研究者らは持続可能な3Dプリント建物ファサード建設を推進するための新しいモデリング手法を開発

はじめに: 炭素排出は、長い間、建設業界の発展が直面している課題です。建物のファサードの性能を向上させることは、ネットゼロ排出シナリオという主要目標を達成するために不可欠であり、外壁の設計と建設の現在の方法を再考する必要もあります。近年、高い運用効率と環境への影響の低減を目指した建築構造物の代替製造技術として、大規模な建築用 3D プリントが登場しています。
2024 年 5 月 11 日、Antarctic Bear は、スイス連邦工科大学の研究者が最近の研究で、3D プリントファサード (3DPF) 構造の熱性能と光学性能を評価するための新しいマルチスケールモデリング手法を導入したことを知りました。
提案されたモデリングアプローチは、新しい 3DP ファサードコンポーネントの設計に情報を提供し、そのパフォーマンスと建物への適用の可能性を評価することを目的としています。提案されたモデリングルートに従うと、これらのコンポーネントは、サイト固有の熱特性と光学特性の組み合わせに基づいて設計できるため、単一の単一材料の多機能コンポーネントで快適性とエネルギー効率を実現できます。
関連研究は、「層から建物へ：3Dプリントされたファサードの熱光学特性のマルチスケールモデリング」と題する論文として、Energy and Buildings誌に掲載されました。

論文リンク: https://doi.org/10.1016/j.enbuild.2024.114222
研究者らは、Rhino3D と Grasshopper の ClimateStudio、EnergyPlus、Radiance を使用しました。この方法では、複雑な幾何学的表現を必要とせずに、角度に依存する熱光学特性を正確に捉えることができます。この研究は、i) 材料、ii) コンポーネント、iii) アーキテクチャという 3 つの主要セクションで提案されたマルチスケールアプローチに基づいて実施されます。各セクションでは、まず 3DPF に適用可能な現在の特性評価手法を確認し、その重要性と、潜在的なモデリングの制限やギャップを強調します。次に、使用された材料と方法について概説し、この研究の新たな貢献を強調します。最後に、調査結果を報告し、モデリング手法の妥当性と、これらの結果が後続の次元スケールに及ぼす影響を評価します。
△ 3Dプリント外壁の材料・部品のモデリング。 (画像提供: ETH チューリッヒ)
スイスのチューリッヒの研究者が実施したシミュレーションでは、標準的なファサードと比較した 3DPF の有効性が実証されました。月ごとのエネルギー需要プロファイルは、特に水平キャビティ構成において、冷却負荷と照明負荷が減少し、全体的なエネルギー需要が低下することを示しています。 3DPF は二重ガラスユニット (DGU) よりも優れており、外部遮光機能を備えた DGU と同等のパフォーマンスを提供します。
△ 3DP部品の光学特性に関する材料スケールの研究。 a) 実験的に検証されたレイトレーシングモデルを使用して BSDF データを生成するための提案ワークフローの概略図。シミュレーションには放射測定法、測定にはゴニオフォトメトリー法が使用されます。 b) 左: 透明な 3DP 部品の SEM 画像。断面に界面がなく、まっすぐで完全に整列した層を示しています。右: シミュレーションモデルでは、3DP パーツは円筒形の押し出しで構成されたモノリシックオブジェクトとしてモデル化されます。
さらに、3DPF は年間を通じて安定した採光を保証し、空間内の視覚的な快適性を高めます。拡散光透過特性により、従来のファサードシステムに比べてグレアが軽減されます。
特に、3DPF は、追加の遮光装置やアクティブ制御システムを必要とせず、単一の材料とシンプルな製造プロセスを使用してこれらの利点を実現します。ただし、視界の明瞭さという点では、3DPF は透明なファサードに匹敵しない可能性があることに注意する必要があります。
3DPF の将来の設計では、より高いパフォーマンスレベルを実現するために、特定の気候環境に合わせて熱光学特性を調整することに重点が置かれることになります。 3DPF は、高度なモデリング手法を活用することで、エネルギー効率と環境への影響を最適化し、持続可能な建物設計を実現する有望な手段を提供します。

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