Value-based frameworks for circular bioregional resources in the built environment : from local bio-based materials to regenerative design and place-based value creation

This research develops and tests a value-based assessment framework to support the integration of local bio-based building materials into the construction sector, with a specific focus on non-urban and rural European contexts. These territories, characterized by high availability of agro-forestry residues, are strategically positioned to contribute to decarbonization, circular economy development, and regional resilience through short and localized supply chains. Material production accounts for a share of building-related CO₂ emissions, with embodied carbon representing a critical leverage point for climate mitigation. Despite their environmental and socio-economic potential, bio-based materials remain marginal in mainstream practice due to technological uncertainty, fragmented data, economic constraints, and limited decision support. Addressing this gap, the thesis proposes a dual, multi-scalar framework enabling the assessment of bio-based resources and construction products across environmental, social, economic, human, and manufactured dimensions. The framework is structured around two complementary components. The biomass/waste-oriented dimension evaluates the availability, territorial embeddedness, and valorization potential of local biogenic resources, supporting material developers, entrepreneurs, and policy actors in identifying opportunities for circular value chains. The productoriented dimension, grounded in the Five Capitals model, assesses the performance and impacts of construction products and systems, providing architects and engineers with a transparent, early-stage decision-support tool. Together, these components bridge resource-based planning and design-based decisionmaking, aligning material innovation with both project development and policy objectives. The framework is validated through a series of applications spanning multiple scales: (i) the assessment of agricultural residues before their transformation into products, (ii) the comparative evaluation of rice- and hemp-based insulation panels, (iii) the system-scale analysis of wall, roof, and floor assemblies developed within the SmartBioC research group (UWE Bristol), and (iv) a geo-localized case study in Sicily integrating biomass availability, product assessment, and logistical assumptions within a real context. Across these applications, bio-based solutions demonstrate advantages over conventional materials in terms of embodied carbon reduction - ~30–70% lower - circularity potential, and socio-economic benefits. The framework also revealed a recurrent gap between resource-level and product-level performance: streams such as citrus pastazzo and olive pruning residues showed strong territorial and circular potential, but were penalized at the product level by experimental maturity, limited certification, and industrial scalability. Stakeholder engagement through surveys and participatory activities informed the iterative refinement of the framework, reinforcing its applicability across design, industry, and policy domains. The research highlights the role of localized bio-based supply chains not only as material alternatives but as catalysts for regenerative territorial development. Beyond academic contribution, the framework establishes the methodological foundations for future digital tools and open databases aimed at supporting regional material hubs, policy design, and climate-aligned construction practices.

Questa ricerca sviluppa e testa un framework di valutazione per supportare l’integrazione di materiali da costruzione bio-based locali nel settore edilizio, con un focus specifico sui contesti europei non urbani e rurali. Questi territori, caratterizzati da un’elevata disponibilità di residui agro-forestali, sono strategicamente posizionati per contribuire alla decarbonizzazione, allo sviluppo dell’economia circolare e alla resilienza regionale attraverso filiere corte e localizzate. La produzione dei materiali rappresenta una quota rilevante delle emissioni di CO₂ associate agli edifici, con il carbonio incorporato che costituisce un punto critico di intervento per la mitigazione climatica. Nonostante il loro potenziale ambientale e socio-economico, i materiali bio-based rimangono marginali nella pratica corrente a causa dell’incertezza tecnologica, della frammentazione dei dati, dei vincoli economici e della limitata disponibilità di strumenti di supporto alle decisioni. Per colmare questa lacuna, la tesi propone un framework duale e multiscalare che consente la valutazione di risorse bio-based e prodotti da costruzione attraverso dimensioni ambientali, sociali, economiche, umane e produttive. Il framework è strutturato attorno a due componenti complementari. La dimensione di risorsa (biomassa e rifiuti) valuta la disponibilità, il radicamento territoriale e il potenziale di valorizzazione delle risorse biogeniche locali, supportando produttori, imprenditori e amministrazioni nell’individuazione di opportunità per filiere circolari. La dimensione orientata al prodotto, fondata sul modello dei Cinque Capitali, valuta le prestazioni e gli impatti di prodotti e sistemi costruttivi, fornendo ad architetti e ingegneri uno strumento trasparente di supporto decisionale nelle fasi iniziali di progetto. Insieme, queste componenti collegano la pianificazione basata sulle risorse con il processo decisionale progettuale, allineando l’innovazione dei materiali con gli obiettivi di sviluppo progettuale e di policy. Il framework è validato attraverso una serie di applicazioni a diverse scale: (i) la valutazione di residui agricoli prima della loro trasformazione in prodotti; (ii) la comparazione di pannelli isolanti a base di riso e canapa; (iii) l’analisi a scala di sistema di assemblaggi di parete, copertura e solaio sviluppati all’interno del gruppo di ricerca SmartBioC (UWE Bristol); e (iv) un caso studio geolocalizzato in Sicilia che integra disponibilità di biomassa, valutazione di prodotto e ipotesi logistiche in un contesto reale. In queste applicazioni, le soluzioni bio-based mostrano vantaggi rispetto ai materiali convenzionali in termini di riduzione del carbonio incorporato (circa 30–70% in meno), potenziale di circolarità e benefici socio-economici. Il framework evidenzia inoltre un divario ricorrente tra prestazioni a livello di risorsa e a livello di prodotto: flussi come il pastazzo di agrumi e i residui di potatura dell’olivo mostrano un forte potenziale territoriale e circolare, ma risultano penalizzati a livello di prodotto a causa della maturità sperimentale, delle certificazioni e della scarsa scalabilità industriale. Il coinvolgimento degli stakeholder, attraverso survey e attività partecipative, ha informato il perfezionamento iterativo del framework, rafforzandone l’applicabilità nel campo della progettazione, dell’industria e delle politiche pubbliche. La ricerca evidenzia il ruolo delle filiere bio-based locali non solo come alternative materiali, ma come catalizzatori per uno sviluppo territoriale rigenerativo. Oltre al contributo accademico, il framework stabilisce le basi metodologiche per futuri strumenti digitali e database finalizzati a supportare hub regionali dei materiali, progettazione di politiche e pratiche costruttive allineate agli obiettivi climatici.