1、文章编号:1009-6094(2023)07-2523-11基于 LCA 法的 3D 打印建筑碳排放量及减碳效果分析*孟庆成1，胡垒1，李明健1，万达1，吴浩杰1，齐欣2(1 西南石油大学土木工程与测绘学院，成都 610500;2 西南交通大学土木工程学院，成都 610031)摘要:气候变暖已成为全球生态环境问题，而建筑业占据碳排放总量的近三分之一，建筑建造过程减碳潜力巨大。针对 3D 打印建筑碳排放及减碳效果评价问题，采用全生命周期评价方法定义 3D 打印建筑碳排放计算模型，对比分析 3D打印建造与传统建造和常规绿色建造方式物化阶段碳排放。量化分析得到以下结果:首先，3D 打印混凝土掺入粉煤
2、灰、硅灰等材料替代部分水泥用量，对比普通混凝土其每立方米碳排放有效降低 10%30%。其次，3D 打印建造材料运输及施工过程碳排放低于传统和常规绿色建造方式。最后，建筑物化阶段中 3D 打印建造比传统建造和常规绿色建造方式碳排放总量分别降低 15.97%和 8.78%。3D 打印建造物化阶段碳排放均低于传统建造和常规绿色建造方式，且减碳效果显著。关键词:环境科学技术基础学科;3D 打印;全生命周期评价;建筑碳排放;减碳效果中图分类号:X22文献标志码:ADOI:10.13637/j issn 1009-6094.2022.0650*收稿日期:2022 04 14作者简介:孟庆成，讲师，博士，从
3、事桥梁结构健康监测与桥梁全生命周期碳排放研究，214400395 qq com。基金项目:国 家 自 然 科 学 基 金 项 目(52078442，51408498);四 川 省 科 技 计 划 项 目(2021YJ0038)0引言21 世纪早期，由于世界各国经济快速发展忽视了对环境造成的影响，导致气候变暖已经成为了全球严峻的生态问题。2021 年，由政府间气候变化专门委员会(IPCC)第六次评估报告(A6)1 首次提出，随着对气候变化系统的科学研究，已逐渐认识自工业革命到 21 世纪全球气温增长几乎完全是由人类的生命活动引起。温室气体2(Greenhouse Gas，GHG)的排放成为了全球
4、温室效应增长的主要因素，GHG 主要由 6 种气体组成，其中二氧化碳气体(CO2)影响占比最大。随着世界各国逐渐趋向于城市化和智能化，建筑业迅猛发展，建筑建造碳排放已经占据总碳排放的近三分之一3，建筑建造过程减碳潜力巨大。传统建筑建造方式已经不能满足对绿色低碳建筑的要求，一种新型建筑制造技术:3D 打印(3 DimensionalPrinting)逐渐成为建筑施工行业研究的热点。作为第三次工业革命重要标志的 3D 打印技术已经蔓延到各类科学领域4，其中医学、航天航空和机械制造领域的应用趋向于成熟，反观建筑3D 打印的应用才刚刚起步。3D 打印技术是具有高效、节能、环保、安全等特点的自动化和数字
5、化建造技术，同时3D 打印建造方式可以有效降低建筑物化过程中产生的碳排放，是一种绿色与经济为一体的新型建筑建造技术。建筑碳排放计算范围界定方法主要分为投入产出法、全生命周期评价法和混合评价法5。早在1998 年，Suzuki 等6 就首次使用投入产出法对日本建筑物的建造、运营、维护和翻新过程碳排放进行计算，但投入产出法计算碳排放的结果精度有限。2011 年，You 等7 首先建立城市建筑系统的生命周期模型(LCCE 模型)，针对建筑设计阶段不同结构形式对建筑碳排放的影响和建筑全生命周期不同阶段碳排放足迹进行分析，并通过计算得到的分析结果提出建筑减排措施。混合评价法把产品投入产出法和全生命周期评
6、价法结合起来，用以弥补计算精度不足和计算边界难定义的缺陷，但是计算分析过程复杂且计算结果仍存在误差5。对比分析发现，投入产出法的计算结果精度有限和混合评价法计算分析过程较为复杂，而全生命周期评价法准确性和针对性较好，适用于建筑领域碳排放计算。所以本文使用偏向于建筑碳排放计算的全生命周期评价方法(Life Cycle Assessment，LCA)8 对 3D 打印建筑碳排放范围界定。早在 2005 年，仲平9 首次将建筑全生命周期阶段界定为 5 个阶段，分别为建筑材料、建筑建造、建筑使用、建筑拆除和废弃建材处理阶段。随着废弃建筑材料可回收再利用研究的发展，回收再利用建筑材料应该抵消建筑物化阶段
7、计算的部分材料消耗碳排放量。而上述定义的建筑全生命周期 5 个阶段均为碳排放计算，并未考虑到废弃建筑材料回收再利用带来的减碳效果。所以本文根据建筑碳排放和建材回收再利用的减碳过程将建筑全生命周期划分为碳排放阶段和碳补偿阶段，其中碳排放阶段分为建筑设计、建筑物化、建筑运营维护和建筑废弃拆3252第 23 卷第 7 期2023 年 7 月安全 与 环 境 学 报Journal of Safety and EnvironmentVol 23No 7Jul，2023除，而碳补偿阶段为废弃建材回收再利用。目前针对建筑全生命周期碳排放主要有 3 种碳足迹计算方法，包括质量平衡法、排放系数法和实测法10。通
8、过 3 种方法的对比分析发现，排放系数法比实测法和质量平衡法应用范围更广，更适用于建筑碳排放计算且通过碳排放因子计算得到的结果准确度高，最接近实际碳排放值。1建筑 3D 打印混凝土技术3D 打印技术是增材制造技术的一种4，3D 打印机通过预设程序按设计方案进行材料的逐层堆积打印。有别于传统建造施工，3D 打印是高度精确化的人工智能建造施工方式，全机械化建造模式具有施工建造快、建筑构件精度高和工程成本低等特点。3D 打印技术是传统制造技术与装配式建筑理念的结合，既可以现场进行“原位 3D 打印”，也可以利用装配式理念在工厂进行预制 3D 打印后运输现场安装。装配式建筑的 3D 打印建造流程如图
9、1 所示。图 1基于装配式方法的建筑 3D 打印流程图Fig 1Flow chart of building 3D printing based on assembly method1.1建筑 3D 打印混凝土建造技术建筑领域应用的 3D 打印混凝土建造技术主要分为轮廓工艺、D 型工艺和混凝土打印11。轮廓工艺(Contour Crafting，CC)12 是一种添加制造技术，通过计算机程序控制龙门架在三维空间中机械的移动，精准地将材料送到指定位置完成打印过程。至今，轮廓工艺已经发展趋向成熟，在国内外建筑领域得到广泛的应用。D 型工艺 13(D-shape)，通过喷挤装置将打印材料按照一定的宽
10、度和厚度进行打印，由意大利的工程建造师 Dini 提出。主要应用于中等体量的结构打印，打印材料主要是粉末材料和化学黏结剂混合组成。D 型工艺打印的结构整体性好、强度高、成本较低，但是由于其打印装置较大，在实际应用中打印尺寸受限。混凝土打印工艺13 最早是由拉夫堡大学建筑工程学院提出这一概念，同样使用喷嘴挤压混凝土按预定轨迹逐层打印，但所要求混凝土打印过程必须更加精确，对于打印复杂结构更具优势，缺点是打印速度较慢。混凝土打印对建设过程中使用材料的凝结固化时间和强度要求较高，通常使用具有良好性能的聚丙烯纤维混凝土作为打印材料。3D 混凝土打印装置如图 2 所示。3D 打印数字建造技术融合了计算机、
11、机械自动化、建筑设计和土木工程等学科，充分发挥数字化和自动化建造优势，将复杂建筑结构分解分层然后逐层堆积完成打印。1.2建筑 3D 打印混凝土材料建筑 3D 打印混凝土使用一种特殊的“油墨”材料15，其中水泥作为主要的胶凝材料，在掺入纤维、外加剂和粗、细骨料。纤维作为增强材料，主要用于增强混凝土抗裂性能。外加剂有效减少混凝土凝结硬化时间，并提高混凝土构件强度。建筑3D 打印混凝土有别于传统混凝土，必须具有良好的打印性，其图 23D 混凝土打印装置图14 Fig 23D concrete printing device diagram14 4252Vol 23No 7安全 与 环 境 学 报第
12、23 卷第 7 期中包括可建造性、可挤出性和可泵送性16。建筑 3D 打印混凝土材料根据其组成成分可分为普通砂浆、纤维砂浆、再生砂浆和含粗骨料混凝土15。其中纤维砂浆通过不同种类纤维的掺入，可以提高构件的韧性和抗拉强度，减少干燥收缩裂缝。再生砂浆则使用一定比例的建筑垃圾、尾矿和工业垃圾作为再生骨料，提高了混凝土的经济效益和环境效益。含有一定比例粗骨料的3D 打印混凝土，可以提高 3D 打印速度，减少水泥的用量，生产相同体积的构件物可以节省工程成本和提高打印效率。建筑3D 打印过程中使用的特殊混凝土，其保证混凝土力学性能时，掺入粉煤灰、硅灰等材料代替部分水泥用量17，能有效降低 3D 打印混凝土
13、碳排放。图 3建筑全生命周期碳排放及减碳效果量化分析Fig 3Quantitative analysis of carbon emission and carbon reduction effect in the whole life cycle of buildings2建筑 3D 打印碳排放计算模型2.1碳排放范围界定基于全生命周期评价法将建筑全生命周期划分为建筑碳排放和碳补偿，即“摇篮摇篮”的过程，包括建筑设计、建筑物化、建筑运营维护、建筑废弃阶段，其中建筑物化阶段分为建材生产、材料运输和施工建造阶段，建筑废弃阶段分为建筑拆除和建材回收利用阶段。3D 打印建筑全生命周期碳排放研究尚未涉及
14、建筑运营维护和废弃拆除回收阶段，所以本节主要针对 3D 打印建筑物化阶段碳排放量化分析，其物化阶段包括:3D 打印材料生产阶段、材料与成品运输阶段和 3D 打印建造施工阶段。建筑全生命周期碳排放及减碳方式如图 3 所示，本文主要量化分析 3D 打印建筑的设计阶段及建筑物化阶段的碳排放及减碳效果。2.2碳排放计算模型本文主要基于 GBT 513662019建筑碳排放计算标准18、ISO 140401997环境管理一生命周期评价一原则与框架 和 ISO 140411998环境管理一生命周期评价一目标与范围确定和清单分析 系列全生命周期评价对 3D 打印建筑物化阶段碳排放计算模型进行定义。主要对建筑
15、 3D 打印全生命周期碳排放、3D 打印建筑物化阶段碳排放、3D打印材料生产及运输碳排放和 3D 打印建造施工碳排放分别建立计算模型。2.2.1总碳排放计算模型根据前述 3D 打印建筑全生命周期碳排放计算边界，采用碳排放因子为媒介的碳排放系数法进行计算，3D 打印建筑全生命周期总碳排放 C(CO2)计算公式为C(CO2)=CJC+CJZ+COM+CCC CM(1)3D 打印建筑物化阶段碳排放 CBS计算公式为CBS=CJC+CJZ(2)式中C(CO2)为 3D 打印建筑全生命周期碳排放总量;CBS为 3D 打印建筑物化阶段碳排放总量;CJC为 3D 打印建筑材料生产及运输阶段碳排放总量;CJZ
16、为 3D 打印建筑施工建造阶段碳排放总量;COM为 3D 打印建筑运营维护阶段碳排放总量;CCC为3D 打印建筑拆除阶段碳排放总量;CM为 3D 打印建筑废弃建材回收再利用碳排放补偿总量;各项碳排放总量的单位均为 kgCO2e。2.2.2材料生产及运输碳排放计算模型3D 打印建筑材料生产及运输阶段碳排放总量CJC主要包含建材生产和运输时所产生的碳排放，其计算公式为CJC=niMiFi+niMiDiTi(3)52522023 年 7 月孟庆成，等:基于 LCA 法的 3D 打印建筑碳排放量及减碳效果分析Jul，2023式中Mi为 3D 打印建筑第 i 种主要建材消耗量;Fi为 3D 打印建筑第 i 种主要建材碳排放因子，kgCO2e/t;Di为3D 打印建筑第 i 种主要建材的平均运输距离，km;Ti为 3D 打印建筑第 i 种主要建材运输单位重量距离产生的碳排放，kgCO2e/(tkm)。2.2.3建造施工碳排放计算模型3D 打印建筑在施工建造过程产生的碳排放主要包括人工和施工机械两部分。其中人工碳排放由工人数量乘以工作时间，施工机械碳排放由机械消耗能源的碳排放因子乘以台班数量计算所得
