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加拿大:摩天木楼给地球降温

来源:中国科学报

发布日期:2017/6/28 11:37:06 作者:  浏览次数:

加拿大古老的乔治王子伐木小镇上的一座大楼分外显眼。这个塔式结构的建筑被包围在一个光滑的玻璃外观之内,它比四周大多数建筑都高一些,发出的绿枞一样温暖的琥珀色光芒令人心动。这座8层30米高的建筑建成于2014年,几乎全部使用木材,是全世界最高的现代化木结构建筑之一。它不仅仅是一个建筑奇迹,作为北不列颠哥伦比亚大学(UNBC)木材创新和设计中心的基地,它还是未来木建筑的孵化器,是帮助应对全球变暖行动的先驱。

这座建筑由不列颠哥伦比亚政府拥有,它并不像一间小木屋,而是更像一个多层蛋糕。它将模板粘合并叠压在一起,在工厂中进行精确的激光切割,然后在现场组装。UNBC通过回避能源密集型的水泥和钢筋总计少释放400多吨CO2,而且该建筑还锁住了不列颠哥伦比亚树木从大气中吸收的1100吨CO2。整体上,这足以抵消160户人家1年的碳排量。

木质建筑有着古老的根源,但直到20年前,科学家、工程师和建筑师才开始意识到其阻遏全球变暖的潜力。据美国康涅狄格州纽黑文耶鲁大学森林生态学家Chad Oliver的研究,通过采用可持续方式管理森林中的木材替代混凝土和钢筋,建筑行业可以抑制31%的全球碳排量。如果时间适宜,这样的转变可以帮助人类将CO2从大气中捕集出来,从而逆转气候变化进程。

“这是胶合板的奇迹。”马萨诸塞州伍兹霍尔研究中心生态学家Christopher Schwalm说,“它可能是对全球气候变化谜题具有重要影响的一件事。”

木材技术

14个世纪前,当日本斑鸠町的佛教僧侣建造32米高的兴旺律法学习寺院时,他们想到的不是钢筋和混凝土。像中国山西应县的僧侣建造佛宫寺释迦塔时一样,他们对木质结构怀有极大信心。山西应县木塔建于1056年,拔地而起67米,巍巍然直入云霄。

这些木塔至今仍然屹立,它们是木质建筑强度和耐久性的证据。如果按公斤计算,木材比钢筋和混凝土都更牢固,而且木质建筑通常可以更好地承受地震。但在现代灭火策略出现之前,由于伦敦、纽约和芝加哥等城市发生的灾难性大火,木建筑落下了不好的声誉。

实际上,如果发生火灾,木材会比现代建筑法典中更喜欢采用的非可燃性材料更好地维持其结构的完整性。它会以可预测的速度被烧成炭,而不会像钢筋那样熔化,或是像混凝土那样变得脆弱。“它实际上能够比钢筋更好地经受火灾,但这一事实可能要花费很长时间才会让人们认识到。”UNBC木材工程项目主任 Guido Wimmers说。

一些观点认为,现代意义上的木质建筑始于20年前奥地利格拉茨技术大学的一项简单实验。研究人员将标准的木板垂直胶合在一起,他们发现改变其纹理可以有效改变任何木板的不完美和薄弱处。这一结果即“交叉复合木材”——这种结构坚固且质量轻、远远超过传统的胶合板。它可以根据需要决定其大小,并在工厂进行亚毫米级的切割,这加快了建筑速度并减少了浪费。

Wimmers说,这项技术的最初目标是更好地利用较次一级的木材产品。“木质建筑行业正在逐渐消失,所以人们开始重新发明。”他说。随后,由于欧洲国家采取了更严格的能源效率和温室气体排放管理规定,迫使建筑师减少其设计楼房的气候足迹,先进木材技术市场随之扩大。Wimmers推测,在欧洲民用建筑中使用的木材已经从上世纪90年代的5%~10%增加到约25%。

跟踪碳足迹

木质建筑的一个主要吸引力是其帮助阻遏全球变暖的潜力。Oliver的研究表明,人类每年仅采伐全球森林增长的20%左右,因此可以采伐更多木材且不减少森林中锁定的整体碳量。如此采伐的最终气候效应取决于其最终用途。

如果这些碳只是简单地被燃烧获取能量,那么这些树在此之前吸收的CO2会被直接排放到大气中去。重新生长森林最终会将CO2拨离于空气,因此碳中立木材能源的想法只是一个时间问题。

另一个争议点是:一些人争论欧洲现有政策夸大了木材燃料的气候效益,并酿成了砍伐树木的反常动力。但这一论断并不适用于木质建筑。“拥有实木的事实意味着再让CO2脱离大气层。”Oliver说。

除了木材中分离的碳,木结构还提供了进一步的节能减排。当研究人员计算了设计中心的环境影响之后,他们对每种材料的加工和运输做了解释。整体而言,木建筑的碳排量相当于同等规模混凝土建筑的12%,这主要是因为其中利用的化石能源的差异。“当你比较木质建筑和混凝土建筑时,每一次木质建筑都会获胜。”明尼苏达大学退休工程师Jim Bowyer说。

高层木质建筑复兴已经在路上。挪威在2015年底建造了一座52.8米的塔式大楼,创下世界木建筑最高纪录。但这一纪录在2016年9月就被温哥华不列颠哥伦比亚大学53米的学生宿舍打破。今年,奥地利维也纳84米高的HoHo木楼将创下新纪录,这座大楼包括旅馆、公寓和办公室。2016年,美国首座木建筑在明尼苏达州明尼波利斯建成,而位于波特兰、俄勒冈和纽约的其他木结构建筑也相继建造。

漫长的游戏

目前,木结构运动主要集中在欧洲和北美。Bowyer说,在美国,超过80%的房屋已经是基于木材建造的。然而,该国木材产业目前仅采伐年森林增长率的1/3,仍有潜力扩大中高层商业和产业结构中的木建筑,而不减少森林中封存的碳量。

owyer正在带领弗吉尼亚州利斯堡美国木材理事会召集的一个专家评估组,该专家组已经发现每年可使封存在建筑中的碳量约增加1倍,从而抵消其他9个煤炭火电厂的排放。与此相对,欧洲的建筑者仍然主要依赖混凝土和钢筋:2010年芬兰政府的一项报告估计,每年欧洲建筑领域如果多使用4%的木材,将能够避免1.5亿吨碳排量,这几乎相当于荷兰1年的碳排量。

为了在全球产生切实的效应,这一运动必须扩展到发展中国家,那里的森林管理仍然存在挑战。热带雨林已经因为木材采伐而被掠夺,并因为农业生产被夷为平地。澳大利亚詹姆斯·库克大学热带雨林生态学家William Laurance说:“我已经看到了所谓的木材产品领域充斥的滥用,我对假设的全面解决方案持谨慎态度。”

Oliver则认为,如果与加强政府治理并行,推进木质建筑有助发展中国家建立实际上保护森林的可持续产业。其中的挑战是确保被管理的森林拥有关键的全套生态系统功能,包括原始的生长栖息地和森林空旷地。“它应该全部进行事先计划并保证透明化。”Oliver说,“这有点像‘乌托邦’,但我们总要做梦。”

随着木材建筑的成熟,它将面临最终的挑战:当一座大楼在退役或是被拆掉时会发生什么?木材倡议者正在推进促进循环利用和其他碳中立选择的长期策略,但木建筑倡议者、乔治王子镇木建筑建设者之一Michael Green对这座建筑的寿命并不担心。他说,如果好好维护,它没有理由不会像古代佛塔那样持久。“我们需要让这样的对话在全球范围内展开。”Green说,“这是加速推进木质建筑与混凝土和钢筋建筑竞争力的唯一希望,后者已经领先了150年。”


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