《BUILDING AND ENVIRONMENT》：Enhancing the dynamic thermal performance of wall components through shape optimization: method and application to extruded blocks and 3D-printed walls
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本研究提出形状优化方法，结合计算工具与热传递理论，优化多孔墙体设计以提升被动冷却性能并减少材料消耗。通过陶瓷块和3D打印黏土墙系统的多目标优化，实现热容量提高60%、时间常数改善84%、重量仅增5%，并通过三个全尺寸原型在温和气候中的测试验证了动态热性能。
Eduardo Gascón Alvarez | Alexander Curth | Caitlin T. Mueller | Leslie K. Norford
美国麻省理工学院，马萨诸塞州剑桥市马萨诸塞大道77号，邮编02139
摘要
具有集成空气腔的建筑构件，如隔热粘土块或3D打印的土墙，利用静止空气的低导热性来提高其热阻（R值），同时减少了通常碳含量较高的材料的使用。然而，这些构件（在本研究中称为多空腔墙体构件）的设计往往忽略了它们储存热量的能力，这阻碍了具有增强热质量性能的块材和墙体的发展。此外，块材和墙体的设计很少在它们的实体性能和运行性能之间达到最佳平衡，而在考虑建筑物的全生命周期影响时，这是一个关键方面。本研究通过一种新颖的形状优化方法填补了这些空白，该方法结合了最先进的计算设计工具和基本的热传递理论，以促进发现具有最佳被动冷却性能（以热容量[kJ/m2K]衡量）和最小重量[kg/m2]的墙体设计。通过两种不同墙体系统的多目标优化，展示了应用这种方法的好处：（1）具有多个空气腔的挤出陶瓷块；（2）3D打印的土墙系统。结果提供了定量证据，支持专门为提高热韧性而设计建筑构件，实现了在不增加额外材料的情况下热容量提高60%的形状优化块材，以及时间常数提高84%且重量仅增加5%的3D打印墙体。最后，在温带气候下建造和监测三个全尺寸原型，通过实验测量其动态热性能提供了额外的验证。
章节摘录
引言
全球每年销售的混凝土和陶瓷块数量接近两万亿块，它们是住宅建筑中普遍使用的墙体建造系统，尤其是在木材或钢材等替代材料较为稀缺的地区[1]。在最基本的形式下，作为空心混凝土块或实心粘土砖，这些砌体元素由于使用了水泥作为粘合材料或在制造过程中经历了高温烧制过程，通常会含有大量的碳。
热质量与气候变化
从泥砖到压缩土块和夯土墙，热质量是一种在温带和炎热干燥地区常见的被动冷却策略。这些围护结构的高比热和密度使建筑物能够像热电池一样在白天储存能量，并在夜间释放能量（通常通过更高的空气交换率来利用较冷的室外空气），从而减缓室内空气温度的波动并避免室内
方法：优化墙体构件的形状以提高热质量性能并减少材料消耗
本节提出了一种新颖的计算设计框架，用于优化墙体构件的内部几何形状，以提高动态热性能并最小化材料消耗，同时考虑制造约束。图1总结了该方法的主要步骤。首先，通过参数化构件几何形状并定义所需的制造约束和性能目标来构建多目标优化问题（第3.1节）。其次，
结果
本节展示了将所提出的形状优化方法应用于两种具有不同制造系统的墙体构件的结果。第4.1节重点关注更为传统的挤出陶瓷块解决方案，而第4.2节则关注3D打印土墙，这是一种更为实验性且日益重要的低碳建造技术。前一节中介绍的参数模型在这里根据每种情况的制造约束和设计目标进行了调整，
结论
本文提出了一种优化基于土的墙体构件内部几何形状的方法，作为在不影响材料影响的情况下提高建筑物被动冷却性能的有前景的方法。本文（1）提出了一种新的计算设计方法，用于生成在热质量性能和重量之间达到最佳平衡的墙体构件几何形状；（2）展示了通过应用该方法在两种不同情况下实现高性能设计的可能性
CRediT作者贡献声明
Eduardo Gascón Alvarez：撰写——初稿、可视化、验证、方法论、调查、概念化。Alexander Curth：撰写——初稿、验证、调查、概念化。Caitlin T. Mueller：撰写——审阅与编辑、概念化。Leslie K. Norford：撰写——审阅与编辑、方法论、概念化。
