A Comparative Environmental and Economic Sustainability Analysis of 3D Concrete Printing and Cast-in-Place Construction Methods: Case Studies of Residential Villas in Saudi Arabia. Masters thesis, King Fahd University of Petroleum and Minerals.

PDF Ibrahim Al Huwayml Thesis.pdf Restricted to Repository staff only until 7 January 2027. Download (8MB)

Arabic Abstract

يواجه قطاع الإسكان في المملكة العربية السعودية تحديات تتعلق بالاستدامة البيئية والاقتصادية، مما أدى إلى تنامي الاهتمام بأساليب البناء المبتكرة مثل الطباعة الخرسانية ثلاثية الأبعاد كبديل أو خيار داعم لطرق البناء التقليدية. تهدف هذه الدراسة إلى إجراء تحليل مقارن للاستدامة البيئية والاقتصادية لجدران المباني المنفذة باستخدام الطباعة الخرسانية ثلاثية الأبعاد مقارنة بطرق البناء التقليدية للجدران في الفلل السكنية، وذلك بالاعتماد على دراستي حالة حقيقيتين؛ الأولى لفيلا مدانا باستخدام البناء التقليدي، والثانية لفيلا شمس الرياض بمساحة 345 مترًا مربعًا تم تنفيذها باستخدام تقنية الطباعة الخرسانية ثلاثية الأبعاد. تم إجراء تحليل دورة الحياة وفقًا لإرشادات المواصفة الدولية (ايزو14040/44)، باستخدام منهجية نقطة المنصف (ري كاب 2016) لتقييم 18 فئة من فئات التأثير البيئي. كما شمل التحليل الاقتصادي دراسة تكاليف المواد، والعمالة، ومدة التنفيذ، والمعدات لكل من طريقتي البناء. أظهرت النتائج أن تقنية الطباعة الخرسانية ثلاثية الأبعاد تحقق انخفاضًا في التأثيرات البيئية يتراوح بين 39% و80% عبر جميع فئات التأثير مقارنة بنظام الجدران التقليدي. كما لوحظ أن التأثيرات البيئية لهذه التقنية في فئات رئيسية مثل الاحترار العالمي، والسمية البشرية، واستخدام الأراضي، وندرة الموارد قد انخفضت بنسبة 38.9%، و80%، و57.1%، و74.2% على التوالي مقارنة بالجدران التقليدية. كما أوضحت نتائج تحليل دورة الحياة المعياري، المعتمد على نموذج عالمي لعام 2010، أن فئة السرطان البشري تمثل التأثير البيئي السائد في جدران البناء التقليدي المصبوبة في الموقع. حيث بلغ المؤشر المعياري في هذه الفئة 1.7198، ما يعني أن الانبعاثات المسرطِنة الناتجة عن بناء متر مربع واحد من الجدار باستخدام الجدران التقليدية تعادل نحو 171% من متوسط التأثير السنوي للفرد على مستوى العالم. ويُعد هذا العبء أعلى مقارنة بتقنية الطباعة الخرسانية ثلاثية الأبعاد للجدران، التي سجلت مؤشرًا معياريًا قدره 0.33883، أي ما يعادل تقريبًا 34% من التأثير السنوي للفرد. من الناحية الاقتصادية، بلغت التكلفة الإجمالية المباشرة لبناء الجدران باستخدام تقنية الطباعة الخرسانية ثلاثية الأبعاد زيادة بنسبة 51.6% مقارنة بالجدران التقليدية، حيث بلغت 159,605 ريال سعودي مقابل 77,339 ريال سعودي. ومع ذلك، يُظهر التحليل التفصيلي للتكاليف صورة أكثر توازنًا. فعلى الرغم من ارتفاع تكاليف المعدات في هذه التقنية بنسبة 94% نتيجة استخدام أنظمة طباعة متخصصة، إلا أنها حققت وفورات ملحوظة في مجالات أخرى، إذ انخفضت تكاليف المواد الخام بنسبة 23.9%، كما تراجعت تكاليف العمالة بنسبة 26.9%، نتيجة تقليص مدة التنفيذ والحاجة إلى عدد أقل من القوى العاملة. وعلى الرغم من أن الاستثمار الأولي في تقنيات الطباعة ثلاثية الأبعاد قد يبدو مرتفعًا، فإن النتائج تشير إلى أن تقنية الطباعة الخرسانية ثلاثية الأبعاد توفر فوائد اقتصادية محددة تتمثل في كفاءة استخدام المواد وتقليل تكاليف العمالة، وهي مزايا يُتوقع أن تتحسن مستقبلًا مع زيادة انتشار التقنية وتوسّع نطاق استخدامها.

English Abstract

The housing sector in Saudi Arabia faces challenges in environmental and economic sustainability, driving interest in innovative construction methods such as 3D concrete printing (3DCP) as alternatives to traditional construction techniques. This study conducts a comparative analysis of the environmental and economic sustainability of 3D concrete printing for walls versus traditional wall construction methods for residential villas, using two real case studies: a traditional construction project (Madana villa) and a 345-square-meter Shams Al Riyadh villa utilizing 3DCP. A life cycle analysis (LCA) was conducted according to ISO 14040/44 guidelines, using the ReCiPe 2016 Midpoint (H) method to evaluate 18 impact categories, and a cost analysis examined the costs of materials, labor, time, and equipment for each construction method. The results indicate that the 3DCP method achieves a 39–80% reduction in environmental impacts across all mid-point categories compared to a traditional wall system. It is worth noting that the impacts of 3DCP in key categories such as Global warming, human toxicity, land use, and re-source scarcity were significantly reduced by 38.9%, 80%, 57.1%, and 74.2%, respectively, compared to conventional walls. The results of a standardized life cycle analysis (based on a 2010 global model) highlight human cancer as the predominant impact of conventional CIP construction walls. The standardized score in this category is 1.7198, meaning that the carcinogen emissions from building one square meter of wall with CIP correspond to approximately 171% of the annual per capita global carcinogenic impact, a lower burden compared to 3DCP, which has a standardized score of 0.33883 (approximately 34% of a person per year). From an economic standpoint, the total direct construction cost of 3DCP walls was 51.6% higher than that of conventional walls, amounting to SAR 159,605 compared to SAR 77,339. However, a detailed cost breakdown reveals a more nuanced picture. While 3DCP incurred higher equipment expenses — rising by 94% due to the use of specialized printing systems — it achieved notable savings in other areas. Specifically, raw material costs were 23.9% lower, and labor costs were reduced by 26.9%, driven by a shorter construction period and fewer workforce requirements. While the initial investment in 3D printing technology may appear higher, the findings suggest that 3DCP offers targeted economic benefits in material and labor efficiency, which could improve over time with broader adoption and scaled production.

Item Type:	Thesis (Masters)
Subjects:	Environmental Architectural Construction
Department:	College of Design and Built Environment > Architecture and City Design Department
Committee Advisor:	Abd El Fattah, Ahmed
Committee Members:	Luqman, Muhammad and Wuni, Ibrahim
Depositing User:	IBRAHIM ALHUWAYMIL (g202113790)
Date Deposited:	08 Jan 2026 04:52
Last Modified:	08 Jan 2026 04:52
URI:	http://eprints.kfupm.edu.sa/id/eprint/143998