两座邮局建筑的碳足迹、建造时间和成本：3D打印混凝土与传统建筑的对比

《Journal of Building Engineering》：Embodied Carbon, Time and Cost of Two Post-Office Buildings: Comparison of 3D Printed Concrete and Conventional Buildings

3D打印混凝土在环保效益、施工周期和材料消耗方面的优势及成本分析。

　　

Vetrivelan R | Ravindra Gettu | Sivakumar Palaniappan | Yogesh Kumar

印度马德拉斯理工学院（Chennai）土木工程系

摘要

本研究评估了3D打印混凝土技术作为传统钢筋混凝土建筑创新替代方案的潜力。比较重点关注三个主要方面：通过材料消耗和隐含碳对环境的影响、项目工期以及建设成本。研究以印度班加罗尔的两座邮局建筑为例：案例1采用传统钢筋混凝土（RCC）建造，案例2采用3D打印混凝土（3DCP）建造，两者具有相似的建筑面积和功能要求，但建筑布局不同。本研究通过从摇篮到大门的生命周期评估（Cradle-to-Gate Life Cycle Assessment）来评估与材料相关的隐含碳排放，评估依据包括材料用量数据、标准数据库中的碳排放系数以及现场能源使用数据。研究结果表明，3DCP具有诸多优势，如施工速度更快、材料和使用模板更少、环境足迹更小。与传统钢筋混凝土建筑相比，3DCP的隐含碳减少了19%，总材料消耗减少了17%，钢筋消耗减少了48%，施工时间缩短了56%。尽管由于市场接受度有限以及现场打印设备利用率不高，3DCP建筑的上部结构成本可能高出35-78%，但随着规模扩大和技术成熟度的提高，成本优化潜力巨大。总体而言，3DCP有望在可持续建筑的发展中发挥关键作用，为应对城市发展和基础设施建设的挑战提供实际解决方案。

部分内容

引言

预计未来50年全球人口将增加，到2080年代中期将达到约103亿人的峰值，而2024年时为82亿人[1]。随着人口增长，城市化进程也会加快，人们为了寻求更好的经济机会、医疗保健和基础设施而迁往城市。截至2018年，城市地区已经居住着全球55%的人口（约42亿人），这一趋势预计会持续下去。

3D打印混凝土在建筑中的应用

3D打印是一种增材制造技术，可以利用数字3D模型数据构建结构和复杂几何形状。该技术通过逐层沉积材料来形成最终结构[13]。在建筑领域，3D打印使用快硬微混凝土或砂浆以及机器人打印机，几乎不需要人工干预，从而有效消除了对传统模板和大量劳动力的需求。

两座邮局建筑的案例研究

本研究评估了位于印度班加罗尔地区的两座邮局建筑。案例1采用传统钢筋混凝土框架和填充墙建造，建筑面积为90.7平方米，总施工时间为118天；案例2采用3D打印混凝土建造，建筑面积为81.3平方米，总施工时间为54天。这两座建筑均为单层结构，位于同一地理区域。

生命周期评估方法

本研究遵循ISO 14040:2006标准进行生命周期评估（LCA），评估碳足迹。生命周期评估的关键阶段包括目标与范围界定、生命周期清单（LCI）分析、生命周期影响评估（LCIA）以及结果解读与改进分析[26]。本研究旨在比较3D打印混凝土建筑与传统钢筋混凝土建筑的环境影响。

建设成本

案例1和案例2的建设成本分析基于印度公共部门建筑常用的中央公共工程部（Central Public Works Department）的费率表。各项施工项目的单价和用量数据来自建筑图纸[52]。与传统的钢筋混凝土建筑不同，由于供应商保密性、机械设备差异以及混合比例的不同，3D打印混凝土的每立方米成本在印度尚未标准化。

讨论与结论

本案例研究表明，3D打印混凝土技术在施工时间、材料效率和环境影响方面优于传统钢筋混凝土技术。不过，研究也存在一些局限性，例如两座建筑的特性不完全相同、研究规模较小，以及缺乏关于所用材料的具体信息和运输距离的数据。更重要的是，3D打印混凝土的成本尚未得到充分验证。

利益冲突声明

作者声明没有财务或非财务利益冲突。

生成式AI使用声明

本研究未使用生成式AI技术。

作者贡献声明

Vetrivelan R：撰写——审阅与编辑、初稿撰写、可视化处理、数据验证、软件应用、方法论设计、调查研究、数据分析、数据整理。 Sivakumar Palaniappan：撰写——审阅与编辑、初稿撰写、可视化处理、数据验证。 Ravindra Gettu：撰写——审阅与编辑、初稿撰写、可视化处理、数据验证、项目监督、软件应用、方法论设计、调查研究、数据整理、概念构思。 Yogesh Kumar：方法论设计、调查研究、数据分析。

数据获取说明

数据可向作者索取。

资金声明

本研究未获得任何外部资助。

致谢

感谢IIT Madras低碳与精益建筑技术卓越中心的部分资金支持。特别感谢卡纳塔克邦邮政服务部门的积极态度和远见，尤其是S. Rajendra Kumar先生、Lakshmi Kanta Dash先生和Kaiya Arora女士对新兴技术的支持以及对IIT Madras的信任。所有参与3D打印混凝土项目的Larsen and Toubro工程师也做出了重要贡献。

缩写说明

3DP

3D打印/打印技术

3DCP

3D打印混凝土技术

BoQ

工料清单

CAD

计算机辅助设计

CPVC

氯化聚氯乙烯

CPWD

中央公共工程部

ECC

工程水泥基复合材料

EPD 环境产品声明

GGBS 粒化高炉矿渣

GHG 温室气体

GWP 全球变暖潜能值

HDPE 高密度聚乙烯

IPCC 政府间气候变化专门委员会

LCA 生命周期评估

LCI 生命周期清单

LCIA 生命周期影响评估