研究人员开发新型建模方法，推进可持续3D 打印建筑外墙构建

导读：长期以来，碳排放问题一直是建筑行业发展所面临的挑战，如何提高建筑外立面性能对于实现净零排放情景的关键目标至关重要，这也促使我们重新思考当前设计和建造外墙的方式。最近，大规模建筑3D 打印已成为建筑结构的替代制造技术，旨在实现高运行效率和低环境影响。

2024年5月11日，南极熊获悉，苏黎世联邦理工学院研究人员在一项最新的研究中引入了一种新颖的多尺度建模方法，以用于评估 3D 打印外墙 (3DPF) 结构的热光性能。

所提出的建模方法旨在为新型 3DP 立面组件的设计提供信息，并评估其性能和在建筑物中的应用潜力。根据所提出的建模路线，这些组件可以根据特定地点的热学和光学特性组合进行设计，从而在单一、单一材料和多功能组件中提供舒适性和能源效率。

相关研究以题为“From lay er to building: multiscalemodeling of thermo-optical properties in 3D-printed facades/从层到建筑物：3D 打印立面热光特性的多尺度建模”的论文被发表在《Energy andBuildings》期刊上。

论文链接：https://doi.org/10.1016/j.enbuild.2024.114222

研究人员利用 Rhino3D 和Grasshopper 中的 ClimateStudio、EnergyPlus和 Radiance，该方法可以准确捕获角度相关的热光特性，而无需复杂的几何表示。本研究依据三个主要章节提出的多尺度方法来进行：i) 材料，ii) 组件和 iii) 建筑。每部分首先搜集当前适用于 3DPF 的表征技术，强调其重要性以及潜在的建模局限性和差距。然后概述了所使用的材料和方法，强调了这项研究的新颖贡献。最后，它报告研究结果并评估建模方法的有效性，以及这些结果对后续维度尺度的影响。

△对 3D打印外墙的材料和组件进行建模。 （图片来源：苏黎世联邦理工学院）

研究人员在瑞士苏黎世进行的模拟展示了 3DPF 与标准外墙相比的功效。每月能源需求概况显示总体能源需求较低，冷却和照明负载减少，特别是在水平腔体配置中。 3DPF 的性能优于双层玻璃单元 (DGU)，并提供与带外部遮阳的 DGU 相当的性能。

△3DP 零件光学特性的材料尺度研究。 a) 使用经过实验验证的光线追踪模型生成 BSDF 数据的拟议工作流程示意图。辐射度和测角光度测量分别用于模拟和测量。 b) 左：透明 3DP 部件的扫描电子显微镜图像，显示笔直、完美排列的层，横截面处没有界面。右图：对于仿真模型，3DP 零件被建模为由圆柱形挤压件组成的整体对象。

此外，3DPF 可确保全年一致的日光照明，增强空间内的视觉舒适度。与传统的立面系统相比，其漫射光传输质量减轻了眩光。

值得注意的是，3DPF 使用单一材料和简单的制造工艺实现了这些优势，无需额外的遮阳设备或主动控制系统。然而，值得注意的是，3DPF 在视图清晰度方面可能无法与透明立面竞争。

3DPF 的未来设计将侧重于根据特定气候环境定制热光特性，以实现更高的性能水平。通过利用先进的建模方法，3DPF 为可持续建筑设计、优化能源效率和环境影响提供了有前景的途径。