哈工大：3D打印建筑物對環(huán)境性能影響的研究（材料、工藝），指導(dǎo)3D打印建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計！

導(dǎo)讀：三維打印建筑技術(shù)被認(rèn)為具有相當(dāng)大的可持續(xù)發(fā)展優(yōu)勢，這些優(yōu)勢包括提高資源效率、提高建筑生產(chǎn)力以及在沒有支撐結(jié)構(gòu)的情況下建造復(fù)雜的幾何形狀。3D打印混凝土材料使用粉煤灰、硅灰和礦渣等工業(yè)廢料做到節(jié)約材料的同時，也會帶來額外的可持續(xù)性優(yōu)勢。那么這種可持續(xù)化到底是多少呢？能否用數(shù)字具體的量化或者定性化呢？

南極熊獲悉，2022年3月11日，中國哈爾濱工業(yè)大學(xué)（深圳）經(jīng)濟與管理學(xué)院 、 新加坡南洋理工大學(xué) 、 美國賓夕法尼亞州立大學(xué)工業(yè)與制造工程系的研究者們聯(lián)合發(fā)表了一篇題為《A comparative study on environmental performance of 3D printing and conventional casting of concrete products with industrial wastes 》（用工業(yè)廢料進行3D打印和傳統(tǒng)鑄造混凝土產(chǎn)品的環(huán)境性能比較研究）的研究文章。此文章探究了3D打印技術(shù)的環(huán)境優(yōu)勢和相關(guān)問題，讓我們一起看看他們具體的研究成果吧！

研究者們通過生命周期評估（LCA）調(diào)查了使用3D可打印混凝土材料（工業(yè)廢料）與傳統(tǒng)材料相比對環(huán)境的影響。比較了應(yīng)用于混凝土澆注或3D打印的兩種混凝土材料，即水泥基混凝土和聚合物混凝土的影響結(jié)果。結(jié)果表明，使用廢料作為水泥替代品可以帶來環(huán)境效益；然而，這種環(huán)境效益會隨著三維混凝土打印的聚合物混凝土中活化劑含量的增加而減弱�；�于上述材料層面的LCA結(jié)果，本研究進一步進行了打印層面的LCA研究，研究了用Contour Crafting方法建造的不同形狀的混凝土構(gòu)件的壽命周期環(huán)境影響。結(jié)果顯示，3D混凝土打印的潛在環(huán)境效益隨著建筑復(fù)雜程度的增加而增加。

LCA是一種研究手段，生命周期評估（LCA）是為了評估產(chǎn)品系統(tǒng)在整個生命周期內(nèi)的投入、產(chǎn)出和潛在的環(huán)境影響（ISO，2006）的方法。它提供了環(huán)境影響的定量結(jié)果，因此可以為3D打印結(jié)構(gòu)的環(huán)境性能提供更多可靠的結(jié)果。具體的LCA研究步驟可以在文末的文章鏈接中查看。


△功能單元和系統(tǒng)邊界的定義（用于LCA評估）

首先，研究者們進行了3D打印和鑄造混凝土產(chǎn)品使用的不同材料對環(huán)境性能影響的比較研究，他們比較了應(yīng)用于混凝土澆筑或3D打印的兩種混凝土材料，即OPC基混凝土和聚合物混凝土。結(jié)果表明，盡管土工聚合物混凝土引入了約20%的工業(yè)廢料，并被認(rèn)為是OPC基混凝土的更環(huán)保的替代品，但當(dāng)應(yīng)用于3D打印時，其性能并不優(yōu)于OPC基混凝土。 這是因為聚合物混凝土具有更高的激活劑含量，而激活劑含量對于可打印材料的可建性是至關(guān)重要的。


△各種工藝對混凝土生產(chǎn)的環(huán)境影響的貢獻

其次，研究者們研究了3D打印的制造方式傳統(tǒng)制造方式對環(huán)境性能的影響。結(jié)果顯示，3D混凝土打印的潛在環(huán)境效益隨著建筑復(fù)雜程度的增加而增加，隨著模板重復(fù)使用時間的增加而減少，從而得出結(jié)論，3D混凝土打印方法更適合建造非重復(fù)的自由形狀的混凝土結(jié)構(gòu)。


△使用3D打印模板建造的混凝土構(gòu)件的LCA結(jié)果（以使用傳統(tǒng)模板的澆注方法的數(shù)值為標(biāo)準(zhǔn)）

研究人員的比較結(jié)果對建筑業(yè)的從業(yè)人員也有實際意義。
●首先，有必要優(yōu)化通過Contour Crafting方法建造的部件結(jié)構(gòu)的設(shè)計，因為它的結(jié)構(gòu)強度可能比傳統(tǒng)鑄造的要弱。此外，可能需要額外的措施來確保輪廓工藝部件的結(jié)構(gòu)特性，這很可能會增加環(huán)境負(fù)擔(dān)，不能忽視。

●此外，3D打印的潛在環(huán)境效益與實際項目設(shè)計密切相關(guān)。在選擇施工方法時，應(yīng)考慮到所建筑的對象的復(fù)雜性和可重復(fù)性。

●最后，3D打印技術(shù)有可能在不增加很多環(huán)境影響的情況下建造出具有更高復(fù)雜性的元素。

同時，文章指出審美偏好（如使用復(fù)雜的墻體進行裝飾）和功能考慮（如使用簡單的直墻進行隔斷）應(yīng)該在制造前進行平衡，避免不必要的過度復(fù)雜的設(shè)計。還應(yīng)進一步努力確定平衡點，使得3D打印和傳統(tǒng)建筑方法在環(huán)境影響方面能夠達(dá)到一定的平衡。對結(jié)構(gòu)復(fù)雜性的定義和分類至關(guān)重要，在此基礎(chǔ)上可以確定平衡點，以促進選擇最合適的制造設(shè)計。

論文鏈接：https://doi.org/10.1016/j.chemosphere.2022.134310