Towards a sustainable construction : LCA and LCC integration in the early-design stage. Comparison among residential building technologies : single indicator proposal for decision-making purpose

"In 2050, we live well, within the planet’s ecological limits. Our prosperity and healthy environment stem from an innovative, circular economy where nothing is wasted and where natural resources are managed sustainably, and biodiversity is protected, valued and restored in ways that enhance our society’s resilience. Our low-carbon growth has long been decoupled from resource use, setting the pace for a safe and sustainable global society." (The 7th environment Action Programme (EAP), Decision N°1386/2013 EU). The construction sector is responsible for the 36% of global energetic consume and for 40% of carbon dioxide emissions, with a steadily rising trend. In this context, the sector has set itself the target of reducing its incidence by 80% by 2050. Through a transition to sustainable construction, the challenge is to achieve a profound reduction in energy consumption and emission, thanks to a combination of best available technologies and intelligent public policies. Our thesis has the goal to support the decision-making process in the early-design phase through the integration of BIM: this approach can lead to a comparison and choice of different technological solutions for what concerns economic and environmental impacts. The choice fell on the early-design phase because it is fundamental for providing design guidance and monitoring the effects of design decisions: to support an efficient and user-friendly application of this phase, a simplified building model is proposed. LCA and LCC analyses have been carried out on different building technologies: timber prefabrication (X-Lam and frame), concrete structure and traditional masonry, the first one characterized by fast construction and ecological features (being the wood renewable and easy to dispose of), while the others are widely used in the residential building. Finally, it has been proposed a method that allows to be more aware in the project choices about the economic and environmental impact in this preliminary phase. The carbon tax, which objective is to limit global warming by 1.5°C by 2050, was initially applied to the life cycle CO2 emissions. Taxation has an impact of 5% on total life-cycle costs, which is interesting but does not have a relevant impact on decision-making. Therefore, the emissions’ negative externalities have been economically evaluated through the eco-costs of emissions (VPPC, Virtual Pollution Prevention Costs), the IPCC estimates the damage of CO2 emissions into the environment, quantifiable in 135 €/tCO2 equivalent (IPCC 2007, GWP100). This methodology has led to considerable outputs: the average impact on the initial investment is 20%, which has a strong relevance in the decision-making.

“Nel 2050 vivremo bene nel rispetto dei limiti ecologici del nostro pianeta. Prosperità e ambiente sano saranno basati su un’economia circolare senza sprechi, in cui le risorse naturali sono gestite in modo sostenibile e la biodiversità è protetta, valorizzata e ripristinata in modo tale da rafforzare la resilienza della nostra società. La nostra crescita sarà caratterizzata da emissioni ridotte di carbonio e sarà da tempo sganciata dall’uso delle risorse, scandendo così il ritmo di una società globale sicura e sostenibile.” (Settimo Programma di Azione per l’Ambiente (PAA), Decisione N°1386/2013 EU). Il settore delle costruzioni è responsabile del 36% del consumo energetico globale e del 40% delle emissioni di biossido di carbonio, con un trend in costante aumento. In questo contesto, il settore si è posto l'obiettivo di ridurre la sua incidenza dell'80% entro il 2050. Attraverso la transizione verso un'edilizia sostenibile, la sfida è quella di ottenere una profonda riduzione dei consumi energetici e delle emissioni, grazie ad una combinazione delle migliori tecnologie disponibili e di politiche intelligenti. La nostra tesi ha l'obiettivo di supportare il processo decisionale nella prima fase di progettazione attraverso l'integrazione del BIM: questo approccio può portare ad un confronto e alla scelta di diverse soluzioni tecnologiche per quanto riguarda gli impatti economici e ambientali. La scelta è ricaduta sulla fase di progettazione preliminare, fondamentale per fornire una guida e monitorare gli effetti delle decisioni progettuali: per supportare un'applicazione efficiente e user-friendly di questa fase, viene proposto un modello 3D semplificato. Le analisi LCA e LCC sono state effettuate su diverse tecnologie costruttive: prefabbricazione in legno (X-Lam e telaio), struttura in calcestruzzo e muratura tradizionale, la prima caratterizzata da rapidità costruttiva e buone prestazioni ecologiche (essendo il legno rinnovabile e facile da smaltire), mentre le altre sono ampiamente utilizzate nell'edilizia residenziale. Infine, è stato proposto un metodo che permetta di essere più consapevoli nelle scelte progettuali rispetto all'impatto economico e ambientale in questa fase preliminare. Inizialmente è stata applicata la carbon-tax alla CO2 emessa durante il ciclo di vita, il cui obiettivo è di limitare il riscaldamento globale di 1,5°C entro il 2050. La tassazione ha un impatto del 5% sui costi totali del ciclo di vita, il che è interessante ma non ha un impatto rilevante sul processo decisionale. Pertanto, le esternalità negative delle emissioni di CO2 sono state valutate economicamente attraverso il concetto di eco-cost (VPPC, Virtual Pollution Prevention Costs) che l'IPCC definisce come il valore attribuibile ai danni ambientali provocati, quantificabili in 135 €/tCO2Eq. (IPCC 2007, GWP100). Questa metodologia ha portato a risultati considerevoli: l'impatto medio sull'investimento iniziale è in questo caso del 20%, il che ha una forte rilevanza nel processo decisionale.