建筑行业面临双重可持续性挑战：基于水泥的材料对环境的高影响，以及大量的建筑和拆除废弃物（CDW）的产生。普通波特兰水泥（OPC）的生产是碳排放最密集的工业过程之一，约占全球二氧化碳排放量的8%。这些排放主要来自石灰石的煅烧和生产过程中所需的高热量[1]。水泥制造每年排放约2.9-3.0 Gt二氧化碳，使其成为仅次于化石燃料燃烧和土地利用变化的第三大人为污染源[2]，并且每吨水泥的碳足迹因生产方法和地区实践而异[3]。预计到2050年，全球水泥需求将从2020年的42亿吨增长到近98亿吨，相关的温室气体排放量预计也将大幅增加[4]。
与此同时，建筑和拆除活动每年产生数十亿吨废弃物，占全球固体废物的30-40%[5]。低效、无计划且管理不善的CDW处理方式（如填埋和非法倾倒）会消耗土地资源，污染土壤和地下水，并导致可回收材料的损失[6]。当前的CDW管理状况还加剧了资源短缺问题，阻碍了循环经济目标的实现，并给市政当局和建筑相关方带来了额外的经济负担[7]。这些相互关联的挑战要求采用不仅低碳而且资源高效、符合循环经济目标的建筑材料和方法。
一个有前景的方向是开发碱激活粘合剂（AABs），这类粘合剂是通过碱激活铝硅酸盐前体形成的，其中地质聚合物通常被归类为AABs的一个子类[8][9]。通过避免熟料生产并利用废弃物衍生前体，AABs相比基于OPC的混凝土可以减少40-60%的二氧化碳排放量，同时保持相当的性能[10][11][12]。这种方法不仅将废弃物转化为有用的资源，还符合循环经济的目标，实现了材料的闭环利用。
除了这种材料创新外，数字建筑的进步，特别是三维混凝土打印（3DCP），也为可持续和资源高效的建筑实践提供了另一种途径。3DCP实现了无需模板的增材施工，计算机控制的沉积可以逐层构建结构。该技术消除了模板的使用，仅在需要的地方放置材料，显著减少了浪费、劳动力和其他资源的使用，同时实现了精确的几何形状、更短的建设时间以及传统方法无法实现的更高设计自由度[13][14]。通过提高材料效率并实现复杂设计而无需额外成本，3DCP在与低碳粘合剂系统结合使用时，有潜力进一步减少建筑的环境足迹[15][16]。
尽管具有这些材料和工艺优势，但AABs和3DCP的整体可持续性收益仍取决于具体情境，受混合设计、打印策略和能源输入的影响，并且目前仅部分得到了验证。现有研究显示，3DCP相比传统的浇筑或预制建筑能够降低全球变暖潜力（GWP），主要得益于材料效率的提升和设计自由度的增加[17][18]。然而，这种效益的程度会随着所选的功能单元和系统边界的不同而变化[19][20][21]。例如，一项关于3D打印浴室单元的比较研究表明，其成本降低了25-34%，二氧化碳和能源使用量减少了近86%，这主要归功于模板的消除和更高的材料效率[22]。元素和组件级别的LCA也证实了这些趋势，尽管当包含传统钢筋时，效益会有所减弱[23]。对于其他粘合剂系统，3D打印地质聚合物混凝土和其他可打印复合材料的LCA表明，碱激活剂是主要的影响因素，整体可持续性强烈依赖于混合组成、配方和性能目标，进一步强调了上述的情境依赖性[24][25]。
将建筑信息模型（BIM）与3DCP和LCA相结合，为可持续建筑提供了数字化途径。最近的研究展示了基于BIM的有效控制，包括机器人打印、工具路径生成和自动化过程协调[26][27][28]。双机器人和人工智能辅助系统进一步提高了现场3D打印的自动化程度[29][30]。然而，目前的研究通常仅单独探讨3DCP-BIM或3DCP-LCA的集成。一个结合3DCP-BIM-LCA的统一框架，用于评估设计和生产效率以及环境性能，仍很大程度上尚未被探索。
为了解决这一空白，本研究对使用基于CDW的碱激活粘合剂通过3DCP制造的概念性单层建筑进行了两阶段评估。第一阶段在一致的功能假设下，评估了候选混合物的从“摇篮到大门”的影响；第二阶段通过BIM链接的库存将数字几何数据转换为数量数据，从而量化了建筑规模的影响。与功能等效的现场浇筑OPC参考建筑进行边界一致的比较，确保了数据来源、建模规则和系统边界在各种情景下的一致性。
