Ökologische und ökonomische Bauteiloptimierung im Entwurfsstadium

Abstract

Das Ziel dieser Arbeit ist es aufzuzeigen, welche Methoden es zu Bewertung der Ökologie und Ökonomie von Bauteilen gibt, wie ökologische Bauteiloptimierung unter Berücksichtigung der Ökonomie im Entwurfsprozess umgesetzt werden kann und welche Auswirkungen diese Optimierung auf ein Gebäude hat. Um aufzuzeigen welche Potenziale generiert werden können, wird im Rahmen dieser Arbeit eine Optimierung an einem bestehenden Wohnbau in Wien vorgenommen. Dabei handelt es sich um ein Gebäude der Gebäudeklasse 5 mit mehr als sechs Geschoßen, welches in mineralischer Bauweise errichtet wurde. In einer umfassenden Analysephase, werden die Stärken und Potenziale aber auch die Schwächen des Bestandsgebäudes ausgelotet und bewertet. Auf dieser Analyse aufbauend wird eine optimierte Neubauvariante entworfen, welche klar definierten nachhaltigen Planungsstrategien folgt. Dabei werden das Tragwerk, die Außenwände, sowie die Geschossdecken nach diesen Strategien neu entworfen,iterativ optimiert und mit der konventionellen mineralische Bauweise verglichen. Die Entscheidung, welche Bauweise am geeignetsten ist, wird mit Hilfe von SWOT Analysen (Strenghts, Weaknesses, Opportunities and Threats) beantwortet. Der Entwurfsprozess, wird dabei zusätzlich durch die Methoden life cycle assessment (LCA) und life cycle costing (LCC) unterstützt. Das Ergebnis der Optimierung ist, dass unter Berücksichtigung der anfangs definierten Planungsstrategien, eine Mischbauweise in Stahlbeton und Holz die beste Lösung für den Neubau ist. Dabei wird das Tragwerk in Stahlbeton weiterentwickelt, die Außenwände in Tafelbau und die Geschossdecken in BreEsperrholzbauweise. Die in den Entwurfsprozess integrierten Methoden der LCA und LCC werden genutzt um die Optmierungspotenziale der Bauteile bezüglich der Konstruktion und ihrer verwendeten Materialien zu bewerten und Varianten zu entwickeln. Die so erstellten Varianten, werden mit dem Bestand verglichen um zu zeigen an welchen Stellen eine Verbesserung auftritt. Dabei wird bewiesen, dass es für bestimmte Bauteilschichten der definierten Bauteile durchaus ernstzunehmende Materialalternativen gibt, welche in der vorhandenen Gebäudeklasse eingesetzt werden können. Nachdem mit Hilfe der entwickelten Methode die Bauteile optimiert wurden, werden im Anschluss die Auswirkungen für die Nachhaltigkeit des Gebäudes bemessen und bewertet. Dazu werden zwei Räume als Referenz für das gesamte Gebäude modelliert. Der Fokus der Berechnungen liegt unter anderem auf Herstellungskosten, vermietbarer Fläche, HWB und sommerlichen Wärmeschutz. Es wird auch gezeigt in wie weit eine Verbesserung der Werte im Vergleich zum Bestand geschafft wurde. Dabei gibt es vor allem auf den Gebieten des sommerlichen Wärmeschutzes und des Heizwärmebedarfs interessante Erkenntnisse. So spielen unter anderem der Sonnenschutz, effektive Speichermasse und die Fensterproportionen eines Raumes eine wichtigere Rolle für den sommerlichen Wärmeschutz als die reine Speichermasse.

The aim of this master thesis is to illustrate methods to evaluate the ecology and economy of constructional elements, how ecological optimization of constructional elements can be establishted in the design process also considering the consequences for the economy and the whole building itself. The potential of such an optimization is shown in this thesis on the basis of an existing building. The case study building is a residential building in Vienna. It is categorized as building class 5 with more than six levels and the construction method is mineral. An extensive analysis phase gives answers to the strengths and potentials, but also to the weaknesses of the existing building. Build on this analysis phase an optimized new building will be designed, which follows some clearly defined sustainable planning strategies. In the course of this optimization a new design for the construction, the outer walls and the ceiling will be developed, iteratively optimized and compared. The best fit for each element is evaluated by conducting SWOT analysis (Strenghts, Weaknesses, Opportunities and Threats). The design process will be supported by the methods of life cycle assessment LCA and life cycle costing LCC. Considering the defined planning strategies, the result of the optimization is a mixed construction method with ferroconcrete and wood. The supporting framework is further developed in ferroconcrete, the outer walls in panel construction method and the ceiling in board plywood construction method. The methods of LCA and LCC are integrated in the design process in order to evaluate the optimization potential of the constructional elements and the used materials to develope different alternatives for the specific case study. The designed alternatives are compared to the existing constructions in order to show where improvements were achieved. In the course of this research it was proved that serious alternatives for materials exist, which can be used in this specific building class. After the optimization of the constructional elements by using the described method, the impact on the systainability of the whole building is evaluated. In the course of this analysis two rooms are modelled representing the building. The focus of the evaluation lies on the production costs, the rentable space, the heating energy demand and the summer heat protection. An improvement of this parameters compared to the existing building was achieved. Insights concerning the range of summer heat protection and heating requirement could be gained. The sun protection, effective thermal storage mass and the proportion of windows have a higher impact on heat protection than thermal storage mass.