《Journal of Building Engineering》：Computational design integration for acoustic and thermal performance in 3D-printed tropical envelopes
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路易莎·玛丽亚·阿尔瓦雷斯|布莱恩·费尔南德斯|阿德·加西亚|克劳迪娅·帕特里夏·加西亚哥伦比亚国立大学，59A街63号 - 20，麦德林，哥伦比亚摘要本研究通过几何太阳能分析和现场实验测量，评估了在热带安第斯地区（哥伦比亚麦德林）采用TPMS（三周期最小表面，Triply Pe
路易莎·玛丽亚·阿尔瓦雷斯|布莱恩·费尔南德斯|阿德·加西亚|克劳迪娅·帕特里夏·加西亚
哥伦比亚国立大学，59A街63号 - 20，麦德林，哥伦比亚
摘要
本研究通过几何太阳能分析和现场实验测量，评估了在热带安第斯地区（哥伦比亚麦德林）采用TPMS（三周期最小表面，Triply Periodic Minimal Surfaces）启发式几何形状（双曲面和原始形状）的3D打印混凝土墙的性能。共制作了五种配置：基础墙（BW）、单双曲面（SG）、单原始形状（SP）、双双曲面（DG）和双原始形状（DP），所有配置的标准尺寸均为55 × 55厘米，使用ABB IRB 2600机器人臂进行打印。结果表明，自遮挡程度（单配置约为11%）与表面温度降低并无直接关联。相比之下，SG和SP配置的吸声性能分别提高了83%和58%。双配置显著提升了热性能，表面温度降低了多达6°C，并实现了49–62%的热阻尼。这些发现表明，基于TPMS启发的3D打印混凝土墙作为一种被动策略，在热带条件下改善建筑围护结构的热声性能具有潜力。
引言
像哥伦比亚这样的热带国家，大多数建筑依赖于坚固的、非自适应的围护结构。根据国家人口和住房普查（DANE，2018年）的数据，89%的哥伦比亚住宅使用砖块、砌块或石头建造的墙壁[1]，这些静态系统无法动态响应高强度的太阳辐射、高湿度和城市噪音。自适应围护结构，从被动解决方案（双层立面、相变材料）到主动系统（实时响应传感器），目前仍局限于学术和机构项目，尚未在热带建筑市场中得到广泛应用。热带安第斯气候的环境需求与传统建筑系统的能力之间的差距，为3D混凝土打印（3DCP）技术提供了具体的应用机会：该技术能够将几何复杂性、热性能和声学性能整合到单一的建筑过程中，其在热带环境中的可行性尚未得到充分验证。
3D混凝土打印（3DCP）技术已证明其在复杂建筑围护结构制造中的可行性[2]、[3]、[4]、[5]，有文献记载其在模块化立面（通过机器人组装[6]）以及大型整体围护结构（如瑞士的DFAB House项目和意大利的TERA模块[7]）中的应用。计算设计和增材制造的最新进展使得制造具有复杂内部结构的混凝土结构成为可能，其中几何形状显著影响机械和结构性能[8]、[9]；此外，材料-几何-工艺的集成方法提高了结构效率和可持续性[10]。其他现有研究评估了填充绝缘材料的墙体[11]，或分析了打印时间间隔、工具路径变化和截面设计对3DCP过程中热性能的影响[12]。在混凝土以外的材料中，也记录了表面形态与热性能之间的关系：粗糙表面会产生微空气腔，减缓热量散发并提高热阻尼，而光滑表面则有利于对流散热并降低阻尼[13]、[14]、[15]。在3D打印的黏土墙中，复杂的几何形状通过几何自遮挡（此处称为几何太阳能入射分析）自然调节关键时段的入射辐射，有文献记载室内温度降低了多达5°C[16]、[17]。在声学领域，表面的曲折度和粗糙度通过多样化反射角度并增加与入射声波的有效相互作用面积来提高吸声效果[18]。参数化设计工具通过结合几何遮挡分析和气流模型以及计算生成的几何形状[19]、[20]、[21]，允许在物理原型制作前快速迭代优化这些机制。然而，几乎所有这些研究都是在模拟环境中进行的，使用的材料种类繁多，现场实验验证有限，且没有研究同时在热带安第斯气候的特定条件下评估热性能和声学性能，而这种气候条件下需要综合的被动响应措施来应对高强度的太阳辐射、高湿度和城市噪音。
三周期最小表面（TPMS）是一种从数学方程中衍生出的几何形状，能够同时优化结构[22]、[23]、[24]、[25]、声学性能（包括基于格子的系统的振动声学传输[27]、[28]）和热性能[29]，生成可复制且可扩展的图案，同时在不同尺度上保持几何一致性。通过3D打印制造这些形状的可行性已在骨骼再生[22]、陶瓷结构[23]和医疗设备[24]中得到验证。在高性能工程领域，基于TPMS的紧凑型热交换器表现出比传统设计更高的传热效率[30]、[31]；在燃气轮机中，基于TPMS的蒸发性冷却结构的效果比传统方法提高了五倍[32]。在水泥建筑领域，这些几何形状在实验室规模和控制原型中得到了验证，具有记录在案的结构和热性能[33]、[34]，在增强型构件中表现出良好的动态行为[35]，并且减少了水泥复合材料的碳足迹[36]。此外，包含TPMS的多孔或双层结构降低了热传导率（U值）同时提高了被动保温性能[20]、[29]、[37]、[38]。在本研究中，双曲面和原始形状作为2.5D表面凸起应用于实心混凝土核心上，这种设计适应了机器人臂的连续挤出限制和围护结构的要求，保留了这些表面的特征曲率及其增加有效吸声面积的能力，调节通过内部空腔的导热流动，并在无需主动气候控制系统的情况下生成几何太阳能分析[16]、[18]、[30]。
本研究基于对表面处理（受双曲面和原始形状启发的纹理）对3D打印混凝土墙的热性能和声学性能影响的评估。为了进一步探讨墙体厚度的影响，引入了具有中间填充物的双配置，这导致了内部空腔分布的变化。通过参数化设计、几何太阳能入射分析、机器人制造以及在哥伦比亚麦德林的现场实验评估，分析了五种墙体配置（三种单层和两种双层），测量了热阻尼、相位延迟和吸声性能。研究假设表面形态主要影响声学性能和表面热行为，而双层配置的厚度和空腔主要决定了动态热阻尼。与以往侧重于计算分析或结构行为的研究不同，这是首次在真实的热带安第斯条件下，同时对3DCP墙的热性能和声学性能进行现场实验验证。结果与当地传统围护结构（黏土砖）使用相同实验协议[40]以及传统系统的理论参考值（实心砖24厘米、钢筋混凝土25厘米[41]）进行了比较，确立了适用于热带建筑围护结构生物气候设计的性能标准。
部分内容
方法论和实验
本研究结合了几何分析、增材制造和现场实验评估，以表征具有基本双曲面和原始三周期最小表面（TPMS）衍生表面处理的3D打印墙的热声性能。方法包括五个阶段：（i）参数化设计和几何形状生成，（ii）通过3D混凝土打印（3DCP）制造，（iii）现场热学和声学评估，（iv）比较分析，以及（v）
基于TPMS的墙体配置的参数化设计和制造
五种配置（BW、SG、SP、DG和DP）的标准尺寸均为55 × 55厘米。3D打印证实了连续TPMS几何形状的可行性，显示出从平坦表面（BW）到明显起伏（SG、SP）的明显差异。机器人臂的工具路径决定了最终的表面图案。一些部件具有均匀的表面，而其他部件在层变更或工具路径变化处出现局部缺陷，这种情况在较厚的部件中更为常见
结论
本研究验证了基于TPMS的3DCP墙体是热带生物气候围护结构的高性能替代方案。双层配置（DP、DG）在热性能方面表现最佳，实现了49%–62%的热阻尼，与实心砖（38%）和振动混凝土（30%）相当，但墙体厚度减少了25%。而单层配置（SG）在500–2500赫兹的中高频范围内提高了83%的吸声性能。
CRediT作者贡献声明
阿德·加西亚：监督、资源提供、概念构思。布莱恩·费尔南德斯：撰写 – 审稿与编辑、初稿撰写、可视化、验证、方法论研究。克劳迪娅·帕特里夏·加西亚：撰写 – 审稿与编辑、初稿撰写、监督、项目管理、资金获取、形式分析、概念构思。路易莎·玛丽亚·阿尔瓦雷斯：撰写 – 审稿与编辑、初稿撰写、可视化、验证、研究
资金来源
哥伦比亚国立大学（Hermes项目60704，2025年）和Cementos Argos S.A.部分资助了该项目。
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的可能会影响本文所述工作的财务利益或个人关系。
致谢
作者感谢Cementos Argos S.A.在3D打印原型制造方面的技术和材料支持，以及提供本研究中使用的专用混合料。同时，作者还感谢哥伦比亚国立大学麦德林校区的陶瓷和玻璃材料研究小组以及EMAT研究小组提供了实验测量所需的设施和设备。
