Kestävän rakentamisen edistäminen teknologian avulla

Perinteisestä rakentamisesta digitaaliseen ekorakentamiseen

Rakentaminen on yleensä erittäin energia- ja työvoimavaltaista toimintaa, joka tuottaa merkittäviä saasteita. Se on edelleen pääasiassa offline-toimintaa, jossa digitalisaatiota on vähän verrattuna muuhun taloudelliseen toimintaan.

Tieteellinen artikkeli julkaistu Sustainable Futures -lehdessä¹ tarkastelee, miten tekoälyn, lohkoketjuteknologian, digitaalisen valmistuksen ja kestävän kehityksen trendin nousu voisivat vaikuttaa tähän toimialaan.

Yhdessä digitaaliset teknologiat ja ekomateriaalit voisivat vauhdittaa merkittävästi ekorakentamisen teknologioita ja vähentää rakennusalan ympäristövaikutuksia.

Tutkimuksen tekivät malesialaiset tutkijat Asia Pacific University of Technology & Innovationissa (APU) ja National University of Malesiassa (UKM), ja se julkaistiin nimellä "Digitaalinen integraatio ekorakentamisessa 2.0:ssa: Kestävän kehityksen edistäminen teknologian avulla".

Uudet tuotantomenetelmät

Rakennusmateriaaleja on historiallisesti tuotettu massatuotantona standardoiduissa muodoissa, ja kaikki kokoonpanot ovat vaatineet ammattitaitoista ihmistyövoimaa. Uudet teknologiat todennäköisesti muuttavat tätä tilannetta lähitulevaisuudessa.

Ensimmäiset ovat tehdasmassatuotannon jälkeisiä tuotantomenetelmiä, joissa ctietokone nnumeerinen cCNC-koneistus, laserleikkaus ja 3D-tulostusJokaisella on omat etunsa ja heikkoutensa, ja ne tulisi valita tietyn tehtävän vaatimusten mukaan.

Lähde: Kestävä tulevaisuus

Nämä menetelmät vähentävät merkittävästi materiaalihävikkiä raaka-aineen prosessoinnissa valmiiksi rakennustuotteiksi.

Ne mahdollistavat myös paljon suuremman joustavuuden lopullisen suunnittelun suhteen, mikä tekee räätälöidystä suunnittelusta helpommin saatavilla.

Lopuksi niitä voidaan valmistaa paljon pienemmässä mittakaavassa ja paikallisemmin, mikä voi johtaa materiaalien kuljetuksen jalanjäljen dramaattiseen pienenemiseen raaka-aineista tehtaalle ja rakennustyömaille.

”Tämä menetelmä ei ainoastaan ​​edistä ympäristöystävällisten materiaalien käyttöä, vaan se on myös hyvin linjassa lean-rakentamisen periaatteiden ja nettonollatavoitteiden kanssa luonnostaan ​​alhaisen jätteentuotantonsa ansiosta.”

Kaikki nämä uudet tuotantomenetelmät hyötyvät suuresti tietokoneavusteisen suunnittelun (CAD) parantumisesta ja demokratisoitumisesta sekä rakennustietomallinnuksen (BIM) laajamittaisesta käyttöönotosta. CAD ja BIM muodostavat nykyään useimpien rakennusprojektien digitaalisen selkärangan.

Ympäristöystävälliset materiaalit

Toinen rakennusalaa koskeva muutos on siirtyminen ympäristöystävällisempiin materiaaleihin.

Merkittävä muutoksen ajuri ovat 3D-tulostimet, jotka pystyvät käyttämään materiaaleja, kuten kierrätysmuoveja, biohajoavia polymeerejä ja luonnonkuituja sisältäviä komposiittimateriaaleja.

Erityisesti, geopolymeerit voidaan käyttää 3D-tulostuksessaGeopolymeerit ovat epäorgaanisia, tyypillisesti keraamimaisia ​​materiaaleja, joita voidaan valmistaa teollisuuden sivutuotteista, kuten lentotuhkasta tai kuonasta, jotka muuten olisivat voimalaitosten ja terästehtaiden jätettä. Se voidaan valmistaa paikallisesti hankituista materiaaleista.

Näin se asettaa rakennusteollisuuden asemaan, jossa se voi kierrättää teollisuusjätettä resurssien kuluttamisen sijaan.

Suurten 3D-tulostimien kehitys on mahdollistanut kokonaisten rakennusrakenteiden rakentamisen suoraan paikan päällä, mikä on vähentänyt kuljetuskustannuksia ja niihin liittyviä hiilidioksidipäästöjä.

3D-tulostimien hinta ja niiden suhteellisen hidas nopeus on kuitenkin huomattava tämän teknologian vakavina rajoituksina, jotka hidastavat sen käyttöönottoa laajamittaisesti.

Uusiutuvat ekomateriaalit, kuten massiivipuuta, jota käytetään puisten pilvenpiirtäjien rakentamiseen, voisi myös auttaa vähentämään rakennusteollisuuden hiilidioksidipäästöjä ja resurssien kulutusta.

Uusia malleja

3D-tulostetut rakennukset voivat myös omaksua monimutkaisempia räätälöityjä muotoja kuin massatuotetuista elementeistä valmistetut rakennukset.

Tämän seurauksena se voi helpottaa luonnollisten ja ergonomisten muotojen integrointia rakennuksiin, mikä voi parantaa energiatehokkuutta paremman lämpödynamiikan ja valonjaon kautta.

Luonnollisten eristysmuotojen, kuten hunajakennorakenteiden, integrointi parantaa eristystä samalla vähentäen materiaalikustannuksia ja voi myös lisätä 3D-tulostuksen arvoa rakentamisessa.

3D-tulostus mahdollistaa myös "gradienttimateriaalien" luomisen, joissa materiaalin ominaisuudet vaihtelevat yksittäisessä objektissa tiettyjen toiminnallisten vaatimusten täyttämiseksi ilman liiallista materiaalin käyttöä.

Lohkoketju kestävän rakentamisen toimitusketjuille

Rakennusalan toinen toistuva haaste on luultavasti käytettyjen materiaalien alkuperän ja niiden ESG-profiilin seuraaminen.

Tämä on ala, jolla lohkoketjuteknologian mahdollistamat tehokkaat tallenteet voivat auttaa.

Automatisoimalla ja turvaamalla toimitusketjun tapahtumia lohkoketju ei ainoastaan ​​paranna toiminnan tehokkuutta, vaan myös rakentaa luottamusta sidosryhmien välille tarjoamalla selkeän ja muuttumattoman kirjanpidon materiaalien alkuperästä, käsittelystä ja kuljetuksesta.

Lohkoketjua voidaan käyttää myös älysopimusten mahdollistamiseen, mikä sujuvoittaa sopimusten toteutusta ja tuo teknologian potentiaalisesti mukaan rakennusprosessin jokaiseen vaiheeseen materiaalien hankinnasta valmiin rakennuksen varmentamiseen ja sertifiointiin.

Lähde: Kestävä tulevaisuus

Auttamalla seuraamaan ja todistamaan rakentamisessa käytettyjen materiaalien lähteitä lohkoketju voi auttaa täyttämään edistyneiden kestävän kehityksen standardien, kuten LEED:n, BREEAM:in tai ISO 21930:n, vaatimukset ja todistamaan, että ne ovat ympäristömääräysten, työsuojelun ja hiilidioksidipäästöjen vähentämisvelvoitteiden mukaisia.

Suurin rajoitus tämän teknologian käyttöönotolle ei ole niinkään tekninen kuin kulttuurinen, sillä rakennusala on yleensä haluton modernisoimaan käytäntöjään.

”Rakennusalalla on rakenteellista vastustusta digitaaliselle läpinäkyvyydelle, erityisesti hankinta- ja alihankintakäytännöissä, jotka perustuvat vanhoihin työnkulkuihin, epävirallisiin suhteisiin ja pirstaloituneisiin dokumentointijärjestelmiin.”

Merkittävimmin tämä voi vaikuttaa olemassa oleviin valtarakenteisiin ja mustan tai harmaan markkinan käytäntöihin, jotka ovat alalla endeemisiä, erityisesti joissakin maissa tai alueilla.

”Monille sidosryhmille lohkoketjun hajautettua ja muuttumatonta luonnetta ei pidetä mahdollistajana, vaan disruptiivisena voimana, joka uhkaa olemassa olevia toimintanormeja.”

Todennäköisimmin lohkoketjujen ja muiden digitaalisten seurantatyökalujen käyttöönotto tapahtuu nopeasti kriittisissä infrastruktuurihankkeissa, joissa jäljitettävyys ei ole pelkästään sääntelyvaatimus, vaan edellytys vastuunhallinnalle ja laadunvarmistukselle.

Tekoäly kestävässä rakentamisessa: Sovellukset ja rajat

Sovellukset

Tekoälyjen monipuolistuessa niitä voidaan nyt hyödyntää rakennusprojektien parantamisessa.

Yksi sovellus on tekoälyn integrointi ympäristövaikutusten arvioinnin (YVA) työnkulutSe mahdollistaa tarkkojen ennusteiden tekemisen laajoista ja heterogeenisistä tietojoukoista, mukaan lukien kohdekohtaiset ympäristöindikaattorit, historialliset projektitiedot ja sääntelyparametrit.

Avustaminen lakiasiakirjojen ja määräysten kanssa voi olla myös merkittävä vaikutus.

”Luonnollisen kielen käsittelyyn perustuvat NLP-tekniikat poimivat strukturoitua tietoa sääntelyteksteistä ja historiallisista ympäristövaikutusten arviointien dokumenteista, mikä nopeuttaa vaatimustenmukaisuuden arviointeja ja virtaviivaistaa tarkistussyklejä.”

Lähde: Kestävä tulevaisuus

Toinen tekoälyn sovellus on materiaalien suorituskyvyn ennustaminen kriteerien, kuten rakenteellisen eheyden, eristyksen, vedenkestävyyden tai kestävyyden erilaisille rasituksille (kosteus, kloridien pääsy, jäätymis-sulamissyklit, lämpötilagradientit jne.), perusteella.

Rajoitukset

Tekoälyn käyttöönoton rajoituksena on kuitenkin alan syötteenä käytettävän datan yleisesti ottaen heikko laatu, mikä heikentää mallien kapasiteettia ja tarkkuutta.

Tämän rajoituksen odotetaan hälvenevän ajan myötä, kun yhä useammat projektit digitalisoituvat. Sama pätee kasvavaan tietomäärään erilaisten materiaalien suorituskyvystä todellisissa olosuhteissa useiden vuosikymmenten ajalta.

Toinen mahdollinen ongelma on, jos malleja koulutetaan tietojoukoilla, jotka heijastavat historiallisia epätasa-arvoisuuksia tai eivät edusta herkkiä ekologisia vyöhykkeitä. Tämä voi olla erityisen ongelmallista tekoälymallien kanssa, joiden sisäistä toimintaa voi olla vaikea ymmärtää, mikä tekee niistä eräänlaisia ​​"mustia laatikoita".

”Tekoälyn tarjoama tehokkuus ja analyyttinen syvyys on siksi tasapainotettava näitä riskejä vastaan ​​​​toteuttamalla läpinäkyviä, auditoitavia ja kontekstiherkkiä mallinnuskehyksiä.”

Synergiaa ekologisten materiaalien, lohkoketjun ja tekoälyn välillä

Pyyhkäise vierittääksesi →

Jokainen näistä rakennusalan innovaatioista kytkeytyy toisiinsa, mikä tekee niistä hyödyllisempiä kuin erikseen käytettyinä.

Kun yhä useammat projektit integroivat lohkoketjuteknologiaa jäljitettävyyden takaamiseksi, tekoälyn käytettävissä olevan korkealaatuisen datan määrä kasvaa.

Rakennusprojektien digitalisaation lisääntyessä se helpottaa CAD- ja 3D-tulostusteknologian integrointia varsinaiseen rakentamiseen.

Ympäristöystävällisempien materiaalien käyttö ja parempien kierrätystekniikoiden käyttöönotto vähentävät rakentamisen ja purkamisen ekologisia vaikutuksia, mikä lisää korkealaatuisen datan arvoa. Dataa voidaan käyttää arvokkaiden ympäristösertifikaattien hankkimiseen ja uusien standardien asettamiseen alalle.

Lähde: Kestävä tulevaisuus

Esimerkkejä tällaisista synergioista on jo havaittavissa todellisissa projekteissa. Esimerkiksi Singapore käytti monia uusia teknologioita ympäristöystävällisten julkisten asuntojen rakentamiseen:

• Edistykselliset tekoälyjärjestelmät analysoivat ympäristötietoja, kuten auringonvalolle altistumista, tuulimalleja ja kaupunkien lämpösaarekkeiden vaikutuksia, rakennuksen suunnan ja materiaalivalinnan optimoimiseksi.
• Kestävät materiaalit, kuten kierrätysbetoni ja kestävästi korjattu puu. Nämä materiaalit on sijoitettu strategisesti rakennuksen rakenteeseen luonnollisen ilmanvaihdon ja valon maksimoimiseksi.
• Tehokkaat eristeet ja ikkunat sekä aurinkopaneelit ja viherkatot yhdistetään tekoälyjärjestelmiin, jotka jatkuvasti seuraavat ja säätävät energiankulutusta reaaliaikaisten ympäristöolosuhteiden perusteella.

Todellisia esimerkkejä

Tutkimuksessa esitellään myös näiden teknologioiden varhaisia ​​käyttöönottajia tosielämässä osoittaakseen, että olemme nyt vahvasti teknologiasyklin käyttöönottovaiheessa.

Yksi esimerkki on lohkoketjun käyttö maksuriitojen ratkaisemiseen urakoitsijoiden ja toimittajien kanssa.

”Dubaissa toteutetussa lippulaivainfrastruktuurihankkeessa otettiin käyttöön lohkoketjuteknologia sopimusten hallinnan tehostamiseksi ja virstanpylväisiin perustuvien maksujen valvomiseksi, mikä johti mitattavissa oleviin hallinnollisen tehokkuuden parannuksiin ja taloudellisten yleiskustannusten vähenemiseen.”

Lohkoketju auttoi myös materiaalien ympäristöjalanjäljen seurannassa.

”Alankomaissa lohkoketjua on kokeiltu seuraamaan reaaliaikaisesti ydinmateriaalien, kuten teräksen ja betonin, laatua, toimitusta ja ympäristöjalanjälkeä varmistaen, että sekä materiaalispesifikaatiot että kestävyyskynnykset täyttyvät ilman manuaalisia tarkastuksia.”

Ruotsissa esiteltiin IA:n käyttötapaus, jossa arkkitehdit ja insinöörit valitsivat edistyneitä eristemateriaaleja, jotka optimoivat energian varastoinnin talvella ja minimoivat lämmönoton kesällä.

”Näiden optimoitujen materiaalien käyttöönotto johti jopa 25 prosentin energiankulutuksen vähenemiseen uudisrakennuksissa, mikä pienensi merkittävästi näihin koteihin liittyvää hiilijalanjälkeä.”

Tekoälyä otettiin käyttöön myös Japanissa automatisoida Ishayoiden opettaman rakennusjätteen kierrätys.

Tekoälyllä toimivat lajittelujärjestelmät, jotka on varustettu edistyneellä kuvantamis- ja anturitekniikalla, tunnistivat ja luokittelivat tarkasti erityyppisiä rakennusjätteitä.

”Purkutyömaalla toteutetussa pilottihankkeessa tekoälyjärjestelmä nosti kierrätysastetta 30 prosenttia perinteisiin manuaalisiin lajittelumenetelmiin verrattuna.”

Lajittelun tehokkuus vähensi myös jätehuoltoon liittyviä kokonaisaika- ja työvoimakustannuksia, mikä teki kierrätysprosessista taloudellisemman ja kestävämmän.

Kestävän rakentamisen sääntelyhaasteet

Paradoksaalisesti, vaikka useimmat rakennusalan määräykset pyrkivät parantamaan turvallisuutta ja ympäristöprofiilia, ne saattavat myös olla este näiden teknologioiden käyttöönotolle.

Suuri osa mahdollisista ongelmista johtuu rakennusmenetelmien standardoinnin vähenemisestä. Räätälöity suunnittelu voi parantaa energia- ja ympäristöprofiilia, mutta sitä on myös vaikea sovittaa määräysten edellyttämiin jäykkiin luokkiin ja arviointimenetelmiin.

Yksi avuksi soveltuva tekijä on niin kutsuttu ”sääntelyhiekkalaatikko”, jonka avulla pilottihankkeet voivat osoittaa arvonsa vähemmällä ankaralla kontrollilla.

”Nämä viitekehykset mahdollistavat rakennusalan yritysten digitaalisten menetelmien kokeilun ilman täyttä sääntelyyn liittyvää altistumista, mikä helpottaa innovaatioita ja säilyttää samalla valvonnan.”

Toinen parannus voi olla digitaalisen rakentamisen vaatimusten sisällyttäminen julkisiin tarjouskilpailuprotokolliin. Tällä tavoin hallitukset eivät ainoastaan ​​sopeudu digitaalisesti mahdollistavaan ja ympäristövastuulliseen rakennusalaan, vaan myös ohjaavat sitä aktiivisesti.

Näitä sääntelymuutoksia on hallittava paikallisella, kansallisella ja kansainvälisellä tasolla.

Lähde: Kestävä tulevaisuus

Niiden on myös toimittava riittävän nopeasti sopeutuakseen teknologisiin parannuksiin. Muuten tämä voi hidastaa innovatiivisten teknologioiden, kuten tekoälyn ja 3D-tulostuksen, käyttöönottoa rakennusalalla, koska yritykset saattavat olla haluttomia investoimaan voimakkaasti teknologioihin, jotka eivät välttämättä ole tulevien määräysten mukaisia.

Tulevaisuuden rakennusteknologiat

Vielä vaikuttavampia materiaaleja saatetaan jonain päivänä integroida rakennusprojekteihin. Esimerkiksi nanoteknologian materiaalitieteessä tarjoaa mahdollisuuden luoda erittäin vahvoja, kevyitä rakennusmateriaaleja, jotka ovat sekä kustannustehokkaita että ympäristöystävällisiä.

Toinen vaihtoehto on älykkäitä materiaaleja jotka voivat sopeutua ympäristön muutoksiin, kuten lämpötilaan reagoivat polymeerit, jotka säätävät eristysominaisuuksiaan sääolosuhteiden mukaan.

Nämä materiaalit voisivat parantaa merkittävästi rakennusten energiatehokkuutta ja mukavuutta ilman lisämekaanisia toimenpiteitä.

Dalkuperäiset valmistustekniikat voisi myös tulla entistä kehittyneemmäksi, todennäköisesti sisältäen reaaliaikaisia ​​laadunvalvontajärjestelmiä, kuten edistyneitä antureita ja tekoälyalgoritmeja, jotka säätävät tulostusparametreja lennossa varmistaen optimaaliset materiaaliominaisuudet ja rakenteellisen eheyden.

Ohjelmistorobotiikka voisi myös olla merkittävä vaikutus, esimerkiksi robottien suorittaessa muuraustöitä tai monimutkaisia ​​putkien ja kaapeleiden asennuksia, mikä parantaisi nopeutta ja tarkkuutta samalla vähentäen inhimillisiä virheitä ja työvoimakustannuksia.

Lopuksi, AI voisi olla merkittävä vaikutus uusien materiaalien tutkimukseen aina rakennuksen digitaalisesta kaksosesta, jossa tarkkaillaan parametrien kehitystä ajan kuluessa, uusien materiaalien löytämisen edistämiseen, materiaalien käyttöiän parantamiseen ja ympäristövaikutusten ymmärtämisen parantamiseen rakennuksen koko elinkaaren ajan.

Yhteenveto

Rakentaminen on historiallisesti ollut suhteellisen "matalateknologiainen" teollisuudenala, jossa uusia materiaaleja on integroitu vain hitaasti ja rakennusmenetelmät ovat pysyneet suhteellisen muuttumattomina.

CNC-koneiston, 3D-tulostuksen, CAD-ohjelmistojen, digitaalisen jalanjäljen ja tekoälyn samanaikainen kypsyminen saattaa muuttaa tämän pian. Varsinkin yhdistettynä pyrkimyksiin vähentää ympäristövaikutuksia, parantaa jäljitettävyyttä, parantaa energiatehokkuutta ja vähentää materiaalien kulutusta.

Toisin kuin monilla muilla talouden aloilla, on kuitenkin epätodennäköistä, että tämä syrjäyttäisi paljon ihmistyövoimaa rakennusalalta.

Sen sijaan se parantaa uusien rakennusten tuottavuutta, turvallisuutta ja viherprofiileja samalla mahdollistaen paremman suunnittelun ja pienemmän resurssien kulutuksen, kaikki ihmisten valvonnassa, jotka edelleen hoitavat suoraan rakennustyömaan sotkuisia ja muuttuvia olosuhteita.

3D-tulostusyritys

(Alla käsiteltyjen yritysten lisäksi voit lukea muista artikkelistamme "10 parasta katsottavaa lisäainevalmistus- ja 3D-tulostusmateriaalia")

Nanomitta

Useimmat ainetta lisäävän valmistuksen yritykset keskittyvät metalliin ja muoviin, silmällä pitäen monimutkaisia ​​mekaanisia osia. Nano Dimension keskittyi sen sijaan 3D-tulostettuun elektroniikkaan. Tähän kuuluvat erittäin erikoistuneet teknologiat, kuten johtavat tai dielektriset musteet ja keramiikka. Näitä voidaan käyttää esimerkiksi optisten tai radiokomponenttien rakentamisessa.

Tämä on yksi mahdollisista 3D-tulostuksen sovelluksista nanomittakaavaan, jota tutkimme tarkemmin artikkelissa "Nanomittakaavainen 3D-tulostus näyttää valmiilta kaupallistamiseen".

Nano Dimension on kasvanut yritysostojen ja sisäisen tuotekehityksen ansiosta.

Lähde: Nano Mitat

Tämä strategia muuttui Desktop Metalin hankinta, ilmoitti vuonna 2024 ja se saatiin päätökseen vuonna 2025. Yhdessä näillä kahdella yrityksellä on paljon vahvempi asema metalli- ja keramiikka-alan 3D-tulostuksessa kaikissa mittakaavoissa elektroniikasta suuriin teollisuuslaitteisiin ja ilmailu- ja avaruusteollisuuteen, ja niillä on vahva siirtyminen teolliseen tuotantoon.

Tämä luo myös mittakaavaetuja yhdistämällä asiakaskunnan, johon kuuluvat SpaceX, Tesla, GE, Honeywell, Emerson, Raytheon, NASA, Medtronics jne.

Lopuksi yhtiöt toimivat enimmäkseen eri maantieteellisillä alueilla, Nano Dimension Euroopassa ja Desktop Metal Yhdysvalloissa, mikä mahdollisti synergiaetuja yhdistämällä myyntitiimiään.

Lähde: Nanomitta

Yritys väittää voivansa pienentää valmistuksen ekologista jalanjälkeä vähentämällä hiilidioksidipäästöjä 94 %, vedenkulutusta 100 %, materiaalien kulutusta 98 ​​% ja kemikaalien kulutusta 82 %. Kaiken kaikkiaan voimme odottaa Nano Dimensionin nousevan teknologiajohtajaksi.

Lähde: Nano Mitat

Yhdistyneillä yrityksillä on hyvät edellytykset hyödyntää uusia 3D-tulostuksen löytöjä ja kehittää vahvempia alumiiniseoksia, ja nämä innovaatiot todennäköisesti laajentavat kohdemarkkinoita.

Sijoittajien on kuitenkin oltava tietoisia siitä, että sekä hankintakohtainen Nano Dimension että yritysostokohtainen Desktop Metal olivat negatiivisia, joten tuloksena syntyvän yrityksen on leikattava kustannuksia tai kasvattava riittävästi tuottaakseen voittoa tulevaisuudessa.

(Voit lukea perusteellisempi analyysi Nanodimensionista sijoitusraportissa)

Nano Dimensionin (NNDM) uusimmat osakeuutiset ja kehitys