Impact of Exoskeletons on Life Cycle Primary Energy Consumption and CO2e Emissions of Tall Buildings

Abstract

Hochhäuser beziehen sich im Allgemeinen auf Gebäude mit einer architektonischen Höhe von ≥ 50 m. Je höher die Gebäude sind, desto länger ist ihre durchschnittliche Lebensdauer. Zum Beispiel ist die Lebensdauer von Hochhäusern mit einer Höhe von mehr als 150 m möglicherweise unendlich, da nur sehr wenige von ihnen jemals abgerissen wurden. Das primäre Tragwerk in Hochhäusern wird früher errichtet und später abgerissen als andere Gebäudesysteme, wie Heizung, Lüftung und Klimatisierung (HLK) und elektrische Beleuchtung, die während der Betriebsphase regelmäßig erneuert werden müssen. Die primären Strukturelemente bleiben in der Regel unberührt und erfordern während der gesamten Lebensdauer von Hochhäusern nur minimalen Wartungsaufwand. Daher ist die Gestaltung des Hochhaus-Tragwerks eine entscheidende Entscheidung mit lang anhaltenden Konsequenzen.Das gesamte Gerüst der meisten Hochhäuser ist im Innenraum positioniert und wird als Endoskelett definiert. In einigen Hochhäusern sind jedoch Teile ihres Skeletts außerhalb der thermischen Hülle positioniert und bilden ein Exoskelett. Es wurde behauptet, dass Exoskelette, indem sie Schatten auf die thermische Hülle werfen, eine umweltfreundliche Lösung für Hochhäuser in wärmeren Klimazonen bieten, indem sie den Kühlbedarf reduzieren. Trotz ihrer Verwendung in renommierten Hochhäusern blieb die Umweltauswirkung von Exoskeletten im Vergleich zu Endoskeletten, insbesondere in Bezug auf den Energieverbrauch im Lebenszyklus und die CO2-Äquivalent-Emissionen, vor dieser Forschung unteruntersucht und mangelte an ausreichend wissenschaftlichen Beweisen. Trotz des potenziellen Vorteils von Exoskeletten, den Kühlbedarf durch Beschattung der Fassade zu reduzieren, können sie das elektrische Beleuchtungssystem beeinflussen, indem sie das Sonnenlicht blockieren oder reflektieren. Sie können auch thermische Brücken erzeugen, da sie mit inneren Tragelementen verbunden sind und den konditionierten Raum beeinflussen können. Die Wahl von Exoskeletten gegenüber Endoskeletten kann auch andere Teile des Tragwerkssystems verändern, da Bauteile miteinander interagieren und Änderungen an einem Teil die anderen Teile beeinflussen können. Darüber hinaus können zeitliche Veränderungen im Kontext, wie benachbarte Hochhäuser, die das Sonnenlicht beeinflussen, technologische Fortschritte in Gebäudesystemen und der Stromerzeugung sowie der Klimawandel, der den Bedarf an HLK-Systemen beeinflusst, die Umweltleistung von Hochhäusern während des Betriebs beeinflussen. Architektonische Ingenieure können während der frühen Entwurfsphasen von Hochhäusern keine Einfluss auf Kontextfaktoren nehmen. Es ist jedoch wichtig zu berücksichtigen, wie diese nicht steuerbaren Faktoren mit Design- und Materialparametern interagieren. Während steuerbare Faktoren Designentscheidungen beeinflussen, definieren nicht steuerbare Faktoren die Kontextbedingungen.Daher wurden neben der Hauptvariable (Exoskelette vs. Endoskelette) verschiedene Faktoren auf verschiedenen Ebenen zur Bewertung herangezogen. Diese Faktoren wurden kurzfristig (vor der Betriebsphase) und mittel- bis langfristig (bis zu 30 und 60 Jahren Betriebszeit) untersucht. Kurzfristig wurden drei zusätzliche Faktoren im Zusammenhang mit Baustoffen und thermischer Brückenkontrolle analysiert. Mittel- und langfristig wurden Szenarien zur Berücksichtigung von Veränderungen im Kontext im Laufe der Zeit untersucht. Die Level jedes Faktors repräsentierten potenzielle Szenarien. Durch Anwendung von Szenarioplanung und einem vollständigen faktoriellen Design von Experimenten (DoE) wurden in dieser Studie über 1400 Szenarien durch Computersimulation und Analyse bewertet. Die Computerexperimente umfassten zylindrische 40-stöckige Bürogebäude-Digitalprototypen in einem heißen Wüstenklima (Dubai, VAE) mit einem verstärkten Beton-Diagrid-Rahmen und einem Servicekern als primäres Tragwerksystem. Durch statistische Analysen mit verallgemeinerten linearen Modellen (GLMs) beantwortete der Forscher die erste Forschungsfrage: Welchen Einfluss haben Exoskelette (gegenüber Endoskeletten) auf den Primärenergieverbrauch und die CO2e-Emissionen im Lebenszyklus von Hochhäusern? Das heißt, wie effektiv und wünschenswert ist es im Vergleich zu und in Wechselwirkung mit einigen anderen steuerbaren und nicht steuerbaren Faktoren aus der Sicht von Architekturingenieuren zu Beginn des Entwurfs?Die Antwort auf die erste Forschungsfrage maß im Detail die Haupteffekte und die Wechselwirkungen der oben genannten Faktoren während der Lebenszyklusphasen. Da jedoch einige nicht steuerbare Faktoren sich als deutlich wirksamer erwiesen als die steuerbaren (einschließlich der Hauptvariable), gab es die folgende abschließende Forschungsfrage auf: Welche wäre die optimale Entscheidung oder die Entscheidungen über die steuerbaren Faktoren, die objektiv getroffen werden (basierend auf quantitativen Daten), von Architekturingenieuren unter Berücksichtigung solcher nicht steuerbarer Umstände?Der Forscher wandte drei objektive Entscheidungsanalysemethoden an: Maximax, Maximin und Minimax-Regret, die optimistischen, konservativen/robusten und vorsichtigen Perspektiven entsprechen, um die zweite Forschungsfrage zu beantworten. Abschließend, in Bezug auf die zweite Frage, stellte die Studie fest, dass Endoskelette in kurzer Zeit im Hinblick auf die Einsparung von Primärenergie und die Reduzierung des CO2-Fußabdrucks von Hochhäusern Exoskelette übertrafen. In mittel- und langfristigen Zeiträumen blieben Endoskelette die optimale Wahl für optimistische Kriterien, während Exoskelette sich als optimal erwiesen, wenn konservative/robuste oder vorsichtige Perspektiven in einem heißen Wüstenklima priorisiert wurden. Der signifikante originelle Beitrag dieser Forschung zum interdisziplinären Bereich des architektonischen Ingenieurwesens besteht darin, dass es sich um die erste umfassende wissenschaftliche Studie ihrer Art handelt, die sich der Aufklärung des Einflusses der Verwendung von Exoskeletten gegenüber Endoskeletten auf den Primärenergieverbrauch im Lebenszyklus und die CO2e-Emissionen von Hochhäusern widmet; durch die Anwendung einer replizierbaren quantitativen Methodik, ohne wichtige interagierende Faktoren zu vereinfachen (einschließlich mehrerer steuerbarer Faktoren, die Designentscheidungen beeinflussen, und nicht steuerbarer Faktoren, die mit städtischen, technologischen und klimatischen Kontexten verbunden sind, die sich im Laufe der Zeit verändern).

Tall buildings (synonymous with high-rise buildings) generally refer to buildings with an architectural height of ≥ 50 m. The taller the buildings are, the longer their average lifespan; e.g., the lifespan of tall buildings with a height of over 150 m is arguably infinite, as only very few of them have ever been demolished. The primary structural system in tall buildings is constructed earlier and demolished later than other building systems, e.g., Heating, Ventilation, and Air Conditioning (HVAC) and electric lighting, which require periodic renewal during the operational phase. Primary structural elements typically remain untouched, requiring minimal maintenance throughout the entire lifespan of tall buildings. Therefore, the design of the high-rise structural system is a pivotal decision with long-lasting consequences.The entire skeleton of most tall buildings is positioned within the interior space, defined as the endoskeleton. However, in some tall buildings, parts of their skeleton are placed outside the thermal envelope, forming an exoskeleton. It has been claimed that exoskeletons, by casting shadows on the thermal envelope, offer an environmentally friendly solution for tall buildings in warmer climates, by reducing the need for cooling. However, despite their use in renowned tall buildings, the environmental impact of exoskeletons compared to endoskeletons, particularly in terms of life cycle energy consumption and CO2e emissions, remained understudied and lacked sufficient scientific evidence prior to this research. Despite the potential advantage of exoskeletons reducing cooling needs by shading the facade, they may impact the electric lighting system by blocking or reflecting sunlight. They can also create thermal bridges, as they connect to interior structural elements, potentially affecting the conditioned space. Choosing exoskeletons over endoskeletons may alter other parts of the structural system, as structural components interact, and changes to one part may affect the rest. Moreover, contextual variations over time, like neighboring tall buildings affecting sunlight, technological advancements in building systems and energy generation, and climate change impacting HVAC needs, can influence tall buildings' environmental performance during operation. Architectural engineers cannot control contextual factors during the early design stages of tall buildings. However, it is essential to consider how these uncontrollable factors interact with design and material parameters. While controllable factors shape design choices, uncontrollable factors define the contextual conditions.Thus, in addition to the main variable of interest (exoskeletons vs endoskeleton), various factors at different levels were considered for assessment. These factors were studied in the short-term (pre-operational phase) and over the medium- and long-term (up to 30 and 60 years of operation, respectively). In the short term, three additional factors related to structural materials and thermal bridge control were analyzed. Over the medium- and long-term, scenarios addressing contextual changes over time were explored. Each factor's levels represented potential scenarios. Applying scenario planning and a full factorial Design of Experiments (DoE), this study assessed over 1400 scenarios through computer simulation and analysis. The computer experiments involved cylindrical 40-story office building digital prototypes situated in a hot desert climate (Dubai, UAE), featuring a reinforced concrete diagrid frame and a service core as the primary structural system. Through statistical analysis with generalized linear models (GLMs), the researcher addressed the first research question:What is the impact of exoskeletons (vs endoskeletons) on the life cycle primary energy consumption and CO2e emissions of tall buildings? I.e., how effective and desirable is it compared to and in interaction with some other controllable and uncontrollable factors from the perspective of architectural engineers in the early stage of design?The answer to the first research question measured in detail the main effects and the interactions of the aforementioned factors during the life cycle phases. However, as certain uncontrollable factors proved remarkably more effective than the controllable ones (including the main variable of interest), it gave rise to the following concluding research question: What would be the optimal decision or decisions about the controllable factors, made objectively (based on quantitative data), by architectural engineers considering such uncontrollable circumstances?The researcher applied three objective decision analysis methods: maximax, maximin, and minimax regret, which correspond to optimistic, conservative/robust, and cautious perspectives, respectively, to address the second research question. In conclusion, respecting the second question, the study found that in the short term, endoskeletons outperformed exoskeletons in conserving primary energy and reducing carbon footprints for tall buildings. In medium- and long-term periods, endoskeletons remained the optimal choice for optimistic criteria, while exoskeletons proved optimal when prioritizing conservative/robust or cautious perspectives in the hot desert climate. The significant original contribution of this research to the interdisciplinary field of architectural engineering is that it represents the first comprehensive scientific study of its own kind, dedicated to illuminating the impact of utilizing exoskeletons vs endoskeletons on the life-cycle primary energy consumption and CO2e emissions of tall buildings; by employing a replicable quantitative methodology, without oversimplifying critical interacting factors (including multiple controllable factors influencing design choices and uncontrollable factors associated with urban, technological, and climatic contexts that evolve over time).