Sustainable Design

A Relentless Driving Force for Innovation & Research
in European Construction of the Future

| Home

Author : Mr. C. J. Walsh
Architect, Fire Engineer, and Technical Controller
Chief Technical Consultant, Sustainable Design International Ltd.
Member of IABSE
Member of CIB

Keywords :
Built  Environment, Sustainability, 'Real'  Implementation, Creativity, Innovation, Futures  Scenario, Strategy, Focused Research Agenda . 


1.         Introduction : 

In  the  European  Union,  a  clear  legal  basis  in  its  Constitution,  continuing  political  commitment  at  the  level  of  Council  of  Ministers,  legally  binding  compliance  with  the  1997  Kyoto  Protocol  (COP 3) ,  the  urgent  assignment  of  the  Commission  to  implement  policies  on  sustainable  development,  more  balanced  economic  progress,  social  justice  and  inclusion,  etc.,  and  strong  public  support  for  such  policies,   are  slowly  generating  sufficient  pressure  to  force  a  radical  change  of  pace  and  direction  on  what  has  been,  until  now,  an  inefficient,  environmentally  destructive,  and  very  wasteful  major  industrial  sector,  i.e.  construction. 

A  proper,  rational  response  for  the  industry  must  be  to  produce  an  articulated  vision  of  a  future  'built  environment'  which  deals  effectively  with  this  pressure,  and  which  also  clarifies  the  nature  of  the  task  in  front  of  us,  the  actions  and  timescales  required,  and  the  paths  to  be  taken  ........ 

' The  big  picture  on  this  planet,  and  the  long-term  goal  over  the  next  century  in  Europe, 
is  sustainable  human  and  social  development,  i.e.  the  creation  of  a sustainable 
'built  environment'  within  a  flourishing  'natural  environment',  each  co-existing  with 
the  other  in  harmony  and  dynamic  balance,  and  each  in  their  own  way,  capable  of
  providing  for  responsible  and  equitable  human,  social, cultural  and  economic development. 

And  although  construction  related  sustainability  performance  indicators  will  dictate
future  progress  towards  this  regional  goal,  nothing  less  than  a  quantum  leap in  the 
evolution  of  design  philosophy  and  construction  work  methods  will  be  required 
to  even  begin  to  meet  this  daunting  challenge. ' 


Especially  at  this  time,  therefore,  there  is  no  greater  need  than  to  encourage  creativity  and  innovation  in  all  aspects  of  construction,  and  to  produce  a  focused,  empirical  research  agenda.    The  approach  to  developing  'real',  cost  effective  solutions,  in  the  form  of  practical  guidelines,  must  be  widely  multi-disciplinary.    An  active  dialogue  between  practitioners,  researchers  and  end-users,  based  on  direct  and  meaningful  consultation,  partnership,  and  consensus,  must  become  the  standard. 

This  paper  demonstrates  that   Sustainable  Design   is  the  most  cogent  driving  force  for  innovation  and  research  in  European  construction,  as  we  stand  at  the  beginning  of  the  21st Century.    The  logic  of  this  evolving  design  philosophy  is  all-encompassing,  coherent  .....  and  relentless.    A  route  map  for  the  realization  of  a  sustainable  'built  environment'  is  drawn,   and  the  principal  elements  in  a  necessary  Interim  Construction  &  Technical  Control  Research  Agenda  (2010)  are  itemized. 


2.         First  Pit  Stops  on  the  Journey  Towards  the  European  Long-Term  Goal

In  1998 [ a ],  it  was  estimated  that  20 %  of  the  world's  population  in  the  highest-income  countries  consumed  58 %  of  total  energy,  while  the  poorest  fifth  consumed  less  than  4 %  -  and  that  the  burning  of  fossil  fuels  had  almost  quadrupled  since  1950.    We  see  before  us  in  Europe  a  fragmented  'built  environment',  with  a  social  fabric  which  is  threadbare  and  torn  in  many  areas  -  Appendix A ;   and  it  is  clear,  at  the  time  of  writing,  that  the  European  Union  will  not  successfully  meet  the  first  major  target  of  the  new  millennium,  'Kyoto'. 

Arriving  at  a  Consensus  on  'Sustainable  Human  and  Social  Development' 

Europe  must  therefore  decide,  now  and  not  later,  whether  its  own  future  development,  and  its  relationships  with  other  global  regions,  will  take  the  course  of  ........ 
(i) 'business  as  usual' ; 
(ii) 'business  as  usual  -  but  with  merely  cosmetic  tinkering  at  the  edges' ;
(iii) 'sustainable  human  and  social  development'. 

The   1998  European  Charter  on  Sustainable  Design  &  Construction [ b ]  raises  the  issues  which  must  be  addressed,  and  the  manner  in  which  this  decision  should  be  made. 

A  Futures  Scenario  &  Strategy  for  Europe 

The  E.U.  already  has  an  existing,  highly  evolved  legal  base  which  underpins  an  extensive  array  of  policies  and  actions  relating  to  sustainable  human  and  social  development.    Together  with  the  legally  binding  commitments  agreed  in  the  1997  Kyoto  Protocol [ c ],  Europe  is  well  positioned,  and  morally  bound,  to  produce  a  comprehensive  'sustainability'  strategy  for  the  next  century,  with  a  core  value  being  social  justice  and  inclusion.    The  Amsterdam  Treaty [ d ]  makes  the  formulation  of  this  strategy  a  necessity.    Existing  futures  scenarios  should  be  revised  to  take  account  of  the  next  phases  of  E.U. enlargement.    See  Appendix B  

Action  Programme  on  Sustainable  Design  &  Construction  for  the  21st Century 

Critically,  emphasis  must  be  placed  on  creative  design,  competent  implementation,  reliable  targeting  of  performance  -  and  a  fundamental  re-organization  of  our  European  institutional  frameworks. 

Essential  components  in  the  Action  Programme  are  ........ 

(i) the  elaboration  of  detailed  construction  related  sustainability  performance  indicators  -  at  European,  regional  and  local  levels  -  and  the  development  of  a  sustainability  label  award  scheme  to  give  direction  to  this  enormous  task  of  work ;
(ii) the  wide  dissemination  of  practical  design,  construction  and  management  guidance ; 
(iii) the  production  of  a  sharp,  focused  construction  and  technical  control  research  agenda. 



3.         Sustainable  Human  &  Social  Development 

'Sustainable  Development'  was  defined  in  1987 [ e ],  as  ........ 

' development  which  meets  the  needs  of  the  present  without
  compromising the  ability  of  future  generations  to  meet  their  own  needs '

However,  with  the  benefit  of  many  years'  hindsight,  a  more  evolved  understanding  of  'sustainable  development'  should  also  embody  a  resolution  of  the  some  further  issues :- 
  • the  place  of  human  beings  in  the  environment,  and  the  relationship  between  both ; 
  • the  nature  of  human,  social,  cultural,  economic,  institutional  and  political  development,  their  current  imbalances  and  inequities,  and  their  future  course ; 
  • the  healing  of  existing  harm  and  injury  to  the  'natural  environment'. 

Principle 1  of  the  Rio  Declaration  on  Environment  and  Development [ f ]  states  ........ 

' Human beings are at the centre of concerns for sustainable development.
They are entitled to a healthy and productive life in harmony with nature.' 

And  the  World  Health  Organisation,  in  the  preamble  to  its  Constitution,  defines  'health'  as  ........ 

' a state of complete physical, mental and social wellbeing, and
not merely the absence of disease or infirmity '. 

As  we  begin  the  21st Century,  a  growing  consensus  in  Europe  is  finally  acknowledging  that  in  order  to  accommodate  further  human  and  social  progress,  with  an  assured  minimum  quality  of  life  and  health  for  all  peoples,  harmony  between  global  regions,  and  world  economic  stability,  it  will  be  necessary  to  convert  from  current  irresponsible  patterns  of  human  and  social  development,  with  their  attendant  wasteful  environmental  destruction  and  societal  stresses. 



4.          'Watching'  Existing  Legislation,  Standards  &  Documentation 

In  the  forward  evolution  of  the  European  Union,  the  Amsterdam  Treaty  represents  significant  progress  -  the  'principle'  of  sustainable  development  is  now  incorporated  in  its  primary  legislation,  i.e.  Constitution.    Although  not  defined,  or  even  expressed  in  the  clearest  terms,  this  is  an  important  basis  from  which  to  begin.    The  next  Treaty  must  strengthen  and  elaborate  the  concept. 

The  1994  Energy  Charter  Treaty [ g ]  provides  some  useful  definitions ........ 

Energy  Cycle : 

' The  entire  energy  chain,  including  activities  related  to  prospecting  for,  exploration,  production,  conversion,  storage,  transport,  distribution  and  consumption  of  the  various  forms  of  energy,  and  the  treatment  and  disposal  of  wastes,  as  well  as  the  decommissioning,  cessation  or  closure  of  these  activities,  minimising  harmful  environmental  impacts. ' 

Environmental  Impact :  ( requires  further  improvement ) 

' Any  effect  caused  by  a  given  activity  on  the  environment,  including  human  health  and  safety,  flora,  fauna,  soil,  air,  water,  climate,  landscape  and  historical  monuments  or  other  physical  structures  or  the  interactions  among  these  factors ;  it  also  includes  effects  on  cultural  heritage  or socio-economic  conditions  resulting  from  alterations  to  those  factors. ' 

EN ISO  14040 [ h ]  defines  Life  Cycle  Assessment  as  follows  ........ 

' Compilation  and  evaluation  of  the  inputs,  outputs  and  the  potential  environmental
impacts  of  a  product  (and/or  service)  system  throughout  its  life  cycle. '


The  Implementation  Plan  for  the  United  Nations  Commission  on  Sustainable  Development  (UNCSD)  Work  Programme  on  'Indicators  of  Sustainable  Development'  is  now  in  its  3rd Phase :  January  1998  until  January  2001.    An  initial  Working  List [ j ]  of  Indicators  has  already  been  produced  which  is  intended  for  global  application.    These  indicators  cover  four  aspects  of  Sustainable  Development,  i.e.  SocialEconomicEnvironmental ,  and   Institutional ,  and  are  presented  in  a   Driving  Force - State - Response   framework ;   trial  application  is  taking  place  in  four  global  regions :  Africa,  Asia  &  Middle East,  Europe,  Americas  &  Caribbean . 

A  reasonable  target  for  construction  related  performance,  now,  must  be  to  meet  the  criterion  of  'economic  viability  and  technical  feasibility',  based  on  accurate  life  cycle  assessment  and  costing  -  using  proven  state-of-the-art  technology  and  methods  of  work,  both  of  which  are  readily  sourced  in  today's  European  marketplace.    We  must,  however,  agree  on  a  future  common  definition  of  'Sustainability  Impact',  and  calculation  methods  must  be  improved,  so  that  we  will  be  able  to  produce  a  reliable  'Life  Cycle  Analysis'  or  a  'Life  Cycle  Appraisal'  of  a  product,  or  service. 


5.         Route  Map  to  a  Sustainable  'Built  Environment'  in  Europe 

Click here to download in PDF format

Figure 1  -  Model  of  a  Complex,  Dynamic  System 
( Click image to download in PDF format )


Stage  I 

The  realistic  end  condition,  or  'reality' ,  is  a  sustainable  built  environment  -  the  response,  in  built  form,  to  the  concept  of  sustainable  human  and  social  development.    It  may  take  another  7-10  years  before  we  fully  understand  this  concept. 

Literature  dealing  with  'reality'  is  reviewed.    Relevant  hypotheses  are  extracted,  and  as  many  variables  as  possible  are  identified.    Inputs  also  include  the  futures  scenario(s),  and  initial  construction  related  sustainability  performance  indicators.    Use  of  statistics  is  limited  to  those  which  can  be  shown  to  be  impartial,  reliable,  objective,  scientifically  independent,  cost-effective  and  statistically  confidential  [ see  the  Amsterdam  Treaty [ d ]  -  New  Article  213a  in  the  TEC ] . 


Stage  II 

An  'artificial  reality'  is  designed  which  is  complex  enough  to  permit  testing  of  the  hypotheses  formulated  in   Stage  I .     Observations  must  be  capable  of  description  in  quantitative  terms. 


Stage  III 

'Artificial  reality'  is  broken  down  into  simple  experimental  situations  at  small  and  medium  scale,  e.g.  advanced  energy  surveying  of  buildings  or  groups  of  buildings  using  infra-red  thermography,  detailed  analysis  of  air  quality  in  buildings  and  at  external  locations,  real  time  monitoring  of  thermal  comfort (EN ISO  7730)  conditions  in  buildings,  etc.,  which  generate  test  results  under  controlled  conditions,  i.e.  a  laboratory  in  the  real  environment. 

Special  attention  is  paid  to  measurement / calculation  uncertainty,  and  test  method  precision.    Computer  models  must  be  transparent  to  practitioners,  and  validated  by  an  independent,  competent  individual  and/or  organization. 

Questionnaire  surveys  are  carried  out  with  real  users  of  buildings,  civil  engineering  works  and  infrastructural  networks,  e.g.  transport.    To  be  effective,  it  is  essential  that  a  survey  is  carried  out,  on  a  person-to-person  basis,  by  an  independent,  competent,  non-threatening  individual,  using  open  and  closed  format  questions.    These  surveys  are  not  only  very  valuable  sources  of  information,  but  they  formalize  the  process  of  meaningful  consultation  between  practitioners  and  end  users. 

Stage  IV 

A  simple  theory,  or  microtheory,  is  developed  to  explain  the  test  results,  e.g.  'person-centredness'  of  the  built  environment.    When  this  microtheory  is  tested  and  found  valid,  it  is  expanded  to  contain  test  results  in  more  complex  situations.    This  process  is  repeated  until  a  macrotheory  is  formulated  which  explains  the  'artificial  reality' . 


Stage  V 

'Artificial  reality'  is  modified  in  the  direction  of  'reality'  and   Stage  IV   is  repeated  yielding  a  fresh  macrotheory.    The  process  is  repeated  again  and  again. 


Stage  VI 

When  a  macrotheory  is  sufficiently  developed,  it  can  be  used  to  extrapolate  an  explanation  of  'reality' . 

It  is  essential  that  such  a  'theory  of  reality'  be  accessible  to  all  concerned  with  the  implementation  of  sustainable  design,  construction / de-construction  and  maintenance  in  the  built  environment  and,  therefore,  a  boundary  to  the  use  of  terminology  is  delineated. 

Terminology  must  focus  on,  and  be  always  directly  related  to,  the  realistic  end  condition. 



6.1        Conclusion 

Without  a  concerted  programme  of  innovation,  research,  development,  demonstration  and  precise  observation  of  results,  the  system  described  in  5  above  will  remain  static,  and  the  desired  end  condition,  i.e.  a  sustainable  'built  environment',  cannot  be  attained.    Passive  'watching'  of  technology  is  of  little  benefit ;   to  be  useful,  technology  must  serve  a  vision.    Sustainable  Design  is  tailor-made  as  the  most  cogent  and  relentless  driver  for  this  task  in  construction  of  the  future. 


6.2        Interim  Construction  &  Technical  Control  Research  Agenda  (2010) 

Notwithstanding  the  recent  disappointing  Communication  from  the  E.U. Commission,  'Towards  a  European  Research  Area' [ k ] ,  principal  elements  in  a  focused  and  necessary  interim  research  agenda  should  be  the  development  and  demonstration  of  ........ 

  • A  Harmonized  European  Sustainability  Label  Award  Scheme  for  Buildings & Civil Engineering Works
    • utilizing  construction  related  sustainability  performance  indicators 

  • An  Extensive  Array  of  Non-Destructive,  Construction  Performance  Monitoring  Devices
    • reliable,  cost-effective  and  portable

  • The  Sustainable  Building    which  relates,  in  harmony  and  balance,  with  the  'natural  environment',    and  is  ........ 
    • 'person-centred'  &  socially  inclusive
    • 'flexible'  &  'adaptable'
    • spatially  complex,  with  some  ambiguity,    and  yet  understandable,  e.g.  easy  for  building  users  to  find  their  orientation,  and  to  'connect'  with  the  exterior
    • electronically  'mature',  yet  energy  efficient  throughout
    • a  'place'  of  stimulation  and  encouragement  to  human  creativity
    • economically  viable  &  technically  feasible
    • beneficial  with  regard  to  'environmental impact'  ( further  improved  definition ) 

  • Means  for  the  Collection,  Storage  &  Management  of  Reliable  Construction  Related  Data  and  Statistics
    • in  each  E.U. Member  State  /  inter-linked,  and  controlled  by  Eurostat  in  Luxembourg 

  • Sustainable  Planning  of  the  'Built  Environment'  ( urban,  rural  and  marine )

  • Sustainable Civil  Engineering,  Service  &  Infrastructural  Works 



7.          References 

[ a ]

United  Nations  Development  Programme  ~  Human  Development  Report  1998.

Human  Development  Report  Office  -  336  E. 45th Street,  Uganda  House,  New  York NY 10017,  USA

[ b ]

European  Charter  on  Sustainable  Design  &  Construction

Walsh,  C.J. -  Sustainable  Design  International.      In  co-operation  with  the  Commission  of  the  European  Union,  and  CIB.      Adopted  in  Dublin,  Ireland,  on  6th November  1998. 

[ c ]

UNFCCC  -  The  Kyoto  Protocol : 1997 

Agreed  at  the  3rd meeting  of  the  Conference  of  the  Parties  (COP 3)  to  the  U.N.  Framework  Convention  on  Climate  Change.      Kyoto,  Japan.      December,  1997.      This  Protocol  sets  legally  binding  targets  for  different  regions  of  the  'developed  world'  to  limit  emissions  of  an  aggregate  of  six  greenhouse  gases :   CO2 ,  CH4 ,  N2O,  PFC's ,  HFC's ,  and  SF6

[ d ] 

E.U.  Amsterdam  Treaty  (97/C  340/01) 

Treaty  of  Amsterdam  amending  the  Treaty  on  European  Union,  the  Treaties  establishing  the  European  Communities  and  certain  related  acts,  signed  at  Amsterdam,  2nd. October  1997.      Official  Journal  of  the  European  Communities,  Series  C,  No. 340,  1997-11-10. 

[ e ] 

Our  Common  Future 

Report  of  the  World  Commission  on  Environment  and  Development.      Oxford  University  Press.      New  York.      1987. 

[ f ]

Declaration  of  the  United  Nations  Conference  on  Environment  and  Development 

Adopted  at  Rio de Janeiro,  Brazil,  on  14th June  1992.      Download  the  Declaration  from  the  Internet  - /esa/sustdev/agenda21.htm .

[ g ]

Energy  Charter  Treaty 

Lisbon,  Portugal.      December,  1994.      OJ  No. L  380,  1994-12-31.      Office  for  Official  Publications  of  the  European  Communities.      Luxembourg. 

[ h ]

EN ISO  14040 : 1997 

Environmental  Management  -  Life  Cycle  Assessment  -  Principles  and  Framework.

[ j ] Download  information  on  'Indicators  of  Sustainable  Development'  from  the  Internet  -                      

[ k ]

Towards  a  European  Research  Area  (PDF File, 307kb)

Communication  from  the  Commission  to  the  Council,  the  European  Parliament,  the  Economic  and  Social  Committee,  and  the  Committee  of  the  Regions.      Brussels,  18th January 2000  -  COM (2000) 6. 



8.         Appendices

A.        A  Fragmented  'Built  Environment'  in  Europe  ( drawing  by  kind  permission  of  E. Sire,  Architect,  Sweden )

B.         A  Futures  Scenario  for  Western  Europe  -  'New  Earth 21'  Strategy 



Top of Page | Back | Home