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吸碳耐高溫 新式木質建築成應對氣候變化"主角"
吸碳耐高溫 新式木質建築成應對氣候變化"主角"           ★★★
來源:網易科技《知否》   更新時間:2019/8/8    點擊數:

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鋼筋混凝土帶來沉重環境負擔

英國作家蒂姆·斯梅德利(Tim Smedley)站在倫敦東部一個看似普通的辦公樓工地上。這座七層樓高的建築大約完成了三分之二,基本結構和樓梯已經就位,抹灰和布線才剛剛開始。但當他四處走動時,有些不同的東西慢慢地呈現出來。

這個建築工地既安靜又幹淨,而且有股好聞的氣味飄蕩,那裏堆放著大量的木材。與現在工地通常以混凝土爲主材料不同,這裏木頭才是“主角”。

建築師安德魯·沃(Andrew Waugh)表示:“因爲木結構建築的重量只是混凝土建築的20%,重力負荷大大降低。這意味著我們需要的地基更小,不再需要大量的混凝土地面。我們以木材爲建築核心,有木牆和木地板,所以我們把鋼材數量減少到最低限度。”

在大多數大型現代建築中,鋼材通常用于形成主要的內部支撐或混凝土加固物。然而,在這座木結構建築中,鋼材結構相對較少。剩下的部分可以像麥卡諾積木(Meccano)那樣固定,很容易在建築物的使用壽命結束時(或期間)拆開。

從房屋到體育場館,我們對混凝土和鋼材的依賴帶來了沉重的環境代價,混凝土占全球二氧化碳排放量的4%到8%。它僅次于水,是地球上使用最廣泛的物質,約占所有采礦業的85%,甚至導致沙子都即將枯竭。在全球範圍內,每年澆築的混凝土足以覆蓋整個英格蘭。

因此,像安德魯這樣的建築師主張,重新將木材作爲我們的主要建築材料。優良林場出産的木材實際上是在儲存碳而不是排放碳:隨著樹木的生長,它們從大氣中吸收大量二氧化碳。根據經驗,每立方米木材含有大約1噸二氧化碳,相當于350升汽油的排放量。

與制造過程增加的二氧化碳相比,木材從大氣中吸收的二氧化碳更多,而且通過取代混凝土或鋼鐵等碳密集型材料,它對降低二氧化碳的貢獻也增加了一倍。最近提交給報告發現:“木材被用作建築材料既可儲存碳,又替代高碳水泥、磚和鋼鐵時,生物質能減少的溫室氣體水平最高。”

在英國每年新建的房屋中,有15%到28%使用的是木結構建築,其結果是每年捕獲超過100萬噸的二氧化碳。報告的結論是,增加建築用材量可能使這個數字增加兩倍。利用新的工程木材系統,例如正交膠合木(CLT),在商業和工業部門也可能節省同樣數額的開支。

新式工程木材或取代傳統材料

CLT是東倫敦建築工地使用的主要材料。因爲它被描述爲“工程木材”,所以人們最初以爲它類似于刨花板或膠合板。但實際上,CLT看起來就像普通的3米厚木板,上面布滿了打結孔和碎片。

巧妙之處在于,CLT木板被粘合成三層,三層相互垂直,從而變得更堅固。安德魯表示,這意味著CLT“不會彎曲,它具有兩個方向的整體強度。這樣的木牆支撐著上面的地板,其水平強度足以承載上面的荷載,就像長梁那樣,這改變了建築行業。”

安德魯已經使用CLT技術超過10年,他相信這種材料可以實現任何混凝土和鋼鐵建築的質量,甚至猶有過之。他說,CLT是上世紀90年代發明的,部分原因是爲了應對“家具和造紙工業的消亡”。奧地利60%的土地是森林,他們需要找到新的銷售渠道,爲此想出了CLT技術。

其他工程木材,如膠合板和中密度纖維板(MDF)含有10%左右的粘合劑(膠水),通常是脲醛,在回收或焚燒過程中會産生有害化學物質。然而,CLT黏合劑含量低于1%,通常使用生物聚氨酯。木板在高溫和壓力下粘合起來,利用木材的濕氣熔化少量的粘合劑。無論是外觀、氣味還是觸感,都與純粹的木材毫無二致。

在奧地利,許多CLT工廠甚至使用可再生的生物質能來提供動力,這些生物質能來自于植物的下腳料、樹枝和細枝。有些工廠生産足夠的電力供應周圍的社區。

雖然CLT是在奧地利發明的,但安德魯所在的倫敦建築事務所Waugh Thistleton是第一個使用它建造多層建築的公司。默裏格羅夫(Murray Grove)是一棟普通的九層公寓樓,外立面是灰色的,在2009年建成時,在奧地利引起了震驚和恐慌。

CLT只被用于建造“漂亮而簡單的兩層樓房屋”,而任何更高的房子都恢複到混凝土和鋼材結構。但對于默裏格羅夫,一樓以上的整個結構都由CLT面板組成,包括所有的牆壁、樓板和電梯,就像蜂窩塊一樣。

該項目啓發了數百名建築師使用CLT建造高樓,從加拿大溫哥華55米高的Brock Commons Tallwood House,到奧地利維也納目前正在建設的84米高、24層高HoHo Tower。

成熟樹木不吸收反而釋放碳

最近有人呼籲大規模植樹,以捕獲二氧化碳並遏制氣候變化。然而,雖然年輕的樹木可以有效吸收碳,但成熟的樹木並非如此。地球維持著平衡的碳循環:樹木(以及所有其他植物和動物)利用碳來生長,它們最終會衰老和死亡,然後再次釋放出碳。

當人類發現古代以煤和石油的形式儲存的碳能夠燃燒時,這種平衡就失去了作用。煤和石油是在以前的碳循環中被捕獲的,燃燒後産生的二氧化碳被釋放到大氣中,其速度遠遠超過目前的循環所能應對的速度。

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許多松樹森林,如歐洲雲杉,需要大約80年達到成熟,在成長過程中不斷吸收碳。不過成年後,它們通過分解松針和樹枝釋放曾經吸收的碳。就像上世紀90年代奧地利的情況一樣,對紙張和木材的需求急劇下降,導致全球範圍內大片林場被廢棄。

這些樹木沒有回到原始的荒野,而是用酸性松針和枯枝覆蓋著森林的地面。例如,由于成熟樹木不再被積極砍伐,自2001年以來,加拿大的龐大森林實際排放的碳比它們吸收的要多。

可以說,碳封存的最佳形式是砍伐樹木,恢複我們可持續的、受到管理的森林,並將由此産生的木材用作建築材料。經森林管理委員會(FSC)認證的管理森林通常每砍伐一棵樹就會種植兩到三棵樹,這意味著對木材的需求越多,森林覆蓋率和渴求二氧化碳的幼樹的生長就越快。

野生化和保護原始森林是必不可少的。但是,缺乏管理的單株植物對任何人都沒有幫助,而且滿是幹松針的地面也是引發野火的主要原因,北美和世界上許多地方現在每年都會經曆這種情況。有秩序地砍伐森林會大大降低這種風險。

美國聯邦森林服務管理局的梅麗莎·詹金斯最近表示:“我們的森林有點兒過密:如果發生野火,森林可能會被迅速點燃,我們需要做出更多的努力滅火。如果我們可以構建市場對于這些木制品的需求,林場主將更有可能以可持續的方式管理林地。”她特別強調,CLT有可能幫助降低“野火風險,並支持農村經濟發展和就業”。

市場似乎也同意這一觀點。CLT技術登陸美國還不到五年,現在美國大陸幾乎每個州都有CLT項目。更重要的是,與目前全部CLT都需要進口的英國不同,美國正在投資國內CLT制造。

美國在蒙大拿州和俄勒岡州設有工廠,並計劃在緬因州、猶他州、伊利諾伊州、德克薩斯州、華盛頓州、阿拉巴馬州和阿肯色州開設更多工廠。亞馬遜在明尼阿波利斯新建的“技術中心”大樓是由釘層壓木材(類似CLT,但使用釘子而不是膠水)建成的。

使用木質材料的建築也往往更快、更容易建造,因此減少了勞動力成本、運輸燃料和現場能源使用。基礎設施公司Aecom的董事艾莉森·沃林(Alison Wring)證實,利用CLT,約200套公寓的住宅小區只需16周時間即可建成,而使用混凝土框架建造至少需要26周時間。

同樣,建築師安德魯說,他最近設計的、占地16000平方米的CLT大樓,僅框架就需要1000輛水泥卡車運送。爲了交付所有木材料,他們需要92次交付。

其他國家也在轉向木材建築。爲CLT工廠生産印刷機的奧地利-斯洛文尼亞公司Ledinek Engineering的銷售工程師莫妮卡·萊本尼克(Monika lebeninik)的訂單顯示,其業務可以追溯到2013年。首先是來自奧地利和斯堪的納維亞的少量訂單。但從2017年起,日本、法國、澳大利亞、拉脫維亞和加拿大突然加入了這一行列。

萊本尼克解釋稱:“CLT的年度産能從25000立方米增至50000立方米。”數據顯示,1000立方米的正交膠合木相當于500棵樹木提供的木材。因此,加工5萬立方米CLT的工廠每年要捕獲2.5萬棵樹木吸收的碳。

CLT抗震防火耐高溫

CLT甚至還有其他優勢,使得這種材料對日本等國特別有吸引力,因爲人們發現它在地震測試中表現良好。意大利和日本的聯合研究小組建造了一座七層高的CLT大樓,並在一個“振動台”上進行了測試。

他們發現,它可以承受1995年日本神戶大地震的強度,那次地震摧毀了5萬多棟建築。安德魯稱,由于機緣巧合,“作爲馬歇爾計劃的一部分,美國人在日本種了很多樹,那是60多年前的事了,現在這些樹正走向成熟。”

更令人感到驚奇的是,CLT在火災中也表現得很好。它的設計能夠承受高達270攝氏度的高溫,然後才開始炭化。而且外部的炭化作用就像一層保護層,保護其內部木材的結構密度。相比之下,在相似的溫度下,混凝土會發生剝落和裂縫,剛才也會失去強度。

然而,並不是每個人都相信建築的未來是CLT。當被問及木材能否取代混凝土成爲我們的主要建築材料時,倫敦帝國理工學院材料資源工程學教授克裏斯·奇斯曼(Chris Cheeseman)坦率回答稱:“不會,這是不可能的。你必須認識到混凝土的大量使用,以及混凝土對基礎設施和社會的巨大重要性。鑒于其功能性和堅固性,它是一種非常好的材料。”

知否|吸碳耐高溫 新式木質建築成應對氣候變化主角圖6:用CLT建造的建築物比混凝土建築建造起來要快得多

還有一個關于“生命終結”的問題。只要建築物屹立不倒,或者在其他建築物中被重複使用,碳就會被困在木頭裏。可是如果它腐爛或者被燃燒爲能源,那麽所有儲存的碳就會被釋放出來。

特許工程師、建築可持續發展顧問道格·金(Doug King)稱:“除非我們關注木質材料在使用壽命結束時的處理,否則無法保證整個循環過程對社會産生積極的效益。”

Arup公司2014年之前的研究工作估計,半數的建築木材最終被填埋,36%被回收,剩下的14%被用作生物質能源。盡管存在這些問題,但安德魯仍然雄心勃勃。木質建築的平均壽命是50到60年,他認爲,對于建築師和工程師來說,這意味著他們有足夠的時間來解決再利用和回收問題。將其轉化爲生物炭可能是一種解決方案。安德魯的建築易于拆卸,供子孫後代重複使用。

從根本上講,安德魯和越來越多的國際建築師相信,大規模采用CLT是對抗氣候變化的一個重要武器。他說:“這不是一種時尚,英國最大的商業開發商剛剛買下了這棟樓。對我來說,這就是你想要的,我想讓CLT成爲主流,每個人都應該用它來建設。”

那麽,讓我們重新回到最初的問題:我們是否可以真的將木材作爲主要建築材料?安德魯認爲:“這不僅符合現實,而且是大勢所趨。”




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