevertheless, a full LCA requires further information, which is not only related to the materials and components quantities. To this end, the thesis provides a framework to map all the variables responsible for the environmental impacts, which can be employed as BIM parameters. A flow-chart is proposed in order to structure the design parameters responsible of the environmental impacts throughout the lifecycle stages of buildings. The proposed parameters, which are tested on a case study, are found to be sufficient for conducting the LCA. Hence, the identified parameters, when implemented in the BIM environment, could potentially improve the reliability and consistency of the sharing information process between the building information model and the LCA tool.

Il settore delle costruzioni, è ormai noto, contribuisce fortemente al problema ambientale. Le attività antropiche di tale comparto producono modificazioni sempre più significative e diversificate sull’ecosistema, molto spesso di tipo irreversibile. In uno scenario siffatto, gli ultimi anni sono stati investiti dallo sviluppo di numerosi strumenti in grado di valutare il livello di sostenibilità degli edifici. Tra tutti, il metodo Life Cycle Assessment (LCA) rappresenta un approccio olistico per la valutazione degli effetti ambientali degli edifici con riferimento al loro intero ciclo di vita. LCA, infatti, è orientata al prodotto ed è una metodologia idonea a valutare tutte le fasi del processo edilizio, quali la costruzione, la manutenzione, la fase d’uso e di demolizione di un edificio. Tuttavia, allo stato attuale, l’approccio LCA per gli edifici possiede alcune limitazioni connesse alla natura stessa del processo edilizio. Il Building Information Modelling (BIM), quale innovativo approccio alla progettazione, consente in alcuni casi di superare suddette limitazioni. Tale potenzialità è garantita dalla possibilità, tra le altre, di poter gestire un’ingente mole di dati in un unico common data environment. Diversi studi hanno sviluppato work-flows utili alla conduzione di analisi LCA basate sul BIM ed è dimostrato come l’integrazione BIM-LCA sia sinonimo di miglioramento della performance ambientale degli edifici. La tesi fornisce un metodo per effettuare analisi LCA in tutte le fasi del processo progettuale. Inoltre, la tesi identifica e codifica tutte le variabili ambientali proprie della metodologia LCA implementabili in ambiente BIM per diventarne parte integrante del corredo informativo. Recenti applicazioni LCA basate sul BIM si riferiscono a modelli complessi applicabili solo a stadi avanzati del processo progettuale, laddove la raggiunta inflessibilità si traduce nella impossibilità di utilizzare le previsioni fatte in supporto dei processi decisionali. Ulteriori studi propongono approcci semplificati che, seppur utili nelle fasi iniziali della progettazione, risultano essere di difficile applicazione in quelle finali. È evidente la difficoltà nel condurre analisi LCA basate sul BIM in maniera coerente in tutte le fasi progettuali di un organismo edilizio. Inoltre, la maggior parte degli approcci impiega il modello BIM solo come un database utile a estrarre dati di carattere geometrico e quantitativo, omettendo, difatti, informazioni rilevanti nella conduzione di una LCA. La tesi fornisce un metodo per l’applicazione della LCA nel corso dell’intero iter progettuale mediante l’impiego di dati BIM quanto più accurati in relazione alla fase progettuale di riferimento. Il metodo proposto prevede l’utilizzo di differenti database LCA che riflettono i diversi livelli di sviluppo (Levels of Development, LODs) degli elementi BIM. Poiché, nelle prassi progettuali, gli elementi del modello non sono realizzati tutti al medesimo LOD in una determinata fase, le valutazioni LCA sono effettuate adoperando differenti database in maniera coerente. Il metodo è testato su un edificio residenziale multipiano. Il framework proposto fornisce informazioni sulla performance ambientale degli edifici utili nel processo di decision-making durante l’intero iter progettuale. Tuttavia, una LCA completa richiede informazioni aggiuntive rispetto ai soli dati quantitativi e geometrici. Pertanto, la tesi codifica tutti i parametri concorrenti all’impatto ambientale che possono essere impiegati nel modello BIM come parametri progettuali. Essi, dapprima strutturati all’interno di un flow-chart, sono testati su un caso di studio atto a definirne la completezza con riferimento alle necessità informative di una LCA. I parametri così strutturati migliorano l’affidabilità e la coerenza del flusso informativo condiviso tra modello BIM e strumenti LCA.