研究人員開發(fā)新型建模方法，推進(jìn)可持續(xù)3D 打印建筑外墻構(gòu)建

導(dǎo)讀：長(zhǎng)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(duì)于實(shí)現(xiàn)凈零排放情景的關(guān)鍵目標(biāo)至關(guān)重要，這也促使我們重新思考當(dāng)前設(shè)計(jì)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(jié)構(gòu)的替代制造技術(shù)，旨在實(shí)現(xiàn)高運(yùn)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(xué)院研究人員在一項(xiàng)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(píng)估 3D 打印外墻 (3DPF) 結(jié)構(gòu)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(shè)計(jì)提供信息，并評(píng)估其性能和在建筑物中的應(yīng)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(diǎn)的熱學(xué)和光學(xué)特性組合進(jìn)行設(shè)計(jì)，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(guān)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�！钡恼撐谋话l(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(zhǔn)確捕獲角度相關(guān)的熱光特性，而無需復(fù)雜的幾何表示。本研究依據(jù)三個(gè)主要章節(jié)提出的多尺度方法來進(jìn)行：i) 材料，ii) 組件和 iii) 建筑。每部分首先搜集當(dāng)前適用于 3DPF 的表征技術(shù)，強(qiáng)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(qiáng)調(diào)了這項(xiàng)研究的新穎貢獻(xiàn)。最后，它報(bào)告研究結(jié)果并評(píng)估建模方法的有效性，以及這些結(jié)果對(duì)后續(xù)維度尺度的影響。

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

研究人員在瑞士蘇黎世進(jìn)行的模擬展示了 3DPF 與標(biāo)準(zhǔn)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(fù)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(yáng)的 DGU 相當(dāng)?shù)男阅堋?/div>

△3DP 零件光學(xué)特性的材料尺度研究。 a) 使用經(jīng)過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)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(cè)角光度測(cè)量分別用于模擬和測(cè)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(duì)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(duì)象。

此外，3DPF 可確保全年一致的日光照明，增強(qiáng)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(zhì)量減輕了眩光。

值得注意的是，3DPF 使用單一材料和簡(jiǎn)單的制造工藝實(shí)現(xiàn)了這些優(yōu)勢(shì)，無需額外的遮陽(yáng)設(shè)備或主動(dòng)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(jìng)爭(zhēng)。

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