高层木质建筑的第二春来临了吗？
原文以The wooden skyscrapers that could help to cool the planet为标题
发布在2017年5月17日的《自然》新闻专题报道上
原文作者：Jeff Tollefson
大型木质建筑正变得越来越安全、坚固和高大；它们或许还有助于缓解全球变暖。
在加拿大乔治王子城这个古老的伐木小镇上，有一座建筑格外引人注目。它四面镶嵌着光滑的玻璃，俯瞰周遭众多建筑，远远地散发着花旗松温暖的琥珀色光亮。它建于2014年，高8层30米，几乎全为木制，是全世界最高的现代木质建筑之一。不过，它可不仅仅是一个建筑奇观。作为设计中心在北不列颠哥伦比亚大学（UNBC）的总部，它还是一个未来木质建筑的孵化器，同时也是一场或将有助于解决全球变暖的运动的先声。
加拿大木材创新与设计中心（简称“设计中心”）是一座全木质建筑，它展现了高层木质建筑封存碳的潜力。
Ema Peter
这座建筑属于不列颠哥伦比亚省政府，看起来不太像一座木屋，倒更像一块多层蛋糕：木板被粘合压制在一起，在工厂经过激光精准切割，然后在现场组装起来。总之，由于没有采用能耗密集型的钢筋混凝土结构，UNBC避免了逾400吨的二氧化碳排放。此外，这座建筑还封存了不列颠哥伦比亚省的树木从大气中吸收的1100吨二氧化碳。合计起来，这足以抵消160户家庭1年的二氧化碳排放量。
木质建筑拥有悠久的历史，但直到最近二十年，科学家、工程师和建筑师才开始认识到它们抵御全球变暖的潜力。根据耶鲁大学森林生态学家Chad Oliver的研究，如果建筑业使用来自可持续管理的森林的木材替换钢筋混凝土，全球碳排放量最高有望减少31%。长期来看，这种转变或许还能帮助人类吸收大气中的二氧化碳，从而逆转气候变化进程。
“这是胶合板创造的奇迹，”美国伍兹霍尔研究中心的生态学家Christopher Schwalm说，“它或许会对全球环境变化这个难题产生重大影响。”
高层木质建筑的复兴已经开始。2015年末，挪威的一座高达52.8米的木质塔楼创下了当时的世界纪录，但在2016年9月被不列颠哥伦比亚大学的一栋53米高的木质学生宿舍楼超越。今年，84米高的HoHo维也纳大厦又将取而代之。这座位于奥地利的建筑内设酒店、公寓和办公室。2016年，美国的第一座高层木质建筑在明尼苏达州的明尼阿波里斯市拔地而起，俄勒冈州的波特兰市和纽约市也能见到木质建筑的身影。
在一定程度上，木质建筑吸引政府关注的原因是它们对森林环绕的农村社区的经济效益。但是，要让这些开拓性项目引发一场全球风潮却并非易事。木质建筑的建造成本通常较高，而且全球建筑业几乎全部侧重于钢筋混凝土，尤其是在建造大型建筑时。不仅如此，木质建筑的气候效益建立在一个存疑的假设上：全世界的森林能被可持续管理。一些研究者担心，采伐更多的木材可能会损害森林生态系统，尤其是在已经深受不当采伐、乃至非法采伐之害的发展中国家。“如果要砍伐树木，我们必须确保方法得当，不仅要维护森林的可持续性，还要保障生物多样性和其它一切因素，”Oliver说。
木制技术
1400多年前，当日本僧侣决定在斑鸠町法隆学问寺修建一座32米的佛塔时，钢筋混凝土还不存在。和建造中国应县佛宫寺释迦塔的僧侣一样，他们将信念寄托在了木材上。佛宫寺释迦塔建于1056年，高度达到了令人惊叹的67米。
今天，这些佛塔依旧屹立不倒，见证了木头的强度和耐久性。等量来看，木头比钢筋混凝土更坚固，木质建筑一般还都具有良好的抗震性。但木头在几百多年来逐渐积累了恶名：现代灭火方法发明之前，几场灾难性的大火曾给伦敦、纽约和芝加哥等城市带来过灭顶之灾。事实上，在火灾时，木头比现代建筑规范青睐的不易燃替代品更能维持建筑结构的完整性。木头的碳化速度是可预测的，而且不会像钢铁一样融化，或像混凝土一样松动。“木头实际上比钢铁更能抵御火灾，人们用了很长时间才认识到这一事实，”Guido Wimmers说，他是UNBC木材工程硕士项目的主席。
一些人认为，现代高层木质建筑始于奥地利格拉茨技术大学20年前的一个简单的实验。研究者将标准木板一层层相互垂直地粘合起来，发现交替改变木板纹理方向可以有效抵消单块木板的缺陷和薄弱点。他们得到了一种坚固质轻的木板块，即交错层压木材。这种材料让传统胶合板相形见绌，它能被制作成任意大小，还能在工厂中实现亚毫米精度的切割，从而加速施工、减少浪费。鉴于这些木板的强度，高层木质建筑的高度并没有理论上限。“它将木头从一种郊区材料转变成了一种非常城市化材料，”Michael Green说。他是一位在温哥华工作的建筑师。Green参与了乔治王子城设计中心的设计，也是木质建筑的主要倡导者之一。
Wimmers表示，交错层压木材技术最初的目标是更好地利用低级木制品。“当时，木质建筑业正在走向衰落，因此，行业开始了自我革新。”他说。由于欧洲国家对能效和温室气体排放的严格监管，建筑师不得不减少建筑的气候足迹。先进木材技术的市场因而得以扩张，其中就包括被胶合或钉在一起以增加强度的木梁。据Wimmers估计，目前欧洲约有25%的住宅建设使用了木头，较20世纪90年代的5-10%有所上升。
木材创新与设计中心的外墙受到了剥落的树皮的启发。
Ed White
安全和工程科学也取得了进步。设计中心的外层材料是花旗松，它的碳化速度是每小时39毫米。不列颠哥伦比亚省建筑规范要求，建筑物的每一层都必须能承受至少一个小时的火灾，因此，Green的团队选择了用5层木板制造的地板，它们可以在局部受损的情况下仍然保持结构完整性。
与此同时，Wimmers的团队还参与了美国国家科学基金会资助的高层木建筑项目（Tall Wood Project），这一项目旨在提高高层木建筑的抗震性。该项目联合体的研究已经表明，木质建筑的抗震性与钢筋混凝土建筑相当，甚至更强。6月，研究人员将在加州大学圣迭戈分校的一个地震模拟振动台上对一栋两层木质建筑进行测试。他们计划在2020年测试一栋十层木质建筑。
Asif Iqbal是该项目的一位土木工程师，他来自新西兰，曾亲眼目睹2011年新西兰基督城大地震所造成的破坏。该市的大部分钢筋混凝土建筑都未倒塌，但约有1800座建筑由于混凝土开裂和钢筋变形受到了不可修复的破坏。Iqbal说，许多建筑物使用了木材作为重建材料，原因正是木质建筑更有可能从另一场大地震中幸存下来，如果受到破坏，这些建筑的钢连接件也相对容易更换。
这些木质建筑的长期性能和经济可行性还有待观察。举例来说，木材易受霉菌和水的破坏，在施工过程中发生火灾的风险也更高。2014年9月，英国诺丁汉大学正在建设的一座价值2000万英镑的木质可持续化学实验室因为电气火灾被毁，部分原因是防火门窗还未到位，无法控制火势。尽管如此，木质建筑倡导者仍认为未来前景光明。“我们仍然在调整改善木材技术，不过到目前为止，我们并没有发现任何无法解决的重大问题，”Iqbal说。
追踪碳
有望帮助抵御全球变暖是木质建筑的主要吸引力之一。Oliver的研究表明，目前,人类每年只采伐了全球森林增量的20%左右，可以在不减少森林封存的碳总量的条件下利用更多木材。木材采伐的最终气候影响取决于其终端用途。
如果只是被用作燃料，那么树木此前所吸收的二氧化碳就会立即回到大气中。再生林最终会将这些二氧化碳再吸收掉，因此，能否实现碳中性的木材能源取决于时间。这一观点也存在争议：一些人认为，欧洲目前的政策夸大了木燃料的气候效益，产生了砍伐树木的倒错激励。但这些争议不适用于木质建筑。“光是使用实体木材这一点就意味着你没有让二氧化碳进入大气，”Oliver说。
图片说明（从左至右滑动图片）：
1. 2015年，挪威卑尔根市高52.8米的Treet（意为“大树”）短暂成为了全世界最高的现代木质建筑。Treet共14层，含62间公寓，使用模块化预制件建成。（credit: Thomas F/Alamy）
2. 去年，不列颠哥伦比亚大学一座53米高的宿舍楼创下了现代木质建筑的新纪录。所有预制件运抵现场后，建造工作在不到70天内完成了。9月，400多名学生搬进了他们的新家。（credit: KK Law/naturallywood.com）
3. 维也纳的建筑工人正在建造HoHo维也纳大厦，这座84米的摩天大厦将会成为有史以来最高的木质建筑。HoHo虽然包含支持性的混凝土芯，但它约四分之三的结构都是用云杉建造的。（credit: A3ZO）
4. 日本斑鸠町的法隆学问寺矗立着一座32米高的5层木塔。该塔约建于7世纪末或8世纪初，之后曾多次修复和重建。（credit: Nigel Reed/QEDimages/Alamy）
5. 应县佛宫寺释迦塔建于1056年（辽代），释迦塔高67米，是全世界最高的古代木质建筑，经历过多次地震仍屹立不倒。（credit: DeAgostini/Getty）
木头本身可以封存碳，此外，木质建筑的施工过程也能减少碳排放。在计算设计中心的环境影响时，研究人员考虑了每一种材料（小到用来粘合胶合板的化石燃料源胶水）的制造和运输。整体而言，木质建筑施工的碳排放只相当于同等混凝土建筑的12%，主要原因在于化石燃料的使用差异。“如果将木质建筑与混凝土建筑相比较，木质建筑（在减排方面）总是会赢，”明尼苏达大学的退休工程师Jim Bowyer说。
在一开始，设计中心的碳足迹或许非常低，但随着时间的推移，供暖、冷却和照明需求产生的温室气体排放仍会扩大它的环境影响。对于一座典型的建筑而言，日常能源使用和维护占其使用寿命内全部碳排放的80-90%。可惜的是，设计中心也不例外。由此导致的结果是，设计中心的长期环境效益相对微小。
然而，当今最先进的建筑结合了节能设计与可再生能源就地生产技术，能做到使用寿命内不产生碳排放。在这种场景下，施工和材料（建筑的“内含排放”）是一座建筑气候影响的全部来源，为木质建筑带来了越来越重要的优势。
“我们正在向真正低能耗的建筑迈进，”加拿大非营利研究组织雅典娜可持续材料研究所的主席Jennifer O'Connor说。“坦白地说，如果要有所作为，那么我们最好开始将目标锁定在内含排放上。”
长远计划
目前，木质建筑运动主要集中在欧洲和北美。Bowyer说，美国超过80%的房屋是基于木结构的。但由于美国木材业目前只采伐了约三分之一的年度森林增量，在不减少森林封存碳量的条件下，增加木质中层商业建筑和工业建筑的建造仍有空间。Bowyer正在领导一项由美国木业协会发起的专家组评估，评估小组发现，美国有能力将国内建筑每年封存的碳量增加约一倍，足以抵消9座火电站的碳排放量。与之相比，欧洲建筑业仍然主要依赖钢筋混凝土：据芬兰政府2010年的一份报告估计，只要将全欧洲建筑施工中的年木材使用量增加4%，就能避免1.5亿吨的碳排放，几乎相当于荷兰1年的排放量。
但要真正实现全球性的影响力，这一运动还必须向发展中国家扩展；发展中国家的森林管理仍是一个极具挑战性的问题。热带地区的森林或是为了采集木材被掠夺砍伐，或是为了农业开发被夷为平地。举例来说，印度尼西亚一直在努力试图缓解棕榈油业对雨林的破坏。过去十年来，虽然巴西在森林管理方面取得了巨大进步，但牛肉和大豆的需求再次驱动了亚马逊地区的开荒行为。有些人担心，木质建筑将给全世界一些最为宝贵的生态系统带去更多灾难。“我看过了太多所谓的木制品行业的弊病，因此，我对依赖于许多假设的‘彻底’解决方案持保留态度，”澳大利亚詹姆斯库克大学的热带生态学家William Laurance说。
Oliver则提出，如果与改善森林治理的行动一同开展，推动木质建筑建设将有助于发展中国家建立可持续林业，而这实际上有利于保护森林。挑战在于整体维护被管理森林的关键生态体系，包括原始森林栖息地和森林空地。“一切都要提前规划，并做到公开透明，”Oliver说，“这听起来有点像乌托邦，但人必须有所追求。”
现在，Oliver正在与联合国开发计划署（UNDP）合作设计一个综合性的森林管理计划，用于启动土耳其的现代木质建筑建设。政府统计表明，从2004到2014年，土耳其建设的建筑空间达9.56亿平方米，其中只有0.13%为木质结构。然而，来自安卡拉的UNDP森林专家Nuri Özbağdatlı表示，森林占土耳其国土面积的27%，该国700万最贫穷的人口都居住在森林区域。“我们希望能打造一条始于森林村庄、终结于建筑业的全新木材价值链，”他说。
随着木质建筑施工技术的成熟，它还将面临一项最终挑战：木质建筑废弃拆除后会发生什么。佛塔或许能存在几个世纪，但人们对许多现代建筑（包括乔治王子城的设计中心）普遍假设是它们会逐渐失去功用，在几十年内被取代。如果木头被倒进垃圾填埋场任其腐烂，它们所封存的碳就将缓慢释放回大气中。但如果这些木头被循环利用——比如重复使用在未来的施工项目中，它们的气候效益就能保持下来。
木材倡导者正在推广促进循环利用和其它碳中性方案的长期策略，但对于设计中心的寿命，Green并没有特别的担心。他说，如果维护得当，没有理由认为它不能像佛塔一样长期存在下去。眼下，他正专注于开设一个旨在推动木质建筑业发展的免费在线培训课程。这一课程将被翻译成30种语言，帮助任何感兴趣的人——从建筑师、工程师到工人、开发商和政府官员，更加专业地了解木质建筑。“我们要将这场运动推向全球，”Green说，“这是加速木质建筑发展，使之能够与混凝土建筑抗衡的唯一希望，后者已经领先了150年。”ⓝ
Nature|doi:10.1038/545280a
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The wooden skyscrapers that could help to cool the planet
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