如今，大多数建筑主要采用传统建筑材料，如水泥和钢铁，这些材料对环境的影响很大。用木材、粘土、稻草或大麻等可再生替代材料代替这些材料是可能的，传统材料的生产也同样可以实现绿色化。但总有取舍。各个替代材料的优势和劣势是什么？哪些是可行的？哪些是真正可持续的？
初创公司 TRIQBRIQ 利用灾后木材制造承重模块化木质建筑构件
水泥或钢铁等传统建筑材料的环境成本很高，增加了建筑行业的气候绩效。目前，大多数脱碳努力都集中在减少供暖、制冷和照明产生的排放上。随着欧洲建筑变得更加节能、天然气和煤炭供暖被取代、发电变得更加清洁，这种情况将会发生改变。事实上，从建筑物整个生命周期的碳足迹来看——从材料制造到拆除——经合组织预计，到 2050 年，建筑材料所含排放量将与运营排放量一样高。在最极端的情况下，所含排放量已经占到建筑物碳足迹的90% 以上。选择使用什么材料来建造建筑对于确定和限制办公室、商店和房屋对气候的全面影响至关重要。这是因为当今最广泛使用的建筑材料的生产往往污染严重。联合国环境规划署 (UNEP) 2023 年的一份报告指出：“仅三种材料——混凝土、钢铁和铝——就占了当今全球总排放量的 23%。”在欧洲，建筑业每年的二氧化碳排放量为 2.5 亿吨。虽然存在更可持续的建筑材料，但它们往往成本更高，建筑商往往不信任它们。尽管如此，开发商和建筑师越来越多地在他们的项目中使用基于自然的替代品，如木材、粘土甚至大麻。与此同时，许多制造商正在寻找使其产品更环保的方法。在净零排放的未来，住宅、学校和餐馆可以用什么材料建造？完全避免新建筑通常是最可持续的选择：延长现有建筑的使用寿命，更好地利用它们，并在必须拆除时重新使用其组件和材料，这是唯一可能节省最多排放、限制资源开采和减少浪费的选择。自然建筑实验室( NBL ) 的建筑师兼研究员 Kim Gundlach 告诉清洁能源通讯社 (CLEW)：“我们需要从总体上考虑增长和消费。”在包括德国在内的许多地方，拆除和重建现有建筑往往比改造或翻新现有建筑更容易。与此同时，研究人员一致认为，欧洲的建筑存量尚未得到充分利用。智库 Bauhaus Earth 的研究员兼项目经理 Angelika Drescher 告诉 CLEW：“继续利用现有空间并使其适合进一步使用确实非常重要。”使用已制造的材料是降低新建和翻新项目碳排放最容易实现的方法之一。环境署表示，重新利用建筑环境中已有的材料具有巨大潜力，尤其是在建筑存量庞大且老化的发达经济体。对于新建筑，研究人员表示，为了使建筑更加可持续，在讨论中，应该更加重视使用更少的材料进行高效设计（在保持相同结构强度的同时可以实现），并仔细研究可能与气候中和目标相冲突的现有建筑标准。冈拉克说：“气候友好型设计和建筑原则应该纳入大学课程。我们需要该领域的高素质人才来完成未来的任务。”使用生物基材料建造建筑将使建筑行业从污染大户变为碳排放英雄。木材、竹子、稻草或大麻等材料在生长过程中都会吸收碳。使用这些材料建造的学校、住宅和办公室可以储存比建筑本身排放的更多的碳，从而使它们在建筑物的整个使用寿命期间（通常至少几十年）成为碳吸收器。“这关乎持续时间和储存，”Bauhaus Earth 的 Drescher 说道。“如果储存在百年老树中的二氧化碳在建筑物中停留的时间超过 100 年，那么我们就成功延缓了二氧化碳的释放，帮助大气稍微呼吸一下。”根据联合国环境规划署 2023 年的报告，到 2050 年，转向（适当管理的）生物基材料可使世界许多地区的排放量减少高达 40%，甚至与低碳混凝土和钢铁的排放量相比也更为可观。循环经济咨询公司 Metabolic发现，在欧洲，如果 50% 的新住宅建筑转向生物基材料，到 2030 年，建筑行业的排放量可减少 18%。然而， NBL的格伦德拉赫表示：“经济激励还不足以让很多人真正使用这些材料。”例如，在德国，这是由于建筑认证和许可流程非常复杂，以及责任和保修问题，尤其是对于再利用材料和非标准化产品而言。她补充道：“研究、工业和政治之间存在知识差距，需要通过不同利益相关者之间的高质量合作来弥补。”
在德国，尽管刺槐木具有出色的户外使用性能，并且与钢柱相比碳排放量明显较低，但尚未获得标准化批准。图片：Bauhaus der Erde。但我们也取得了进展：自 2022 年起，法国要求所有新建公共建筑至少采用 50% 的木材或其他天然材料建造，而大阿姆斯特丹地区的市政当局同意，到 2025 年，至少20% 的新建筑应使用木材作为主要材料。包豪斯地球的德雷舍尔说，让建筑过程更加灵活和适应性很重要。“我们不知道未来气候条件下会有什么材料可用。因此，我们需要加强区域价值链，以提高区域弹性：较小的结构可能能够更有机地适应。”大宗木材（工程木材，如交叉层压木材）在建筑结构方面可以与钢材和钢筋混凝土相媲美。它作为可持续建筑材料具有巨大潜力，目前已广泛应用于项目中。木材可以帮助社会实现气候目标：一立方米木材含有约一吨碳，具体取决于树种。木材具有诸多优点，例如坚固耐用、防火，建筑组件可在场外以模块化或连续的方式预制，从而减少建筑垃圾并加快建筑进程。木材重量轻，非常适合为现有建筑增加楼层，从而创造生活区，而无需占用更多空间。此外，木材还是一种有效的隔热材料，可减少供暖和制冷需求。然而，木制品对气候的友好程度取决于可持续森林战略和负责任砍伐的程度，以及更广泛的社会和生态背景。树木需要很长时间才能生长，森林对气候变化的适应力是其生产力的重要因素。包豪斯地球的德雷舍尔说：“人们对建筑行业如何处理不同类型木材（例如硬木）进行了大量研究，因为我们根本不知道未来会生长哪些树木，以及森林是否会继续像现在一样旺盛生长，或者它们是否会面临干旱问题。”
TRIQBRIQ 使用回收木材制作所谓的 BRIQ，这些木材可以在建筑物使用寿命结束时拆除并完全重新使用。照片：TRIQBRIQ。根据联合国环境规划署的 2023 年报告，全球 38% 的木制品用于建筑环境（2020 年约为 18 亿吨）。波茨坦气候影响研究所 ( PIK ) 2020 年的一份报告发现，理论上，到 2050 年，全世界可以采伐足够的木材，用这些材料建造 90% 的新建筑。然而，作者警告说，可持续森林管理是关键，而且不确定性仍然存在。“将木材作为建筑材料很重要。但是，我们需要专注于翻新和扩建，而不是新建建筑，并利用现有建筑存量，” NBL的 Gundlach 表示。“此外，其他天然材料以及硬木材料对于气候公平的建筑行业也很重要。”同样，德国可持续建筑委员会 ( DGNB )研发部负责人安娜·布劳内 (Anna Braune)也认为，木材建筑并非最终解决方案。她告诉 CLEW：“人们拼命想继续维持除了木材之外的正常业务，但面对如此多的新建筑，我们无法继续维持正常业务。”“我们需要认真考虑整个欧洲的面积有多大——建筑、能源生产、农业和生物多样性保护等土地使用竞争日益激烈。继续我们的商业模式，但只使用木材，从长远来看是不可持续的。” 这也适用于全球范围：“对于世界上大多数国家来说，仅使用木材的解决方案既不可能也不可取，”《一个地球》杂志 2020 年的一份报告总结道。专注于再利用木材是一个尚未开发的选择，而通常用于燃烧生物质的低等级木材或副产品可以找到其他用途，包括木纤维绝缘材料。例如，德国南部的初创公司 TRIQBRIQ正在开发由废木材制成的建筑砌块，这些废木材原本会被切碎成刨花板或烧掉。它们像乐高积木一样锁在一起，可以在建筑物使用寿命结束时完全重复使用。
位于荷兰东部村庄利维尔德的 Bio-Hotel Achterhoek 酒店采用来自邻近农场的稻草以及当地出产的粘土和木材建造而成。照片：Kyllmann/CLEW。粘土在不久前就已经是世界许多地方流行的建筑材料，如今，粘土正作为传统建筑材料的可持续替代品重新流行起来。粘土建筑环保、隔音、不易燃，而且这种材料通常就地可得。粘土可用于制作天花板、墙壁、屋顶和地板，以及干式墙板，粘土灰泥也很常见。粘土（或夯土）压制或模制成砖块后，也具有巨大的承重能力。这种建筑类型仍处于实验阶段，但位于柏林西南部的灯塔项目 ProtoPotsdam使用了通常作为昂贵废物处理的挖掘出的粘土作为其承重结构的一部分。
ProtoPotsdam 项目旨在缩小理论与实践之间的差距，并展示进步设计的建筑、政治和经济潜力。照片：414films/Bauhaus der Erde gGmbH。项目开发人员对未烧制的压缩粘土砖进行了标准化和认证，在此过程中，他们“惊讶地”发现，这种砖可用于建造高达五层的建筑（多年来，德国只允许在不超过两层的建筑中使用承重粘土墙）。Bauhaus Earth还发现，与传统建筑材料（如砂灰砖、砖块或混凝土砌块）相比，粘土砌块的二氧化碳排放量要低 10 到 20 倍。粘土具有良好的温度和湿度调节特性，对室内声学和室内气候也有积极影响。然而，这种材料对天气很敏感：ProtoPotsdam 项目在冬季停止施工，因为粘土必须避免暴露在霜冻中才能保持其特性。这意味着用粘土建造建筑需要不同的施工过程，但负责该项目的 Bauhaus Earth 的 Drescher 认为，这些变化是向可持续材料过渡令人兴奋的一部分。其他天然材料，如竹子、草、稻草或大麻，已经可以满足建筑物的围护结构和隔热需求。它们不仅比大多数传统材料更具可持续性，而且如果使用得当，用生物基材料建造的建筑物甚至可以有益于居民的健康，从改善室内空气质量到提高创造力。秸秆是谷物产生的废弃物，如今已被重新发现是一种有价值的隔热材料或板材。秸秆具有高隔热性和良好的隔音性能，经过适当加工后，还具有很强的防潮和防霉性能。将其用作建筑材料通常不需要额外的种植面积；例如，根据信息平台 Gebäudeforum klimaneutral 的数据，在德国，未用于畜牧业的部分足以为 350,000 户单户住宅提供隔热材料。
另一座展示粘土建筑潜力的建筑是位于法兰克福南部达姆施塔特的 Alnatura Campus。这座欧洲最大的粘土办公楼由有机食品零售商建造，可容纳 500 名员工，并荣获 2019 年粘土建筑奖。照片：Roland Halbe/Alnatura。以巴黎附近的一家体育中心为例，大麻作为建筑材料也前景光明。这种植物生长迅速，几乎不需要杀虫剂。它可以用作铝板和钢板的替代品，或者更值得注意的是，它可以用作“大麻混凝土”，一种非承重墙和绝缘材料。欧洲工业大麻协会 (EIHA) 委托撰写的一份报告发现，目前在欧洲种植的大麻品种每年可以储存 7 至 9.6 吨二氧化碳当量。“创新并不一定意味着它需要新颖和花哨，”再生建筑公司 YR22 的创始人兼作者 Fabian Hörmann 告诉 CLEW。“泥土、稻草或大麻等优质旧材料可以替代建筑物某些部分的碳密集型材料。关键是将每种材料放在建筑的最佳位置，以发挥其特定优势。”不过，创新和新技术确实为更多解决方案打开了大门。荷兰学者正在研究用菌类制作天花板和地板的潜力，因为蘑菇生长迅速，作为建筑材料具有优异的物理性能。与此同时，丹麦、澳大利亚和英国的研究人员正在探索藻类、海藻和贝类的潜力，这些生物不会争夺土地，而且通常具有抗虫性。鉴于欧盟预计其绝大多数建筑存量在 2050 年仍将保持不变，提高漏水住宅和办公室能源效率的隔热材料对于实现气候中和至关重要。天然隔热材料（例如主要由废纸或当地种植的亚麻、软木、芦苇和沼泽作物生产的纤维素）并不一定比合成隔热材料差。尽管如此，它们目前的销售量明显较低。水泥和混凝土是迄今为止最突出的建筑材料，占欧洲建筑物总质量的 70%。水泥是继水之后世界上使用量第二大的材料。谢菲尔德大学高级讲师兼可持续材料研究团队负责人布兰特·沃克利告诉 CLEW，这样做是有充分理由的。“水泥的性能非常出色，它帮助我们建设了现代社会，”他说。“我们现在意识到，像许多革命性的技术一样，水泥在很多方面都具有破坏性，但这种材料本身却非常神奇。”波特兰水泥是应用最为广泛的水泥类型，尽管其生产本身就具有污染性。将占其主要成分 90% 的石灰石转化为熟料的化学反应会释放碳（每吨水泥释放 750-850 公斤碳），这是无法避免的。全球排放量的 6% 至 8%可归因于水泥行业，这一比例高于全球航空业。这并不是说水泥的碳足迹无法减少：改变混凝土生产所用的材料（使用混合水泥和碱激活材料，详见下文），以及改变设计以使用更少的水泥（例如，斯图加特大学的一个项目开发了在低负荷区域有孔隙或空腔的混凝土，节省了高达 40% 的材料使用量）并重新使用现有组件，都是提高整个行业可持续性的方法。欧洲大型水泥公司正在大力投资的另一个解决方案是碳捕获技术。据世界经济论坛称，这是“唯一已知的”使水泥排放量接近零的途径。欧盟提出了一项工业碳管理提案，德国政府也提出了实现碳捕获和储存 (CCS) 的计划，以帮助该国在 2045 年实现温室气体中和。然而，仍有许多悬而未决的问题，包括成本上涨（目前的生产成本上涨了 50% 至 85%）以及缺乏碳运输和储存基础设施。谢菲尔德大学的沃克利认为：“碳捕获和储存目前还不能大规模应用于水泥生产，我不知道它是否能实现。”工业中使用了几种低碳水泥，但没有一种能达到满足需求的规模。“我认为这种情况不会在短期内发生重大变化，”沃克利说，并继续解释说，现有基础设施中有大量资金用于制造传统波特兰水泥，这是一个巨大的挑战。“大多数已经起飞的可持续水泥是那些不需要改变任何基础设施的水泥。”谢菲尔德大学博士研究员 Madeline Rihner 通过生命周期评估来评估该行业的脱碳战略，她告诉 CLEW：“虽然没有单一的解决方案来实现水泥行业的脱碳，但有很多可用的选择，所有减少碳排放的方法都是必要的，并在一定程度上被使用，具体取决于应用情况。”随着世界人口和城市的增长，未来几十年对水泥和钢铁的需求只会增加。谢菲尔德大学的沃克利说：“问题不在于我们能否用其他东西替代水泥和混凝土，而在于我们如何使其更加环保和可持续。”“我会谨慎地说我们可以实现气候中和或净零排放，但我非常乐观地认为我们可以取得巨大进步。”
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