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吸碳耐高温 新式木质建筑成应对气候变化"主角"
吸碳耐高温 新式木质建筑成应对气候变化"主角"           ★★★
来源:网易科技《知否》   更新时间:2019/8/8    点击数:

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钢筋混凝土带来沉重环境负担

英国作家蒂姆·斯梅德利(Tim Smedley)站在伦敦东部一个看似普通的办公楼工地上。这座七层楼高的建筑大约完成了三分之二,基本结构和楼梯已经就位,抹灰和布线才刚刚开始。但当他四处走动时,有些不同的东西慢慢地呈现出来。

这个建筑工地既安静又干净,而且有股好闻的气味飘荡,那里堆放着大量的木材。与现在工地通常以混凝土为主材料不同,这里木头才是“主角”。

建筑师安德鲁·沃(Andrew Waugh)表示:“因为木结构建筑的重量只是混凝土建筑的20%,重力负荷大大降低。这意味着我们需要的地基更小,不再需要大量的混凝土地面。我们以木材为建筑核心,有木墙和木地板,所以我们把钢材数量减少到最低限度。”

在大多数大型现代建筑中,钢材通常用于形成主要的内部支撑或混凝土加固物。然而,在这座木结构建筑中,钢材结构相对较少。剩下的部分可以像麦卡诺积木(Meccano)那样固定,很容易在建筑物的使用寿命结束时(或期间)拆开。

从房屋到体育场馆,我们对混凝土和钢材的依赖带来了沉重的环境代价,混凝土占全球二氧化碳排放量的4%到8%。它仅次于水,是地球上使用最广泛的物质,约占所有采矿业的85%,甚至导致沙子都即将枯竭。在全球范围内,每年浇筑的混凝土足以覆盖整个英格兰。

因此,像安德鲁这样的建筑师主张,重新将木材作为我们的主要建筑材料。优良林场出产的木材实际上是在储存碳而不是排放碳:随着树木的生长,它们从大气中吸收大量二氧化碳。根据经验,每立方米木材含有大约1吨二氧化碳,相当于350升汽油的排放量。

与制造过程增加的二氧化碳相比,木材从大气中吸收的二氧化碳更多,而且通过取代混凝土或钢铁等碳密集型材料,它对降低二氧化碳的贡献也增加了一倍。最近提交给报告发现:“木材被用作建筑材料既可储存碳,又替代高碳水泥、砖和钢铁时,生物质能减少的温室气体水平最高。”

在英国每年新建的房屋中,有15%到28%使用的是木结构建筑,其结果是每年捕获超过100万吨的二氧化碳。报告的结论是,增加建筑用材量可能使这个数字增加两倍。利用新的工程木材系统,例如正交胶合木(CLT),在商业和工业部门也可能节省同样数额的开支。

新式工程木材或取代传统材料

CLT是东伦敦建筑工地使用的主要材料。因为它被描述为“工程木材”,所以人们最初以为它类似于刨花板或胶合板。但实际上,CLT看起来就像普通的3米厚木板,上面布满了打结孔和碎片。

巧妙之处在于,CLT木板被粘合成三层,三层相互垂直,从而变得更坚固。安德鲁表示,这意味着CLT“不会弯曲,它具有两个方向的整体强度。这样的木墙支撑着上面的地板,其水平强度足以承载上面的荷载,就像长梁那样,这改变了建筑行业。”

安德鲁已经使用CLT技术超过10年,他相信这种材料可以实现任何混凝土和钢铁建筑的质量,甚至犹有过之。他说,CLT是上世纪90年代发明的,部分原因是为了应对“家具和造纸工业的消亡”。奥地利60%的土地是森林,他们需要找到新的销售渠道,为此想出了CLT技术。

其他工程木材,如胶合板和中密度纤维板(MDF)含有10%左右的粘合剂(胶水),通常是脲醛,在回收或焚烧过程中会产生有害化学物质。然而,CLT黏合剂含量低于1%,通常使用生物聚氨酯。木板在高温和压力下粘合起来,利用木材的湿气熔化少量的粘合剂。无论是外观、气味还是触感,都与纯粹的木材毫无二致。

在奥地利,许多CLT工厂甚至使用可再生的生物质能来提供动力,这些生物质能来自于植物的下脚料、树枝和细枝。有些工厂生产足够的电力供应周围的社区。

虽然CLT是在奥地利发明的,但安德鲁所在的伦敦建筑事务所Waugh Thistleton是第一个使用它建造多层建筑的公司。默里格罗夫(Murray Grove)是一栋普通的九层公寓楼,外立面是灰色的,在2009年建成时,在奥地利引起了震惊和恐慌。

CLT只被用于建造“漂亮而简单的两层楼房屋”,而任何更高的房子都恢复到混凝土和钢材结构。但对于默里格罗夫,一楼以上的整个结构都由CLT面板组成,包括所有的墙壁、楼板和电梯,就像蜂窝块一样。

该项目启发了数百名建筑师使用CLT建造高楼,从加拿大温哥华55米高的Brock Commons Tallwood House,到奥地利维也纳目前正在建设的84米高、24层高HoHo Tower。

成熟树木不吸收反而释放碳

最近有人呼吁大规模植树,以捕获二氧化碳并遏制气候变化。然而,虽然年轻的树木可以有效吸收碳,但成熟的树木并非如此。地球维持着平衡的碳循环:树木(以及所有其他植物和动物)利用碳来生长,它们最终会衰老和死亡,然后再次释放出碳。

当人类发现古代以煤和石油的形式储存的碳能够燃烧时,这种平衡就失去了作用。煤和石油是在以前的碳循环中被捕获的,燃烧后产生的二氧化碳被释放到大气中,其速度远远超过目前的循环所能应对的速度。

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许多松树森林,如欧洲云杉,需要大约80年达到成熟,在成长过程中不断吸收碳。不过成年后,它们通过分解松针和树枝释放曾经吸收的碳。就像上世纪90年代奥地利的情况一样,对纸张和木材的需求急剧下降,导致全球范围内大片林场被废弃。

这些树木没有回到原始的荒野,而是用酸性松针和枯枝覆盖着森林的地面。例如,由于成熟树木不再被积极砍伐,自2001年以来,加拿大的庞大森林实际排放的碳比它们吸收的要多。

可以说,碳封存的最佳形式是砍伐树木,恢复我们可持续的、受到管理的森林,并将由此产生的木材用作建筑材料。经森林管理委员会(FSC)认证的管理森林通常每砍伐一棵树就会种植两到三棵树,这意味着对木材的需求越多,森林覆盖率和渴求二氧化碳的幼树的生长就越快。

野生化和保护原始森林是必不可少的。但是,缺乏管理的单株植物对任何人都没有帮助,而且满是干松针的地面也是引发野火的主要原因,北美和世界上许多地方现在每年都会经历这种情况。有秩序地砍伐森林会大大降低这种风险。

美国联邦森林服务管理局的梅丽莎·詹金斯最近表示:“我们的森林有点儿过密:如果发生野火,森林可能会被迅速点燃,我们需要做出更多的努力灭火。如果我们可以构建市场对于这些木制品的需求,林场主将更有可能以可持续的方式管理林地。”她特别强调,CLT有可能帮助降低“野火风险,并支持农村经济发展和就业”。

市场似乎也同意这一观点。CLT技术登陆美国还不到五年,现在美国大陆几乎每个州都有CLT项目。更重要的是,与目前全部CLT都需要进口的英国不同,美国正在投资国内CLT制造。

美国在蒙大拿州和俄勒冈州设有工厂,并计划在缅因州、犹他州、伊利诺伊州、德克萨斯州、华盛顿州、阿拉巴马州和阿肯色州开设更多工厂。亚马逊在明尼阿波利斯新建的“技术中心”大楼是由钉层压木材(类似CLT,但使用钉子而不是胶水)建成的。

使用木质材料的建筑也往往更快、更容易建造,因此减少了劳动力成本、运输燃料和现场能源使用。基础设施公司Aecom的董事艾莉森·沃林(Alison Wring)证实,利用CLT,约200套公寓的住宅小区只需16周时间即可建成,而使用混凝土框架建造至少需要26周时间。

同样,建筑师安德鲁说,他最近设计的、占地16000平方米的CLT大楼,仅框架就需要1000辆水泥卡车运送。为了交付所有木材料,他们需要92次交付。

其他国家也在转向木材建筑。为CLT工厂生产印刷机的奥地利-斯洛文尼亚公司Ledinek Engineering的销售工程师莫妮卡·莱本尼克(Monika lebeninik)的订单显示,其业务可以追溯到2013年。首先是来自奥地利和斯堪的纳维亚的少量订单。但从2017年起,日本、法国、澳大利亚、拉脱维亚和加拿大突然加入了这一行列。

莱本尼克解释称:“CLT的年度产能从25000立方米增至50000立方米。”数据显示,1000立方米的正交胶合木相当于500棵树木提供的木材。因此,加工5万立方米CLT的工厂每年要捕获2.5万棵树木吸收的碳。

CLT抗震防火耐高温

CLT甚至还有其他优势,使得这种材料对日本等国特别有吸引力,因为人们发现它在地震测试中表现良好。意大利和日本的联合研究小组建造了一座七层高的CLT大楼,并在一个“振动台”上进行了测试。

他们发现,它可以承受1995年日本神户大地震的强度,那次地震摧毁了5万多栋建筑。安德鲁称,由于机缘巧合,“作为马歇尔计划的一部分,美国人在日本种了很多树,那是60多年前的事了,现在这些树正走向成熟。”

更令人感到惊奇的是,CLT在火灾中也表现得很好。它的设计能够承受高达270摄氏度的高温,然后才开始炭化。而且外部的炭化作用就像一层保护层,保护其内部木材的结构密度。相比之下,在相似的温度下,混凝土会发生剥落和裂缝,刚才也会失去强度。

然而,并不是每个人都相信建筑的未来是CLT。当被问及木材能否取代混凝土成为我们的主要建筑材料时,伦敦帝国理工学院材料资源工程学教授克里斯·奇斯曼(Chris Cheeseman)坦率回答称:“不会,这是不可能的。你必须认识到混凝土的大量使用,以及混凝土对基础设施和社会的巨大重要性。鉴于其功能性和坚固性,它是一种非常好的材料。”

知否|吸碳耐高温 新式木质建筑成应对气候变化主角图6:用CLT建造的建筑物比混凝土建筑建造起来要快得多

还有一个关于“生命终结”的问题。只要建筑物屹立不倒,或者在其他建筑物中被重复使用,碳就会被困在木头里。可是如果它腐烂或者被燃烧为能源,那么所有储存的碳就会被释放出来。

特许工程师、建筑可持续发展顾问道格·金(Doug King)称:“除非我们关注木质材料在使用寿命结束时的处理,否则无法保证整个循环过程对社会产生积极的效益。”

Arup公司2014年之前的研究工作估计,半数的建筑木材最终被填埋,36%被回收,剩下的14%被用作生物质能源。尽管存在这些问题,但安德鲁仍然雄心勃勃。木质建筑的平均寿命是50到60年,他认为,对于建筑师和工程师来说,这意味着他们有足够的时间来解决再利用和回收问题。将其转化为生物炭可能是一种解决方案。安德鲁的建筑易于拆卸,供子孙后代重复使用。

从根本上讲,安德鲁和越来越多的国际建筑师相信,大规模采用CLT是对抗气候变化的一个重要武器。他说:“这不是一种时尚,英国最大的商业开发商刚刚买下了这栋楼。对我来说,这就是你想要的,我想让CLT成为主流,每个人都应该用它来建设。”

那么,让我们重新回到最初的问题:我们是否可以真的将木材作为主要建筑材料?安德鲁认为:“这不仅符合现实,而且是大势所趋。”




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