81

Decision Support Toolkit (DST) – a step towards anIntegrated Platform for Performance Based Building

(PBB)

Janne Porkka, Pekka HuovilaVTT BUILDING AND TRANSPORT

Business and Process ManagementP.O. Box 1800, FIN­02044 VTT

Emails: Janne.Porkka@vtt.fi , Pekka.Huovila@vtt.fi

Abstract

The additional Performance Based Building (PeBBu) Thematic Network task on decision supporttoolkit (DST) has reached its final stage. PeBBu aims at combining fragmented knowledge in thearea of Performance Based Building in order to build a systematic approach towards innovationof  the  building  industry  and  applying  user  requirements  throughout  the  building  process.  End­users,  policy  makers,  building  industry and  regulatory communities  are closely  involved  in  thisdevelopment in order to facilitate dissemination and implementation of research results.

The objective of PeBBu DST task was to collect promising decision support tools into a toolkitand to test the most promising ones in selected PeBBu Domains. This paper represents the DSTcontent,  sums  up  the  testing  results  from  and  summarises  key  findings  from  passionatediscussions amongst different performance based building experts.

The  task  included  successful  test  sessions  in  October  at  Delft  and  in  November  at  Portofacilitated  by  VTT  Building  and  Transport  (Finland)  and  University  of  Reading  (U.K.).  Theyoutlined future PBB development needs  in  the industry and  in different customer segments. Theproblems  of  the  construction  and  real  estate  cluster  have  been  pointed  out  to  be  insufficientcustomer orientation and on this matter PBB offers extremely promising foundation.

The most challenging part of  the task, outlining the future development directions for PeBBu, isfinally  introduced  as  a  PBB  Framework  describing  present  stage,  next  steps  and  futurechallenges.

Keywords: Decision  support  tools,  decision  support  toolkit,  performance  based  building,  postoccupancy evaluation, check lists, requirements management, quality function deployment, multicriteria decision making, design structure matrix, iBUILD, interoperability, PBB framework

82

1.  Introduction

1.1  Performance Based Building

Performance Based Building (PBB) is defined as ‘the practice of thinking and working in terms ofends rather than means’, as applied to building and construction [1]. Concept provides a flexibleand technically non­prescriptive framework for building design and construction. Its applicationconsists of translating human needs (functionality, comfort, etc) first into functional and then intotechnical  performance  requirements,  implementing  them within  a regulatory framework  throughcodes/  standards/  specifications  and enable  the construction of  buildings  that provide long­termsatisfactory performances. Application of the performance concept is gaining worldwide interestand acceptance.  It  is becoming increasingly recognised as a possible basis  for globalisation andsynchronisation of the trade of building materials. [2]

The  PBB  concept  applies  itself  to  the  constructed  asset  planning,  programming,  design,procurement  and  construction,  life cycle management  and operation,  and  to building  regulationcontrol.  The  application  will  provide  substantial  benefits  to  both  the  end­user  and  to  theparticipants in the building process. Performance Based Building [2].

1.2  PeBBu Thematic Network

PeBBu thematic network aims at combining fragmented knowledge in the area of PBB in order tobuild  a  systematic  approach  towards  innovation  of  the  building  industry  and  applying  userrequirements  throughout  the  building  process.  From  this,  white  spots  and  a  coherent  futureresearch  agenda  can  be  derived.  End­users,  policy  makers,  building  industry  and  regulatorycommunities  are  closely  involved  in  this  development  in  order  to  facilitate  dissemination  andimplementation  of  research  results.  The  Network  especially  stimulates  investments  in  researchthat may be expected to produce practical recommendations for the adoption and application PBBthroughout the building industry and in all phases of the building process [2].

1.3  DST Objective

The additional Performance Based Building (PeBBu) task on decision support toolkit (DST) hasreached its final stage. The objective was to collect promising decision support tools into a toolkitand  to  test  the  most  promising  ones  in  selected  PeBBu  Domains.  This  paper  represents  theselected  tool,  sums  up  the  testing  results  from  and  summarises  key  findings  from  passionatediscussions amongst different performance based building experts.

83

The  task  included  successful  test  sessions  in  October  at  Delft  and  in  November  at  Portofacilitated  by  VTT  Building  and  Transport  (Finland)  and  University  of  Reading  (U.K.).  Theyoutlined future PBB development needs  in  the industry and  in different customer segments. Theproblems  of  the  construction  and  real  estate  cluster  have  been  pointed  out  to  be  insufficientcustomer  orientation  (The  European  Construction  Technology  Platform,  ECTP,  Vision  2030Report [3]) and on this matter PBB offers extremely promising foundation. The most challengingpart of the DST task, outlining the future development directions for PeBBu, is finally introducedas a PBB Framework describing present stage, next steps and future challenges. Task producedtwo final reports [4].

2.  DST ­ Selected Tools

Seven  promising  decision  support  tools  supporting  owners’  and  clients’  decision  making  arestructured under value management, value engineering and process management. Selection basedon  applicability  and  interoperability  covering  building  life  cycle  phases.  Toolkit  contains  PostOccupancy  Evaluation  (POE),  Check  Lists  (CL),  Requirements  Management  (RM),  QualityFunction  Deployment  (QFD),  Multi  Criteria  Decision  Making  (MCDM),  Design  StructureMatrix  (DSM)  and  iBUILD  tool  (Figure  1).  Colours  and  numbers  indicate  applicabilitypriorities.

Figure 1: Selected PeBBu Decision Support Tools and their primary applicability.

84

2.1  Tool Introductions

POE  process  evaluates  buildings  in  a  systematic  and  precise  way  after  few  year  of  usage.Valuable input to the early project stages can be drawn from use and operation. Method is formaland comprehensive examination and evaluation of a building using methods aiming to study theeffectiveness  of  designed  environments  from human  user perspective. The  results  are presentedtraditionally  as  building  strengths  and  weaknesses  and  method  is  often  repeatable  because  ofsystematic  and  adaptive  nature.  Nowadays  many  of  the  studies  in  occupied  buildings  exploitPOE. It’s also clear that the operation phase should have more attention than earlier phases dueto its financial importance. [5, 6, 7, 8, 9]

Complex  nature  of  buildings  is  understood  better  through Check  Lists. Those  have  beenexploited  in other  tools but unfortunately performance based approach  is still  lacking universalclassification. There are various CLs existing such as CIB Master Lists (supports performance)[10],  ASTM  (functionality  and  serviceability)  [11],  GBC  (sustainability)  [12],  LEED(sustainability)  [13]  and  VTT  ProP®  (conformity  and  performance)  [14].  Main  objective  ofCheck  Lists  is  their  two­way  connectivity  to  other  tools,  especially  in  setting  performanceobjectives and making design decisions.

Requirements  management  ensures  that  we  know  what  the  customer  really  wants  and  alsoverifies  that  these  objectives  are  met.  Purpose  is  establishing  a  complete,  consistent  andunambiguous  requirements  specification  [15].  Performance  of  the  building  should  be  definedcomprehensively  before  the  actual  technical  solutions  get  defined  [16,  17].  Requirements  anddesign are strongly  linked; changing nature should be remarked also in tools. EcoProP softwarefor  systematic  requirements management (see Figure 2)  from VTT Building and Transport wasintroduced [14]. Software helps to set systematically performance objectives, to view requirementprofiles,  to  estimate LCC and LCA  impacts and finally  to form an appendix  to design brief onperformance objectives. A data base tool  includes pre­set requirement levels paving the way forapplying by various users in different building types.

85

Figure 2: EcoProP software for systematic requirements management.

Quality  Function  Deployment  (QFD)  helps  to  represent performance objectives  and prioritiesand then increases transparency on evaluate how and whether these objectives can be met [18, 19,20]. Both of the contributors, Reading and VTT, introduced own solutions. Reading QFD tool istargeted to managing large amount of data, includes systematic priorities setting and assessmentagainst  benchmarks. VTT’s  QFD  ProP  is  lighter  combination  and  therefore  exploited  also  inPeBBu DST Domain testing with integration to EcoProP.

Multi  criteria  decision  making  helps  to  structure  discussion  on  objectives,  relations  andalternatives  and  synthesize  those  to  model.  Theoretical  approach  bases  on  value  tree  analysis.Widely  recognised Analytical Hierarchy  Process  (AHP) uses  the pairwise comparisons  to solvemultiple  attribute  problems,  but  when  number  of  variables  increases  procedure  becomes  timeconsuming  [21,  22].  Web­HIPRE  comprises  different  MCDM  tools  (including  AHP)  used  forprioritisation and analysis [23].

Design Structure Matrix (DSM)  is a compact and clear representation of complex system andcapturing method  for  the interactions/interdependencies/interfaces between system elements [24,25]. Visual  relationship matrix reveals key  information flows and sets simultaneously targets toprocess  analysis  and  re­engineering.  It  used  for  finding  the optimal  order of  tasks  and definingproduct architecture (modularity and interfaces) and forming teams in large organisations. In casethe problem exists  it helps also  to solve inconsistencies. There is many commercial applicationsavailable for DSM.

Last  tool,  iBUILD  from  TNO  Netherlands  enables  market  driven  product  development  inhousing by modular intelligent parametric designs for houses [26]. It highlights client possibilityto make changes and still exploit lower process of mass­production. Computer applications helpthe  non­professional  client  in decisions  and visualise consequences. The system streamlines  the

86

building  process  through  the  generation  of  drawings,  support  in  selection  of  building  productsfrom suppliers, to derive plans and schedules, to prepare procurement and production orders.

3.  DST Test Results

Leading  theme  in  testing was  interoperability; work  is started with one tool and continued withother, as Figure 3 illustrates. Requirements management tool EcoProP and QFDProP exploitinghouse of quality matrices formed the interoperable platform for testing.

The  first  trial  was  conducted  in  Delft  for  Domain  2  (Indoor  environment)  led  by  Mr.  MarcelLoomans  (TNO)  in  October  2004  using  a  single  family  house  that  has  been  built  in  Kotka  inFinland  (case:  Loiste).  It  highlighted  innovative  energy  efficient  steel  frame  solutions  of  highcomfort. The test focused on managing the indoor conditions. The first DST workshop validatedthe test approach with a relatively simple housing case. The second test was arranged in Porto forall scientific PeBBu Domains in November 2004 using an industrial, adaptable and durable officebuilding  designed  in  the  Netherlands  (case:  IDF  Building).  Slightly  different  approach  wasmaintained  in  each  domain.  The  leader  of  Domain  3  (Design),  Mr.  Dik  Spekkink  (SpekkinkC&R), exploited the opportunity most effectively.

Figure 3: An example of integrated value management tools.

3.1  Case Introduction

Leading  ideas  of  IFD  building  (Figure  4)  development  are:  High  adaptability,  good  indoorconditions,  low  environmental  pressure,  optimised  running  costs  and  value,  representingcorporate  brand:  serving  image  and  innovative  design  and  technical  solutions  [27].  It  supports

87

multiple layout solution inside the office floors, offering fixed solutions combined to flexibility inothers.

Figure 4: IFD Building.

3.2  Test Results

Performance  objectives  were  captured  with  EcoProP  that  was  remarked  valuable  aid  inimplementation the performance approach because the users are ‘forced’ to think their objectivesbefore technical solutions. Experiences of  implementations revealed that  it  increased discussion,commitment and teamwork. It also verified that the original needs were documented and ensuredthat  essential  requirements  are  not  eliminated.  Software  was  exploited  in  team  sessioncharacterized by Domain members challenging each other. VTT ProP® classification was used tocollection of performance requirements, following characteristics were remarked:

• Conformityo Location, spatial systems

• Performanceo Indoor conditions (Indoor climate (FISIAQ), acoustics, illumination, vibration)o Service life and deterioration risk, safetyo Adaptability, comfort, usability, accessibility

• Cost and environmental propertieso Energy consumption (LCC, LCA calculations), water consumption

• Processo Process issues (Briefing, construction, quality assurance)

88

Lack  of  common  performance  classifications  was  remarked  as  an  overall  bottleneck  for  PBB.One  possible  baseline  for  this  development  is  to  study  the  content  of  VTT  ProP® or  otherpotential  classifications.  Certain  inconsistencies  were  remarked  but  overall  structure  isperformance  based.  One  should  also  notice  that  different  spaces  need  different  requirements.Spaces  have  varied  needs  and  defining  their  characteristics  independently  would  offer  betterusability.  It’s vital  for  implementation  to  consider  also  requirement  interrelations. This analogyisn’t included at present EcoProP software, because of its complexity.

Decision  support  tools need also well documented manuals  and  supporting  system. This meansmore  reference  information  and  exploitation  of  expert  consultation.  Systems  shouldn’t  base  onweb­based information because URL addresses are considered to have their own service life andlimited availability. Predefined lists pave way for rating objectives at a project level. Lists help toimprove  quality  and  simultaneously  speed  up  process.  They  might  also  lead  to  incompletesolutions and in certain phases empty cells offer possibility to customisable solutions.

QFD  was  used  to  judging  how  well  the  original  design  criteria  and  technical  solutions  meetcustomer needs. Most of the attention was paid to following: indoor climate, material emissions,daylight, service life etc. Requirements were rated against properties (such as building envelope,windows) and  these sorted properties were further considered in second phase finally describingcharacteristics  of  technical  solutions.  Results  indicated  that  HVAC  system  was  considered  ascritical  part.  Impact  is  stronger  in  offices  than  one  family  houses  but Finnish building domainuses widely FiSIAQ indoor air quality classification; setting detailed recommendations for targetvalues,  design  guidance  and  product  requirements.  It  was  clearly  noticed  that  systematicprocedures are needed to project meetings. Somebody has stated it clearly: “Client don’t optimizethe process, they hire a contractor to do that”.

DSM  can  be  used  to  organise  tasks  or  workers  and  supported  by  Last  Planner  to  help  invalidating  execution  possibilities.  Potential  use  of  DSM  is  in  process  analysis  and  riskassessment.  DS  tools  enable  proving  of  procurement  practices  benefits.  Integration  of  tools  ispossible to by product model technology ­ requirements attached seamlessly to processes.

4.  Conclusions

Observation 1: Traditionally the emphasis has been very much on design and construction.Experts  from  various  countries  and  fields portrayed  that yesterday’s  situation has been  far  toogreatly  production  driven  instead  of  being  customer  orientated.  Situation  in  ICT  tools  wasremarked to slightly better.

Observation  2:  The  emphasis  is  shifting  from  construction  of  facilities  to  operations.Discussions  led  to  analysis  that  revealed  emphasis  is  shifting  to operation phase. Although  theimportance  of  design  and  construction  is  clearly  understood  the  emphasis  is  predicted  to  shifttowards operation model. The operation model is a starting point for new projects. According toICT tools the change is intended to be stronger, because next generation tools are moving towardsautomation and use of standardized solutions.

89

Conclusion  1:  ICT  Tool  development  needs  flow  from  Operation  model  to  Requirementsmodel. Value  of  facilities  for  user  culminates  to  quality  of  requirements  model.  Therefore  isstrong need to develop the interface between operation model and requirements model; supportedby seamless life cycle data management further to design and production.

Conclusion  2:  Verification  tools  for  proposed  performance  entities  are  needed. There  is  aneed  for  verifying  materialising  of  proposed  performance  entities  by  validation  tools  andappropriate applications are needed especially to design assessment.

5.  Recommendations for the Future

The  recommendations  leading  to  better  image  amongst  the  audience  and  growing  markets  arestructured to four main categories in Figure 5.

Figure 5: PBB Framework.

5.1  International Framework and universal Performanceclassification

Problem: No common means of true communication on performance properties exist.

PBB needs a common vocabulary and a  logical  framework where different performance criteriacan be referred to. A millennium version of a new CIB Master list could structure the high levelcriteria like the work was started in the CIB Compendium. The low level characteristics that may

90

be  material  or  technical  solution  dependent  should  be  left  open.  A  widely  accepted  genericperformance  framework  would  increase  interoperability  of  tools  and accelerate  the diffusion ofimplementation.

Recommendation  1:  Internationally  accepted  performance  based  building  classification:  a“PBB Master list 2006” (succeeding CIB Master list 1964, 1972, 1983 and 1993 editions).

5.2  Integrated platform with interoperable tools

Problem:  The  support  of  performance  management  is  scattered  and  number  of  isolatedapplications are unsystematically applied for sub­optimising individual solutions.

It  is  evident  that  product  model  technology  has  developed  to  a  level  where  it  can  enable  theattachment  of  data  from  various  phases  to  it,  such  as  requirements  management.  This  shift  isintended to motivate developers towards consumer driven process.

Recommendation 2: a “PeBBu II” should be activated focusing on “ePeBBu Platform” and“PeBBu compatible applications” with pan­European true experts on board.

5.3  Value models, incentives and constraints

Problem: Despite of  the potential  considerable benefits of PBB widely shared by researchersover the past decades very little, if any, change can still be observed in everyday practice.

The  reasons preventing  the change must be  identified and a  credible path of progress with riskassessment  is needed. A Roadmap describing  the vision (or  future scenarios) and needed actionplan  with  relevant  steps  would  show  the  way  forward.  Relevant  landing  points  and  indicatorsmeasuring  the  state  together  with  listed  incentives  and  barriers  would  complete  the  picture.Success stories (from outside or inside) or good practices could facilitate the implementation.

Recommendation  3:  A  cross­disciplinary  study  a  “PBB  Roadmap”  objectively  assessingvarious  future  scenarios  could provide a discussion basis bridging various professions anddisciplines.

5.4  Value adding whole life services

Problem: It is still a mystery “current supply” could be transformed to meet “future demand”.

The industrial implementation of the PBB Roadmap needs methodological competence of formingvalue  networks,  establishing  win­win­win  rules  and  adopting  customer  oriented  life  cycleservices. If the business models remain questionable no progress can be achieved.

91

Recommendation 4: Self sustaining profitable business models are needed to breed customeroriented networked life cycle services.

5.5  Information dissemination, regulations and education

Problem:  People  are  lacking  information  and  knowledge  –  it  is  a  challenge  to  encourageinnovation and development through regulations.

Accessibility  of  information  must  be  ensured.  Value  forming  in  the  process  enabling  learningmust be supported.

Recommendation 5: The development needs to be encouraged and assured at all levels.

92

References

[1] CIB, publication. CIB 1982. Working with the performance approach in building. Report ofWorking Commission W60, CIB Publication 64. CIB, Rotterdam, The Netherlands. 30 p.

[2] PeBBu (Performance Based Building) Thematic Network. Web site: http://www.pebbu.nl/ .

[3]  European  Construction  Technology  Platform,  ECTP,  Vision  2030  report  at:http://www.ectp.org .

[4]  PeBBu  DST  final  reports.  Web  sites: http://cic.vtt.fi/projects/pebbu  andhttp://www.pebbu.nl/maincomponents/newtasks/toolkitpbb/ .

Porkka,  J.,  Huovila,  P.,  Gray,  C.  and  Al  Bizri,  S.  2004.  Decision  Support  Tools  forPerformance  Based  Building.  Collaborative  effort  of  VTT  Building  and  Transport(Finland) and University of Reading (U.K.)

Porkka,  J.  and  Huovila,  P.,  Gray,  C.  and  Al  Bisri,  S.  2005.  Conclusions  andRecommendations  on  Decision  Support  Tools  for  Performance  Based  Building.Collaborative effort of VTT Building and Transport  (Finland) and University of Reading(U.K.)

[5]  Preiser,  W.,  Rabinowitz,  H.,  and  White,  E.  1988.  Post­occupancy  Evaluation.  NY:  VanNostrand Reinhold.

[6]  Preiser,  W.F.E.  1996.  Applying  the  performance  concept  to  post­occupancy  evaluation.  InProc  3rd  CIBASTM­ISO­RILEM  International  Symposium,  Tel  Aviv,  Israel,  Becker.  R.  andPaciuk, M. (Eds), Vol. 2, 7­ 43.

[7] Zimring C. M. and Reizenstein J. 1980. Post­occupancy Evaluation: An Overview. Journal ofEnvironment and Behavior, Vol. 12 , Iss. 4, pp429­450.

[8] Zimring C.M. 1987. Evaluation of Designed Environments. NY: Van Nostrand Reinhold.

[9] Chambers M.D. 2003. Post Occupancy Evaluation: A Design & Planning Tool. In NeoCon2003 conference, 18th June 2003. Web site:http://www.merchandisemart.com/neocon/NeoConConfPro/W322.pdf .

[10]  CIB  Master  List  publications  (editions:  1964,  1972,  1983,  1993).  Web  site:http://www.cibworld.nl/

[11]  ASTM  2000.  Standards  On  Whole  Building  Functionality  and  Serviceability.  Secondedition.  American  Society  for Testing  and Materials, West Conshohocken, PA, USA.  ISBN 0­8031­2734­0. 280 p. Web site: http://www.astm.org .

[12] Green Building Challenge (GBC). Web site: http://greenbuilding.ca/ .

[13] Leadership in Energy & Environmental Design (LEED). Web site: http://usgbc.org/ .

[14] VTT ProP® classification and EcoProP tool for systematic requirements management. Website: http://cic.vtt.fi/eco/ecoprop/english/EcoProp_brochure.pdf  .  Free  trial  version  of  EcoProPtool available; please send your contact details to janne.porkka@vtt.fi .

93

[15] Haumer, P., Jarke, M., Pohl, K., Weidenhaupt, K.. 2000. Improving reviews of conceptualmodels by extended traceability to captured system usage. Interacting with computers 13 (2000)p77­95.

[16]  Leinonen,  J.,  Huovila,  P..  2001.  Requirements  management  tool  as  a  catalyst  forcommunication.  2nd  Worldwide  ECCE  Symposium.  Information  and  CommunicationTechnology in  the Practice of Building and Civil Engineering. Espoo, Finland, 6 ­ 8 June 2001.Association of Finnish Civil Engineers RIL

[17] Huovila P., Leinonen J., Paevere P., Porkka J. & Foliente G. 2004.Systematic PerformanceRequirements  Management  of  Built  Facilities.  Clients  Driving  Innovation  InternationalConference,  25­27th  October  2004,  Queensland,  Australia.  Conference  paper  written  by  VTTFinland and CSIRO Australia.

[18]  Akao,  Y..  1969.  Quality­Featuring  Characteristics  of  Quality  Control.  Quality  Control,JUSE, Vol. 20, No. 5, pp. 37­41.

[19] Huovila, P., 1999. Managing the Life Cycle requirements of facilities, in: Lacasse, Michael& Vanier, Dana (ed.). Proceedings of the 8th International Conference on Durability of BuildingMaterials and Components ­ 8dbmc, Vancouver, Canada, May 30 ­ June 3 1999, NRC ResearchPress, Ottawa, pp. 1874 – 1880.

[20]  Kamara,  J.  M.,  Anumba,  C.  J.  and  Evbuombwan,  N.  F.  O.,  1999.  Client  requirementsprocessing  in  construction:  A  new  approach  using  QFD,  Journal  of  Architectural  Engineering,Vol 5, No 1, March, pp. 8­15.

[21]  HUT  2002.  Value  Tree  Analysis.  Report  published  by  Systems  Analysis  Laboratory  inHelsinki  University  of  Technology  (30thApril  2002).  74p.  In  web,  verified  on  16thJune  2004.http://www.mcda.hut.fi/value_tree/theory/theory.pdf .

[22]  Saaty T. L. 1986. Axiomatic Foundation of  the Analytic Hierarchy  Process. ManagementScience, volume 32, issue 7.

[23]  Web­HIPRE  software  is  freely  downloadable  for  non­commercial  academic  use  andpreliminary testing in commercial use . Web site: http://www.hipre.hut.fi .

[24]  Steward  D.V.  1981.  Systems  Analysis  and  Management:  Structure,  Strategy  and  Design.Petrocelli Books, Princeton, NJ. 287 p.

[25]  DSMWEB.  DSM  research  teams  in  Massachusetts  Institute  of  Technology  (MIT)  andUniversity of Illinois at Urbana­Champaign (UIUC). Web site: http://www.dsmweb.org/ .

[26] iBUILD tool. Web site: http://www.ibuild­online.com/ .

[27] IFD­building. Web site: http://www.ifd­building.com .