Life cycle assessment of prefabricated buildings towards a building stock approach

Abstract

Buildings are big consumers of energy and materials, and significant producers of waste and emissions. Buildings are increasingly more energy efficient, but the rising number of buildings balances the impact reduction of single buildings; therefore, building stock life cycle impacts are a growing problem. Moreover, energy efficiency is sometimes achieved through increased embodied impacts, offsetting the impact reduction during the use phase. To achieve global and European Union (EU-27) targets, the impacts of buildings should be reduced towards a more sustainable construction sector while increasing the competitiveness of the construction sector. Prefabricated buildings may be a way to accomplish the construction sector's dual challenge: reducing buildings' impacts and costs. This thesis has two main goals: First, to assess life cycle environmental impacts and costs of prefabricated buildings and compare them with conventional buildings. A life cycle assessment (LCA) model was developed to assess prefabricated and conventional single-family houses, mapping the main differences between both construction approaches and disclosing tradeoffs, e.g., between construction and use phases. The LCA focused on two single-family houses built in Portugal and alternatives including different house sizes, structural materials, final house locations, and insulation levels. A “cradle-to-site” assessment of a prefabricated house was performed focusing on embodied impacts; a “cradle-to-use” LCA balanced embodied and operational impacts to disclose tradeoffs between both phases; and a “cradle-to-grave” LCA assessed the environmental impacts, costs, waste, and production time of different prefabricated and conventional buildings using different structural materials. Second, a building stock approach was developed and implemented to assess the influence of prefabrication wide adoption on EU-27 building stock. This goal also aims to contribute methodologically to the assessment of the introduction of disruptive technology– in this case, prefabrication – in a large set of products in use – the building stock. The building stock model (BSM) developed included the definition of archetypes representing EU-27 building stock, modular life cycle inventory (LCI) to calculate impacts, building information modeling (BIM) to forecast energy needs and extracted quantities, and statistics to estimate results at a country and EU-27 building stock levels. BIM integration allows the streamlined LCI and energy simulation. The proposed modular LCI calculates impacts of a large set of buildings using proxies such as building elements area, number of components, workdays, distance to the site. The developed building stock approach creates a large dataset of results combining alternatives: e.g., construction approaches, typologies, structural materials, insulation levels, and final location; while addressing regional variability with different climates, costs, electricity mixes.

The results from the life cycle model developed show that compared with conventional, during construction prefabricated single-family houses can use one-fourth of materials, produce the same fraction of waste, reduce 20% of costs, and take one-third of the time to be built. During the use stage, prefabricated buildings have similar energy performance (or better if insulation is adjusted to local climate) and produce one-fourth of the waste. At the end of life, prefabricated buildings produce one-fourth of the waste, being this waste 40% more recyclable, thus balancing up to 20% of the embodied impacts. The novel buildings stock approach showed that combining archetypes, modular LCI, and a BIM-LCA approach is a streamlined approach to assess a vast set of buildings in a wide territory. Results at the country or the EU-27 building stock level can support decision-making at different scales, addressing regional variability. Prefabrication can reduce the buildings and building stock impacts and costs, thus contributing to achieving the EU environmental targets while increasing the construction sector competitivity.

RESUMO: Os edifícios são grandes consumidores de energia e materiais, e importantes produtores de resíduos e emissões. Os edifícios são cada vez mais eficientes no consumo de energia, mas o número crescente de edifícios contrabalança a redução dos impactos dos edifícios individuais; sendo os impactos do ciclo de vida do parque edificado1 um problema crescente. Além disso, a eficiência energética é por vezes alcançada com o aumento dos impactos incorporados, compensando a redução durante a fase de utilização. Para atingir os objetivos ambientais globais e os da União Europeia (UE-27), o impacto dos edifícios deve ser reduzido ao encontro de um setor da construção mais sustentável e simultaneamente aumentando a sua competitividade. Os edifícios pré-fabricados podem ser uma forma de alcançar o duplo desafio do setor da construção: reduzir os impactos e os custos dos edifícios. Esta tese tem dois objetivos principais: Primeiro, avaliar impactos e custos do ciclo de vida de edifícios pré-fabricados e compará-los com edifícios convencionais. Uma avaliação do ciclo de vida (ACV) foi desenvolvida para avaliar edifícios pré-fabricados e convencionais, mapeando as principais diferenças entre as duas abordagens construtivas e revelando compensações, por exemplo, entre as fases de construção e de utilização. Diferentes alternativas foram incluídas no modelo: tamanho e layout das casas, material estrutural, localização final e nível de isolamento. Uma avaliação “do berço ao estaleiro” de uma casa pré-fabricada foi realizada focando nos impactos incorporados; uma avaliação “do berço até à utilização” calculou os impactos incorporados e os operacionais revelando compensações que possam ocorrer entre ambas as fases; e um ACV “do berço ao túmulo” avaliou os impactos ambientais, custos, resíduos e tempo de produção de diferentes edifícios pré-fabricados e convencionais, desde a extração dos materiais até a gestão de resíduos, considerando diferentes materiais estruturais. Em segundo lugar, uma abordagem de avaliação do parque edificado1 foi desenvolvida e implementada para analisar o efeito da adoção da pré-fabricação à escala da UE-27. Este objetivo visa também contribuir metodologicamente na avaliação da introdução de uma tecnologia disruptiva – neste caso a pré-fabricação – num alargado conjunto de produtos em uso – o parque edificado. O modelo desenvolvido incluiu a definição de arquétipos que procuram representar o conjunto de edifícios na UE-27, o inventário de ciclo de vida modular para calcular impactos, a modelação da informação de construção2 (BIM) para calcular as necessidades de energia e extraindo as quantidades do modelo e, por último, a utilização de dados estatísticos para estimar os resultados para cada país e os resultados globais para o parque edificado da UE-27. A integração da metodologia BIM permite a construção do inventário e o cálculo das necessidades energéticas de uma forma simplificada. O inventário modular proposto calcula os impactos de um grande conjunto de edifícios usando fórmulas de cálculo baseadas, por exemplo, na área dos elementos construtivos, número de componentes, dias de trabalho, distância até o local. A abordagem de avaliação do parque edificado desenvolvida originou uma vasta base de dados com os impactos das diversas alternativas que resultam da combinação de soluções construtivas, tipologias, materiais estruturais, níveis de isolamento e localização final; e, simultaneamente, respondem à variabilidade regional, diferentes climas, custos, matrizes energéticas. Os resultados da avaliação do ciclo de vida mostram que comparado com as convencionais durante a construção as casas unifamiliares prefabricadas usam até um quarto dos materiais, produzindo a mesma fração de resíduos, reduzindo 20% dos custos e até um terço o tempo de construção. Durante a fase de uso, as casas pré-fabricadas têm um desempenho energético semelhante (ou melhor se o isolamento for ajustado ao clima local) e produzem um quarto dos resíduos. No final da vida útil, as casas pré-fabricadas produzem um quarto dos resíduos de demolição, sendo estes resíduos 40% mais recicláveis, podendo compensar até 20% dos impactos incorporados. A nova metodologia desenvolvida mostrou que uma abordagem de avaliação do parque edificado usando arquétipos, inventário modular e integrando a metodologia BIM com a ACV pode ser uma abordagem simplificada para avaliar um vasto conjunto de edifícios num amplo território. Além disso, os resultados por país ou de forma agregada à UE-27 podem apoiar a tomada de decisão a diferentes escalas, abordando a variabilidade regional. A pré-fabricação pode reduzir os impactos e os custos do parque edificado como um todo e dos edifícios individualmente, contribuindo assim para atingir os objetivos ambientais da EU-27, aumentando a competitividade do setor da construção.