综述：三维混凝土打印建筑的生命周期评估：方法、标准和EPBD合规性综述

《Journal of Composites Science》：Life Cycle Assessment of 3D Concrete Printed Buildings: A Review of Methodologies, Standards and EPBD Compliance

　　

三维混凝土打印（3DCP）是一种新兴的现代施工方法，具有提高施工效率、减少劳动力需求和支持可持续住房交付的潜力。在爱尔兰，其近期采用恰逢政策日益强调现代施工方法以及引入更严格的欧洲建筑气候影响评估要求。修订后的能源性能建筑指令（EPBD）引入了对新建筑全生命周期全球变暖潜势（GWP）计算和报告的逐步要求，从而产生了与现行监管要求相一致且能够捕捉新兴施工技术特定特征的生命周期评估（LCA）方法论的需求。本文审查了EPBD、EN 15978、EN 15804、Level(s)以及相关爱尔兰方法论对3DCP建筑的适用性。研究人员还审查了现有的3DCP LCA研究，并评估了其方法论范围、系统边界、功能单位、数据源以及与现行监管要求的一致性。审查表明，大多数现有的3DCP LCA研究仍然集中于材料、组件或有限的生命周期阶段，其中从摇篮到大门（cradle-to-gate）评估尤为常见。因此，许多已发表的研究并未完全与修订后的EPBD下引入的整栋建筑、从摇篮到坟墓（cradle-to-grave）评估框架保持一致。审查还发现缺乏专门针对3DCP建筑的LCA方法论，特别是在可打印材料设计、施工过程能耗、材料效率、加固策略、耐久性、维护和寿命终结情景方面。这些差距限制了当前可持续性评估的可比性和监管相关性。本文得出结论，迫切需要EPBD合规的完整3DCP建筑全生命周期碳评估，同时开发3DCP特定的方法论指导和数据，以支持可靠的环境基准测试以及该技术在爱尔兰和欧洲的更广泛采用。

2. 综述策略（Review Strategy）
采用PRISMA方法进行文献系统综述。使用Scopus数据库，检索字符串为“Life Cycle Assessment OR Energy Performance of Buildings Directive OR Global Warming Potential AND 3D concrete printing”，截至2025年12月共获得148条记录。通过筛选，排除会议论文、书籍章节、学位论文、报告和非英语出版物，最终纳入98篇文献，包括通过引文追踪和手动筛选获得的额外来源。

3. 关键方法论考量（Key Methodological Considerations in LCA）
3.1 影响指标（Impact Indicators）
生命周期评估（LCA）旨在评估环境影响，根据EN 15978和EN 15804标准，环境影响分为多个“影响指标”。全球变暖潜势（GWP）是衡量温室气体（GHG）相对于CO₂在特定时间段内截留热量的指标，单位是kg CO₂eq。EPBD强制要求计算GWP，并将其视为最重要的指标。

3.2 生命周期阶段（Life Cycle Stages）
EN 15978采用模块化方法划分建筑生命周期，包括：产品阶段（模块A1–A3）、施工过程阶段（A4–A5）、使用阶段（B1–B8）、寿命终结阶段（C1–C4）和生命周期外阶段（D1–D2）。EN 15978的修订版预计将引入更多子模块，如A5.1–A5.4和B4.1–B4.2。

3.3 系统边界（System Boundaries）
系统边界定义了评估的范围。常见边界包括从摇篮到大门（cradle-to-gate，模块A1–A3）、从摇篮到坟墓（cradle-to-grave，阶段A–D）等。EPBD要求采用从摇篮到坟墓（A–D）系统边界（模块B5、B7、B8为可选）。大多数现有3DCP LCA研究采用A1–A3边界，不符合EPBD要求。

3.4 功能单位（Functional Unit）
EPB指定的功能单位为kg CO₂eq/m²“可用楼面面积”，参考期为50年。

3.5 楼面面积（Floor Area）
EPBD推荐使用国际物业测量标准（IPMS）计算楼面面积。在爱尔兰，可持续能源管理局（SEAI）推荐使用IPMS 3B方法，类似于传统总内部楼面面积（GIFA）测量。

3.6 参考期（Reference Period）
EPBD规定GWP计算周期为50年。

3.7 建筑元素（Building Elements）
EPBD采用基于层级（tier）的分类法，最小要求考虑层级2中的所有元素。爱尔兰使用国际成本管理标准（ICMS 3）对建筑元素进行标准化测量和报告。

3.8 生物碳（Biogenic Carbon）
生物碳涉及生物质中碳的封存和释放。大多数方法论建议将生物碳与其他来源的隐含碳分开计算和报告。

3.9 影响指标计算（Impact Indicator Calculations）
EN 15978规定GWP计算方法：每个生命周期模块中各产品/服务的数量乘以相应的碳因子（kg CO₂eq/单位）。碳因子可为正值（排放）或负值（储存）。

3.10 用于LCA的计算工具（Calculation Tools for LCA）
常用LCA工具包括OneClick LCA、OpenLCA、SimaPro、Revit插件等。EPBD和Level(s)框架要求工具与EN 15804一致。对于3DCP，BIM集成可促进自动化LCA，但需注意建模准确性。

3.11 报告模板（Reporting Template）
EPBD提供了标准化的GWP报告表格，要求按生命周期阶段分别报告GWP值。EN 15978建议采用表格形式，并注明数据来源、假设和排除模块。

3.12 环境产品声明（Environmental Product Declarations, EPDs）
EPD是显示产品生命周期环境绩效的文件，需符合EN 15804标准。EPBD优先使用EPD数据。欧盟建筑产品法规（修订版）要求自2026年1月起报告产品的GWP。

3.13 数据库（Databases）
碳因子数据来源包括爱尔兰绿色建筑委员会（IGBC）国家通用数据库、SEAI国家隐含碳数据库、国际ICE数据库等。EPBD建议采用成员国开发的可靠通用和默认数据库。3DCP特定数据（如高胶凝材料混合物）缺失，迫使研究人员依赖传统高强混凝土代理数据，可能导致偏差。

3.14 LCA方法的关键局限性（Critical Limitations of LCA Methodology）
LCA结果存在不确定性，源于大量测量和模拟数据、假设及输入值选择。功能单位、影响评估方法、生命周期阶段和环境指标的选择显著影响结果解释。此外，许多LCA主要关注环境影响，而忽略了经济、社会和长期耐久性因素。

4. 建筑LCA的监管与方法论框架（Regulatory and Methodological Framework for Building's LCA）
4.1 国际标准（International Standards）
ISO 14040和ISO 14044定义了LCA的四阶段过程（目标和范围定义、清单分析、影响评估、解释）。ISO 14025规定了EPD（III型环境声明）的报告规则。ISO 14067提供了产品碳足迹的计算框架。

4.2 欧盟框架（EU Frameworks）
EPBD是欧盟建筑脱碳的法律框架，要求从2028年起新建大于1000 m²的建筑报告GWP，2030年起所有新建建筑需报告。Level(s)框架提供了16项核心可持续性指标，包括GWP（指标1.2），并与EN 15978一致。EN 15978提供了建筑LCA的模块化计算方法，EN 15804规范了EPD的创建规则。

4.3 爱尔兰国家计划（Irish National Plans）
爱尔兰气候行动计划（CAP 2025）委托SEAI开发国家GWP计算方法。住房行动计划（2025–2030）强调现代施工方法（MMC），包括3DCP。

4.4 相关物业测量标准（Related Standards for Property Measurement）
IPMS和ICMS分别标准化楼面面积和建筑元素范围的测量与报告，被EPBD和Level(s)推荐使用。

4.5 用于GWP计算的LCA方法论（LCA Methodologies for GWP Calculation）
几种符合EN 15978的方法论包括：SEAI方法（2025年发布，涵盖A–D模块，但排除B3需修订）、IGBC方法（排除阶段D）、IStructE方法（排除B6–B8）、RICS方法（全面覆盖A–D，引入应急系数）、CIBSE TM65方法（针对MEP设备，采用A–C边界并包括缓冲因子）。这些方法论在系统边界、模块选择、功能单位和不确定性处理方面存在差异，影响了结果的可比性。

4.6 生命周期影响评估（Life Cycle Impact Assessment, LCIA）
LCIA是ISO 14040的第三阶段。欧盟环境足迹方法和ReCiPe 2016是常用的LCIA方法，用于将GHG转换为CO₂eq。大多数方法论不明确指定LCIA方法，因为EPD和数据库提供了预处理数据。

4.7 LCA方法论的比较与未来发展（Comparison of LCA Methodologies and Future Development）
行业报告（如RPS和Ramboll）比较了不同方法论的系统边界，指出早期方法论在范围和假设上存在显著差异。学术文献中较少进行定量比较，且缺乏对EPBD合规性的关注。爱尔兰政府LCA研究仅采用A1–A5边界，未考虑MMC。

5. 3DCP文献中的LCA方法（LCA Approaches in 3DCP Literature）
现有3DCP LCA研究多数引用ReCiPe 2016，少数涉及EN 15978或RICS，未引用Level(s)或EPBD。多数研究未满足新EPBD要求，且未尝试针对3DCP调整方法。近期进展包括功能梯度板、工程水泥基复合材料（ECC）和FRP约束3D打印混凝土的结构性能研究，这些对LCA框架有直接影响。

6. 方法论差距及其对3DCP的影响（Methodological Gaps and Implications for 3DCP）
比较EPBD、EN 15978和Level(s)基线框架与现有方法论，识别出三个具体差距：指标与功能单位不匹配（多数研究使用多指标LCIA框架而非单一GWP）、系统边界不一致（多数研究停滞于从摇篮到大门边界）、空间量化标准差异（未采用IPMS）。需要针对3DCP提出定制方法论。

7. 讨论与未来建议（Discussion and Future Recommendations）
3DCP在爱尔兰的进一步推广需证明其可持续性且符合EPBD要求。现有LCA研究多不满足新要求，缺乏完整3DCP结构的研究。未来工作应聚焦：预测3DCP的寿命终结情景、开发3DCP通用数据纳入国家数据库、更新现有方法论以符合EPBD、进行合规的全生命周期碳评估、提出3DCP特定方法论、开展定量比较研究、完成符合EPBD的组件级LCA、在爱尔兰进行完整的3DCP结构LCA、采用概率框架整合结构性能与退化机制、标准化LCA程序并优先使用高质量EPD。

8. 结论（Conclusions）
EPBD、EN 15978和相关标准建立了全面的基线LCA方法论，将促进结果的一致性。大多数现有方法论和结果未完全符合EPBD更新要求，系统边界和数据质量层次是最常见的不合规点。一些方法论（如RICS的应急系数）在满足基线要求的同时进行了定制。现有3DCP LCA研究缺乏完整结构评估，且未进行方法论定量比较。需要开展EPBD合规的完整3DCP结构全生命周期LCA，以支持其可持续性证明和更广泛采用。