节材型3D打印混凝土桥梁的生命周期评估：对比可持续性评价

《AUTOMATION IN CONSTRUCTION》：Life cycle assessment of a material-efficient 3D-printed concrete bridge: Comparative sustainability evaluation

　　

• 提出了评估混凝土结构可持续性的整体方法。• 以结构体为功能单位，开展了从摇篮到大门的生命周期评估分析。• 将3D打印制造的节材型结构体系与传统设计方案进行了对比。• 3D打印结构在排放驱动、人类和生态系统毒性以及资源和能源相关类别方面的环境影响显著较低。• 3D打印混凝土配合比中较高的水泥含量导致了较高的全球变暖潜值（GWP）。

1. 引言

3D混凝土打印（3DCP）作为一种新兴技术，有望显著影响行业现状，并克服传统建筑过程中的多项局限。3DCP专注于逐层构建结构的配送系统。然而，3DCP技术在建筑相关应用中仍处于早期发展阶段。用于打印自立式结构的工艺尚不足以支撑大规模应用。3DCP之所以日益受到关注，在于其有望交付形态优化的结构，实现功能高效 [1]、[2]。与依赖矩形体形态的传统浇筑方法不同，3DCP实现了无模具施工，为建筑和结构设计提供了自由度 [3]、[4]。这一能力已通过制造几何定制化结构构件得以验证，例如定制柱体 [5]、[6]。按需布置材料使得开发高效结构形态成为可能，在最小重量下实现高性能水平 [7]、[8]。在传统混凝土结构中，自重占总荷载的相当大比例，导致材料利用率低下，因为大部分抗力被用于支撑结构自身的重量。此外，在传统施工中，混凝土构件通常依赖模板系统进行成型。这些模板系统必须经过设计，以承受重力荷载和新鲜混凝土施加的侧向压力。模板可占施工总成本近一半，当模板需要定制时，这一比例可能进一步上升 [9]、[10]。通过拓扑优化，在应力分布和荷载条件的指导下，可去除不必要部位的材料以优化结构构件 [11]、[12]。这可在保持所需结构性能的同时，大幅降低材料用量和自重需求 [13]、[14]。3DCP凭借其仅在结构必需处沉积材料的能力，可创建轻量化、高性能的定制形状构件。3DCP提供了一条从数字到实体的制造路径，可实现形态优化的结构高效几何体——这些几何体在传统模板施工方法中很难实现。

混凝土可持续施工实践主要聚焦于缓解环境影响和降低碳足迹。实现净零碳排放的首要关注点需从三个层面来理解：（a）胶凝材料层面；（b）混凝土层面；（c）结构层面，如图1所示。在胶凝材料层面，策略侧重于通过使用辅助胶凝材料（SCMs）和替代胶凝体系来降低熟料含量。Hossain等人 [15] 评估了用于改善混凝土可持续性的替代胶凝体系。Singh和Prasad [16] 展示了混凝土中用高量粉煤灰和粒化高炉矿渣替代熟料的环境效益。Gettu等人 [17] 提出了一种基于可持续性的框架，在考虑环境影响的同时兼顾强度和耐久性来选择含SCMs的混凝土配合比。包含石灰石煅烧粘土水泥在内的低熟料水泥体系也已被研究用于改善混凝土的环境性能 [18]、[19]。在3D混凝土打印领域，可持续胶凝材料同样被探索作为减轻胶凝材料相关环境负担的途径 [20]。相关努力还致力于降低胶凝材料加工相关的能耗 [21]、[22]。在混凝土尺度上，可持续性策略聚焦于优化配合比以减少胶凝材料用量、掺入再生或替代骨料，以及通过降低水胶比和使用外加剂来提高耐久性 [23]、[24]。第三个层面是结构尺度，涉及混凝土的使用。在结构尺度上，生产和建造低碳影响的混凝土结构着重于开发精益建造方法和需要较少混凝土的结构形式。形态优化、使用高性能混凝土、3D打印和模块化系统等技术，可实现节材几何形体和降低自重。此外，结合生命周期评估（LCA）和结构健康监测，可确保长期耐久性、资源效率和降低环境影响。因此，实现混凝土结构可持续性的整体方法应涉及制造出与传统工艺具有相当性能的结构。

图1. 混凝土结构净零考虑的可持续性评估三个层面。

节材设计通过合理放置材料来探索结构效率。降低自重有助于降低结构构件中的应力水平。这使得可利用设计中的正向螺旋效应，而不同于传统设计中依赖增大截面尺寸来提高承载力的做法——后者形成负向螺旋，随着跨度增加使设计更加困难 [25]。随着构件尺寸增大，更大比例的抗力被用于支撑自重。

LCA分析通常按照既定程序开展以评估可持续性 [26]。分析程序为评估不同方案的影响提供了框架。在LCA分析中，产品在开发、使用到处置的每个阶段的环境影响均会被评估。通常在混凝土行业中，LCA主要应用于胶凝材料和混凝土材料层面，以量化环境影响并识别减排机会 [27]、[28]。相关研究评估了掺入再生混凝土产品和工业副产物混凝土的环境性能 [29]、[30]，以及低碳和碱激活胶凝体系 [31]、[32]。大多数分析通常采用从摇篮到大门的方法，使用中间点指标评估多种替代方案。这种方法通常仅基于材料质量，不考虑其性能。将LCA分析适用于结构尺度评估时，需考虑提供相同结构性能水平的多种设计方案，同时兼顾材料用量 [5]。例如，3DCP使用的混凝土配合比通常水泥含量较高，以达到挤压所需的流动性和凝结时间 [33]。因此，在混凝土尺度的LCA分析将显示3DCP所用混凝土具有更高的环境影响 [34]。然而，在结构尺度上，可利用3DCP制造高效结构，从而减少混凝土用量。3D打印的一项环境优势在于其结构优化和功能集成的潜力，例如打印空心或格栅结构或组合多种材料（杂化），从而在满足特定功能需求的前提下最小化材料使用量 [35]。

已有若干研究将3DCP的环境和经济性能与传统施工方法进行了比较。Batikha等人（2022）[36]和Liu等人（2022）[37]评估了与传统混凝土施工相比3DCP的可持续性和环境性能，包括掺入工业废料的体系。Weng等人（2020）[38]比较了3D打印和预制混凝土卫浴单元在经济、环境和生产效率方面的表现，而Lolli等人（2026）[39]评估了不同施工技术下的整栋建筑生命周期碳排放。Ataei和Jafari（2025）[40]报道了3DCP桥梁的环境优势，尽管传统方案中一次性模板的假设可能高估了其环境负担。同样，Abu Ennab等人（2022）[41]展示了使用含替代胶凝材料的3D打印混凝土可显著降低环境影响，但比较主要在材料或构件层面进行，通常基于单位体积或抗压强度而非等效结构性能。相比之下，Pons-Valladares等人（2023）[42]使用定性可持续性框架评估了一座3D打印人行桥，重点关注满意度指标，未严格遵循标准化LCA方法，限制了结果的可比性。此外，3D打印的固有优势，如节材型结构优化，未被充分反映，比较主要局限于运输和加工等次要因素。这些局限性凸显了将LCA扩展至结构层面的重要性，在此层面设计的系统应具备相同的功效性能。在此框架内，3DCP可实现形态优化几何体和高效材料布置，使结构以较少的材料需求达到所需的承载力。因此，基于性能的比较对于准确反映3DCP体系的环境效益至关重要。

本文展示了特定形态结构体系优化的概念。该概念大致遵循"材料跟随力"的原则，用于获得在减轻重量同时最小化传统钢筋需求的外形 [25]。形态优化概念通过设计一座现场组装的两段式打印桥梁加以验证。该桥梁的结构体系在保持刚度的前提下进行了节材优化。本文还在结构尺度上呈现了该形态优化3DCP桥梁的LCA分析。为与传统混凝土设计进行比较，采用IS 456:2000 [43] 中规定的设计理念设计了等效结构板体系。LCA比较了3DCP桥梁与传统人行桥（两者具有相同结构性能）之间的差异。

2. 3D打印桥梁的设计开发

该混凝土结构采用基于逐层的挤压工艺打印，即混凝土沿预定轮廓逐层沉积。混凝土配合比在商用搅拌站中制备后转移至转子泵。混凝土泵以固定流量连续输送混凝土，并通过直径25 mm的喷嘴挤压成型。材料流速维持在30 kg/min，打印速度设定为350 mm/s，以生产宽度50 mm、高度15 mm的打印丝材。使用一台7 m工作半径的商用三自由度机械臂进行混凝土放置。打印路径由机械臂制造商提供的定制软件控制。关于3DCP制造工艺的更多细节见参考文献 [25]。打印装置的示意图见图2。

图2. 混凝土打印系统示意图。

打印所用混凝土配合比采用当地采购的砂和水泥配制。水泥符合IS 12269 1987 [44] OPC 53级的要求。细骨料为最大粒径4.75 mm的河砂，符合IS 383标准 [45] Zone 2的要求。骨料的细度模数（按IS 383: 1970测定）为3.69。使用聚羧酸醚（PCE）基高效减水剂调节配合比的工作性。研究中未使用其他特定流变改性剂。水泥与砂的质量比为1:1。配合比中掺入了0.2%的微细聚丙烯纤维。纤维长度为19 mm，直径为0.026 mm。水灰比（w/c）根据试验室试验设定为0.32。

混凝土材料性能和强度通过从打印梁中取出的立方体试件确定。打印了长500 mm、高150 mm、宽100 mm的混凝土梁。每根梁在每层中包含两根丝材，每根高15 mm、宽50 mm。从梁上切取边长为45 mm的立方体，排除顶部和底部两层。立方体沿与材料坐标轴一致的三个方向进行测试，如图3所示。方向3与挤压方向平行。方向2和方向3定义了材料沉积平面。方向1垂直于打印平面和层间界面。对每个方向测试十三个立方体所得平均强度绘制于图3中。结果的标准差表明抗压强度存在较大变异度。打印体三个方向的抗压强度存在显著各向异性。与放置方向一致的材料表现出最高强度。当在方向2上进行测试时（即荷载方向与丝材平行），获得最低抗压强度。打印体中挤压混凝土的抗压强度采用方向2的抗压强度进行保守估计。

方向2中测得的特征抗压强度为30 MPa。下载：下载高分辨率图片（119KB）下载：下载全尺寸图片 图3.（a）打印构件的材料方向，（b）三个方向的抗压强度。假设混凝土特征抗压强度为30 MPa，设计了一座跨度为7.5 m的桥梁。桥梁的结构形式通过优化给定结构形状内的结构形式来开发，详细内容见Subramaniam等人2026年[25]的研究。矩形区域内的受压区是通过映射主应力轨迹的路径获得的。对矩形截面进行了应力分析，以确定梁内的受压区。主应力矢量场由高度为1.0 m的矩形梁在均布荷载作用下的有限元分析得到（图4a）。荷载路径由归一化应力矢量确定。归一化应力轨迹矢量被处理为流体速度矢量，并在矩形域内识别出受压形式。受压形式内底拱的形状由材料域中的流线确定，流线由主应力方向定义。最小主应力（压应力）的应力轨迹用于确定受压应力场底拱的位置和方向。打印结构的结构形式通过将连续结构的二维应力场替换为由梁单元组成的晶格来开发，代表了新的减重晶格设计，如图4(b)所示。所开发的结构形式由平面内的一条连续丝线组成，受压形式内连续排列着由梁单元组成的晶格。下载：下载高分辨率图片（450KB）下载：下载全尺寸图片 图4.（a）矩形截面的应力分析以确定梁内的受压区，（b）桥梁物理形式和晶格结构的开发。为两部分桥梁开发了具有连续排列梁单元晶格的结构形式。受压形式被确定为厚度50 mm的连续丝线。除了结构的挠度外，还评估了由上弦、底拱以及放置在上弦和底拱之间的斜向构件组成的晶格结构中的应力。打印结构系统通过涉及迭代分析和评估的形式优化过程开发，如图5所示。结构的最终实体面积被确定为矩形面积的22.8%，矩形面积为1.0 m高、7.5 m长[25]。下载：下载高分辨率图片（282KB）下载：下载全尺寸图片 图5. 结构形式内打印元素的晶格系统。该形式逐渐演化，以产生减重、减弱的晶格，同时保持相当的刚度和材料应力。桥梁段在现场附近的实验室中打印，确保打印过程中丝线水平沉积。然后将各段移至现场，通过翻转至最终方向进行安装。每段以50 mm宽、15 mm高的层打印，采用连续丝线打印路径。打印段高度为1.2 m，打印后进行28天的湿养护。每座打印桥的混凝土体积估计为0.8 m3，每段重17.7 kN。各段被运至现场，放置在混凝土墩块上，并在合龙浇筑期间使用千斤顶固定。合龙浇筑包含0.05 m3混凝土，起到现浇拱心石的作用。合龙浇筑后7天拆除千斤顶，桥梁被锁定就位。该桥提供1.2 m宽、7.5 m长的行车面。打印桥及其装配如图6所示。下载：下载高分辨率图片（990KB）下载：下载全尺寸图片 图6.（a）桥梁半幅的打印；（b）桥梁段的提升和定位安装；（c）两个桥梁段的定位；（d）完成的桥梁。（照片由作者提供）对桥梁的设计和性能从承载能力和结构冗余度两个方面进行了评估。桥梁的荷载-挠度响应及其挠曲形状如图7所示。分析采用抗压强度为30 MPa的混凝土；该值由打印构件的最薄弱方向确定。桥梁荷载响应的分析表明，开裂发生在施加荷载为25 kN/m2时，极限承载力达到61 kN/m2（530 kN）。每个支座需要横向约束拉筋的最大推力为340 kN。使用Fe500钢筋，密度为7850 kg/m3，桥梁结构的配筋重量计算为44.7 kg，以外部设置的绑扎钢筋的形式提供，以抵抗拉力。桥梁失效被确定为靠近支座的底拱晶格构件中混凝土的压碎。失效时，材料中的应力等于混凝土的特征抗压强度。设计过程强调减轻自重，以降低晶格构件中的应力水平，改善结构性能。该结构表现出冗余性，能够实现应力重分布并保持承载能力。下载：下载高分辨率图片（402KB）下载：下载全尺寸图片 图7.（a）形式优化桥梁的荷载响应；（b）施加荷载下桥梁的挠曲形状和失效。桥梁的设计强度由分析得到的峰值承载力确定。按照印度设计规范IS 456[43]，设计结构强度由设计混凝土抗压强度推导得出，取为特征抗压强度的44.6%。按照该做法，桥梁的设计强度取为236 kN，即采用混凝土特征强度进行分析的极限承载力的44.6%。桥梁的设计强度（最大承载力的44.6%）显著高于人行桥的荷载要求。值得注意的是，分析得出的结构承载力是一个非常保守的估计，因为它假设了垂直于打印丝线方向的材料强度。组成桥梁构件的丝线主要在打印方向受力，这是最强方向。垂直方向的应力可以忽略不计。沿获得30 MPa强度的材料方向，桥梁中的材料应力可以忽略不计。实际承载力预计显著更高。

3. 采用传统规范进行设计开发

桥梁设计按照印度设计规范IS 456:2000[43]进行，以满足承载力和挠度要求。桥梁设计为跨度7.5 m、宽度1.2 m的板，以确保在行车面方面等效。使用特征强度为30 MPa的传统混凝土，设计了一个长度和宽度与3D打印桥梁相同的单向板模型。混凝土抗弯设计强度取为特征强度的44.6%。混凝土弹性模量由设计规范[43]中给出的经验公式确定为27.4 GPa。使用符合Fe500级钢筋要求的钢筋，特征屈服应力为500 MPa，符合IS 1786:2008[46]的规定。钢材设计强度取为特征屈服强度的87%。板自重按混凝土容重25 kN/m3计算。板设计为承受等于3D打印桥梁极限承载力的荷载。桥梁的荷载需求由峰值承载力推导得出，确定为236 kN（打印桥梁的设计承载力530 kN，乘以系数0.446），在单向板上产生32 kN/m的均布荷载（相当于1.2 m宽板上的26.6 kPa）。该值的推导使得采用传统设计方法设计的板具有与3DCP桥梁等效的承载能力。该板长度和宽度与3DCP桥梁相同，连同其等效均布荷载一起如图8所示，以便在两种结构系统之间进行一致且现实的比较。承载力设计涉及确定板厚和钢筋面积，以钢筋配筋率pt表示。设计抗弯承载力由钢材和混凝土的设计强度推导得出，以满足弯矩需求。下载：下载高分辨率图片（168KB）下载：下载全尺寸图片 图8. 承受对应于3DCP桥梁等效均布荷载的单向板。板厚根据两种设计方案进行评估。在第一种设计方案中，板的配筋仅满足有效跨度的抗弯强度和正常使用挠度准则所要求的最小受拉钢筋量。第二种设计方案对应于IS 456[43]规定的最大允许钢筋配筋率所对应的最小板厚。设计弯矩通过将荷载系数1.5施加于自重，并加上已加权的附加荷载[43]计算得出。满足弯矩需求所需的受拉钢筋面积按照规范[43]规定的极限状态设计程序计算。假设初始总板厚为300 mm。有效高度考虑30 mm的净保护层厚度（按[43]第26.4条）和直径12 mm的钢筋进行计算。对于300 mm试验截面，弯矩需求为308.3 kN·m，而对应于极限配筋率（按IS 456:2000第38.1条定义）的极限抗弯承载力为279.2 kN·m。随后逐步增加板厚，直到抗弯承载力超过设计弯矩需求，这与传统设计实践一致。只有当板厚超过320 mm时，才能满足足够的抗弯承载力。短期使用荷载挠度采用包含开裂效应的有效截面惯性矩进行评估（如IS 456:2000附录C所述）。允许的弹性挠度限值设定为有效跨度/350，对于7.5 m跨度相当于20.57 mm。板厚以10 mm的增量逐步变化。对于每个板厚，考虑自重变化导致的弯矩需求变化，计算所需的钢筋面积。对应的挠度使用根据强度要求计算的钢筋面积进行评估。随着板厚增加，满足承载力要求和挠度的所需钢筋面积减少。基于这些计算，在给定荷载条件下同时满足强度和正常使用挠度要求的最小板厚为390 mm，对应的钢筋面积为2440 mm2/m。这种传统设计代表印度规范中的最小配筋方案，称为最小钢筋设计（MSD）。观察到挠度准则主要控制板厚。如果板在使用荷载下开裂，也可以通过提供额外的受拉钢筋来减小挠度。为考察该效应，考虑了第二种情况，将钢筋面积设为规范允许的最大值。然而，基于最大允许钢筋配筋率的320 mm混凝土截面高度对于挠度而言是不够的。截面高度以10 mm的增量逐步增加，在每个高度处，检查该截面中最大钢筋面积对应的挠度要求。同时满足弯矩和正常使用挠度准则的截面高度为360 mm，对应的钢筋面积为3680 mm2/m。该方法称为最小混凝土设计（MCD）。表1给出了满足与打印桥梁相当的强度和正常使用挠度要求的设计方案所需的材料对比评估。表中还提供了打印桥梁的材料需求以供比较。

表1. 桥梁设计方案中的材料用量。

| 设计方案 | 混凝土（m3） | 钢筋（kg） |
|---------|------------|-----------|
| MCD | 3.24 | 260.0 |
| MSD | 3.51 | 172.4 |
| 3D打印 | 1.65 | 44.7 |

# 生命周期评估框架

生命周期评估（LCA）是一种标准化的方法论，用于量化产品或系统在整个生命周期中的环境影响。符合ISO 14040标准的LCA包含四个阶段[47]：(a) 目标与范围定义（确立研究目的、功能单位和系统边界），(b) 清单分析（汇总各生命周期阶段的所有物质和能源输入及排放），(c) 影响评估（将清单数据转化为影响类别评分，例如碳足迹、酸化等），(d) 结果解释（分析结果以得出结论或建议）。

## 4.1 目标与范围定义

本框架的目标是为对比基于形态优化的混凝土桥梁与传统设计方法设计的直线性桥梁建立依据。本研究旨在为开发具有增强性能、更高材料效率和更低环境影响的新型形态优化结构系统奠定基础。

一个关键的前期步骤是选择能够反映产品功能的**功能单位（FU）**。在混凝土LCA中，FU通常设为1立方米混凝土，但分析人员提醒，纯体积基准的FU可能会忽略混凝土强度或耐久性的差异。为确保可比性，FU应能反映结构的使用效能，例如通过考虑抗压强度或预期使用寿命进行调整。在本研究中，功能单位定义为：依据IRC 112 [48]设计的完整3D打印混凝土人行桥结构，长度为7.5米，宽度为1.2米，深度经过优化以实现61 kN/m2的承载（抗弯）能力，同时满足IS 456:2000规定的挠度要求。一座具有等效几何尺寸和结构性能的常规设计钢筋混凝土桥梁作为参考系统进行对比。据此，确定了建造所需的所有材料（无论是3D打印混凝土桥梁还是等效的按IS 456:2000 [43]设计的桥梁）及其相关工艺过程。

LCA的系统边界依据ISO 14040准则建立（ISO 14040 [47]）。在本研究中，仅考虑了产品阶段和施工阶段，对应模块A1-A5。这些阶段包括：原材料开采与加工（A1）、运输至制造或搅拌设施（A2）、材料生产或混凝土搅拌（A3）、运输至施工现场（A4），以及现场施工或3D打印过程（A5）。结构的服役阶段（即模块B1–B7）因缺乏可靠的长期性能数据和关于耐久性、维护的标准化假设而未纳入本研究范围。纳入使用和废弃阶段需要在本研究范围之外的额外调查。

本研究的地理范围定义为印度，因为3D打印混凝土桥梁在印度海得拉巴制造。据此，生命周期清单采用Ecoinvent v3.10 Cutoff Unit Process数据库开发，所选数据集力求最佳反映印度条件下的混凝土相关工艺过程。对混凝土体系的关键影响因素给予了关注，包括水泥生产、辅助胶凝材料（SCM）利用、骨料加工和电力消耗。尽可能使用印度或区域代表性数据集，特别是对于电力和运输方面。此外，在建模软件中，材料供应链和能源供应链选择了印度供应商，以更好地与本地供应链和技术实践相一致。当缺乏区域特定数据集时，采用Ecoinvent的全球或替代数据集，并配合适当的假设。

本研究采用的系统边界如图9所示。钢筋混凝土结构的建造过程简化为：生产和钢钢筋生产、将材料运输至现场、以及施工/制造结构。在从摇篮到大门（Cradle-to-Gate）的结构评估中，主要原材料包括混凝土和钢材，每种材料均包含若干上游组成部分。对于混凝土，水泥、粗骨料和细骨料等主要原材料各自经历开采、加工和生产过程。这些上游活动共同构成混凝土生产的A1阶段。随后，将这些材料运输至搅拌设施构成混凝土生产的A2阶段。最后，生产新鲜混凝土所需的搅拌、配料及任何相关加工过程均包含在A3阶段内。用于混凝土搅拌的水直接在A3阶段中核算，因为其不经历与其他原材料类似的独立开采或加工步骤。同样，对应于钢筋的A1–A3阶段涵盖了矿石开采、选矿、合金化和钢铁生产过程。通过明确将这些阶段纳入系统边界，分析确保了在材料进入结构的运输（A4）和施工（A5）模块之前，能够透明地将环境负荷归因于每种组成材料。这种结构化的划分使得能够对3D打印混凝土桥梁和按IS 456:2000常规设计的板体系中材料使用和施工活动所关联的主要环境影响进行一致且全面的比较，符合ISO 14040的原则。

图9. 从摇篮到大门（施工结束）系统边界，突出显示LCA分析的不同阶段

A4阶段核算了预拌混凝土从搅拌站和钢筋从钢筋生产设施运输至施工现场的过程，基于代表性运输距离。A5阶段核算了现场施工和安装过程。对于3D打印混凝土（3DCP）体系，A5包括机器臂运行和打印过程中材料泵送/挤压所涉及的能耗。3D打印桥段在打印后的运输和安装未纳入分析，因为打印设施与施工现场距离很近。相关运输距离极小，与材料生产影响相比，其对整体结果的影响预计可忽略不计。对于常规钢筋混凝土体系，A5包括使用臂架泵进行混凝土浇筑的能耗，以及模板生产和使用相关的影响。两个体系均未纳入模板支撑系统（如脚手架和支撑体系），原因是数据不足，且与材料生产影响相比其贡献相对较小。此外，其他施工相关过程（如设备制造、工人运输和临时现场设施）也未纳入系统边界。这些假设与建筑工程LCA研究中的常见做法保持一致。所包含过程的差异反映了施工方法的固有差异，特别是3D打印混凝土体系消除了模板的使用，同时保持了体系间的功能等效性。

## 4.2 生命周期清单分析

在本研究中，首先分别量化了所有原材料（A1-A3阶段）的能源和排放清单，然后根据建造整座桥梁所需的总量进行汇总。环境影响因子，特别是能耗（MJ/kg）和CO?当量排放（kg CO?-eq/kg）方面，针对水泥、细骨料、粗骨料、河砂和钢材的数据均来源于Ecoinvent v3.10数据库，Cutoff Unit-Processes [49], [50]。Ecoinvent数据库提供标准化的、经同行评审的生命周期清单（LCI）数据集，实现了环境影响的透明且一致评估。每种材料的全球变暖潜力相关排放均以标准化生命周期清单数据为基础，计算为CO?当量，反映所有温室气体贡献。所有数值代表从摇篮到大门的影响，包括原材料开采、精炼、中间投入品运输、供应链运营和所有上游能源需求。通过整合所有这些后端过程，所报告的能耗和CO?排放值提供了对每种材料环境影响的全面评估。

表2总结了从Ecoinvent数据库获取的各材料的能耗需求和CO?当量排放。在分析的材料中，水泥和钢材被确定为隐含碳的主要贡献者，同时也是生产能耗最高的材料。对于水泥，约80–85%的总CO?排放来源于熟料生产，主要由石灰石煅烧和熟料化所需的高温窑炉操作驱动。相比之下，钢材在评估材料中表现出最高的隐含碳，源于包括铁矿石开采、焦炭生产、高炉还原和后续精炼在内的能源密集型阶段。这些过程需要极高的温度和大量的化石燃料输入，导致每千克钢材的CO?当量排放显著高于水泥。能耗计算采用累积能源需求（Cumulative Energy Demand）影响评估方法进行。材料生产相关的能源需求表明，钢材的单位能耗最高，其次是水泥。然而，总隐含能源和对应的CO?当量排放不仅取决于单位基准，还受功能单位中各材料相对用量的制约。

**表2. 每种材料每千克能耗需求和等效CO?排放**

| 材料 | 能耗需求（MJ-Eq/kg） | 等效CO?排放（kg-CO? eq/kg） |
|------|----------------------|---------------------------|
| 水泥 | 4.40 | 0.880 |
| 细骨料 | 0.07 | 0.005 |
| 粗骨料 | 0.06 | 0.004 |
| 钢材 | 26.54 | 2.13 |

除材料本身的隐含影响外，运输（混凝土生产的A2阶段和结构施工的A4阶段）对施工体系的整体环境足迹也有显著贡献。从材料来源到项目现场的运输距离直接影响燃料消耗和相关CO?排放，使物流成为任何碳评估中的关键参数。材料来自多个地点：水泥从特伦甘纳邦纳尔贡达（Nalgonda, Telangana）运输，距混凝土生产设施约100公里；骨料从设施周边15公里范围内的本地采石场采购；河砂从安得拉邦库尔诺尔（Kurnool, Andhra Pradesh）采购，距设施约230公里。钢材从贝拉里（Bellary）的JSW钢铁厂采购，距工地约385公里。鉴于预拌混凝土搅拌站与结构现场距离较近，混凝土运输按5公里建模。纳入这些物流路径有助于对与材料采购相关的从摇篮到大门的CO?排放进行更全面、更现实的量化。

运输能耗和排放使用Ecoinvent生命周期清单数据量化。根据Ecoinvent数据库，每吨公里（t-km）公路运输消耗0.317千克柴油。柴油的热值取45 MJ/kg，因此每t-km对应的能耗为14.625 MJ/t-km。此外，公路运输相关的CO?当量排放在Ecoinvent数据库中报告为每吨公里1.922 kg CO?-eq。这些标准化排放因子确保了能源使用和运输相关的温室气体排放能够被准确捕获并一致地纳入整体环境评估。

本研究开发了一种内部混凝土配合比，以达到依据IS 10262:2009 [51]规定的28天特征立方体强度30 MPa。该配合比作为使用常规程序设计的结构构件材料配比计算的基础。混凝土混合物组成见表3。水灰比（w/c）采用0.44，与实现目标强度和工作性的标准做法一致。3D打印桥梁所用混凝土混合物组成也在表中进行对比呈现。

**表3. 3D打印混凝土桥梁与传统板的混凝土配合比**

| 特征 | 抗压强度（MPa） | 成分详情 | 桥梁 kg/(m3混凝土) | 板 kg/(m3混凝土) |
|------|---------------|---------|-------------------|-----------------|
| 30 | 水泥 | | 982 | 340 |
| | 粗骨料 – 20 mm | | – | 700 |
| | 粗骨料 – 12.5 mm | | – | 580 |
| | 细骨料 – 河砂 | | 982 | 740 |
| | 水 | | 314 | 150 |
| | 外加剂 | | – | 0.3 |
| | 聚丙烯微纤维 | | 1.96 | – |

利用两种设计方案计算出的板厚和配筋面积，计算了混凝土和钢材的总用量，以评估常规钢筋混凝土（RC）板的材料需求。对于最小配筋设计（MSD），板尺寸为390 × 1200 × 7500 mm，混凝土总体积为3.51 m3。相比之下，对于最小混凝土设计（MCD），厚度减小（360 × 1200 × 7500 mm），混凝土体积降至3.24 m3，展示了允许更高配筋率（p?）所实现的几何效率。相应的钢材体积根据配筋面积和钢筋长度计算得出，MCD和MSD方案分别为0.03312 m3和0.02196 m3。

每个3D打印桥段经物理测量的重量为17.7 kN（1800 kg）。各组成部分的质量根据两个桥段和收口浇筑的总重量估算得出。计算得出的桥梁总重量约为3750 kg，对应等效体积为1.65 m3。具体而言，3D打印混凝土体系仅使用了传统钢筋混凝土板约43–46%的混凝土质量，凸显了通过拓扑优化或几何定制打印形式所能实现的材料效率。为充分抵抗3D打印混凝土桥中产生的拉力，根据设计拉应力需求计算了所需的水平（拉杆）钢筋。满足这些要求所需的钢筋体积为0.005 m3。

随后，根据各自配合比（表 3）推导出了所有设计方案中每种组成材料（水泥、细骨料、粗骨料、砂和钢）的质量，以便对隐含能量和 CO2 当量排放进行一致比较。这些值汇总于表 4。

表 4. 清单分析总结。
| 成分 | 打印混合料 | MCD | MSD |
| :--- | :--- | :--- | :--- |
| 水泥 (kg) | 1621.11 | 1101.61 | 193.4 |
| 砂 (kg) | 1621.12 | 397.62 | 597.4 |
| 骨料 (kg) | – | 4147.24 | 492.8 |
| 水 (kg) | 518.74 | 486.05 | 26.5 |
| 钢 (kg) | 44.72 | 60.01 | 72.4 |
| 聚丙烯纤维 (kg) | 3.24 | – | – |
| 模板 (m3) | – | 0.30 | 0.31 |
| 搅拌能量 (MJ) | 15.71 | 34.15 | 37.00 |
| 运输 (吨公里) | 548.98 | 19.18 | 45.3 |
| 浇筑能量 (MJ) | 21.60 | 86.75 | 93.98 |

表 4 还列出了混凝土搅拌和浇筑所需的电力。根据 Eco-invent 数据库，生产 1 m3 M30 级混凝土的能耗需求为 10.76 MJ。3D 打印混凝土也采用相同的值。除了材料相关的能量外，设备操作对整体足迹也有显著贡献。常规混凝土的打印机或布料杆的预期电力消耗将对整体能量足迹做出重大贡献。对于 3DCP，使用的机械臂功率消耗额定值为 3 kWh。3DCP 桥打印一层 15 mm 厚的层需要 45 秒。对于 1200 mm 宽度的机械臂系统总操作时间为 1 小时。两个相同的桥部件在 2 小时内打印完成。

对于常规浇筑工艺，与布料杆和其他混凝土浇筑设备相关的电力和燃料消耗预计在 A5 阶段的操作能量需求中占很大比例。为了量化这一贡献，对已发表的文献和可用的 LCA 数据库进行了广泛审查；然而，无法确定可靠的能耗值。在实际操作中，布料杆制造商通常使用每立方米混凝土约 0.5–0.7 升柴油的经验基准。使用该基准中的较低值来估算常规建筑场景中的混凝土浇筑能耗，代表小规模建设的现实估计。相应的柴油消耗量根据其热值转换为能量，所得数值被纳入功能单位的 A5 阶段。

在常规设计中，胶合板被考虑为模板材料。所需的体积根据支撑新拌混凝土所需的总模板表面积估算，假设胶合板厚度为 20 mm。采用 10 的重复使用系数以考虑多次使用，反映典型现场实践并确保对模板相关影响进行现实估算。模板相关影响包括在功能单位的 A5 阶段。

每种材料的运输需求以吨公里 (ton-km) 量化，计算为从来源地运输距离与材料重量的乘积。总运输需求随后通过汇总各个吨公里值获得，汇总结果也列于表 4。最小钢筋设计 (MSD) 的运输需求最高，主要是由于其对砂的大量需求以及需要从最远的地点采购。相比之下，尽管粗骨料的数量在所有组成成分中最大，但其相关运输需求相对较低，因为骨料是从附近来源采购的。

4.3. 影响评估方法与解释
在建立功能单位和系统边界并编制生命周期清单后，下一步是影响评估，其中量化碳足迹和其他环境指标等指标。生命周期影响评估 (LCIA) 通过一系列步骤——分类、特征化以及可选的标准化和权重化（如 ISO 14044 所定义）——将清单流量（排放、资源使用）转化为潜在环境影响。LCIA 将异质的清单数据转换为指标，以便根据研究的目标和范围进行比较和解释 (ISO 14040)。LCIA 方法遵循中点或终点建模理念。中点指标表示因果链中间阶段的环境问题（例如气候变化、富营养化），科学不确定性较低。终点指标将环境机制聚合为更广泛的“损害类别”，如人类健康或生态系统质量，从而促进决策，但由于额外的建模假设而引入更大的不确定性。

建筑物和材料 LCA 中常用几种 LCIA 方法；选择通常取决于地区和政策：CML (CML-IA) 是在莱顿大学开发的 LCIA 方法，在欧洲广泛应用；它专注于中点指标，经常用于符合 EN 15804/EN 15978 建筑产品研究。ReCiPe (2016) 是一种协调的 LCIA 方法，提供中点和终点结果，常用于综合 LCA 报告。它广泛应用于 SimaPro, GaBi, openLCA 和 One Click LCA [53]。TRACI 是另一个由美国 EPA 开发并针对北美条件调整的 LCIA 方法，包括某些类别的空间显式因子（例如富营养化）[54]。USEtox 是专门针对人类毒性和生态毒性的特征化模型，通常与其他 LCIA 方法结合使用 [55]。

混凝土 LCA 通常包括一组中点指标，反映与水泥生产、骨料开采、外加剂、运输和能源使用相关的主要环境问题。LCA 中通常评估的关键环境影响类别包括全球变暖潜值 (GWP)，捕捉以 CO2 当量表示的温室气体排放；酸化潜力 (AP)，代表导致酸雨及其对土壤和水生系统影响的排放；以及富营养化潜力 (EP)，量化导致藻华和水生生态系统恶化的过量营养物质释放。光化学臭氧生成潜值 (POCP) 指的是挥发性有机化合物和氮氧化物反应形成的地面臭氧（烟雾）。与毒性相关的指标，如人类毒性潜值 (HTP) 和生态毒性潜值 (ETP)，评估对人类健康和生态系统有害的排放，通常使用 USEtox 等模型进行评估。此外，颗粒物形成 (PMF) 捕捉导致呼吸道问题和空气质量下降的排放。总之，这些指标提供了对混凝土材料及其生产过程相关环境负担的全面理解。最后，解释阶段考虑不确定性并有助于识别最可持续的设计选项。

在本研究中，LCA 根据 ISO 14040 和 ISO 14044 标准使用 openLCA（版本 2.6.1）软件进行。LCIA 使用中点 (E) 水平的 ReCiPe 2016 v1.03 方法进行，纳入所有 18 个影响类别。采用 ReCiPe 2016 方法是因为它是应用最广泛的 LCA 方法之一，提供中点和终点指标，能够全面灵活地解释环境影响 (Huijbregts et al., 2017)。这些方法嵌入在主要 LCA 软件系统中（例如 openLCA, SimaPro），并与 Ecoinvent 等数据库协调，支持跨研究的一致性建模。

使用 18 个 ReCiPe 中点指标评估了所有三种设计情景的中点影响结果，综合结果列于表 5。还提供了每个指标相对于 3DCP 桥的百分比变化，以便进行比较解释。总体而言，三种情况下的酸化潜力（以 SO2 当量表示）大致相似，MCD 由于钢含量较高而表现出较高的值。在三种配置中，MCD 板表现出最高的 CCP，其次是 3DCP 桥和 MSD 板。尽管 3DCP 材料需求最低，但由于其富水泥混凝土配合比，其 CCP 相对较高。[35], [56]。气候变化潜力将在后文详细讨论。

表 5. 使用 ReCiPe18 中点影响类别对三种设计案例的影响评估。
| 影响类别 | 单位 | 打印混合料 | MCD | MSD | MCD (% 变化) | MSD (% 变化) |
| :--- | :--- | :--- | :--- | :--- | :--- | :--- |
| 酸化 | kg SO2-Eq | 2.91 | 3.70 | 3.33 | ?27.1 | ?14.4 |
| 气候变化 | kg CO2-Eq | 1630.51 | 1721.53 | 1624.85 | ?5.6 | 0.3 |
| 生态毒性：淡水 | kg 1,4-DCB-Eq | 32.37 | 91.66 | 7.5 | ?183.0 | ?108.5 |
| 生态毒性：海洋 | kg 1,4-DCB-Eq | 2.09E05 | 4.57E05 | 3.55E05 | ?118.7 | ?69.9 |
| 生态毒性：陆地 | kg 1,4-DCB-Eq | 3.01E04 | 1.46E05 | 1.00E05 | ?385.0 | ?232.2 |
| 能源资源 | kg oil-Eq | 206.58 | 297.35 | 263.51 | ?43.9 | ?27.6 |
| 富营养化：淡水 | kg P-Eq | 0.18 | 0.34 | 0.27 | ?88.9 | ?50.0 |
| 富营养化：海洋 | kg N-Eq | 0.020 | 0.021 | 0.021 | ?5.0 | ?5.0 |
| 人类毒性：致癌 | kg 1,4-DCB-Eq | 2.64E04 | 1.27E05 | 8.65E04 | ?381.1 | ?227.7 |
| 人类毒性：非致癌 | kg 1,4-DCB-Eq | 1.46E05 | 2.18E05 | 1.91E05 | ?49.3 | ?30.8 |
| 电离辐射 | kBq Co-60-Eq | 19.13 | 31.88 | 27.42 | ?66.6 | ?43.3 |
| 土地利用 | m2*a crop-Eq | 34.78 | 86.65 | 86.75 | ?149.7 | ?150.0 |
| 材料资源 | kg Cu-Eq | 45.45 | 212.23 | 144.46 | ?367.0 | ?217.8 |
| 臭氧层耗损 | kg CFC-11-Eq | 2.0E-04 | 3.2E-04 | 2.2E-04 | ?60.0 | ?10.0 |
| 颗粒物形成 | kg PM2.5-Eq | 1.26 | 1.85 | 1.6 | ?46.8 | ?27.0 |
| 光化学氧化剂生成：人类健康 | kg NOx-Eq | 3.43 | 3.9 | 3.66 | ?13.7 | ?6.7 |
| 光化学氧化剂生成：陆地生态系统 | kg NOx-Eq | 3.52 | 4 | 3.75 | ?13.6 | ?6.5 |
| 水资源使用 | m3 | 3.02 | 6.15 | 5.1 | ?103.6 | ?68.9 |

尽管混凝土体积较低，与 MSD 板相比，MCD 板在所有中点指标上显示出最大的影响。这主要是由于钢含量较高，因为钢生产的环境负担超过了通过较低混凝土使用量实现的效果减少。MSD 设计选项显示出可比的趋势，总体环境影响与 MCD 设计紧密匹配。除了 CCP 外，3DCP 桥在所有环境类别中均优于其他设计选项。值得注意的是，在水生和陆地生态毒性、人类毒性（致癌和非致癌）以及富营养化方面，其影响显著降低 [57]。此外，3DCP 在化石能源需求和矿产资源使用方面的资源耗竭也有所减少，这主要归功于其显著较低的混凝土体积。3DCP 的水消耗影响也较低，归因于其配合比相对较低的水灰比。

18 个中点影响类别被分为三个科学上连贯的子类别，以便更清晰地进行解释和比较：(i) 气候和排放驱动的影响类别，(ii) 资源和能源相关的影响类别，以及 (iii) 生态系统和人类毒性相关的影响类别。这种分类有助于区分主要由温室气体排放驱动的影响、受材料和能源资源消耗影响的影响，以及与生态或人类健康胁迫相关的影响。图 10 展示了气候和排放相关的影响，并标准化为三种混合料中的最高值，以便进行平衡比较。在所有类别中，MCD 板始终表现出最高的气候变化潜力，这主要归因于其较高的材料需求，特别是钢含量。3DCP 设计在气候变化潜力方面排名第二，其次是 MSD 板。与其他配置相比，3DCP 桥在所有影响类别中表现出优越的环境性能。尽管实现了约 55% 的总体材料需求减少，但 3DCP 设计显示出成比例较高的气候和排放相关影响，这可归因于其富水泥混凝土配合比 [34]。臭氧层耗损潜值在所有设计替代方案中几乎保持不变，因为现代混凝土和钢铁生产链涉及可忽略不计的耗臭氧物质排放。
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图 10. 气候和排放驱动影响类别中的标准化影响。

如图 11 所示，在资源和能源相关的影响类别中，MCD 设计在能源资源耗竭、土地利用、材料资源使用和水消耗方面表现出最高的负担。这种趋势主要归因于其更大的总体材料需求，特别是水泥、骨料和钢，这些共同放大了上游开采和处理的影响。MSD 案例在大多数资源相关指标上始终显示出低于 MCD 案例的影响，这归功于其在混凝土体积和钢筋之间的优化平衡。相比之下，3DCP 系统在所有资源和能源相关类别中表现出最低的影响。这种改进的性能可归因于其减少的材料消耗、消除模板以及受控的分层放置工艺，从而最大限度地减少了材料浪费。此外，3DCP 固有的优化结构设计实现了高效的材料利用，进一步减少了对水泥和钢等能源和资源密集型输入的需求 [58]。
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图 11. 资源和能源相关影响类别中的标准化影响。

如图 12 所示，在人类和生态系统毒性指标方面，MCD 表现出最高的影响。这一结果主要源于总体材料消耗，特别是为满足减小板厚下的强度和适用性限值所需的大量钢含量。众所周知，钢生产通过对矿石处理、合金化和高温制造相关的排放，显著贡献于毒性相关指标和酸化潜力 [59], [60]。此外，MCD 设计中水泥和钢的结合使用放大了 SO2 和 NOx 相关排放，导致三个系统中最高的酸化潜力。因此，MSD 紧随其后，而 3DCP 桥表现出最低的毒性相关影响，得益于其相对较低的钢使用和更具材料效率的几何形状。因此，MSD 板在毒性和酸化影响方面紧随 MCD 之后，而 3DCP 桥在这些类别中表现出最低的影响，得益于减少的钢使用和更具材料效率的结构几何形状。有趣的是，海洋富营养化潜力在所有三种设计方法中基本保持不变，表明该中点类别不受典型混凝土结构中使用的材料类型或数量的强烈影响。海洋富营养化通常由富含营养物的废水排放（例如氮化合物）驱动，而在传统结构材料生产链中这很少见。

因此，无论采用何种设计方法或使用何种材料，其数值实际上保持不变。

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图12. 人类毒性和生态系统毒性影响类别的归一化影响。

总体而言，除海洋富营养化——该指标在三种设计方案中几乎完全一致——之外，最小混凝土设计（MCD）在剩余17个中期指标类别中的16个类别中表现出最高的环境负担。得益于材料高效的结构几何形状，三维混凝土打印（3DCP）系统在所有评估类别中的环境影响均低于MCD设计方案，并且在大多数类别中低于最小钢用量设计（MSD）方案。然而，MSD设计在气候变化影响方面表现最优，这主要归因于可打印混凝土混合物中较高的熟料含量。

**5. 讨论**

材料高效设计利用了混凝土打印的两项关键优势：高效的材料利用和减少的材料消耗。高效利用材料意味着将其放置在需要结构抗力的位置。对于该桥梁而言，这是通过使用受压形式来实现的，充分利用了混凝土较高的抗压强度。混凝土结构构件在受压形式内进行了优化，从而实现了混凝土在受压方面的充分利用。在优化过程中，结构的自重得到了减轻。降低自重有助于降低构件的应力水平。这使得设计能够利用设计优化过程中的正向循环，而不同于传统设计——后者依赖于增大截面尺寸来提高承载力。在传统设计中，随着构件尺寸的增大，材料抗力中有相当大的一部分被消耗于承受自重。

将经过形式优化的桥梁与具有相同抗弯承载力及刚度（满足正常使用挠度要求）的单向板进行比较，为结构层面的生命周期评价（LCA）分析提供了依据。结构层面的评估考虑了混凝土用量，并为评估3DCP的可持续性提供了公平的比较基础。

图13展示了三种设计方案中各材料组分对气候变化潜值的贡献。在所考虑的方案中，MCD板显示出最高的气候变化潜值，总CO?当量排放约为1722千克。其次是3DCP桥梁，为1631千克，而MSD记录的气候变化潜值最低，为1625千克。尽管在达到相同性能水平时，3DCP桥梁使用的材料比传统浇筑板少近55%，但其气候影响仍然相对较高，超过了MSD板。这一看似矛盾的结果源于3D打印混合物中极高的水泥胶凝材料含量，这显著增加了CO?排放。

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图13. 3DCP桥梁与传统设计板的各组分气候变化潜值。

有趣的是，在传统设计中，MCD的气候变化潜值高于MSD，这与"减少混凝土用量必然降低碳排放"的普遍假设相悖。这是因为在减小截面深度的情况下，要实现相同的抗弯承载力需要大幅增加钢筋用量。鉴于钢材的气候变化潜值约为水泥的近三倍，约为普通混凝土的近二十倍（按每千克计），钢筋用量的增加抬高了MCD板的总体气候变化潜值。因此，这些结果强调了同时评估混凝土用量和钢筋需求的重要性，因为在减少其中一种材料用量时，可能会无意中通过增加另一种材料而加剧碳负担。

本研究进行了敏感性分析，以评估替代可打印混凝土配方的潜在环境影响，包括用粉煤灰部分替代熟料以及增加骨料含量。这些案例作为基于情景的生命周期评价案例进行考虑，其可打印性、可施工性和力学性能未经过实验验证。因此，这些分析评估了胶凝材料和骨料配方的变化对3D打印桥梁环境性能的影响。

通过用粉煤灰替代30%的熟料来评估胶凝材料中熟料减少量对CCP的影响。水泥胶凝材料中30%的熟料被粉煤灰替代后，其抗压强度与纯波特兰水泥混凝土相当。因此，基于强度计算的混凝土体积将保持不变[61]。图14展示了当30%的水泥熟料含量被粉煤灰替代时，桥梁和板的CCP情况。在本研究中，粉煤灰被建模为零负担废料，其产生过程未分配上游环境影响；但粉煤灰运输至混凝土生产现场的过程被纳入考量。分析中假设粉煤灰来自NTPC Ramagundam工厂，该厂距离生产设施260公里。当水泥的部分被粉煤灰等辅助胶凝材料替代时，所有方案中均观察到CCP的显著降低。用粉煤灰替代30%熟料后，3D打印混合物的CCP降低了25.7%，MSD方案降低了19.0%，MCD方案降低了16.5%。在3DCP混合物中，降幅尤为显著，这是因为其熟料绝对含量的减少量最大，使3DCP桥梁从中等影响方案转变为影响最小的方案。已有研究表明，掺入辅助胶凝材料可以显著降低碳排放[34]、[62]。

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图14. 当30%的水泥被粉煤灰替代时，3DCP桥梁与传统设计板的各组分气候变化潜值。

目前，3DCP依赖水泥含量极高的混合物来实现打印过程中所需的泵送压力、挤出稳定性和快速结构成型。在本研究中，水泥与砂的比率为1:1，远高于传统混凝土中使用的比率。这种较高的胶凝材料含量主要源于技术限制，特别是当前打印系统处理大于1–2毫米粗骨料时的能力有限，容易堵塞、离析或导致打印质量下降。因此，3DCP目前使用的细粒混合物需要较高的浆体体积，从而不成比例地增加了打印构件的隐含碳。未来在材料配方和打印设备硬件方面的进步可能解决这些问题。通过优化流变控制降低水泥含量、掺入低碳辅助胶凝材料，以及开发能够处理更大骨料粒径混合物的泵送和挤出系统，都可能显著降低3DCP混合物的碳足迹。

随着加工和打印技术的进步，混凝土混合物中的水泥含量正在稳步下降[33]。由于需要使用小粒径骨料，对水泥含量的要求一直较高。目前，在使用4毫米骨料的可打印胶凝材料中，水泥平均含量范围为800至1000千克/立方米混凝土。随着打印技术的改进，混凝土骨料粒径的增大将使可打印混凝土混合物中的水泥含量进一步降低。水泥含量的降低意味着水泥与骨料的相对质量比例减小。在MCD和MSD设计方案中使用的传统混凝土混合物中，水泥与骨料的质量比为1:5.94。

图15展示了当水泥与骨料比从1:1逐步降低时，3DCP桥梁CCP的变化情况。CCP呈现逐步下降趋势，当水泥与骨料质量比分别调整为1:1.5和1:2时，降幅分别为12.8%和22.2%。值得注意的是，1:1.5混合物对应的CCP低于MSD设计，使3DCP桥梁在CCP方面成为表现最优的方案。随着骨料含量的进一步增加，3DCP桥梁的表现继续改善，表明水泥与骨料比为1:1.5或更低时，配合适当的结构形式优化，可以提供环境可持续的解决方案。尽管降低水泥含量可能导致抗压强度下降，但通过适当的骨料级配可以有效弥补这一缺点，提高颗粒密实度并维持相当的力学性能[63]、[64]。这些观察结果强调了工程化配合比设计的迫切需要——优化骨料含量并减少对胶凝材料的依赖，从而推动3DCP技术向更可持续的方向发展。

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图15. 当3DCP桥梁中水泥与骨料比发生变化时，3DCP桥梁与传统设计板的各组分气候变化潜值。

本研究中所评估的3DCP桥梁所采用的结构形式，凸显了通过几何优化和定制丝状布局所实现的结构效率潜力，同时也表明了进一步节约材料的机会。通过优化打印路径策略、减少冗余沉积以及利用拓扑优化设计，3DCP可以转变为一种更加资源高效的替代方案。因此，同步推进配合比设计与结构设计方法的进步，对于将3D混凝土打印发展为一种真正可持续的多功能建筑技术至关重要。

本研究为在IS 14040和14044框架内评估可持续性提供了依据。本研究的范围未涵盖施工成本和时间考量。成本考量对于技术的整体可行性至关重要。人工需求对整体成本有贡献并具有社会影响，本研究未纳入考虑。预计混凝土3D打印将减少人工参与。然而，人工成本具有地区差异，在不同施工地点对总项目成本的贡献各不相同。考虑施工社会成本和影响的综合社会经济分析超出了本研究的范围。

**6. 结论**

本研究设计了一座跨径7.5米、宽度1.2米的结构形式优化桥梁。该桥梁结构由受压拱内呈网格状排列的丝状单元组成。与传统单向板（宽度1.2米、跨径7.5米）相比，优化桥梁节约了约55%的材料。传统单向板按常规设计程序进行，满足与3D打印桥梁相同的承载力和挠度要求。研究了两种设计方案：最小混凝土设计（MCD）和最小钢用量设计（MSD）。依据ISO 14040指南，对桥梁结构和传统设计的板进行了生命周期评价分析。对传统施工和3D打印生产的混凝土结构进行了从摇篮到大门的评估，识别了不同的阶段和上游过程。基于生命周期评价分析的结果，得出以下具体结论：

1. 在针对相同结构承载力设计的三种结构中，MCD方案的碳足迹最高，主要归因于其显著较高的材料需求，尤其是钢材含量。其次是3DCP系统，其混凝土混合物中较高的熟料含量增加了混凝土的气候变化潜值。3DCP桥梁所表现出的环境效益主要源于其材料高效的结构形式，3DCP作为实现该形式的制造方法。

2. 尽管MCD设计实现了混凝土用量的减少，但增加的钢筋需求抵消了这一效益。因此，MCD方案在多个环境类别中记录的影响高于MSD方案，尽管其在混凝土方面实现了材料节约。

3. 基于情景的生命周期评价表明，用辅助胶凝材料（如粉煤灰）替代熟料可显著降低3DCP的气候变化潜值。鉴于可打印混合物中胶凝材料占比较高，掺入辅助胶凝材料具有可观的脱碳潜力。

4. 工程化配合比设计的进步——尤其是实现降低胶凝材料含量、增大可打印混合物中骨料粒径和用量，以及能够处理这些工程化混合物的打印设备硬件技术的提升——对于将3DCP定位为可持续建筑技术至关重要。在这些领域的持续发展可以将3D打印转变为一种具有竞争力的、低影响的替代传统系统的方案。

研究结果对建筑自动化也具有更广泛的启示意义。3DCP桥梁所表现出的环境效益主要源于其材料高效、数字化优化的结构形式，而这一形式可通过机器人3D打印实现。数字设计与机器人制造的结合使建筑施工的自动化程度更高，同时减少材料使用和对传统模板的依赖，从而提升自动化施工的可持续性潜力。材料和模板需求的降低还可能带来成本效益，尽管这些效益将取决于设备、能源和工艺相关成本。

尽管本研究提供了3DCP在结构层面环境表现的见解，但应承认其存在某些局限性。该分析采用从摇篮到大门的方法，未考虑使用寿命；因此，3DCP与传统系统在耐久性和维护方面的潜在差异未被纳入考量。研究结果也特定于所研究的桥梁几何形状、跨径和宽度、可打印混合物、打印设置以及地理和材料来源背景。

本评估未考虑与打印相关的废弃物、失败打印、清洁废物、固化能耗及用水量、吊装/翻转操作或临时支撑措施，原因是缺乏项目特定数据。此外，该对比研究结合了结构形式优化与3DCP制造工艺的效果，因此未能单独分离出仅归因于打印工艺的环境效益。粉煤灰替代和降低胶凝材料含量的案例属于前瞻性情景分析，并未经实验验证其可打印性、可建造性及硬化性能。此外，本项研究未对运输距离和替代施工设备进行敏感性分析，因为本研究的重点在于评估相对于具有等效结构性能的常规设计，3DCP的环境影响。未来研究应通过更广泛的结构和地理情景、对改良可打印配料的实验验证，以及全生命周期和敏感性评估来应对这些局限性，从而提高研究结果的稳健性和可推广性。CRediT作者贡献声明K. Chiranjeevi Reddy：撰写—初稿，验证，形式分析，数据整理，概念构思。Shreya Mahajan：软件，调查，形式分析，数据整理。Likith Koneru：调查，形式分析，数据整理，概念构思。Kolluru V.L. Subramaniam：撰写—审阅与编辑，验证，监督，方法学，资金获取，概念构思。关于生成式AI及AI辅助技术在本研究写作过程中的声明在准备本研究的过程中，作者使用了ChatGPT（OpenAI）以获取对稿件部分内容的改写建议，以改善语言和可读性。作者随后对AI辅助生成的文本进行了审阅、修订和实质性修改，并对文章中的内容承担全部责任。资金支持声明本研究未获得任何专项资金支持。K. Chiranjeevi Reddy | Shreya Mahajan | Likith Koneru | Kolluru V.L. Subramaniam