哈工大：3D打印建筑物對(duì)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(jì)！

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(shì)，這些優(yōu)勢(shì)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(shí)，也會(huì)帶來額外的可持續(xù)性優(yōu)勢(shì)。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(jì)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(jìn)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(shì)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(píng)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(duì)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(huì)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。基于上述材料層面的LCA結(jié)果，本研究進(jìn)一步進(jìn)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(píng)估（LCA）是為了評(píng)估產(chǎn)品系統(tǒng)在整個(gè)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(píng)估）

首先，研究者們進(jìn)行了3D打印和鑄造混凝土產(chǎn)品使用的不同材料對(duì)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(shí)，其性能并不優(yōu)于OPC基混凝土。 這是因?yàn)榫酆衔锘炷辆哂懈叩募せ顒┖?，而激活劑含量?duì)于可打印材料的可建性是至關(guān)重要的。


△各種工藝對(duì)混凝土生產(chǎn)的環(huán)境影響的貢獻(xiàn)

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(duì)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(shí)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(duì)建筑業(yè)的從業(yè)人員也有實(shí)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(jì)，因?yàn)樗慕Y(jié)構(gòu)強(qiáng)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(huì)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(shí)際項(xiàng)目設(shè)計(jì)密切相關(guān)。在選擇施工方法時(shí)，應(yīng)考慮到所建筑的對(duì)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(shí)，文章指出審美偏好（如使用復(fù)雜的墻體進(jìn)行裝飾）和功能考慮（如使用簡單的直墻進(jìn)行隔斷）應(yīng)該在制造前進(jìn)行平衡，避免不必要的過度復(fù)雜的設(shè)計(jì)。還應(yīng)進(jìn)一步努力確定平衡點(diǎn)，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(duì)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(diǎn)，以促進(jìn)選擇最合適的制造設(shè)計(jì)。

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