YMPÄRISTÖNÄKÖKULMA RAKENTAMISEN TIETOMALLINTA- MISESSA

Transkriptio

1 MATIAS HUMALAMÄKI YMPÄRISTÖNÄKÖKULMA RAKENTAMISEN TIETOMALLINTA- MISESSA Kandidaatintyö Tarkastaja: Tekn.lis. Olli Teriö

2 ii

3 iii TIIVISTELMÄ TAMPEREEN TEKNILLINEN YLIOPISTO Rakennustekniikan koulutusohjelma Humalamäki, Matias: Ympäristönäkökulma rakentamisen tietomallintamisessa Kandidaatintyö, 58 sivua Helmikuu 2013 Pääaine: Rakennustuotanto Tarkastaja: Tekniikan lisensiaatti Olli Teriö Avainsanat: BIM, tietomallintaminen, ekotehokkuus, kestävä kehitys, ympäristönäkökulma Tietomallipohjaisen toteutuksen osuus rakennustuotannosta lisääntyy jatkuvasti samalla kun ympäristönäkökulmien huomioiminen yhteiskunnassa tulee entistä tärkeämmäksi. Mallinnuspohjaisella suunnittelulla voidaan tehokkaasti ottaa huomioon ympäristönäkökohtien toteutuminen, mikä tarkoittaa ennen kaikkea ekotehokkuutta rakennuksen energiankäytön, rakennusmateriaalien hiilidioksidipäästöjen sekä jätekysymysten suunnittelussa. Näiden tekijöiden huomioimisessa suunnittelussa ja päätöksenteossa keskeisinä apuvälineinä ovat erilaiset simulaatio- ja analyysiohjelmat, jotka hyödyntävät suoraan tietomallia tai erillistä tietokantatietoa. Tässä työssä tarkoituksena on kartoittaa ympäristönäkökulmat huomioivan tietomallintamisen keskeisimmät piirteet. Lisäksi selvitetään, miten ja mihin rakennusalan toimijat käyttävät tietomalleja. Tämän lisäksi hahmotellaan rakennusyritysten keskeisimmät ympäristötavoitteet sekä tietomallinnuksen sovelluksia, jotka tähtäävät ympäristönäkökulmien huomioimiseen. Lopuksi esitellään ympäristötietoisen mallintamisen työkalut ja arvioidaan näiden käyttökelpoisuus ja merkittävyys. Tutkimuksen teoriaosuudessa esitellään rakennusalan tärkeimmät ympäristösertifikaattijärjestelmät sekä painotetaan kunkin järjestelmän erityispiirteitä ekotehokkuuden mittaamisessa. Teoriaosuudessa käsitellään myös ympäristötietietoisen mallintamisen keskeisimmät sovellukset energiankäytön, materiaalimäärien hallinnan ja rakennusjätteen, rakennuksen massoittelun ja suuntauksen, hiilijalanjäljen sekä rakennusosien valinnan näkökulmasta. Näiden lisäksi punnitaan ekotehokkaan tietomallintamisen erityispiirteitä korjausrakentamisessa uudisrakentamiseen nähden. Rakennusalan ammattilaisten haastattelut muodostavat tutkimuksen kvantitatiivisen osuuden, joihin on valittu haastateltavia suunnittelun, tuotannon, ohjelmistotalojen sekä tutkijoiden taholta. Ympäristötietoisessa mallintamisessa kehitettävää on ennen kaikkea analyyseissä ja simulaatioissa käytettyjen lähtötietojen relevanttiuden varmistamisessa, materiaalitehokkuuden parametreissa sekä eri suunnittelualojen yhteistyön lisäämisessä ja tietomallien yhteensovittamisessa. Toisaalta ongelmana on usein rakennuksen ylläpitomallin ajan tasalla pysyminen ylläpitävän tahon puuttuessa. Ympäristötietoisen mallintamista

4 edistävänä voimana on ennen kaikkea tilaajien, käyttäjien sekä lainsäädännön asettamat vaatimukset, mutta viimekädessä kehityksen suunnan ja nopeuden ratkaisevat taloudelliset seikat. iv

5 v ALKUSANAT Tässä kandidaatintyössä tutkitaan ympäristötietoisen tietomallintamisen piirteitä tietosisällön sekä tulevaisuuden tarpeiden kannalta. Kandidaatintyö on tehty Tampereen teknilliselle yliopistolle rakennustekniikan tiedekuntaan, rakennustuotannon ja -talouden yksikköön. Haluan erityisesti osoittaa kiitokseni Olli Teriölle hyvästä kandidaatintyön ohjaamisesta. Haluan myös kiittää Peab Oy:tä mielenkiintoisen aiheen ja näkökulman tarjoamisesta. Lisäksi haluan kiittää haastateltavia asiantuntevista ja syvällisistä vastauksista.

6 vi SISÄLLYS SISÄLLYS... vi Termit ja niiden määritelmät...viii 1 Johdanto Tutkimuksen tausta Tutkimuksen tavoitteet Tutkimuksen rajaukset Ympäristönäkökulma rakentamisen tietomallintamisessa Miten ekotehokkuutta mitataan? Ekotehokkaan tietomallintamisen sovelluksia Energia-analyysit ja energiamallit Materiaalimäärien hallinta ja rakennusjäte Rakennuksen geometria ja suuntaus Työmaa-analyysit maarakentamisessa Rakennusosien valitseminen Hiilijalanjälki Korjausrakentamisen sovellukset Tutkimusmenetelmä ja tutkimuksen suoritus Asiantuntijahaastattelut Rakennuja- ja asiakasyritysten ympäristöpolitiikka Tietomallinnuksen tutkija Yliopiston asiantuntija Yliopiston asiantuntija Rakennuttajayritys Rakennuttajayritys Rakennesuunnitteluyritys Talotekniikan suunnitteluyritys Ohjelmistotalo Ohjelmistotalo Tietomallinnuksen käyttö rakennuttaja- ja asiakasyrityksessä sekä maailmalla Tietomallinnuksen tutkija Yliopiston asiantuntija Yliopiston asiantuntija Rakennuttajayritys Rakennuttajayritys Rakennesuunnitteluyritys Talotekniikan suunnitteluyritys Ohjelmistotalo Ohjelmistotalo Ympäristönäkökulma ja tietomallinnus... 30

7 4.3.1 Tietomallinnuksen tutkija Yliopiston asiantuntija Yliopiston asiantuntija Rakennuttajayritys Rakennuttajayritys Rakennesuunnitteluyritys Talotekniikan suunnitteluyritys Ohjelmistotalo Ohjelmistotalo Ekologisen tietomallinnuksen sovellukset ja käyttökohteet Tietomallinnuksen tutkija Yliopiston asiantuntija Rakennuttajayritys Rakennuttajayritys Rakennesuunnitteluyritys Talotekniikan suunnitteluyritys Ohjelmistotalo Ohjelmistotalo Tietomallinnuksen ja ympäristöasioiden yhteensovittamisen erityispiirteet korjausrakentamisessa Tietomallinnuksen tutkija Yliopiston asiantuntija Rakennuttajayritys Rakennuttajayritys Rakennesuunnitteluyritys Ohjelmistotalo Ohjelmistotalo Tulokset Yritysten ympäristöpolitiikka Tietomallinnuksen käyttö yrityksissä Ympäristönäkökulma ja tietomallinnus Ekologisen tietomallintamisen sovellusten pääpiirteet Ympäristötietoisen mallintamisen erityispiirteet korjausrakentamisessa Johtopäätökset Lähteet Liitteet vii

8 viii TERMIT JA NIIDEN MÄÄRITELMÄT BIM Rakennuksen mallintaminen tietomallipohjaisesti, englanniksi Building Information Modeling Ympäristösertifikaatti Toteutuneiden ympäristönäkökohtien osoittamistyökalu, jonka saamalla rakennusyritys voi saavuttaa erilaisia maineellisia tai taloudellia hyötyjä LEED GRI Ekotehokkuus Energia-analyysi Jätehierarkia Hiilijalanjälki Yksi maailmanlaajuisesti eniten käytetyistä rakennuksen ympäristösertifiointi- ja pisteytysjärjestelmistä Voittoa tavoittelemattoman Global Reporting Initiativeverkoston luoma yhteiskuntavastuun raportointiohjeisto Ympäristönäkökulmien toteutumisaste suhteessa käytettyihin resursseihin Rakennuksen energiavirtojen, kuten lämpöhukan ja lämpölähteiden, määrien ja sijaintien arvioimista ja johtopäätösten tekemistä näiden tietojen perusteella Jätteen ekologisen jaottelun työkalu, jolla uusiokäyttöaste jätteen ominaisuuksista riippuen pyritään saamaan mahdollisimman suureksi Materiaalin tai rakenneosan tuottamisessa ja korjauksessa vapautuvan ja siihen myöhemmin mahdollisesti sitoutuvan hiilidioksidin summa

9 1 1 JOHDANTO 1.1 Tutkimuksen tausta Tietomallintamisen (englanniksi BIM, building information modeling) käytöllä on nykyajan rakentamisessa keskeinen rooli. Sitä käytetään kokonaisvaltaisesti kaikissa rakennushankeen vaiheissa suunnittelusta käyttöönottoon saakka. Tietomallintamisella pyritään suunnitteluvaiheessa kokoamaan kaikki rakenteiden ja järjestelmien tieto yhteen malliin havainnollisuuden ja ristiriidattomuuden aikaansaamiseksi. Rakennushankkeen tuotantovaiheessa tietomallintamista voidaan hyödyntää muun muassa aikataulun ja logistiikan parantamisessa. Kandityön aiheen lähtökohtana on tutkimus, joka on osa yhtä neljästä osaprojektista työn teettävän Peab Oy:n ProEko -hankkeessa. Sen taustalla on rakennusyhtiö Peab:n halu kehittää tietomallintamista suuntaan, jossa malli sisältää oleellisen datan riittävällä tavalla ekotehokkuuden kannalta. Osaprojektin tulee valmistuessaan sisältää ympäristötietoisen BIM suunnittelun ja rakentamisen päänäkökulmat sekä komponentit sisältöineen. Kandityö on tyypiltään julkinen. 1.2 Tutkimuksen tavoitteet Työ koostuu kolmesta osasta: Kirjallisuusselvitysosiossa eritellään tietomallintamisen sovelluksia, jotka edistävät ympäristötietoista rakentamista. Lisäksi osiossa esitellään ekologisuuteen tähtääviä toimenpiteitä ja tuotteita. Haastattelututkimusosiossa käydään läpi alan uusimpia sovelluksia ja sovellusten ympäristöteknisiä piirteitä asiantuntijoiden johdolla ja kerrotaan tulevaisuuden kehitysmahdollisuuksia ympäristötietoiseen tietomallintamiseen liittyen. "Pohdinta" - osuudessa arvioidaan tulosten luetettavuutta ja tehdään tarvittavat johtopäätökset kvalitatiivisten menetelmien pohjalta. Tämän perusteella syntyy raportti, jossa priorisoidaan saadut löydökset niiden merkittävyyden ja käytettävyyden perusteella. Tutkimuksen päätavoite on kartoittaa keskeiset piirteet sellaisesta tietomallintamista, joka huomioi jatkuvasti rakentamisessakin merkittävyyttään kasvavan ympäristönäkökulman. Jotta kyseiset piirteet voitaisiin selvittää, tulee aluksi selvittää ja kuvailla tietomallien nykyiset käyttötavat sekä keskeiset ominaisuudet. Lisäksi selvitetään rakennusalan keskeisimpien toimijoiden tärkeimmät ympäristötavoitteet ja vihreän rakentamisen päänäkökohdat. Tämän jälkeen voidaan hahmotella ekotehokkaan tietomallintamisen keskeisimmät piirteet ja työkalut sekä vertailla niitä keskenään käyttökelpoisuuden ja merkittävyyden kriteereiden pohjalta.

10 2 Kuva 1.1 Tutkimuksen päätavoite sekä keinot sen saavuttamiseksi 1.3 Tutkimuksen rajaukset Tutkimus kohdennetaan ekotehokkaan mallintamisen tiedolliseen sisältöön ohjelmistopuolta sivuten. Pääpainona on suomalaisiin ilmasto-olosuhteisiin sopivat mallinnuksen sovellusten piirteet, jolloin tutkimuksen pohdinta-osuudessa arvotetaan löydetyt työkalut suomalaisiin tarpeisiin peilaten. Samalla perusteella kirjallisuuskatsaus-osiossa esitellään lähinnä Suomessa käytettyjä ympäristösertifikaattijärjestelmiä ja samalla keskitytään näistä tärkeimpiin ja laajimmin käytettyihin järjestelmiin. Kirjallisuuskatsauksessa ja haastatteluissa havainnollistetaan ekotehokkaan mallinnuksen sovellusten piirteitä sekä näihin liittyvä tietosisältö. Lisäksi esitetään oleellisimmat esitiedot, joita tarvitaan ympäristötietoisessa tietomallinnuksessa. Etenkin haastatteluosiossa tuodaan esille aihealueen uusimmat sovellusalueet ja tulevaisuuden visiot alan asiantuntijoiden johdolla. Kirjallisuuskatsauksen alussa esitellään merkittävimmät maailmalla ja erityisesti Suomessa käytetyt ympäristösertifikaatit sekä arvioidaan järjestelmien käyttökohteet, heikkoudet ja vahvuudet. Tietomallinnuksen sovellusten esittelyssä huomioidaan rakennusalan tärkeimpien ympäristösertifikaattien vaatimukset, jolloin pääpainona on pisteytykseltään merkittävien ympäristöominaisuuksien ja niihin liittyvien sovellusten havainnollistaminen. Erityisenä painopisteenä ympäristöominaisuuksista on rakennusmateriaalien, energiankäytön ja rakennusjätteen huomioiminen.

11 3 3 2 YMPÄRISTÖNÄKÖKULMA RAKENTAMISEN TIETOMALLINTAMISESSA Ympäristöasioiden huomioiminen rakentamisessa on kasvattanut merkitystään viimeisten vuosikymmenien aikana. Tietomallinnuksen sovelluksilla voidaan vaikuttaa merkittävästi hyvien ympäristökäytäntöjen toteutumiseen rakennuksen suunnittelun, tuotannon ja ylläpidon aikana. Jotta mallinnus voitaisiin toteuttaa ympäristöä ajatellen, pitäisi sen työkalujen sisältää keskeiset ympäristöparametrit. Rakentamisen merkittävimpiä ympäristövaikutuksia ovat muun muassa energian- ja materiaalinkulutus, jätteen syntyminen ja rakentamisen hiilidioksidipäästöt. Rakennusalan suurien tekijöiden vallitsevana tavoitteena on saavuttaa hyvän organisaation maine ja taloudellinen hyöty osoittamalla omasta rakentamisesta aiheutuvat ympäristöhaitat pieniksi. Tämä onnistuu helpoiten rakennusprojektien vertailun mahdollistavalla ympäristösertifikaatilla. Sertifikaatin vaatimien ympäristönäkökohtien täyttyminen onkin usein yksinkertaisinta osoittaa kattavan tietomallin avulla. 2.1 Miten ekotehokkuutta mitataan? Ympäristönäkökulmien toteutumista rakentamisessa voidaan arvioida usealla eri menetelmällä, jossa rakennusprojektin ja valmiin rakennuksen ominaisuuksia pisteytetään onnistuneen ympäristöpolitiikan mukaan. Markkinoilla käytetään yli 30 pisteytysjärjestelmää, joista taloudellisesti merkittäviä ovat muun muassa (Krygiel 2008) LEED (Leadership in Energy and Environmental Design) Building Reasearch Establishment's Environmental Assessment Method (BREEAM) Comprehensive Assessment System for Building Environmental Efficiency (CASBEE) SBTool Green Globes U.S. kestävän kehityksen GRI-mittarit. Suomessa merkittäviä ympäristösertifiointijärjestelmiä ovat edellä mainitut LEED ja BREEAM sekä suomalainen Promise. Kestävän kehityksen mittaamiseen, joka huomioi ympäristöasioiden lisäksi yhteiskunnallisen kehityksen, Suomessa käytetään myös GRImittaria.

12 2. Ympäristönäkökulma rakentamisen tietomallintamisessa 4 LEED LEED on sekä Suomessa että maailmanlaajuisesti yksi käytetyimmistä ympäristöluokittelujärjestelmistä. Järjestelmässä rakennus pisteytetään maksimissaan 69 pisteellä viidessä kategoriassa ympäristönäkökulmien toteutumisen mukaan. Pääkategorioiden lisäksi luokituksessa annetaan pisteitä strategisen tason innovaatioiden mukaan. Kategoriat maksimipisteineen ovat kestävä työmaa (14 pistettä) vedenkäytön tehokkuus (5 pistettä) energia ja ilmakehä (17 pistettä) materiaalit ja resurssit (13 pistettä) sisäolojen ympäristöllinen laatu (14 pistettä) innovaatiot ja suunnittelu (5 pistettä). (Krygiel 2008.) Rakennus luokitellaan eri sertifikaattikategorioihin saadun yhteispistemäärän perusteella. Kategoriat pisterajoineen ovat LEED Certified pistettä LEED Silver pistettä LEED Gold pistettä LEED Platinum 52+ pistettä. (Krygiel 2008.) Jotta rakennus voisi saada LEED-sertifikaatin, tulee rakennuksen täyttää seitsemän esiehtoa ympäristöpisteiden keräämisen lisäksi. Näitä ovat saastuttamisen estäminen rakennusvaiheessa, toimiva kierrätysohjelma, rakennuksen savuttomuus, CFC-yhdisteiden välttäminen jäähdytysjärjestelmissä, rakennuksen käyttöönoton vaiheiden perusvaatimukset, sisäilman laadun ylläpidon tehokkuus ja energiatehokkuuden perusvaatimukset. (Krygiel 2008.) Promise Promise on 2000-luvun alussa kehitetty ympäristötyökalu, jossa ympäristöominaisuudet jaetaan neljään pääluokkaan: ekologiset vaikutukset, käyttäjien terveys, luonnonvarojen käyttö ja ympäristöriskit. Pääluokat on jaettu eri kategorioihin ja nämä puolestaan 1-4 indikaattoriin. Jaettavat tekijät on painotettu niiden ympäristönäkökohtaisen merkittävyyden ja rakennuksen kiinteistötyypin mukaan. Luokituksen kokonaisarvosana muodostuu näin ollen pääluokkien arvosanojen ja painotusten perusteella. Saadun pistemäärän perusteella rakennus luokitellaan ympäristöominaisuuksiltaan luokkaan A, B, C, D tai E, joista A on paras. (Römö 2011), (Ympäristöministeriö 2006.)

13 2. Ympäristönäkökulma rakentamisen tietomallintamisessa 5 Kuva 2.1 Esimerkki promise-ympäristöluokituksen painotusjärjestelmästä (Ympäristöministeriö 2006) BREEAM BREEAM on vuodesta 1990 käytössä ollut ympäristösertifikaatti. Se arvio rakennuksen toimintaa seuraavalla osa-aluejaolla: hallinta terveys ja hyvinvointi energia kuljetus vesi materiaalit ja jäte maankäyttö ja ekologisuus saasteet Järjestelmän perusajatus on, että virallisesti koulutetut henkilöt arvioivat projektia ja antavat kokonaisarvosanan edellä mainittujen osa-alueiden ympäristöystävällisen toteutuksen perusteella. Tämän pohjalta rakennus luokitellaan läpäisseeksi, hyväksi, erittäin hyväksi tai erinomaiseksi (englanniksi Pass, Good, Very Good ja Excellent). (Krygiel 2008.) GRI-mittari ja kestävä kehitys

14 2. Ympäristönäkökulma rakentamisen tietomallintamisessa 6 Organisaation yhteiskuntavastuutavoitteiden toteutumista voidaan mitata GRI(Global Reporting Initiative)- raportointiohjeiston avulla. Ohjeiston käytön tarkoituksena on yhdenmukainen ja globaali kieli, käsitteistö ja mittausjärjestelmä, joita käytettäessä kestävän kehityksen toteutumisen vertaileminen eri organisaatioiden välillä helpottuu. Ympäristövastuullisuutta mitataan järjestelmässä 30 EN-indikaattorin avulla, jotka jaotellaan niiden näkökulmien mukaan: Materiaalit (EN1 ja EN2) Energia ( EN3 - EN7) Vesi (EN8 - EN10) Biodiversiteetti (EN11 - EN15) Päästöt ilmaan, jätevedet ja jätteet (EN16 - EN25) Tuotteet ja palvelut (EN26 ja EN27) Määräystenmukaisuus (EN28) Kuljetukset (EN29) Yhteenveto(EN30). (RG - yhteiskuntavastuun raportointiohjeisto 2011.) GRI-raportointi edellyttää kaikkien organisaation projektien yhtenevää arviointikäytäntöä, jotta saavutettaisiin järjestelmän mukanaan tuoma lisähyöty. Käytännössä tämä tarkoittaa vaatimusta jokaisen kohteen mallintamisesta, jos pyrkimyksenä on ENindikaattoreiden hallinta tietomallinnuksen avulla. GRI-mittareiden ja tietomallintamisen yhteiskäytön toimivuutta voidaan kuitenkin arvioida esimerkiksi pilottihankkeiden avulla organisaation myöhempiä käytäntöjen muutoksia silmällä pitäen. Muita ympäristösertifikaattijärjestelmiä CASBEE on Japanissa käytetty järjestelmä, jossa arviointityökaluina ovat rakentamisen laatu, ympäristönäkökulmallinen suoriutuminen (Q) sekä rakentamisen ympäristöä kuormittava vaikutus (L). Työkalut muodostavat yhteensä 100 alakäsitteen sarjan, jotka pisteytetään asteikolla yhdestä viiteen. Saaduista pisteistä lasketaan jakokaavaa käyttäen suhdeluku, jonka perusteella rakennusprojektin ekologisuusaste määritellään arvosanoilla C (heikko), B-, B+, A ja S (erinomainen). (Krygiel 2008.) Kuva 2.2 CASBEE-pisteytyksen määrityskaavio (Krygiel 2008)

15 2. Ympäristönäkökulma rakentamisen tietomallintamisessa 7 SBTool-pisteytysjärjestelmässä kokonaisuus on jaettu 116 parametriin ja seitsemään pääkategoriaan, joita ovat työmaan valinta, projektisuunnittelu ja kehitys energian ja resurssien tarve ympäristön kuormittavuus Rakennuksen sisäpuolinen ympäristölaatu käytön laatu sosiaaliset ja taloudelliset näkökohdat kulttuuriset näkökohdat Järjestelmän etuja ovat sen soveltuvuus paikallisiin erityispiirteisiin ja -oloihin sekä käytettävyys kaiken kokoisissa projekteissa. (Krygiel 2008.) 2.2 Ekotehokkaan tietomallintamisen sovelluksia Energia-analyysit ja energiamallit Rakennuksen energiankulutuksen hallinta ja minimointi on yksi tärkeimmistä ekotehokkaan mallintamisen tavoitteista. Energiatehokkuuden kasvu, paikalla tuotetun energian suosiminen ja huolellinen energian varastoinnin suunnittelu tietomallintamista apuna käyttäen vähentää rakennuksen ympäristökuormitusta. Toisaalta tietomallintaminen mahdollistaa rakennuksen energiakäyttäytymisen havainnollistamisen loppukäyttäjälle, jolloin voidaan vaikuttaa käyttäjän energiankulutuskäyttäytymiseen. (Bourdeau 2011) Rakennuksen energian-analyysin välineenä käytetään energiasimulaattoreita, joissa otetaan huomioon sekä rakennuksen sisäiset että ulkoiset kuormat. Nämä tietomallipohjaiset ohjelmat käyttävät simuloimiseen ilmastotietoa ja rakennuksen energiakuormitukseen vaikuttavia tekijöitä, joita ovat pääasiassa lämmitys, ilmanvaihto ja ilmastointi (HVAC) auringon lämpökuormitus asukasmäärä ja asukkaiden aktiivisuustaso auringon varjostuslaitteet säleverhot valaistustaso. (Krygiel 2008.) Aikaisessa suunnitteluvaiheessa rakennuksen tarkan energia-analyysin tekeminen on mahdotonta suunnitelmien keskeneräisyyden vuoksi. Puutteellisten tietojen pohjalta voidaan kuitenkin suorittaa suuntaa antavia, alustavia energia-analyysejä, kun tunnetaan rakennuksen piiri ja perusteet rakennuksen lämpöteknisestä käyttäytymistä eli alustavat materiaalit ja rakenneratkaisut. Näiden tietojen pohjalta voidaan mallintaa rakennus lämpövyöhykkeineen alustavia energia-analyysejä varten (Eastman, Teicholz et al. 2008). Lisäksi suunnittelun alkuvaiheessa voidaan tietomallipohjaisen iteroinnin avulla

16 2. Ympäristönäkökulma rakentamisen tietomallintamisessa 8 optimoida rakennuksen muoto, jotta auringon lämpömäärä ja vallitsevasta tuulensuunnasta johtuva luonnollinen ilmanvaihto olisivat mahdollisimman suuret. (Krygiel 2008) Kuva 2.3 Esimerkki rakennuksen piirin ja lämpöteknisten perusteiden mallintamisesta energiaanalyysissä (Eastman, Teicholz et al. 2008) Aikaisessa suunnitteluvaiheessa tehdyt energia-analyysit eivät kuvaa tarkasti rakennuksen lämpökuormien summaa, vaan ovat pikemminkin vertailutyökalu päätöksentekoa varten. Vasta myöhemmissä projektivaiheissa energiamallit mahdollistavat lopulliset laskelmat ja rakennuksen energia-analyysi tarkentuu huomattavasti (Krygiel 2008). Tällöin mallin tulisi sisältää kaikki tarvittava tieto lopullisten energialaskelmien toteuttamiseen. (Häkkinen 2008.) Energia-analyysin tekemiseen tarvitaan tietomalli, energiasimulaatiosovellus ja mahdollisesti konsulttiapua, kuten konetekniikan insinööriä tai energia-analyytikkoa (Krygiel 2008). Analyysi voidaan toteuttaa myös ilman erillistä energiasimulaatiosovellusta, mutta käytännössä erillinen sovellus pidemmälle kehitettynä takaa paremman lopputuloksen. Erillisen simulaattorin valintakriteerinä on, että analyysin tuloksena syntyvien energiatehokkuus-indikaattorien tulee olla muodoltaan suunnittelussa käytetyn standardin mukaisia. (Häkkinen 2008.) Tietomallin ja simulaatiosovelluksen välisen rajapinnan tulisi mahdollistaa sovellusten yhteiskäyttö, mikä onnistuu helpoiten yhteistä tiedostoformaattia käytettäessä (Häkkinen 2008). USA:ssa esimerkiksi käytetään yleisesti vihreän rakentamisen XMLmallia, jonka tiedostomuoto on gbxml. Kyseisen formaatin etuna on sen yhteensopivuus useimpien energiamallinnuksen sovellusten kanssa. (Krygiel 2008.) Energia-analyysin päätietoja ovat muun muassa projektin sijainti, rakennuksen vaipan ominaisuudet ja huoneiden tilavuudet. (Krygiel 2008) Lisäksi mallin tulisi ottaa huomioon käyttäjien oletettu energiankulutus asuinkäyttäytymistä kuvaavien mallinnusominaisuuksien kautta. Näitä ovat muun muassa kulttuurilliset, liiketaloudelliset ja organisaatiolliset piirteet sekä ihmisten fysikaaliset tekijät. Mallin tulisi myös huomioida tilakohtaiset aktiviteetit ja käytön mukavuus.(malavazos 2011.) Kun rakennus on oleellisilta tiedoiltaan mallinnettu, malli tuodaan gbxmlmuodossa energiasimulaatio-ohjelmaan. Tietomallin avustama energiasimulaatiosovellus havainnollistaa visuaalisesti mallin oleelliset energiatoiminnot syötettyjen tietojen

17 2. Ympäristönäkökulma rakentamisen tietomallintamisessa 9 eli rakennuksen käyttötarkoituksen ja energiakuormitusten pohjalta. Energiasimulaatiosovellusta käytettäessä voidaan myös vaivattomasti vertailla eri suunnitelmavaihtoehtoja energiankäytön pohjalta. (Krygiel 2008.) Uusiutuvan energian käytön hyödynnettävyys riippuu pitkälti rakennuksen sijainnista ja energiaresurssien saatavuudesta. Tietomallin avulla voidaan vetailla eri energiankäytön toteutusmalleja muun muassa rakennuksen suuntauksen pohjalta ja optimoida valitun energiajärjestelmän käyttö tarkemman suunnittelun kautta. Esimerkiksi maalämpöjärjestelmän suunnittelussa tietomalli auttaa optimaalisen maalämpökanavan sijainnin löytämisessä tontilta. Mallintamalla kairausnäytteistä saadut maarajat voidaan määrittää tontin maakoostumuksen koordinaatistossa ja sijoittaa maalämpökanava pisteeseen, jossa maan ominaislämpökapasiteetti on suurin maalajeista ja -paksuuksista johtuen. (Krygiel 2008.) Rakennuksen energiankulutuksen mallinnus voidaan laajentaa myös koskemaan alueellista tasoa. EEP(The Energy and Environmental Prediction) -mallia käytetään ympäristön arvioimiseen ja kaupunkimittakaavaisen päätöksentekoon. Pääperiaatteena on, että alueen energiankulutuksesta muodostetaan päämalli, jota tukee useat alamallit. EPP-mallin tarkoituksena on kartoittaa ja yksilöidä energiankulutuksen eri lähteet toiminnan ja alueellisen sijainnin perusteella. (Jones, Lannon et al ) Materiaalimäärien hallinta ja rakennusjäte Rakennusjätteen vähentämisessä tietomalliavusteisesti suunnittelijan tulisi tuntea jätehierarkia-käsite. Jätehierarkiassa ensimmäiseksi pyritään suunnittelun kautta ennaltaehkäisemään jätteen syntyminen. Tämän jälkeen keinona on jätteen syntymisen minimoiminen, jonka jälkeen panostetaan jätteen uudelleenkäyttöön ja kierrätykseen. Kun jätettä ei voida enää muuten hyödyntää, se pyritään käyttämään hyötyenergiaksi eli yleensä polttamaan. Viimeinen vaihtoehto on jätteiden pois heittäminen. (Rajendran, Gomez 2012.) Jätteen syyt ja alkuperä tulisi tuntea, jotta jätteen määrää voitaisiin tietomallia apuna käyttäen systemaattisesti vähentää. Merkittävin osa jätteistä syntyy heikon suunnittelun seurauksena ja hankintojen sekä kuljetusten puutteiden vuoksi. Näiiden lisälksi materiaalin huonosti suunniteltu varastointi ja käsittely yhdessä muun puutteellisen työmaasuunnittelun kanssa lisää merkittävästi materiaalihukan määrää. Myös sopimustekniset puutteet eri osapuolten välillä edesauttavat jätteen syntymistä. Tietomallin tulisi näin ollen kerätä eri projektin vaiheiden oleelliset jätetiedot, joiden avulla voidaan muodostaa jätteenhallintakartasto jätevirran hallitsemiseksi ja minimoimiseksi. (Osmani, Glass et al )

18 10 10 Kuva 2.4 Rakennusjätteen synty ja alkuperä (Osmani, Glass et al. 2008) Kuva 2.5 Jätehierarkia (Rajendran, Gomez 2012) Tietomallintamisen avulla rakennusmateriaalien määrien hallinta helpottuu verrattuna perinteiseen 2D-suunnitteluun. Projektin suunnitelmamuutoksista johtuvat materiaalimäärien muutokset päivittyvät automaattisesti, jolloin tarkemmat määrälaskelmat mahdollistavat pienemmän varmuuskertoimen käytön materiaaleja tilattaessa. Aikaisempi ja virheettömpi suunnittelu vähentää myös oleellisessti uudelleen tekemistä ja purkutarvetta. (Rajendran, Gomez 2012.) Mallin tietoja voidaan joissain tapauksissa siirtää suoraan elementtitehtaan valmistuskoneisiin, jolloin tarkempi ja yksilöidympi elementtivalmistus vähentää osien rakentamisen aikaista muokkaamista ja siten jätteen määrää. Elementtien yksilöity valmistus työmaan ulkopuolella mahdollistaa myös paremman laadun, mikä vähentää laatuvirheistä johtuvan purkamisen ja uudelleen tekemisen tarvetta. (McAuley, Hore et al ) Projektin aikataulutusmalli voidaan rakentaa joko animaation tai kuvasarjan avulla kuvaamaan materiaalien varastointiaikataulua. Tietomallintamiseen mukanaan tuoma tarkempi aikataulun hallinta mahdollistaa sen, että työmaalla on määrällisesti vähemmän rakennusmateriaalia yhtäaikaisesti. Kun materiaalia on vähemmän turmeltumiselle alttiina, sään aiheuttaman materiaalihävikin määrä vähenee. (Hardin 2009.) Materiaalihävikin minimoimisessa tarvittavien rakennuslevyjen määrän optimointi on yksi konkretisoituneista tietomallisovelluksista. Malli voi arvioida joko levyjen kokonaismäärän tai luoda vähiten levyjä kuluttavia layout-vaihtoehtoja. Ensin mainitussa vaihtoehdossa tietomalli laskee suoraan kokonaislevytyspinta-alan ja jakaa sen yhden levyn alalla, jolloin saadaan tarvittava levymäärä. Leikatut hukkapalat, olivat ne kuinka pieniä tahansa, oletetaan käytettäväksi kokonaisuudessaan levytykseen. Saatu levymäärä on tällöin aliarvioitu, sillä todellisuudessa osa leikatuista levyistä päätyy jätteeksi. (Frano is Lv y 2012.) Optimoitu levymäärä ja levyjen sijoittelu voidaan selvittää tarkemmin ulkopuolisella ohjelmalla niin sanotulla layout-menetelmällä. Erillinen sovellus voi sisältämiensä algoritmien avulla laskea levytettävän pinnan minimilevymäärän ja levyjen sijainnin, jotta hävikki olisi mahdollisimman pieni. Toisaalta ohjelman avulla voidaan määrittää optimaalisimman tuloksen antava levykoko, jos markkinoilla on monia levykokovaihtoehtoja. (Frano is Lv y 2012.)

19 2. Ympäristönäkökulma rakentamisen tietomallintamisessa 11 Purettavien rakennusmateriaalien uudelleenkäyttö muuksi kuin täytemaaksi on yleensä vähäistä. Tämä johtuu paljolti vanhojen rakenteiden ja rakennusmateriaalien yksityiskohtien heikosta tietämyksestä. Uudelleenkäyttöä edistäisi purettavien rakenteiden rakenneosa- ja materiaalikohtainen mallintaminen, mutta vanhoissa rakennuksissa kyseinen investointi on usein liian kallis suhteessa hyötyihin. Jälkikäteen mallintamisen sijaan tietojen tulisi olla varastoituna ja tarvittaessa helposti saatavilla projektin päättymiseen mennessä myöhempää purkua ajatellen. Rakennusosien, kuten elementtien valmistustietojen tallentaminen rakennuskohtaiseksi kirjastoksi helpottaisi huomattavasti tulevan purkusuunnitelman tekemistä ja uudelleenkäytettävien osien etsintää. Ideaalinen tilanne olisi, jos tiedettäisiin tarkasti rakennusosan valmistaja, käytetyt materiaalit ympäristöominaisuuksineen, kierrätettyjen materiaalien osuus, materiaalien sijainti ja materiaalimäärät. (Hardin 2009.) Rakennusjätteen kierrätystä voidaan edistää hyödyntämällä mallinnettua logistiikkasuunnitelmaa kierrätyspisteiden havainnollistamisessa. Mallin avulla projektin osapuolille projektitiimistä rakennusmiehiin voidaan osoittaa tarkasti materiaalin kierrätyspaikat ja -tavat. Tietomallin käyttö vähentää myös papereita ja piirustuksia, joita tarvitaan eri osapuolten väliseen viestintään. Paperien sijaan työmaalla voidaan käyttää esimerkiksi tablettitietokoneita. (Hardin 2009.) Rakennuksen geometria ja suuntaus Energiankulutukseen vaikuttavia keskeisiä tekijöitä ovat rakennuksen geometria ja suuntaus. Yksinkertaisimmillaan rakennuksen geometria voidaan suunnitella ja mallintaa siten, että vaippa-ala ja siten lämpöhukka-ala on mahdollisimman pieni. (Krygiel 2008). Kehittyneemmissä malleissa huomioidaan myös vuodenajoista johtuva energiantarpeen vaihtelu. Rakennuksen geometrian pitäisi toisaalta mahdollistaa auringon energian talteenotto talvella ja riittävä varjostus kesällä. Tällöin tietomallin tulisi sisältää muun muassa tiedot rakennuksen korkeusasemasta, korkeudesta ja varjostavien objektien määrästä ja sijainnista. (Chwieduk 2009.) Jos rakennuksessa halutaan lisätä auringonvalon lämmitys- ja valaistusteknistä hyötyä, voi rakennuksen muoto poiketa perinteisestä suorakulmiosta. Tällöin tietomallin avulla voidaan tarkastella geometrialtaan poikkeavia vaihtoehtoja yhdistettynä auringonvalosimulaatioon. Vaipan alan kasvussa menetetty energia saavutetaan vähentyneissä valaistus- ja lämmityskustannuksissa. (Krygiel 2008) Pelkkä rakennuksen geometrian tuntemien ei riitä vaihtoehtojen luotettavaan vertailuun. Lisäksi pitää ottaa huomioon geometriaeroista johtuvat muutokset esimerkiksi HVAC-järjestelmiin, sisäisiin kuormituksiin sekä mahdollisiin materiaalivalintoihin. (Bazjanac 2009.)

20 2. Ympäristönäkökulma rakentamisen tietomallintamisessa 12 Kuva 2.6 Rakennuksen geometriamuutoksen aiheuttama lämpövuodon kasvu voi kompensoitua lisääntyneen auringonvalon tuomilla energiaeduilla (Krygiel 2008) Tietomallinnusohjelmissa rakennuksen suuntaus ja sijainti perustuu maapallon koordinaatistoon sekä geologisen etelän tuntemiseen. Kuitenkin rakennus tulisi sijoittaa auringollisen etelän (englanniksi solar south) perusteella, jos rakennuksen suuntaus pyritään valitsemaan maksimoimalla maapallon deklinaatiosta riippuvan aurinkoenergian määrä. (Che, Gao et al. 2010) Yksinkertaisimmillaan tämä onnistuu hyödyntämällä internetistä saatavia aurinko- ja geologiatietoja, kun tunnetaan rakennuksen koordinaatit. Esimerkiksi USA:n National Geophysical Data Center tarjoaa palvelun, jossa rakennuksen sijaintipaikalle lasketaan deklinaatio koordinaattien ja päivämäärän perusteella. Kun internet-palvelun tiedot tuodaan tietomalliin, voidaan rakennuksen sijaintikulmaa ja rakennusosien varjostussuhteita muuttaa simulointia apuna käyttäen auringonvalon maksimoimiseksi. (Krygiel 2008.) Kuva 2.7 Auringon energian hyödyntäminen lisääntyy rakennuksen suuntaa muutettaessa aurinkoon nähden (Krygiel 2008) Rakennuksen ikkunoiden varjostimet voidaan aurinkosimulaation avulla suunnata niin, että kesän epäsuotuisan auringonsäteily vähenee ja toisaalta talvikauden aurinkoenergian hyödyntäminen on mahdollista. Tästä syystä suuret julkisivuikkunat oikein kohdennettuine varjostimineen pyritään sijoittamaan eteläjulkisivulle (Chwieduk 2009). Optimaaliset varjostukset saadaan selville internetin sää- ja ilmastopalveluiden avulla, jotka tarjoavat vuodenaikaiskohtaiset auringon kulmat kellonaikojen mukaan. Palveluiden