研究人員開發(fā)新型建模方法，推進可持續(xù)3D 打印建筑外墻構建

導讀：長期以來，碳排放問題一直是建筑行業(yè)發(fā)展所面臨的挑戰(zhàn)，如何提高建筑外立面性能對于實現(xiàn)凈零排放情景的關鍵目標至關重要，這也促使我們重新思考當前設計和建造外墻的方式。最近，大規(guī)模建筑3D 打印已成為建筑結構的替代制造技術，旨在實現(xiàn)高運行效率和低環(huán)境影響。

2024年5月11日，南極熊獲悉，蘇黎世聯(lián)邦理工學院研究人員在一項最新的研究中引入了一種新穎的多尺度建模方法，以用于評估 3D 打印外墻 (3DPF) 結構的熱光性能。

所提出的建模方法旨在為新型 3DP 立面組件的設計提供信息，并評估其性能和在建筑物中的應用潛力。根據(jù)所提出的建模路線，這些組件可以根據(jù)特定地點的熱學和光學特性組合進行設計，從而在單一、單一材料和多功能組件中提供舒適性和能源效率。

相關研究以題為“From lay er to building: multiscalemodeling of thermo-optical properties in 3D-printed facades/從層到建筑物：3D 打印立面熱光特性的多尺度建模”的論文被發(fā)表在《Energy andBuildings》期刊上。

論文鏈接：https://doi.org/10.1016/j.enbuild.2024.114222

研究人員利用 Rhino3D 和Grasshopper 中的 ClimateStudio、EnergyPlus和 Radiance，該方法可以準確捕獲角度相關的熱光特性，而無需復雜的幾何表示。本研究依據(jù)三個主要章節(jié)提出的多尺度方法來進行：i) 材料，ii) 組件和 iii) 建筑。每部分首先搜集當前適用于 3DPF 的表征技術，強調(diào)其重要性以及潛在的建模局限性和差距。然后概述了所使用的材料和方法，強調(diào)了這項研究的新穎貢獻。最后，它報告研究結果并評估建模方法的有效性，以及這些結果對后續(xù)維度尺度的影響。

△對 3D打印外墻的材料和組件進行建模。 （圖片來源：蘇黎世聯(lián)邦理工學院）

研究人員在瑞士蘇黎世進行的模擬展示了 3DPF 與標準外墻相比的功效。每月能源需求概況顯示總體能源需求較低，冷卻和照明負載減少，特別是在水平腔體配置中。 3DPF 的性能優(yōu)于雙層玻璃單元 (DGU)，并提供與帶外部遮陽的 DGU 相當?shù)男阅堋?/div>

△3DP 零件光學特性的材料尺度研究。 a) 使用經(jīng)過實驗驗證的光線追蹤模型生成 BSDF 數(shù)據(jù)的擬議工作流程示意圖。輻射度和測角光度測量分別用于模擬和測量。 b) 左：透明 3DP 部件的掃描電子顯微鏡圖像，顯示筆直、完美排列的層，橫截面處沒有界面。右圖：對于仿真模型，3DP 零件被建模為由圓柱形擠壓件組成的整體對象。

此外，3DPF 可確保全年一致的日光照明，增強空間內(nèi)的視覺舒適度。與傳統(tǒng)的立面系統(tǒng)相比，其漫射光傳輸質量減輕了眩光。

值得注意的是，3DPF 使用單一材料和簡單的制造工藝實現(xiàn)了這些優(yōu)勢，無需額外的遮陽設備或主動控制系統(tǒng)。然而，值得注意的是，3DPF 在視圖清晰度方面可能無法與透明立面競爭。

3DPF 的未來設計將側重于根據(jù)特定氣候環(huán)境定制熱光特性，以實現(xiàn)更高的性能水平。通過利用先進的建模方法，3DPF 為可持續(xù)建筑設計、優(yōu)化能源效率和環(huán)境影響提供了有前景的途徑。