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用“活体”材料塑造城市未来

建筑物可以像树木一样也参与碳吸收?SOM 研究的新一代生物材料可能会将建筑业转变为治愈地球的力量

来自科罗拉多大学博尔德分校的一个研究小组认为,新一代生物材料可能会将建筑业转变为治愈地球的力量。他们正在开发包括藻类混凝土等在内的多种产品——这些产品都是 SOM的 建筑师在创造零碳和负碳建筑的过程中一直都在寻求的解决方案。

在这些共同目标的驱使下,活体材料实验室主任 Wil V. Srubar 博士和 SOM 设计总监 Yasemin Kologlu 现已成为密切合作伙伴。在本文中,他们分享了自己对生物材料将如何引发建筑行业变革的宏大观点。


Wil Yasemin,请问两位是怎么认识的?

Wil Srubar2020 年初,我的实验室团队联合科罗拉多大学博尔德分校的其他同事,共同发表了关于活体建筑工程材料的第一项研究。媒体对此进行了广泛的报道,其中包括一篇《纽约时报》文章,和一篇 NPR 的访谈。我还收到了来自 Yasemin 和 SOM 其他工作人员的电子邮件,他们表示想要更深入了解我们的工作,这让我感到很惊喜。

Yasemin Kologlu:老实说,我甚至没有读过《纽约时报》或 NPR 的文章!我当时正在 SOM 主持一项研究计划,研究的重点便是要找寻能够让我们在所有项目中实现零碳,甚至超越这一要求的解决方案。我们希望把目光投向建筑行业以外的领域,借鉴来自学术界、研究机构、制造商和思想家们的理念。我们缩小了可供使用的不同系统和方法的范围,Wil 在生物材料方面的研究工作就和这个相关。

为什么建筑材料现在能够成为如此重要的关注焦点?

Yasemin作为设计师和设计专业人士,我们有责任应对气候变化问题。众所周知,到目前为止,全球 40% 的碳当量排放来自建筑行业和建筑本身。

我们一直力图在自己的工程中减少能源需求、能源使用、建筑运转碳排放和建筑运转能耗,同时我们还有另一个大难题亟待解决,那就是在建筑生命周期前期和末期产生的隐含碳排放。我们在探究建筑的整个生命周期时,不能忽视所用材料对应的碳排放量。在考虑到对整个行业的影响时,我们发现实在不应该继续使用当前习惯的建筑方式。对我们来说,现在正是探寻替代方案的时候,去找到新的思维方式和新的材料来帮助我们改变常态。

Wil,您一直在开发其中的一些替代方案。能否给我们介绍一下您的工作,以及您对未来建筑材料的展望。

Wil在了解到全球超过 11% 的二氧化碳排放直接归因于建筑材料制造业后,我内心的触动颇大。那 11% 就是我们这些结构工程师需要承担的责任。

Wil Scrubar与学生在实验室里 © 科罗拉多大学博尔德分校工程与应用科学学院

在我的研究小组,在活体材料实验室里,我们都坚信生物学已经为我们解决了很多难题,我们要做的只是给予更密切的关注而已。大自然主要通过两种机制来储存和封存材料形式的二氧化碳,我们已经开始研究如何利用这两种机制来生产建筑材料。其中一种机制就是光合作用。我们都在三年级的生物课上学习过这一点——每一种植物,种子、树木、甚至藻类,在其生长和繁殖的过程中,都会从大气中吸收二氧化碳,并将其储存在这些生物体内的糖、蛋白质和碳水化合物中。这就是通过从大气中吸收二氧化碳所产生的物质现象。

第二种机制是碳酸盐矿化,这个过程与贝壳的形成过程非常相似。通过让二氧化碳与金属发生反应,可以形成一种矿物。在自然界中,这种矿物主要是碳酸钙,俗称石灰石。我们从这些过程中得到了大量的灵感,同时也在问自己,与当前施工中所用的材料相比,我们可以制造出具备相似特性的材料吗?这是我们实验室的大前提:将生物学与传统的材料科学相互结合,为建筑环境创造仿生型、响应型,甚至是活体型的材料技术。

这些材料在碳吸收方面有多大潜力?

Yasemin它将会发挥巨大作用。全球有 11% 的排放量来自我们使用的材料,所以我们有很大机会改变这种现象。不久前,我们行业的标准还停留在根据年度绩效考虑建筑排放量的阶段。就连我们的政策也只着眼于每年的排放量和能耗。我们需要全方位的转变——需要以看待自然界的方式,看待建筑物的整个碳循环周期。我们不会只着眼于森林在一年内受到的影响以及它的健康状况,而是会纵观它的整个生命周期。因此,对于建筑环境,我们也需要接受完整生命周期的思维方式。采用这种思维方式后,就能发现新一代固碳材料将在建筑物的生命周期内帮助我们吸收环境中的碳。从本质上讲,这种建筑更像是一片森林,它能够净化周围的空气。

Wil我的很多灵感都来自我成长的地方,那里有一个棉花农场和一个畜牧场。我自小生活在大自然里。在搬到更大的城市后,我意识到我成为家庭中城市化的一代。每逢过节回家的时候,我都会回到农场。

这么多年来,我一直在思考,为什么人造环境会如此刻板、沉寂且毫无生气?最能让人联想到这点的就是纽约市的中央公园。如果从高处俯瞰这个公园,会清楚看到人造环境和自然环境之间存在着界限。但如果我们能模糊这个界限的话会怎么样呢?我们是不是能进一步认为,我们可以赋予建筑生命?事实上,建筑与人体很像。它也有骨架,有自己的结构。它的表层可以调节温度和湿度。它像一个串联的神经系统。它会消耗能源,产生废物。

从我的实验室中制造出的产品,就是为建筑材料赋予生命的第一步。然后,我们可以开始考虑如何设计建筑,使其在整个生命周期内实现持续固碳。Yasemin 每次和我见面都会聊到这一点。这正是红杉城市背后的理念。为什么建筑物就不能像森林里的树木那样呢?它们能形成碳吸收、储存和利用的机制吗?这些小小的突破正在带领我们逐渐走近那样的现实。

生物混凝土的观感是怎样的?跟我们熟悉的混凝土有什么不同?

Wil我们对此展开的研究涉及的范围十分广泛。其中一些材料更是能直接派上用场,如替代水泥、碱激发水泥和隐含碳更少的地聚合物水泥。我们还对纤维素材料进行了大量研究。我们正在利用细菌纤维素进行一些研究,举例来讲,在制作康普茶的过程中就会出现这种物质。这是一种可以储存碳的材料,它的生长速度飞快,比树还快,甚至比一些草都要快。我们对其进行改造,尝试用它生产出外观和触感都与传统材料相似,并具有类似性能的材料。

在这个活体建筑工程材料项目中,对于我们来说,制造出与波特兰水泥混凝土具备相同外观,甚至是具备类似性能的产品,都不是我们追求的重点。我们要制造的是受生物启发的以生物学方式生产的产品。随着相关技术趋于成熟,我们的产品也具备了自身独特属性和独家优势。我们一直致力于确保我们的产品能够达到性能标准,促使工程师和建筑师指定使用这些产品——这确实是进入市场的有效方式——其独特的性能特征也确实让建筑师和工程师感到兴奋。

图片版权 © 科罗拉多大学博尔德分校工程与应用科学学院

生物混凝土可能会有异于常规的美学和触觉体验,这取决于所使用的骨料类型。与传统混凝土不同,我们可以更改它的颜色和纹理。它也可以模制成任何形状,和普通混凝土一样。我们发现,它的抗压强度性能正在逼近传统混凝土,但它的延展性能和抗断裂性能却与传统混凝土截然不同。它让我们制造出了过往无法制造的全新形状和不同形态。

我们发现,人们对清洁的建材都表示出浓厚兴趣,大家都非常渴望因势利导,做些有益的事情。

Yasemin这对我们设计师来说非常激动人心。它会促使我们以不同的方式思考。我们知道怎么用混凝土进行设计。我们也知道怎么用木材进行设计。但现在我们正在研究一种新型材料,它有自己的优势和独特品质。例如,也许我们可以设计一种体积更小、表面积更大的结构,让它能够更自如地呼吸。这可能会给我们带来采用全新设计策略的新一代建筑。

Wil这就是我对当前这个合作关系感到如此兴奋的原因。我们是由科学家和工程师组成的团队;我们都认为,能在生产出某种东西后测量它的特性,是一种真正的乐趣。但是,对于如何将其应用于建筑的愿景,以及它可以创造出哪些新的机会——我们在这些方面的目光还不够长远。SOM 正在帮助我们的这一愿景变得更为清晰。他们不断向我们展示设计的可能性,就像开启了一台永动机——因为每次与 SOM 接触,都能让我充满活力地回到实验室,继续努力创造出更让人惊叹的东西。

图片版权 © 科罗拉多大学博尔德分校工程与应用科学学院

Yasemin事情就是这样发展起来的,对吧?只要联合科学家和创意人才的力量,就可能造就惊人的成果。我们很有可能会成就这样的时刻。

要想让这些解决方案得到广泛采纳,未来还将面临哪些挑战?

Yasemin就像所有新材料或开发中的技术一样,它需要得到投资和应用。它还需要有专门的教育和知识共享过程。这是一个很好的机会,所有环节都在朝着正确的方向推进:我们看到了投资的增长,看到了关注度的提升,看到了更加丰富的政策和激励措施,也看到了像我们这样,在推动目标尽快实现的过程中既找到兴趣,也愿意付诸努力的专业人士。

Wil我们生活在一个非常激动人心的时代。对于用来应对全球气候危机的新材料和其它建筑技术,AEC 行业已经开始带动相关领域的发展。这是一股巨大的发展势头,我们也知道它将会继续壮大。如果从全球范围来考虑建筑,这可能会成为一种治愈地球的机制,但也可能进一步对地球造成损害。我认为我们已经看到了公众对清洁材料的巨大兴趣,也看到人们非常渴望利用这一势头做出有益的贡献。

这是一股巨大的浪潮,而这个浪潮才刚刚开始汇聚。通过新材料、新技术、新政策,以及新的设计、建造和思维方式,我们将会更加深入其中的方方面面。

随之而来的是多重挑战。建筑业绝对属于大宗商品行业。通常情况下,一切必须以经济为首。我们必须时刻考虑到成本。我们也必须对各种观点有所感知,说到活体材料,虽然我们的藻类混凝土完全无毒无害,基本上类似于在建筑部件内放置一株植物,但在目前全球爆发疫情的形势下,现在可能并不是推出新生物材料的最佳时机,我们也不建议立刻将其应用到建筑中。尽管我们正面临来自少数观点的挑战,但我们也看到了许多清洁材料技术的拥护者,而对我们正在持续开发的解决方案而言,我们看到的在观念上的障碍要少得多,因为我们会不断展示成果,体现其在经济上的可行性。这些并不只是象牙塔里的想法。我们正在将其转变到商业领域,而且我们有极其优秀的合作伙伴能够帮助我们实现这一点。

那么,我们什么时候可能会看到第一座活体混凝土建筑呢?

Wil可能比您想象中还要早。我们已经成立了一家公司,名为 Prometheus Materials,并且现在已经授权知识产权开始制造这些材料。还有我们的团队——SOM、科罗拉多大学和 Prometheus——我们一直在产品设计理念和原型项目上协力合作。

从短期来看,关键是要让产品满足当前建筑规范对性能属性的要求,这样我们才能进入市场。我们希望确保所有建筑师、工程师、甚至是建筑业主,都能够熟悉活体混凝土及其设计方式。

但我们也可以参考重型木结构的情况,建筑法规对于增加木材使用申请的批准速度之快——木材也是一种生物材料。是的,设计工具需要重新规划,法规需要进行修订,但我们已经看到这一切正在以前所未有的速度向前发展。这为其他新材料技术铺平了道路。

Yasemin我们还看到,立法正在积极推动低碳材料的使用,最终将会轮到固碳材料。随着我们在世界各地看到越来越多这样的事情,说不定这会成为必然趋势。 

Wil我真的很期待能在接下来的 5 到 10 年里,看到碳储存和负碳领域会出现怎样的巨大革新,看到建筑师和工程师用来设计建筑的设计哲学会发生怎样的改变。因此,如果我们真的要努力实现绝对零碳——我在这里所说的绝对零碳指的是零隐含碳建筑运转碳排放,或更确切地说就是净负碳,也就是将建筑物转化为净碳汇——那么我们就必须要理解并充分使用这些新兴的碳储存材料,以此中和碳排放材料。因此,请务必要留意其他与建筑材料和碳储存相关的创新。

Yasemin这是一股巨大的浪潮,而这个浪潮才刚刚开始汇聚。通过新材料、新技术、新政策,以及新的设计、建造和思维方式,我们将会更加深入其中的方方面面。我们正在切身体会这种历史性的转变。无论是彼此的合作还是共同的努力,都将成为这一未来的坚实奠基。