Algorithmen für eine erleichterte Wiederverwendung von Bauteilen

Jan Brütting (EPFL, SXL) lädt Sie zu seiner öffentlichen Verteidigung seiner Dissertation mit dem Titel "Optimierter Entwurf von Tragwerken mit geringer Umweltbelastung durch die Wiederverwendung von Bauteilen" ein. Er stellt eine an der EPFL entwickelte Software vor, die es erlaubt, neue Gebäudestrukturen zu entwerfen, bei welchen neue mit wiederverwendbaren Komponenten kombiniert und damit die Auswirkungen auf die Umwelt verringert werden können. Die Verteidigung findet am Freitag, 30. Oktober 2020, ab 17:30 Uhr online per Zoom statt. Bitte wenden Sie sich an den Redner um den Zoom-Link zu erhalten.

Die Bauindustrie gehört zu den umweltschädlichsten Sektoren der Welt. Allein auf sie entfallen etwa 40% der CO2-Emissionen der Industrieländer, bis zu 50% des Ressourcenverbrauchs und rund ein Drittel des Abfallvolumens. Die Akteure sind daher gezwungen, radikale Massnahmen zu ergreifen, um ihren ökologischen Fussabdruck zu verringern und die internationalen Verträge und die Ziele für nachhaltige Entwicklung der Vereinten Nationen einzuhalten. «Wir müssen diese Auswirkungen so schnell wie möglich reduzieren», erklärt Jan Brütting, der gerade seine Doktorarbeit am Structural Xploration Lab (SXL) der EPFL unter der Leitung von Corentin Fivet des Smart Living Lab in Freiburg abgeschlossen hat. «Eine der Lösungen, um dies zu erreichen, ist die systematische Anwendung der Prinzipien der Kreislaufwirtschaft in diesem Sektor.»

Anstatt bei der Konzeption eines Gebäudes neue Komponenten zu verwenden oder vorhandene Materialien mittels Schmelzens von Metallteilen zu recyceln, um ihnen eine neue Form zu geben, lädt der Forscher Unternehmen, Bauingenieure und Architekten ein, für ihre Entwürfe gebrauchte Komponenten vorzusehen, die nicht umgewandelt werden müssen. Dies umso mehr, als sich ihre Zuverlässigkeit und technischen Eigenschaften bewährt haben. «Der neue Ansatz verlangt von uns, alles bisher Gelernte zu revidieren», warnt er. Im Baubereich fehlen zudem noch einige Werkzeuge, um dieses Ziel zu erreichen. Während vier Jahren arbeitete Jan Brütting an einem Softwareprogramm, das den Entwurf von Strukturen ermöglicht und gleichzeitig ihren Lebenszyklus analysiert. Die Software erleichtert die Wiederverwendung von Stahlträgern, Stützen und Stäben, aber auch andere Materialien wie Holz und Beton könnten einbezogen werden.

Vielfältige Funktionen
Das Prinzip: Der Ingenieur oder Architekt gibt in die Software die allgemeinen Randbedingungen der zu bauenden oder zu ändernden Struktur sowie eine Beschreibung des Bestands an gebrauchten Komponenten, die wiederverwendet werden können, ein. Die Software führt dann eine erste Optimierung der Form und Topologie der Struktur durch, mit dem Ziel möglichst wenig Material zu verbrauchen. Zweitens, und dies ist eine der Neuheiten der Software, stellt sie dem Planer alternative Strukturformen vor, die verschiedenen Nachhaltigkeitszielen gerecht werden. Die Software verändert beispielsweise nicht nur die Geometrie der Struktur, sondern wählt und positioniert auch die Komponenten aus dem verfügbaren Bestand, um den CO2-Fussabdruck der Struktur zu verringern und die Anzahl der erforderlichen Zuschnitte oder der verwendeten Komponenten zu minimieren.

Mit der Software kann zudem die optimale Kombination aus neuen und wiederverwendeten Komponenten ermittelt werden, um den CO2-Fussabdruck von Neubauten zu minimieren. Der Planer kann so die für sein Projekt am besten geeignete Lösung auswählen und gegebenenfalls anpassen. Der Forscher testete seine Software an realen Fällen, basierend auf einem Inventar von Materialien, die aus in der Schweiz abgerissenen Gebäuden und Infrastrukturen stammten.

Schliesslich lieferte seine Arbeit Richtwerte, mit welchen bestätigt werden konnte, dass durch die Wiederverwendung von Bauteilen in Neubauten die Treibhausgasemissionen um bis zu 60% reduziert werden können, und dies trotz Zunahme der Baumasse um bis zu 40%.

Erstellung einer Datenbank
Laut dem Forscher würde die Schaffung einer schweizerischen oder europäischen Datenbank für Bauteile, die sich für die Wiederverwendung eignen, die tatsächliche Umsetzung der Kreislaufwirtschaft ermöglichen. Im Idealfall hätte seine Software Zugriff darauf und würde dem Planer eine Vielzahl von Elementen zur Auswahl anbieten. Dadurch liessen sich die Einschränkungen bei der Konzeption neuer Strukturen verringern. «Solche Datenbanken befinden sich in der Entwicklung», ergänzt der Forscher. Jan Brütting hat keinen Zweifel daran, dass die Wiederverwendung trotz der vielen Hindernisse, die heute noch bestehen, eine glänzende Zukunft vor sich hat. «Seit dem Beginn meiner Dissertation im Jahr 2016 habe ich gesehen, dass die Zahl der wissenschaftlichen Veröffentlichungen zur Kreislaufwirtschaft in der Bauindustrie zugenommen hat und die europäische Politik immer mehr Forschungsprojekte dazu unterstützt. Das Bundesamt für Umwelt veröffentlichte sogar kürzlich einen Bericht zur Wiederverwendung.»

Die beachtlichen Beiträge von Jan Brütting wurden auch von Fachleuten und Forschern aus diesem Sektor sehr positiv aufgenommen. Letztes Jahr wurde er mit einem Hangai Preis ausgezeichnet, der von der «International Association for Shell and Spatial Structures» verliehen wird.

Modulare Baukonstruktionen
Der Forscher, der vom Bauingenieurwesen ebenso begeistert ist wie von der Architektur, programmierte die Software auch, um temporäre, ereignisspezifische Strukturen zu entwerfen, die auf Stäben und kugelförmigen Verbindungselementen basieren. Ein Konzept, das an das MERO-System oder das Möbelsystem UMS erinnert. Doch es gibt einen Unterschied: «Unsere Lösung bietet deutlich mehr Gestaltungsspielraum als die heutigen modularen Bausysteme», sagt Jan Brütting. «Für Unternehmen, die sich auf die Wiederverwendung von Materialien spezialisiert haben, könnte dies von Interesse sein.»

Literaturhinweise und Links
Jan Brütting, Optimum design of low environmental impact structures through component reuse, Doktorarbeit, unter der Leitung von Corentin Fivet und Gennaro Senatore, EPFL, 2020.

Keywords: Reuse, structural optimization, environmental impact, Life Cycle Assessment, circular economy, kit of parts, topology optimization, geometry optimization, cutting-stock problem, Mixed-Integer Linear Programming