可持续建筑材料数字化转型：系统范围综述与技术-生命周期矩阵

《Sustainability》：Digital Transformation of Sustainable Construction Materials: A Systematic Scoping Review and Technology–Life Cycle Matrix

　　

数字技术正在变革可持续建筑材料的发展、生产、监测与管理，但其在整个材料生命周期中的贡献在文献中仍呈现碎片化状态。本系统范围综述通过绘制数字技术在可持续及增材制造建筑材料中的应用图谱来弥补这一研究缺口，涵盖地质聚合物（geopolymers）、再生骨料混凝土（recycled aggregate concretes）、纤维增强复合材料（fibre-reinforced composites）、生物基材料（bio-based materials）及3D打印混合料（3D-printable mixes）。遵循PRISMA-ScR指南和"人群-概念-情境"（Population–Concept–Context，PCC）框架，研究人员采用技术-生命周期矩阵（Technology–Life Cycle Matrix，TLM）和技术-效益矩阵（Technology–Benefit Matrix，TBM）对来自五个数据库的131项研究（2007年至2026年6月）进行了分析，并辅以主成分分析、象限分析、技术就绪水平（Technology Readiness Level，TRL）评估及研究缺口矩阵（Research Gap Matrix）。人工智能/机器学习（Artificial Intelligence/Machine Learning，AI/ML）（65.6%）和建筑信息模型（Building Information Modelling，BIM）（45.0%）是主导技术，分别集中于生产阶段和设计阶段；而生命周期末端（end-of-life）应用尽管占所有已记录技术-阶段交叉点的14.1%，仍处于最低成熟度水平（TRL 1–2，为探索性的作者指定估计值）。由此形成的集成数字生态系统框架将材料科学、数字建造和循环经济相联结，为未来研究和工业实践提供了一种结构化、部分可复现的工具，特别是在弥合生命周期末端缺口方面。

**1. 引言**

1.1 建筑部门的环境影响与政策背景：建筑部门是全球最大的材料资源消耗者和温室气体排放者，占直接和间接CO₂排放约39%及全球最终能源消耗的36%。普通硅酸盐水泥（OPC）生产每公斤熟料约排放0.83 kg CO₂。欧盟绿色新政和联合国2030年可持续发展议程（SDG 11、12、13）为建筑部门转型确立了政策框架。

1.2 可持续低碳建筑材料：地质聚合物和碱激发材料（AAMs）较OPC可减少40–80%的隐含CO₂排放。再生骨料（RA）在工业规模研究中替代率可达90%，但伴随5–30%的力学性能降低。纤维增强复合材料（FRCs、UHPFRCs）优化结构强度-重量比，天然纤维增强复合材料适用于低中强度应用。生物基材料在使用阶段具有主动碳封存优势。3D混凝土打印（3DCP）可节省模板成本30–40%、减少工地废料30–60%，但面临流变可控性、层间剪切强度和增强体集成等挑战。生命周期评估（LCA）与BIM通过openBIM接口实现BIM-LCA集成，支持设计早期的预防性影响模拟。

1.3 建筑数字技术："建筑4.0"范式整合网络-物理技术、信息技术和认知技术。BIM依据ISO 19650标准实现全生命周期信息集成管理，可减少设计错误40%、缩短工期20%并降低设施管理成本30%。人工智能/机器学习（AI/ML）通过人工神经网络（ANNs）、支持向量机（SVMs）和梯度提升算法预测混凝土抗压强度并优化配合比。数字孪生（DT）集成BIM、IoT数据和ML算法，实现基于资产实际状态的状态维护，降低维护成本25–30%。物联网（IoT）涵盖嵌入式材料传感器、MEMS结构健康监测（SHM）系统、RFID材料追溯和建筑自动化系统。计算机视觉（CV）在混凝土表面裂缝检测中精度超过90%，在工地个人防护装备识别中精度超过95%，并应用于3DCP过程的几何质量控制。

1.4 研究缺口与目标：现有文献将可持续材料与数字技术视为两个基本分离的领域，缺乏跨技术协同和交叉创新机会的系统认识。本系统范围综述旨在：（1）系统映射2007年至2026年6月同行评审文献中数字技术在可持续建筑材料中的应用；（2）构建技术-生命周期矩阵（TLM）；（3）构建技术-效益矩阵（TBM）；（4）开展主成分分析、象限分析、探索性TRL映射和研究缺口矩阵；（5）提出集成数字生态系统的操作框架。研究采用PRISMA-ScR方案。

**2. 材料与方法**

2.1 方案、PCC框架与研究问题：本综述采用系统范围综述（SSR）设计，遵循PRISMA-ScR指南和Arksey & O'Malley方法框架。研究问题按PCC框架（人群P、概念C、情境X）构建，由一个主研究问题和五个次问题组成，分别映射到TLM、TBM、PCA与象限分析、TRL映射和研究缺口矩阵。

2.2 多数据库检索策略：在Scopus、Web of Science（WoS）、IEEE Xplore、Google Scholar和PubMed/MEDLINE五个数据库检索2007年1月至2026年6月文献。检索式由三个主题块经布尔运算符AND连接：可持续材料、使能数字技术和建筑部门。经DOI匹配去重（去除357条重复记录，1000条初始记录减至643条），最终纳入131项研究。

2.3 资格标准与筛选：采用PICO适配网格作为操作工具，纳入同行评审研究、书籍章节和CORE A/B会议论文；排除社论、摘要、学位论文、非同行评审报告及2007年前研究。筛选分标题+摘要和全文两个独立阶段进行，使用Rayyan应用进行盲法管理。

2.4 评审者间一致性与PRISMA：两名评审者独立进行盲法筛选，全文筛选阶段的Cohen's κ = 0.81，属"几乎完全一致"范畴。14例分歧（占170篇全文的8.2%）经讨论全部解决，最终选择一致性达100%。全文排除的45篇分为三类：主题范围外、数据不足或不可报告、方法学报告不足。

2.5 数据提取、编码与综合：对每项研究提取作者、年份、标题、期刊、第一作者国家、研究类型、材料类别、主要和次要数字技术、生命周期阶段、报告效益和DOI。技术整合水平采用V/P/A三级交通灯系统编码：V=显式且具有可测量结果的应用；P=部分应用或作为未来展望提及；A=缺失。V/P/A系统经20项试点研究标定后应用于全语料库。

**3. 结果**

3.1 语料库特征：131项研究分布于34个国家，中国（15.3%）、澳大利亚（9.9%）、美国（9.9%）、英国（9.2%）和西班牙（4.6%）合计占48.9%。按研究类型分：综述38.2%、实验研究24.4%、计算研究20.6%、基于机器学习的研究9.9%、案例研究6.9%。按材料类别分：多材料/跨类别42.7%、再生混凝土19.1%、地质聚合物/AAMs 18.3%、3DCP复合材料13.0%、纤维增强复合材料3.1%、生物基材料3.1%。

3.2 使能技术的频率与采用：AI/ML（65.6%）和BIM（45.0%）是语料库中最具代表性的数字技术，其后依次为IoT（24.4%）、计算机视觉（22.1%）和数字孪生（20.6%）。在排除综述和案例研究的初步研究子集中，AI/ML采用率升至84.7%，而BIM降至23.6%、数字孪生降至8.3%。

3.3 技术-生命周期矩阵（TLM）：TLM将五种技术与四个生命周期阶段交叉，共产生234个交叉点。BIM分布于所有阶段，集中于设计阶段（n=31）且在生命周期末端有显著覆盖（n=17）；AI/ML在设计和生产阶段几乎均等分布（n=32和n=30）；数字孪生集中于使用与维护阶段。生命周期末端阶段虽有33个交叉点，但技术成熟度最低。

3.4 技术-效益矩阵（TBM）：BIM与成本降低关联最强（100%）；AI/ML在结构优化方面突出（89%）；数字孪生和IoT均与能源效率高度关联（各100%）；计算机视觉与职业安全关联最强（90%）。跨技术平均来看，成本降低是最常报告的效益（80%），其次为CO₂减少和结构优化（均52%）；废弃物减量（36%）和职业安全（34%）代表程度最低。

3.5 共现分析：最高频技术对为BIM+AI/ML（n=28）、AI/ML+IoT（n=23）和AI/ML+计算机视觉（n=23）；数字孪生+计算机视觉（n=5）为最低频组合，代表高潜力的未开发领域。

3.6 技术就绪水平（TRL）探索性映射：BIM-设计达TRL 8，AI/ML-生产达TRL 8，数字孪生-使用与维护为TRL 6；所有应用于生命周期末端的技术均不超过TRL 2。

3.7 主成分分析（PCA）：PCA投影解释总方差的46.3%（PC1=26.7%，PC2=19.6%）。BIM和AI/ML位于可持续效益象限，IoT和计算机视觉位于结构安全区。k-means轮廓指数（0.244）表明弱聚类结构，分布呈连续性。

3.8 象限分析：BIM是唯一完全位于"数字领导者"象限的技术；AI/ML采用率最高但平均TBM略低于中位数；数字孪生和集成技术构成高影响力利基。

3.9 阶段×效益共现：生命周期末端阶段与CO₂减少（100%）和废弃物减量（87.9%）关联最强；设计阶段成本降低值最高（96.2%）；使用与维护阶段能源效率突出（70.0%）；生产阶段效益分布最均衡。

3.10 材料×技术分布：地质聚合物主要与AI/ML关联；3DCP复合材料具有AI/ML和BIM双重亲和性；再生混凝土是技术多元化程度最高的类别，五种使能技术均有可比频率的出现。

3.11 按出版类型的敏感性分析：排除会议论文和书籍章节后保留98.3%的TLM交叉点；所有非数字孪生TBM百分比保持不变；配对PCA模式高度稳定，99.2%的保留研究保持在同一符号定义象限。

**4. 讨论**

4.1 技术专业化与生命周期：BIM-设计专业化与BIM-LCA集成平台一致，2023–2025年研究记录了BIM-LCA与云平台集成驱动的动态可持续性分析的趋同。AI/ML-生产专业化反映材料信息学的成熟，大型语言模型（LLMs）和图神经网络（GNNs）实现了对地质聚合物和3DCP复合材料性能的高精度预测。数字孪生在维护阶段的集中反映了其作为建成资产"数字克隆"的本质。

4.2 生命周期末端挑战：最关键的发现不是该阶段研究稀缺，而是其应用成熟度低：所有技术的TRL均为1–2。欧盟循环经济行动计划（COM(2020) 98）和建筑产品法规（CPR，2024）引入数字产品护照（DPP）义务。四项前瞻性措施包括：基于IFC 4.3的数字材料护照、BIM+AI自动选择性拆解规划、IoT废弃物流向实时追踪和与数字孪生集成的动态LCA模型。

4.3 研究缺口矩阵与未来优先事项：三大优先方向为：（1）生命周期末端集成数字生态系统（紧迫性9.5/10；可行性2.5/10）；（2）与数字孪生集成的动态LCA（紧迫性8.8/10）；（3）AI/ML用于建筑拆除废弃物的逆向工程（紧迫性8.5/10）。

4.4 集成数字生态系统框架：框架分为三层：可持续材料层、使能技术层和预期效益层，外加由IFC 4.3、openBIM、FAIR数据原则和ISO 16739构成的跨切层。循环经济回路闭合框架，将生命周期末端材料转化为新生产周期的合格原材料。

4.5 与文献比较、原创贡献与研究局限：本综述区别于仅聚焦材料性质或单一技术的既有综述，将材料、技术、效益和生命周期阶段整合于单一定量框架。七项局限涵盖数据库覆盖范围、V/P/A编码主观性、TBM的记录性质、时间周期截至2026年6月、语言限制（仅英语和意大利语）、可持续性代码簿未涵盖隐含能源和水足迹等指标，以及综述与原始研究的非独立性。

4.6 异质性、工业采用障碍与不一致证据：语料库中仅55.0%为提供直接实证或模拟证据的实验或计算研究；地理集中性限制了结论向其他制度、监管和市场情境的迁移性；语料库对工业规模采用障碍仅提供间接证据；同一技术-阶段对的效应量报告差异较大，反映研究设计、数据集规模和报告实践的异质性。

**5. 结论**

本SSR分析了131项研究（2007年至2026年6月）并产生五项主要贡献：TLM和TBM矩阵、生命周期不对称性（BIM集中于设计、AI/ML均分于设计与生产、生命周期末端成熟度最低）、探索性TRL映射、研究缺口矩阵和集成数字生态系统框架。未来五年研究优先方向包括：基于IFC模式的端部生命周期BIM工具、数字孪生与LCA的动态集成、Transformer架构和生成对抗网络（GANs）用于地质聚合物和3DCP复合材料的逆向设计、低碳材料IFC标准化以及建筑拆除废弃物可追溯性的IoT生态系统。