作者：闫徐乾，吴昊

Figure 1：TheSequential Wall（来源： Gramazio & Kohler, ETH Zürich ）

文章的英文版 Wooden buildings: a natural carbon sink boosted by modern manufacturing technologies 已发表在 ETH Energy Blog 。本文较英文版有所修改。

木材是一种古老的的建筑材料，但它却在近百年来逐渐被混凝土和钢材所取代。在当今碳中和的背景下，加以建筑技术的进步（比如数字化建造和预制建筑），木材的优势又被重新发现。

碳中和

自从人类在200多年前发现植物能够吸收空气中的二氧化碳以构建自身躯体，木材就多了“碳池”（Carbon Sink）这一独特的功能。下图展示了木材种植-生长-加工-建造-使用-回收/焚烧的整个生命周期，在生命周期的不同阶段，碳以不同的形式储存于木材内或者释放到大气中。

Figure 2：木材的整个生命周期。（来源： (Borgstr?m & Johan, 2019)）

面临当前紧迫的气候危机，许多国家承诺了碳中和（以二氧化碳为主的温室气体净零排放）的目标。比如中国计划实现2030年碳达峰，2060年碳中和；美国计划2030年温室气体排放相比于2005年减半；瑞士计划在2050年前实现碳中和。木材这种古老的建材能否对实现碳中和有所贡献？

下图对此给出了答案：可以！因为 木材作为一种生物基材料（bio-based material） ，在 光合作用（photosynthesis） 下，其生长过程吸收了大气中的二氧化碳 。注意图中蓝线代表的生物基材料在生长期的骤降使得其全生命周期基本处于碳捕集（carbon sequestration）区域；而黄线代表的水泥材料（cementitious material）则在全生命周期都处于碳排放区域（carbon emission）。

Figure 3：生物基材料和水泥材料全生命周期的碳排放/捕集对比。 黄线代表的水泥材料在生产和建造阶段会排放大量二氧化碳，即使是在使用和拆除阶段的碳化会吸收一部分二氧化碳，整体还是处于图中的碳排放区域。蓝线代表的木材在生长阶段会吸收大量二氧化碳，加工和建造阶段会排放少量二氧化碳，全生命周期基本处于碳捕集区域。（来源： (Arehart, Hart, Pomponi, & D'Amico, 2021)）

然而图中蓝线末端的虚线也提示了木材生命周期末尾（end-of-life）带来的不确定性： 一旦处理不善，木材中储存的碳还会重新释放到大气 。几种常见的废旧木材处理包括：

• 直接焚烧回收能量（比如用于发电）：焚烧过程会将木材中的碳瞬间重新释放为CO2，但好处在于用木材作为能源可以取代一些化石能源（替代效应）。
• 回收再利用：短期内的环境影响小于直接焚烧。
• 填埋：虽然填埋可以被视为长期碳储存，但它的长期温室气体排放（不仅CO2，还包括甲烷等温室效应更显著的气体）高于焚烧和回收。一些欧盟国家禁止了填埋木材。

在所有的处理方式中，焚烧会瞬间释放木材中的碳，因此短期内的碳排放量最高。瑞典的Dodoo等学者详细探讨了焚烧的环境影响，结论是：对比木结构和水泥结构房屋，即使在生命周期末期将废木材焚烧，木结构也比水泥结构房屋有更低的碳排放。这主要归功于上文提到的木材的替代效应：焚烧木材生产能源减少了化石能源的使用。下表取自Dodoo等人的文章，由此看出，水泥结构房屋在全生命周期排放36.6吨碳，而木结构房屋可以吸收24.1吨碳。

Table 1: 木结构和水泥结构的同功能建筑（4层，使用面积1190m2）的生命周期碳排放[tC(吨碳)]对比。（来源： (Dodoo, Gustavsson, & Sathre, 2009)）

更进一步，上文提到的研究并未考虑使用 碳捕集与封存（carbon capture and storage, CCS） 技术。 CCS可以用来收集并永久封存（如注入地下）焚烧木材产生的CO2。 如果CCS被用于焚烧木材能量回收（Bioenergy with carbon capture and storage， BECCS）的过程中，将另有12.1吨碳排放被避免，表格中木结构与水泥结构的差距（60.7吨碳）也将被进一步扩大至72.8吨碳。

下图展示了英国一家装配有CCS的生物质电厂Drax的流程概念图。生物质（包括废木材）首先经过步骤3被转化为颗粒，再在步骤4被用来焚烧发电，焚烧发电过程产生的CO2被收集、运送（步骤5）至储藏点 - 大西洋北海的南部。

Figure 4：Drax电厂的生物质能和碳捕集与封存（BECCS）过程。（来源： DraxBiomass Power Plant ）

CO2是如何被运送和储藏的呢？通过CCS收集的CO2首先被压缩，成为超临界CO2（Supercritical CO2）的液状形态。然后这样的液状物质可以通过地下管道运输，并注入到深层岩层，地底的高压可以让CO2保持超临界的液状形态。这种处理方法叫做地质碳封存（Geological Sequestration）。至此，木材中吸收的碳被永久的移除出大气，成为负排放。

Figure 4：CO2的地质封存。（来源： DraxCO2 Storage Overview ）

 

数字化建造

对环境友好，符合可持续发展理念的木构建筑近些年来市场份额正不断扩大 (Hildebrandt, Hagemann, & Thr?n, 2017)，其很多特性也很符合现今数字化设计和建造潮流的需求。

现在的AEC（Architecture, Engineering, Construction）领域正拥抱一个已经酝酿许久，但姗姗来迟的数字化时代。建筑材料除了应该轻质，具有可持续性和多功能性，拥有令人愉悦的质感之外，还需要能够很好的适应由数字化设计催生的自由建筑形态及数字化建造。

在这个意义上，木材是一种对机器人加工而言非常友好的材料。双曲率的粱和面单元，不同形状的面板，多样的表面纹理和精细的节点都可以通过数字化建造高效而准确地完成 (Menges, Sheil, Ruairi, & Marilena, 2017)。复杂的节点，从前是阻碍木结构迈向大量工业生产的一个原因，而现在变成了木结构令人着迷的一个因素 (Bianconi & Filippucci, 2020)。

木材对数字化设计和建造的良好适配性在国内外项目上均有体现。大界机器人在去年完成的南京园博园2号口胶合木吊顶项目中，利用数字化设计方法模拟出符合建筑师设计理念的地质纹理，然后借由自己的数字化建造平台在有限的项目时限内高质量地完成了交付（ 大界智造|南京园博园数字建造工程实践 ）。

(a)   近7000片造型各异的木梁形成的最终效果

(b)   概念生成

(c)    木梁拆分

Figure 5：数字化设计和建造运用在南京园博园2号口胶合木吊顶项目中。（来源：大界机器人）

下图展示的是斯图加特大学ICD/ITKE在2019年建成的BUGA Wood Pavilion。其木构壳单元的设计和制造也展示了如何将木材这一古老的建筑材料，与最先进的数字化设计和建造进行结合。

(a)   BUGA Pavilion北立面

(b)   壳单元组件构成

(c)    面板的机器人加工

Figure 6：BUGA Wood Pavilion作为斯图加特大学木结构数字化设计和建造的展示项目。（来源：Universityof Stuttgart ICD/ITKE）

预制建筑

在住宅和商业建筑设计中，预制建筑变成一个越来越受欢迎的选择。工业化的预制建筑有两种类型：预制建筑构件和预制建筑模块。对于预制建筑构件，其在工厂生产的是单独或者成组的构件，之后运到工地进行拼装。而预制建筑模块是在工厂里生产好了独立的功能模块，在工地将其组装成为一栋建筑。

预制建筑能够帮助解决很多在设计，工程和管理上的挑战，例如 (THINKWOOD, 2018):

• 通过下料优化和构件重复利用提高材料利用率
• 通过优化供应链管理和缩短施工时间提高建造效率
• 在可控的环境下生产有利于保证生产质量

 

木材是一种很适合预制建造的材料，预制的木质构件也常用在轻质的框架结构（梁，柱等）和面单元结构（楼板，墙面等）中。木材在预制建造中的优势体现在 (Borgstr?m & Johan, 2019)：

• 塑形上有高度灵活性
• 能够实现很低的制造误差和很高的预制程度
• 自重小，有助于减小其他构件尺寸（柱子和基础）和所需起吊设备
• 多功能性：结构构件，建筑构件，装饰等
• 简易的拆除和重组装鼓励了构件和材料的重复利用

下图展示的是由木构建筑设计大师Shigeru Ban主持设计的Swatch在瑞士Biel的新总部。这个240m长的蛇形木质拱形结构和立面由75000多根预制构件组成，有470个窗户单元也是曲面的。整个项目的顺利完工离不开预制构件信息从设计端到生产端的管理和传输，构件生产的高精度和现场拼装的准确性。

(a)   Swatch新总部的施工现场

(b)    作为结构构件的预制构件

(c)    曲形窗户单元的预制构件

Figure 7：木构Swatch新总部从设计到生产和施工都贯穿了预制拼装的理念。（来源：Dezeen,(Sheil, Thomsen, Tamke, & Hanna, 2018)）

总结

值得注意的是，尽管木结构从全周期来看比混凝土和钢结构排放更少的碳，但碳排放的差值将随着能源生产和工业生产过程本身的去碳化逐渐缩小 (Arehart, Hart, Pomponi, & D'Amico, 2021)。同时，在林木培育过程中也应小心因为种植单一树种所可能带来的生态损害 (Liu, Kuchma, & Krutovsky, 2018)。

无论如何，木构建筑在如今急迫的气候危机和不断进步的生产加工技术的大背景下展现出来的优势是不应被忽视的。首先，木材能够在其整个漫长的生命周期中将碳储存起来，在生命末期通过焚烧代替化石燃料产生能量，并且能够通过CCS技术提供将碳永久封存的可能性。此外，木材独特的性质让其能够很好地融入到这波由数字化建造和预制建筑掀起的浪潮中，并在多种建筑材料中占据亮眼的一席，给未来提供不小的想象空间。

 

鸣谢

在此感谢斯图大学ICD/ITKE和大界机器人在文章写作中提供的支持。尤其要特别鸣谢的是 ETH Energy Blog 的编辑组在英文版的撰写和发表过程中给予的鼓励、帮助以及非常有建设性的意见和建议。

 

参考资料

1. Arehart, J. H., Hart, J., Pomponi,  F., & D'Amico, B. (2021, February). Carbon sequestration and storage in the built environment. Sustainable Production and Consumption.

2. Bianconi, F., & Filippucci, M.  (2020). Digital Wood Design. Springer.

3. Borgstr?m, E., & Johan, F. (2019). The  CLT Handbook. SWEDISH WOOD.

4. Dodoo, A., Gustavsson, L., & Sathre,  R. (2009, February). Carbon implications of end-of-life management of building materials. Resources, Conservation and Recycling.

5. Hildebrandt, J., Hagemann, N., &  Thr?n, D. (2017, July). The contribution of wood-based construction materials for leveraging a low carbon building sector in Europe. Sustainable Cities and Society.

6. Liu, C. L., Kuchma, O., & Krutovsky,  K. (2018). Mixed-species versus monocultures in plantation forestry:  Development, benefits, ecosystem services and perspectives for the future. Global  Ecology and Conservation.

7. Menges, A., Sheil, B., Ruairi, G., &  Marilena, S. (2017). FABRICATE. UCL PRESS.

8. Sheil, B., Thomsen, M. R., Tamke, M.,  & Hanna, S. (2018). Design Transactions. UCL PRESS.

9. THINKWOOD. (2018). DESIGNING SUSTAINABLE,  PREFABRICATED WOOD BUILDINGS. THINK WOOD.

10. 大界机器人. (2021, 02 20). 大界智造|南京园博园数字建造工程实践.  Retrieved from https://mp.weixin.qq.com/s/PnqwqpN0ajYWKzE4ctTlwQ

11. ETH Energy Blog：https://blogs.ethz.ch/energy/wooden-buildings/