《Journal of Building Engineering》：On the sustainability of digital construction: Whole building life cycle carbon emissions according to three construction techniques
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3D打印混凝土建筑全生命周期碳减排分析显示，其碳排放较传统混凝土砌块（CMU）降低10%，较木框架（STF）降低3%-9%，长期运营碳节约达2%-13%，气候影响显著。
弗朗切斯卡·洛利（Francesca Lolli）| 邦加内·梅洛马库卢（Bungane Mehlomakulu）| 赫萨姆·阿扎里贾法里（Hessam AzariJafari）| 兰道夫·基尔钱（Randolph Kirchain）| 肖恩·蒙克曼（Sean Monkman）
ICON Technology，美国德克萨斯州奥斯汀市，邮编78745
摘要
3D打印混凝土（3DPC）建筑的可持续性尚未得到充分研究。本研究评估了3DPC、木框架结构（STF）和混凝土砌块单元（CMU）建筑的生命周期碳排放情况。在四种美国气候区中，针对两种房屋布局进行了建模，模拟了75年和100年使用周期内的不同湿度条件。研究结果表明，3DPC房屋的碳足迹低于传统建造方法。在100年的时间里，3DPC房屋的固有碳含量比CMU低10%，比STF低5%，每年的运营碳排放节省量根据气候条件的不同而介于2%到13%之间。与CMU相比，总碳节省量估计为8%至15%以上；与STF相比则为3%至9%。这些结果是基于所选的表面处理方式、高效的材料设计以及低碳的3DPC材料得出的。3DPC建筑可以提供一种具有较低环境影响的可扩展住房解决方案。
引言
人口结构的变化、城市化进程的加快以及不断增长的人口对住房需求推动了住宅建设的快速发展。国际能源署（IEA）的全球预测显示，从2022年到2050年，全球家庭数量将从22.1亿增加到29.6亿。同时，住宅建筑面积预计将从2000亿平方米增加到3100亿平方米。如果不充分考虑建筑对环境的影响，这一增长将难以实现。有估计指出，新建住宅从“摇篮到坟墓”（即整个生命周期）的固有碳排放量为每平方米184公斤二氧化碳（CO2）。结合IEA的增长预测，2021年至2022年间住宅建筑面积的增加（33.39亿平方米）将导致约6.25亿吨二氧化碳当量（CO2e）的排放。这些数据凸显了迫切需要创新、可持续且低碳的住房解决方案。在满足日益增长的住房需求的同时减少相关碳排放是一个巨大的挑战。
3D打印混凝土（3DPC）建筑作为一种新兴制造技术，已被用于建造各种结构，包括住宅[3]、[4]。尽管3DPC建筑是一个新兴且发展迅速的领域，但它相比传统建筑方法具有多项优势，如更大的设计灵活性、精确的材料放置、更快的施工速度、更低的劳动力和模板成本、更高的工人安全性能以及更短的供应链[5]、[6]。研究表明3DPC建筑在应对复杂设计时具有显著的生产效率提升[7]、[8]、[9]。
然而，3DPC的技术潜力也引发了对其环境可持续性的深入审视[10]、[11]、[12]、[13]、[14]。一个普遍的问题是许多3D打印配比设计中水泥含量较高；3DPC的大部分环境影响可归因于水泥的使用[15]。由于对混凝土的巨大需求，水泥约占全球人为二氧化碳排放量的8%[16]。行业脱碳路线图强调了3DPC等新兴技术以及设计效率在减少碳排放方面的重要性[17]、[18]、[19]。随着3DPC技术的不断发展，它将在实现低碳未来方面发挥重要作用。
关于3D打印的生命周期分析（LCA）的研究，尤其是与传统建筑方法的比较，对于推动该技术进步起到了关键作用。然而，目前的关注主要集中在制造过程上，而非成品结构的整体环境影响[20]。虽然已有研究将3DPC与其他传统材料和方法进行了比较，并评估了其潜在的可持续性优势（见表1），但一个重要方面被忽视了：3DPC在整个建筑生命周期中对建筑碳足迹的影响。此外，尽管木框架结构是美国住宅建设的主要方式（2022年新住宅开工项目中占比达94%），但3DPC建筑与木框架结构的比较仍相对较少。
仅关注材料和“建成状态”下的固有碳的环境分析是不全面的。全面的生命周期评估还应包括建筑整个使用期内维护和修理过程中的固有碳。同时，考察运营碳也非常重要，因为这些因素（如建筑位置、日照情况、供暖和制冷需求以及湿度水平）会显著影响碳排放。
本研究比较了三种住宅建筑方法：3D打印混凝土（3DP）、木框架结构（STF）和混凝土砌块单元（CMU）[2]。在四种不同气候区和两种湿度条件下，评估了两种房屋布局（面积分别为97平方米（1,044平方英尺）和185平方米（2,000平方英尺）的环境影响，涵盖了75年和100年的周期。敏感性分析进一步探讨了能源效率改进带来的影响。
材料与方法
生命周期评估（LCA）是一种用于评估产品在其整个生命周期内环境影响的方法，无论产品是制造还是被消费[29]。这些影响通过功能单位进行衡量，从而可以跨不同影响类别进行比较。在本研究中，功能单位是指一栋完工的房屋，考虑了两种建筑面积：97平方米（1,044平方英尺）和185平方米（2,000平方英尺）。这些房屋采用三种建造系统进行建模：3DP、STF和CMU。
3DPC配比设计的固有碳
表2中3DPC配比的固有碳（A1）为每立方米365.4公斤二氧化碳当量（CO2e），其中71%来自水泥的固有碳。将原材料从生产商运输到位于德克萨斯州奥斯汀的搅拌站（A2阶段）的过程中会产生12公斤二氧化碳当量的排放（A2阶段）。干混料搅拌操作产生的排放量为每立方米3.5公斤二氧化碳当量（A3阶段）。3DPC材料的总体固有碳影响（A1-A3阶段）为每立方米380.9公斤二氧化碳当量（见附录A.2）。
讨论
3D打印混凝土建筑代表了行业中的一个新范式，截至2023年底，全球已建成约204栋3DPC建筑[56]。由于该技术尚处于起步阶段，目前尚无关于3DPC建筑长期使用寿命的研究。因此，在本分析中，假设3DPC建筑的使用寿命与混凝土砌块单元（CMU）建筑相当，因为两者都使用基于水泥的材料，并且结构设计相似。
本研究
结论
本文分析了三种不同的住宅建筑方法：3D打印混凝土（3DP）、木框架结构（STF）和混凝土砌块单元（CMU），以及两种面积分别为97平方米和185平方米的房屋布局。评估了每种房屋的固有碳和运营碳性能，同时考虑了与所研究气候区市场标准单户住宅建筑相符的设计细节。运营能耗评估涵盖了四种不同气候区的情况。
作者贡献声明
弗朗切斯卡·洛利（Francesca Lolli）：撰写——审阅与编辑、初稿撰写、数据分析、概念构思、方法论设计。赫萨姆·阿扎里贾法里（Hessam AzariJafari）：撰写——审阅与编辑、方法论设计。邦加内·梅洛马库卢（Bungane Mehlomakulu）：可视化设计、数据分析、方法论设计。肖恩·蒙克曼（Sean Monkman）：撰写——审阅与编辑、初稿撰写、项目管理工作、概念构思、可视化设计。兰道夫·基尔钱（Randolph Kirchain）：方法论设计
利益冲突声明
? 作者声明他们没有已知的财务利益冲突或个人关系可能影响本文的研究结果。
