采用金属增胺制造的混合钢结构的环境生命周期评估

《Journal of Cleaner Production》：Environmental life cycle assessment of hybrid steel construction featuring metal additive manufacturing

　　

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  通过生命周期评价（LCA）研究了混合I型钢梁的环境影响。
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  提出了降低隐含碳的混合I型钢梁的设计流程。
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  考察了普通强度和高强度DED电弧增材钢材的隐含碳。
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  混合DED电弧-热轧梁的全局变暖潜能值（GWP）最多可减少45%。

引言

截至2025年，建筑与建设行业占全球能源相关CO₂排放量的约34%，高于2015年的29%（联合国环境规划署，2025）。这表明建筑部门仍未能按照《巴黎协定》（联合国气候变化框架公约，2015）的要求在2030年前减少全球CO₂排放量的28%，也未能在2050年实现净零排放（政府间气候变化专门委员会，2018；国际能源署，2021；欧盟委员会，2020）。钢材和水泥等建筑材料被确定为CO₂排放的主要来源，约占全球建筑相关CO₂排放量的18%。这凸显了对可持续结构设计和施工方法的迫切需求——即消耗更少材料并提高材料利用效率的方法。

定向能量沉积电弧（DED-arc）是一种金属增材制造（AM）技术，能够实现高沉积速率并生产具有复杂几何形状的金属零件（Armstrong等，2022；Gardner，2023）。先前的研究考察了DED-arc材料的力学性能（Weber等，2024；Spinasa等，2025；Huang等，2023；Zuo等，2025；Guo等，2022），并展示了DED-arc在通过结构优化和/或新的混合制造策略生产具有更高材料利用率的钢结构构件中的应用（Weber等，2026；Evans等，2024；Meng等，2023；Kyvelou等，2024；Gardner等，2024；Yang等，2025a；Yang等，2025b；Baqershahi等，2024），部分示例见图1。混合制造策略通过DED-arc将钢材材料沉积到传统热轧钢构件上，为生产具有显著增强结构性能的钢构件提供了一种新范式，特别是当DED-arc钢材附加部分经过精心设计并以优化图案沉积时（Meng和Gardner，2025）。例如，Yang等（2025a，2025b）通过物理试验考察了一系列混合DED-arc-热轧钢I型截面梁的结构响应。试验研究结果表明，对于混合梁试件，质量增加仅为5%至15%（即来自DED-arc钢材附加部分），即可获得40%至80%的极限抗弯承载力不成比例的提升，使得总体材料利用率显著高于传统热轧I型截面梁。这表明该混合制造策略在减少材料消耗、进而降低结构钢梁碳足迹方面具有潜力。

环境生命周期评价（LCA）是评估工程产品碳足迹/CO₂排放及其他环境影响（如水耗竭）的有用工具。国际标准ISO 14040（2006）和ISO 14044（2006）已建立，为LCA的实施提供了指导和框架。近年来，关于增材制造（AM）金属零件的LCA研究大量涌现（Faludi等，2015；Priarone等，2021；Kafara等，2017；Paris等，2016；Gouveia等，2022）。Kokare等（2023）对金属增材制造的LCA进行了系统综述，主要涉及航空、航天和生物力学应用领域，其中82%的综述研究表明AM产品的CO₂排放量低于传统制造的同类产品。此外，一些研究比较了通过DED-arc制造的钢结构材料或构件与传统热轧或冷成型制造产品的碳足迹（Bekker和Verlinden，2018；Arrè等，2025）。然而，这些研究采用的是几何等效或质量等效比较基准，而非更适合结构工程背景的功能够效等效基准。Shah等（2023）以承载能力为功能够效等效基准对DED-arc结构钢构件进行了比较LCA，这是首次此类研究，其中评估并比较了传统热轧钢I型截面梁与拓扑优化DED-arc梁——见图1(c)——的碳足迹，后者重量轻53%但承载能力相同。该研究结果表明，在典型沉积速率下，DED-arc钢构件需要约50%的减重才能实现有利的CO₂排放表现，这凸显了结构优化在设计和制造可持续DED-arc钢构件中的关键作用。

本研究将Shah等（2023）报告的面向结构（功能）等效性的LCA方法扩展至上述混合DED-arc-热轧钢I型截面梁。与完全增材制造的构件不同，混合梁保留了传统热轧钢截面作为主要承载构件，仅在目标区域使用DED-arc钢材附加部分来增强结构效率。本研究建立了一个综合参数化设计框架，以功能够效等效、设计代码为导向的基准比较混合梁与传统热轧梁的环境影响，这是首次此类研究。在该框架中，传统热轧梁被选为至少提供与其混合对应物相同的设计抗弯承载力（即功能够效等效），从而使混合制造的环境效益能够直接与结构设计需求相关联地评估。

Yang等（2025a，2025b）研究的混合DED-arc-热轧钢I型截面梁的环境影响尚未被考察；因此，这构成了本研究的范围。第2节简要回顾了混合梁试验（Yang等，2025b；Yang等，2025a）。在第3节中，通过摇篮到大门（cradle-to-gate）LCA评估了热轧和DED-arc钢材单位质量（即1公斤）生产相关的环境影响，这被称为单位质量分析。然后，该单位质量分析的结果在第4节中用于考察第2节中总结的混合梁试件的环境影响。最后，在第5节中进行了涵盖广泛I型截面型材和钢梁设计场景的综合参数化研究，以评估该混合制造策略对钢梁设计碳足迹的总体影响，其中证明对于某些典型加载条件，碳足迹最多可减少40%。第6节总结了关键发现并得出结论。

章节摘要

先前试验回顾

本节简要总结了Yang等（2025a；2025b）此前对混合DED-arc-热轧钢I型截面梁进行的试验研究。这些研究的结果随后用于后续章节中呈现的生命周期影响评估。

在Yang等（2025a；2025b）的研究中，通过物理试验评估了一系列混合DED-arc-热轧钢I型截面试件的强轴弯曲行为，试验条件为

单位质量分析

本节使用OpenLCA软件包（GreenDelta GmbH，2023）和Ecoinvent 3.8数据库（Ecoinvent，2024）进行了摇篮到大门的生命周期评价（LCA）。LCA的目的是研究生产以下单位质量产品相关的环境影响：(a) S355级热轧钢I型截面，(b) 使用ER70S-2焊接丝生产的普通强度DED-arc钢材，(c) 使用ER110S-G焊接丝生产的高强度DED-arc钢材，以及(d) 高强度

混合I型截面梁分析

在第3节中进行了材料层面的生命周期影响评估，而在本节中，使用第3节的单位质量影响结果在构件层面评估了第2节中所述混合梁试件的碳足迹。由于梁是钢结构中的主要结构构件，本节呈现的研究成果代表了具有DED-arc的混合钢建造在结构层面的影响。

参数化研究

在第4节中，对一系列试验混合梁试件的构件层面环境影响进行了评估，其中大多数混合试件相对于其传统裸I型截面对应物表现出较低的GWP值。然而，这些混合试件仅代表有限的梁构型、混合率和加载场景；同时混合DED-arc-热轧制造策略对钢梁设计全球变暖潜能的总体影响

结论

本文探讨了金属3D打印与传统钢结构相结合——即混合建造——的结构和环保效益。使用OpenLCA软件包（GreenDelta GmbH，2023）和Ecoinvent 3.8数据库（Ecoinvent，2024）对混合DED-arc-热轧I型截面梁进行了摇篮到大门的生命周期评价（LCA）。对先前试验的混合梁（Yang等，2025a；2025b）的环境影响进行了评估

CRediT作者贡献声明

Yang Jiachi：原创草稿撰写、可视化、验证、软件、方法论、调查、正式分析、数据管理。Kyvelou Pinelopi：指导、资源、方法论、概念设计。Wadee M. Ahmer：审阅与编辑、指导、资源、项目管理、方法论、资金获取、概念设计。Gardner Leroy：审阅与编辑、指导、资源、项目管理、方法论、资金获取、概念设计。

利益冲突声明

作者声明不存在已知的可能影响本文所报告工作的财务利益或个人关系方面的竞争利益。

致谢

作者感谢伦敦帝国理工学院通过土木与环境工程系的Skempton奖学金对第一作者提供的财政支持。

Yang Jiachi|Kyvelou Pinelopi|Wadee M. Ahmer|Gardner Leroy