打造面向未来的未来

建筑业本身就排放了全球超过 10% 的二氧化碳。₂ 碳排放量是全球航空旅行排放量的五倍。造成这一严重碳足迹的最大来源之一是混凝土及其主要成分--水泥。如果全球水泥行业是一个独立的国家，那么它将是全球第三大二氧化碳排放国。₂ 碳排放量仅次于中国和美国。好消息是，人们已经开始对建筑环境进行彻底的反思，以大幅减少其碳足迹，并从目前的模式转变为可持续的闭环系统。

 

好消息

为了使建筑环境在今天和明天都具有可持续发展性，我们在开发各种新材料和新方法并将其推向市场方面取得了很大进展。这包括下一代生态友好型水泥和混凝土，它们不仅可以从根本上减少碳排放，而且随着时间的推移，还有可能使混凝土成为碳负材料。世界各地的团队还在进行开创性的工作，开发能够捕获、储存和传输太阳能（电能或光能）等功能的专用替代混凝土，而无需运营成本或有害排放物。

 

作为建筑环境解决方案的一部分，木材等天然材料也得到了重新思考。工程木材技术的进步使得用工程木梁而不是钢材建造高层建筑不仅在结构上可行，而且在经济上也是可行的。工程木材还具有其他优点，包括碳捕获、被动冷却以及天然材料所带来的整体健康。

 

此外，纳米技术的新发展使建筑外墙的自我调节功能得以推广，而暖通空调系统的突破使大幅降低能耗成为可能。 没有一种解决方案是万能的。在这种情况下，好主意越多越好。 让混凝土丛林变绿 混凝土无处不在。每年，全球消耗的混凝土超过 100 亿吨，使其成为地球上使用最多的人造材料，也是地球上仅次于水的使用量第二大的物质。

 

为了满足全球日益增长的混凝土需求，目前每年生产的水泥超过 45 亿吨。而水泥生产--至少是目前大多数行业标准波特兰水泥的生产方式--是一个能源密集型过程，会排放大量二氧化碳。₂.

 

碳排放的主要来源是熟料的生产，这需要将石灰石加热到高达 1500 摄氏度的温度--约为熔岩温度的两倍。虽然使用的能源主要来自化石燃料，但多达 60% 的碳排放来自熟料生产过程中发生的化学反应。

 

环保水泥

水泥的一种解决方案是用另一种更无害的材料代替熟料。普林斯顿大学的研究人员已经证明，可以利用工业活动中回收的副产品（包括钢渣、火力发电厂的粉煤灰和某些粘土）制造类似水泥的材料。虽然这项技术仍处于开发阶段，但它具有回收工业废料和封顶碳的额外好处，可以减少二氧化碳排放。₂ 与生产传统波特兰水泥相比，可减少多达 80% 的排放量。

 

加州大学洛杉矶分校建筑材料化学实验室正在开发的另一种可能的解决方案是一种独特的水泥状物质，这种材料通过对工业碳排放中的二氧化碳进行再循环利用而产生，无需进一步加工。加州大学洛杉矶分校团队将这种材料称为 "CO₂N-CRETE "是通过将捕获的 CO₂ 从烟道气中提取并与其他元素结合，引发化学反应，然后用 3D 打印机制造出来。目前，该试点项目的日产量可达 10 公吨，在第二阶段，日产量将达到 100 吨。

 

在英国，阿伯丁大学（University of Aberdeen）的研究人员正在研究一种名为 "碳捕捉机"（Carbon Capture Machine）的设备。该设备可以捕捉二氧化碳，并将其转化为电能。₂ 并将其转化为可替代研磨碳酸钙的材料--另一种二氧化碳。₂-该技术是一种用于生产混凝土的高耗能成分。虽然这项技术仍处于早期开发阶段，但它可以在消除二氧化碳排放方面发挥重要作用。₂ 混凝土的生产。

 

修补裂缝

现代混凝土的一个大问题是不耐用。许多现代混凝土结构在 50 年内就开始退化。维修费用高昂，许多结构在没有有效回收利用的情况下被直接拆除。但如果混凝土能够自我修复呢？

 

这个想法并不牵强--古罗马人早在 2000 多年前就研制出了能自我修复的混凝土混合物，并经受住了时间的考验。最新分析显示，古罗马人使用火山灰和岩石、石灰和海水混合制成混凝土。现代科学还无法完全复制这种工艺，但它能使一种罕见的热液矿物生长，从而使混凝土随着时间的推移而更加坚固。

 

如今，研究人员正在研究开发自愈合水泥的解决方案，以满足现代世界的需求。荷兰代尔夫特大学（Delft University）的一个研究小组率先开发出一种注入细菌的混凝土混合物，这种混合物能使水泥自行愈合裂缝。当细菌暴露在空气和水中时，会自然生成石灰石。因此，这种新材料不仅无需进行昂贵的维修，而且随着时间的推移，它实际上还能加固混凝土结构。这种材料不仅可用于新建筑，也可用于现有建筑的维修。在添加到水泥中之前，先将菌胶团混合成专门的凝胶体，这样就能使自我修复过程持续几个世纪。

 

你看到光明了吗？

水泥和混凝土领域的另一项令人大开眼界的创新是开发出了发光或磷光水泥，这种水泥在黑暗中也能发光，其应用前景十分广阔。

 

墨西哥的研究人员发明了一种水泥混合物，它可以在白天吸收和储存阳光，然后在夜间发光（目前为蓝色或绿色）12 小时。这种材料只需利用白天从太阳光中吸收的能量，就能为高速公路、自行车道和建筑物等提供照明。它的使用寿命可达 100 年。

 

研究小组想出了一个巧妙的办法，将普通水泥的结晶微结构（使其不透明）转化为一种可以吸收和发射光线的凝胶。这种材料也是生态材料，因为它由沙子、灰尘或粘土制成，生产过程中唯一的排放物是蒸汽。该项目已引起国际关注，多家公司已开始投入生产。

 

硬实力

另一项未来创新是能导电的水泥。导电水泥已用于电气接地、防雷、电磁干扰和热电发电等方面。现在，世界各地的一些研究小组正在研究提高水泥导电性的各种方法，以使其应用更上一层楼。

 

英国利兹大学的研究人员开发出一种利用钾离子传导能量的水泥化合物。这样，混凝土结构就能像电池一样以无线方式储存和发射能量。这意味着，我们的住宅和办公室实际上可以自行供电。

 

另一项突破性成果是一种石墨烯注入水泥混合物，其开发商澳大利亚塔尔加公司声称，这种混合物就像电炉的加热元件。这种 "通电 "混凝土的应用潜力巨大：从加热地板到加热道路和人行道，它将为冬季清除冰雪提供一种安全环保的方式。

 

也许最令人兴奋的可能性是，导电水泥可以利用高速公路或停车场混凝土表面吸收的太阳能，为电动汽车无线充电--无论是在行驶中还是在停车时。

 

这种改变游戏规则的技术将使电动汽车在不远的将来取代燃烧化石燃料的汽车和卡车成为可能，从而消除二氧化碳的巨大排放源。₂ 排放。

 

费罗克来拯救？

Ferrock 是一种革命性的铁锈色混凝土状物质，几年前由美国的一位环境化学家无意中开发出来，它是一种简单而神奇的物质。Ferrock 主要由铁屑和二氧化硅（碎玻璃）制成，这两种材料都可以通过回收利用获得。₂ 因此，它是一种负碳建筑材料。

 

关于这种材料如何发挥作用的研究仍在进行之中，但从本质上讲，二氧化碳是一种可再生能源。₂ 与铁锈反应生成碳酸铁，从而锁住大气中的温室气体。此外，Ferrock 的生产过程无需高温，而且在海水中也能强化。Ferrock 的强度是波特兰水泥的五倍，而且更加柔韧，因此比传统混凝土更适合承受地震活动和工业流程。Ferrock 仍处于开发阶段，预计不久将投入商业生产。

 

从地球到火星，再从火星到地球

美国的一个建筑师和设计师团队正在开发一种支持人类在火星上生活的原型栖息地，他们可能已经为地球上的未来开发出了一种终极可持续建筑材料。

 

设计公司 AI SpaceFactory 的火星栖息地原型 MARSHA 赢得了美国国家航空航天局（NASA）50 万美元的资助。这项太空时代的设计使用了一种名为生物聚合物玄武岩复合材料的定制建筑材料，这种材料由玉米和甘蔗等农作物制成，并使用三维打印技术制造。经美国国家航空航天局（NASA）认证，这种材料比混凝土坚固耐用 50%。

 

受到 MARSHA 的启发，该团队将注意力集中到了国内，并利用同样的植物性聚合体设计出了地球版 MARSHA--TERA。TERA 是未来建筑的概念验证。这种建筑材料 100% 可回收和堆肥，同时比传统混凝土更坚固耐用。

 

木材是新的混凝土

木材是另一种在 21 世纪得到重新思考的传统建筑材料，它作为建筑材料卷土重来的原因是多方面的。通过适当的森林管理，木材是一种可持续的建筑材料，它可以吸收并锁住二氧化碳，同时还可以减少二氧化碳的排放。₂ 来自大气层。

 

木材世界的重大变化是工程木材的不断发展，这种超级木材比钢材更坚固、更轻、更耐火。现在，一些建筑师将其描述为未来的混凝土。

 

其中最重要的一种是交叉层压木材（CLT）。交叉层压木材于 20 世纪 90 年代首先在奥地利开发出来，它基本上是一种超级胶合板，其制作方法是将不同木材的木板按直角捆绑在一起。CLT 建筑可以在场外预制，预制精度很高，在建筑工地上只需相对较少的工作人员就可以像拼乐高积木一样将其拼接起来。

施工速度快、简便，既省时又省钱。

近年来，虽然工程木材在建筑中的应用并不新鲜，但却在加速发展。2003 年，全球 CLT 的消耗量仅为 2000 立方米。2018 年，使用量超过 100 万立方米。

 

CLT 制成的城堡

目前，大多数 CLT 用于建造中低层住宅和工业建筑，包括办公室和仓库。但是，随着工程木材的继续使用和建筑法规的修订，允许建造更高的木结构建筑，我们将看到更多以前从未见过的东西：木结构摩天大楼。

 

世界最高木结构建筑的最新竞争者是最近宣布的位于温哥华的加拿大地球大厦。这座 40 层高的建筑计划建造 200 套公寓和室外垂直花园。加拿大拥有大量的可持续木材供应，目前有 500 多个中层木结构建筑项目正在建设中。

 

日本是木制摩天大楼的又一先驱。去年，住友集团宣布计划在东京建造世界上最高的木制摩天大楼。这座名为 W350 的 70 层建筑建成后将高达 350 米，由木材和钢材混合制成。

 

除了生态和成本效益之外，木材还有另一个好处：人们喜欢它。虽然还需要进行更多的研究，但人们早已知道木材能让人感觉更好：它能减轻压力、改善空气质量并促进整体健康。

 

纳米木很酷

马里兰大学研究人员开发的 "纳米木材 "是木材领域另一项引人入胜的创新。这种新材料

作为一种被动冷却剂，它对新建建筑和现有建筑都具有广泛的影响。

 

虽然听起来很高科技，但纳米木材其实相对简单：研究小组开发了一种低成本的方法，利用普通回收木材，去除使其变成棕色和坚硬的化合物。剩下的就是一种仅由纤维素纳米纤维和活树内部输送水分和养分的天然空间组成的木质材料。然后对这种材料进行压缩以恢复其强度，并添加疏水化合物使其具有防水性。

 

这样就产生了一种亮白色的 "木材"，它既能有效反射和散热，又非常坚固：比木材坚固十倍，比钢材坚固三倍。这些双重特性使纳米木成为理想的建筑材料，特别是用于屋顶瓦片和外墙。测试表明，其阻隔热量的效果比发泡胶或二氧化硅气凝胶高 10%，耐用性也高出 30 倍。这种材料的天然纳米结构使其即使在一天中最热的时候，也能保持比周围空气低 4 摄氏度的温度。

 

纳米木的生产成本低廉（目前约为每平方米 7 美元），是新建建筑和现有建筑翻新的理想材料。研究表明，对于 2004 年以后建造的建筑，它可以减少 20% 以上的能源成本。对于老式建筑，节省的费用甚至更高。

 

面向未来

全玻璃外墙已成为现代城市的一大特色。这些建筑虽然时尚、流畅，但实际上也是被太阳加热的巨大温室，需要大量的能源来冷却。

据国际能源机构统计，自 2000 年以来，用于建筑物降温的能源已翻了一番，目前约占全部能源使用量的 14%。全玻璃幕墙的高昂环境成本引发了一场日益壮大的运动，许多知名人士呼吁禁止使用全玻璃幕墙。在争论的同时，新的突破可能会提供解决方案。

 

同态外墙

静态（自我调节）外墙可能会改变未来建筑的游戏规则。

 

该系统由美国的一个建筑团队开发，采用了一种高科技带状材料，编织在双层玻璃的空腔内，可以根据室外温度的变化收缩或膨胀。这种柔性缎带由一种名为 "电介质 "的特殊聚合物材料制成，只需消耗极少的能量就能实现极化。色带会对温度变化做出反应，要么收缩让温暖进入，要么膨胀阻挡阳光。

 

垂直森林

未来建筑立面的另一个转折点是使其真正成为绿色建筑。越来越多的建筑师和开发商认为，垂直花园是降低制冷成本的理想方式，同时还能显著减少二氧化碳排放量。₂ 减少和净化城市空气。

 

由 Stefano Boeri 建筑事务所设计的米兰获奖项目 Bosco Verticale（垂直森林）就是一个很好的例子。这座双子住宅楼于 2014 年竣工，分别高达 116 米和 76 米，内有 800 多棵树和 14000 株植物，涵盖 100 多个物种。

 

该团队还赢得了中国柳州森林城市的设计任务，这是迄今为止世界上最雄心勃勃的垂直森林项目。该项目计划在一系列植物覆盖的摩天大楼中建造可容纳 30,000 人的公寓，其中包括 40,000 棵树和 100 万株植物。

 

预计柳州森林城市的树木每年可吸收 10,000 吨二氧化碳。₂ 在产生约 900 吨氧气的同时，还将减少 57 吨空气污染物。该项目将降低该地区的平均气温，创造噪音屏障，并通过为鸟类和昆虫创造栖息地来促进生物多样性。

 

气候控制

在建筑环境方面，一个不那么引人注目但同样重要的发展是一项新的突破，它使现有的建筑物气候控制系统的效率成倍提高。

 

使用湍流热交换的供暖、通风和空调（HVAC）系统是世界上大多数建筑物调节内部气候的方式。这些系统是全球建筑环境能源消耗的主要来源。

 

一个由中美两国研究人员组成的联合团队正在暖通空调领域掀起波澜，他们的创新成果相对较小，但潜力巨大。研究小组将一种被称为 HFE 的有机化合物（某些热交换系统中使用的唯一流体）添加到水基热交换系统中，看看会发生什么。

 

经过三年的研究，结果令人印象深刻。研究小组确定，在水基热交换暖通空调系统中加入 1% HFE，可以将其效率提高惊人的 500%，因为水中的 HFE 液滴会加速整个系统的热交换过程。

 

这一突破目前存在的一个限制是，它只适用于垂直热交换。目前正在对该技术进行改造，使其适用于水平热交换系统。