打造面向未來的未來

建築業本身就排放了超過 10% 的全球二氧化碳₂ 排放量是全球航空旅行的五倍。這種重碳足跡的最大來源之一是混凝土及其主要成分水泥。如果全球水泥產業是一個單獨的國家，它將成為世界第三大二氧化碳排放國₂ 僅次於中國和美國的排放國。好消息是，對建築環境的徹底反思已經開始，以大幅減少碳足跡，並從當前模式轉向可持續的閉環系統。

 

好消息

在開發各種新材料和建築環境方法並將其推向市場方面，我們正在取得很大進展，以使其在今天和未來保持永續發展。這包括下一代生態友善水泥和混凝土，它們不僅可以從根本上減少碳排放，而且隨著時間的推移，有可能使混凝土成為負碳材料。世界各地的團隊也在從事開創性的工作，開發專用的替代混凝土，這些混凝土可以捕獲、儲存太陽能並將其作為電力或光傳輸，而無需營運成本或有害排放。

 

作為建築環境解決方案的一部分，木材等天然材料也得到了重新思考。工程木材的進步使得用工程木樑而不是鋼建造高層建築不僅在結構上可行，而且在經濟上也可行。工程木材還有其他優點，包括碳捕獲、被動冷卻以及天然材料帶來的整體健康。

 

此外，奈米技術的新發展正在推動自調節建築外牆的推出，而暖通空調系統的突破則使得顯著降低能源消耗成為可能。沒有一種解決方案是關鍵。在這種情況下，我們擁有的好點子越多越好。讓混凝土叢林變得綠色 混凝土無所不在。每年，全球消耗超過 100 億噸，使其成為地球上使用最多的人造材料，也是地球上僅次於水的第二大使用物質。

 

為了滿足全球不斷增長的混凝土需求，目前每年生產超過 45 億噸水泥。水泥生產（至少按照當今大多數行業標準波特蘭水泥的生產方式）是一個能源密集型過程，會排放大量二氧化碳₂.

 

主要排放源是熟料的生產，這需要將石灰石加熱到高達 1,500 攝氏度的溫度，大約是熔岩溫度的兩倍。雖然所使用的能源主要來自化石燃料，但多達 60% 的碳排放來自熟料生產過程中發生的化學反應。

 

環保水泥

水泥的一種解決方案是用另一種更良性的材料代替熟料。普林斯頓大學的研究人員表明，可以利用工業活動中的回收副產品（包括鋼渣、燃煤發電廠的粉煤灰和某些黏土）來製造類似水泥的材料。雖然仍處於開發階段，但這項技術具有回收工業廢物和捕獲碳的額外好處，可以減少二氧化碳排放₂ 與傳統波特蘭水泥的生產相比，排放量高達 80%。

 

加州大學洛杉磯分校建築材料化學實驗室正在開發的另一種可能的解決方案是一種獨特的類水泥材料，該材料是透過升級循環工業碳排放中的二氧化碳而生產的，而無需進一步加工。加州大學洛杉磯分校團隊將這種材料稱為「CO₂N-CRETE”，是透過捕獲二氧化碳而產生的₂ 從煙氣中提取，並將其與其他元素結合以引發化學反應，然後使用 3D 列印機進行製造。目前的試點計畫每天產量可達 10 噸，第二階段產量應達到每天 100 噸。

 

在英國，阿伯丁大學的研究人員正在研究他們所謂的碳捕獲機。該裝置捕獲CO₂ 並將其轉化為可取代重質碳酸鈣（另一種二氧化碳）的材料₂-用於生產混凝土的強化成分。雖然仍處於開發的早期階段，但該技術可以在消除二氧化碳方面發揮重要作用₂ 來自混凝土的生產。

 

修復裂縫

現代混凝土的一個大問題是它不耐用。許多現代混凝土結構在 50 年內開始退化。維修成本高昂，而且許多結構都被簡單地拆除，而沒有進行有效的回收。但如果混凝土能夠自我修復呢？

 

這個想法並不牽強——古羅馬人在 2000 多年前就開發了經得起時間考驗的自癒混凝土混合物。最近的分析表明，羅馬人用火山灰和岩石、石灰和海水的混合物製成混凝土。現代科學尚未完全能夠複製這個過程，它會導致一種稀有的熱液礦物生長，隨著時間的推移，這種礦物會增強混凝土的強度。

 

如今，研究人員正在研究開發自修復水泥的解決方案，以滿足現代世界的需求。荷蘭代爾夫特大學的一個團隊率先開發了一種注入細菌的混凝土混合物，使混凝土能夠修復自身的裂縫和裂縫。當細菌暴露於空氣和水時，自然會產生石灰石。因此，這種新材料不僅消除了昂貴的維修需求，而且隨著時間的推移，它實際上也增強了混凝土結構。該材料不僅可用於新建築，還可用於修復現有結構。在將細菌添加到水泥中之前將其混合成專門的凝膠，可以使自我修復過程持續幾個世紀。

 

你看到光了嗎？

水泥和混凝土領域的另一個令人大開眼界的創新（具有眾多潛在應用）是開發發光或磷光水泥：實際上在黑暗中發光的水泥。

 

墨西哥的研究人員發明了一種水泥混合物，可以在白天吸收和儲存陽光，然後在夜間發光（目前為藍色或綠色）12小時。該材料可用於僅利用白天從陽光中吸收的能量來照亮高速公路、自行車道和建築物等。它的使用壽命為100年。

 

團隊找到了一種巧妙的方法，將普通水泥的晶體微觀結構（使其不透明）轉變為可以吸收和發光的凝膠。該材料也是生態的，因為它由沙子、灰塵或粘土製成，生產過程中唯一的排放物是蒸汽。該項目引起了國際關注，多家公司已開始投入生產。

 

硬實力

另一項未來的創新是可以導電的水泥。導電水泥已用於電氣接地、防雷、電磁幹擾和熱發電等領域。現在，世界各地的幾個研究團隊正在研究各種方法來增強混凝土的導電性，以將其應用提升到一個新的水平。

 

英國利茲大學的研究人員開發出一種利用鉀離子傳導能量的水泥化合物。這使得混凝土結構能夠充當電池來無線儲存和發射能量。這意味著我們的家庭和辦公室實際上可以自行供電。

 

該計畫的另一個突破是注入石墨烯的水泥混合物，其開發者澳洲 Talga 公司聲稱其作用類似於電爐的加熱元件。這種「能量」混凝土的潛在應用是巨大的：從加熱地板到加熱道路和人行道，這將創造一種安全且環保的冬季除冰方式。

 

也許最令人興奮的可能性是，導電水泥可以利用高速公路或停車場的混凝土表面吸收的太陽能，使電動車在行駛或停車時進行無線充電。

 

這種改變遊戲規則的技術將使電動車在不遠的將來取代化石燃料汽車和卡車成為可能，從而消除大量的二氧化碳排放源₂ 排放。

 

費羅克來救援？

Ferrock 是一種革命性的鐵鏽色混凝土狀材料，幾年前由美國一位環境化學家偶然開發出來，是一種簡單但令人驚奇的物質。 Ferrock 主要由鐵粉和二氧化矽（碎玻璃）製成，這兩種材料都可以輕鬆回收利用，Ferrock 實際上吸收而不是排放二氧化碳₂ 在其生產過程中，使其成為負碳建築材料。

 

關於這種材料如何發揮作用的研究仍在進行中，但本質上是二氧化碳₂ 與鐵鏽反應形成碳酸鐵，鎖定大氣中的溫室氣體。此外，Ferrock 的生產不需要高溫，並且在暴露於海水時也會增強。 Ferrock 的強度是波特蘭水泥的五倍，並且更加柔韌，使其比傳統混凝土更適合承受地震活動和工業過程。仍在開發中，預計很快就會實現商業化生產。

 

從地球到火星再回來

美國的建築師和設計師團隊致力於開發一個原型棲息地以支持人類在火星上的生活，他們可能已經為地球上的未來開發了最終的永續建築材料。

 

設計公司 AI SpaceFactory 為其火星棲息地原型 MARSHA 贏得了 NASA 的 50 萬美元資金。太空時代的設計採用了一種稱為生物聚合物玄武岩複合材料的客製化建築材料，該材料由玉米和甘蔗等作物製成，並使用 3D 列印技術製造。該材料經 NASA 認證為 50%，比混凝土更堅固、更耐用。

 

受到 MARSHA 的啟發，該團隊將注意力集中在國內，並提出了 TERA，這是 MARSHA 的地球版本，使用相同的植物聚合物。 TERA 是未來建築的概念驗證。該建築材料為 100%，可回收和可堆肥，同時比傳統混凝土更堅固、更耐用。

 

木材是新的混凝土

另一種在 21 世紀重新思考的傳統建築材料是木材，它由於各種正確的原因而作為建築材料捲土重來。透過適當的森林管理，木材是一種可持續的建築材料，可以吸收和鎖定二氧化碳₂ 來自大氣層。

 

木材世界的巨大變化是工程木材的不斷發展，這是一種比鋼更堅固、更輕、更耐火的超級木材。一些建築師現在將其描述為未來的混凝土。

 

其中最重要的木材之一是交叉層積木材（CLT）。 CLT 最初於 20 世紀 90 年代在奧地利開發，基本上是一種超級膠合板，由不同木材的木板以直角粘合在一起製成。 CLT 結構可以在場外進行高精度預製，這樣就可以由相對較少的人員在建築工地上將它們組裝起來，就像樂高積木一樣。

施工的速度和簡單性既節省了時間又節省了金錢。

儘管並不是什麼新鮮事，但近年來工程木材在建築中的使用已經加速。 2003年，全球CLT消費量僅2,000立方公尺。 2018 年，使用量超過 100 萬噸。

 

由 CLT 製成的城堡

目前，大多數 CLT 用於建造中低層住宅和工業建築，包括辦公室和倉庫。但隨著工程木材的繼續使用以及建築規範的修訂以允許更高的木結構，我們將看到更多以前從未見過的東西：木製摩天大樓。

 

世界最高木結構建築的最新競爭者是最近宣布的位於溫哥華的加拿大地球塔。這座 40 層樓建築計劃包括 200 間公寓和室外垂直花園。加拿大擁有大量永續木材供應，目前有 500 多個中層木造建築項目正在建造中。

 

日本是木造摩天大樓的另一個先驅。去年，住友集團宣布計劃在東京建造世界最高的木質摩天大樓。這座名為 W350 的 70 層建築竣工後高 350 米，採用木材和鋼材混合建造。

 

除了生態和成本效益之外，木材還有另一個好處：人們喜歡它。雖然還需要更多的研究，但長期以來人們都知道木材可以讓人感覺更好：它可以減輕壓力，改善空氣品質並促進整體健康。

 

奈米木很酷

另一項令人著迷的木材創新是馬裡蘭大學研究人員開發的「奈米木材」。這種新材料

作為被動冷卻劑，對新建和現有建築有廣泛的影響。

 

雖然聽起來很高科技，但奈米木材其實相對簡單：團隊開發了一種低成本方法，採用普通的回收木材並去除使其變成棕色和堅硬的化合物。剩下的是僅由纖維素奈米纖維製成的木質材料以及在活樹內運輸水和養分的自然空間。然後壓縮這種材料以恢復其強度，並添加疏水性化合物以使其具有防水性。

 

結果是一種亮白色的“木頭”，它在反射和散熱方面非常有效，而且非常堅固：比木頭堅固十倍，比鋼堅固三倍。這些雙重特性使奈米木材成為理想的建築材料，特別是屋頂瓦片和外牆。測試表明，10% 的隔熱效果比聚苯乙烯泡沫塑膠或二氧化矽氣凝膠更有效，耐用性高出 30 倍。即使在一天中最熱的時候，該材料的天然奈米結構使其能夠比周圍空氣保持高達 4 攝氏度的溫度。

 

奈米木材的生產成本低廉（目前每平方公尺約 7 美元），非常適合新建築和翻新現有建築。研究表明，對於2004年後建造的建築，可降低能源成本20%以上。對於較舊的建築，節省的費用甚至更高。

 

未來的面貌

全玻璃帷幕牆已經成為現代城市景觀的一部分。這類建築可能時尚而時尚，但實際上它們也是被太陽加熱的巨型溫室，需要大量能源來冷卻。

根據國際能源總署的數據，自 2000 年以來，用於冷卻建築物的能源量增加了一倍，目前約佔所有能源使用量的 14%。全玻璃帷幕牆的高昂環境成本引發了越來越多的知名人士呼籲禁止使用玻璃帷幕牆的運動。雖然爭論正在進行，但新的突破可能會提供解決方案。

 

穩態外牆

對於未來的建築來說，穩態（自我調節）外牆可能會改變遊戲規則。

 

該系統由美國的一個建築團隊開發，採用編織在雙層玻璃空腔內的高科技絲帶，該絲帶根據外部溫度收縮或膨脹。柔性帶由一種稱為電介質的特殊聚合物材料製成，可以以很少的能量消耗進行極化。這些絲帶對溫度的變化做出反應，要么收縮以讓熱量進入，要么膨脹以阻擋陽光。

 

垂直森林

未來外觀的另一個轉變是真正的綠色化。垂直花園越來越被建築師和開發商視為降低冷卻成本同時為二氧化碳排放做出重大貢獻的理想方式₂ 減少和清潔城市空氣。

 

一個很好的例子是由 Stefano Boeri 建築事務所設計的米蘭獲獎的 Bosco Verticale（垂直森林）專案。兩棟住宅大樓於 2014 年竣工，高度分別為 116 公尺和 76 米，擁有 800 多棵樹木和 100 多個物種的 14,000 種植物。

 

該團隊還贏得了設計中國柳州森林城市的委託——這是迄今為止世界上最雄心勃勃的垂直森林計畫。該計劃要求在一系列植物覆蓋的摩天大樓內建造可容納 30,000 人的公寓，其中包括 40,000 棵樹和 100 萬株植物。

 

柳州森林城市的樹木預計每年吸收1萬噸二氧化碳₂ 和 57 噸空氣污染物，同時產生約 900 噸氧氣。該計畫將降低該地區的平均氣溫，建立隔音屏障，並透過為鳥類和昆蟲創造棲息地來促進生物多樣性。

 

氣候控制

對於建築環境來說，一個不太引人注目但同樣重要的發展是一項新的突破，它使現有的建築物氣候控制系統的效率倍增。

 

世界上大多數建築物都採用使用湍流熱交換的暖氣、通風和空調 (HVAC) 系統來調節其內部氣候。這些系統是全球建築環境能源使用的主要貢獻者。

 

由美國和中國的研究人員組成的聯合團隊正在暖通空調領域掀起波瀾，其創新規模相對較小，但潛力巨大。該團隊採用了一種稱為 HFE 的有機化合物，它是某些熱交換系統中使用的唯一流體，並將其添加到水基熱交換系統中，看看會發生什麼。

 

經過三年的修修補補，結果令人印象深刻。該團隊確定，在水基熱交換 HVAC 系統中添加 1% HFE 可以將其效率提高驚人的 500%，因為水中的 HFE 液滴加速了整個系統的熱交換過程。

 

這項突破目前的一個限制是它僅適用於垂直熱交換。水平熱交換系統的技術正在進行調整。塗有銀的彈性體。