可持續設計---創新的可持續建築材料

創新的可持續建築材料 建築業是最主要的碳排放源之一 據估計全球約38%的二氧化碳排放產生在這個領域 為了應對當前緊迫的氣候危機 建築工程師 設計師以及研究人員們正想方設法減少建築施工過程以及完工後產生的碳足跡 許多研究團隊和行動小組正在研究新型的建築材料 以期尋的低碳的材料解決方案 並且降低材料製造過程中可能產生的環境影響 生物製品是目前成就最為顯著的研究領域之一 他們通過瞭解藻類 真菌等生物體的功能特性 製造當前廣泛使用的材料的替代品 以完成淨零甚至負碳的排放目標 其他一些研究團隊則著眼於尋找利用那些易於獲取但尚未被充分開發使用的材料資源的方法 比如沙子 泥土以及建築廢棄物等 接下來我們將詳細介紹九種可作為常見建築材料替代品的新型建材 一 藻類石灰石 硅酸鹽水泥是最常見的水泥類型 由開採的石灰石製成 而石灰石在高溫下燃燒 佔了該材料溫室氣體排放的很大一部分 考慮到這一點 科羅拉多大學博爾德分校的一個研究小組創造了生物附著生長的石灰石 可能使水泥生產實現碳中和甚至是負碳 當領導生命材料實驗室的威爾利·索爾巴爾博士在珊瑚礁中觀察到 大自然如何能夠從碳酸鈣石灰石的主要成分中生長出自己的耐用 持久的結構石就產生了這個想法 他與他的團隊一起開始培育求是藻 這是一種單細胞藻類 通過光合作用可以以礦物形式儲存二氧化碳 利用陽光 海水和溶解的二氧化碳 這些微生物產生了地球上最大數量的碳酸鈣 通過這種方式 海藻生長的石灰石成為一種環保的替代品 而且由於該方法涉及使用我們所熟知的混凝土 因此它已經可以大規模地用於結構應用 從本質上講 它具有與混凝土相同的機械性能和承載能力 但有能力減輕傳統水泥產生的許多有害環境影響 展望未來 接下來的步驟涉及增加產量以實現商業化 但可能性已經很明顯 這種本土化的石灰石創造了一個將未來的結構轉變為碳匯的機會 同時改善空氣質量 減少環境破壞 並增加世界各地對建築材料的公平獲取 為了取代結構性排放密集型的材料 生物基替代品必須是價格合理且易於生產 但無論即將到來的挑戰如何 它們都開啟了無限的可能性 與新技術攜手並進 將這些轉化為更健康的建築環境只是時間問題 二 Indus是一個旨在處理污染水的生物綜合牆 主要運營在印度發展中社區的小型手工設施內 牆壁本質上是一個由瓷磚製成的活表皮 可以由當地可用的材料如黏土和紅土製成 每塊瓷磚都鋪有微藻凝膠 當受污染的水在其表面緩慢流過時 磚塊可對其進行處理 該項目使用了數字工具讓古老的知識獲得重生 並為當地手工藝品提供新的形式語言和身份 瓷磚的仿生圖案靈感來自葉子的脈絡 大自然的智慧設計將水引導到最需要的地方 雖然算法複形的模具是3D打印的 但瓷磚可以很容易地使用區域材料在現場製造 從而減少其碳足跡並僱用常駐工匠 每個模具都由設計團隊倫敦大學學院巴特利特建築學院 生物集成設計實驗室的研究人員量身定製 以適應不同地點的污染規模和類型 3.菌絲體器塊真菌無處不在 空氣中、水中、我們的身體、樹上、浴室的天花板上、地下 它們可以是蘑菇包括食用的 藥用的、致幻或劇毒的 也可以是其他簡單的形式如黴菌 它們可以引發疾病但也可以產生抗生素藥物 如青黴素或者幫助發酵出超棒的奶酪和麵包 那麼在未來它們是否也會成為包裝和建築材料 真菌是自然界的主要回收者 它們產生的黴能幫助有機物的降解 將其轉化為礦物質 通常情況下真菌在陰暗和潮濕的環境中生長得最好 就像冰山一樣 真菌的可見部分只代表它的一小部分 例如在蘑菇的可見表面以下 有著長長的根稱為菌絲體 這些菌絲是極細的白色絲狀物 向四周發展形成一個快速生長的複雜網絡 將真菌植入一個合適的機制時 菌絲就會像澆水一樣將機制黏合起來 使其變堅實 合適的機制可以由菌末、磨木、接桿 各種農作物殘渣或其他類似的材料組成 而這些材料通常是會被廢棄的 根據不同的菌種和機制 最終可以生產成型保溫板 傢俱、配件、植物、包裝材料 甚至磚塊它們具有良好的熱 深特性和較強的防火性能 科學研究亦表明 在物理和機械特性方面 菌絲體材料類似於發泡聚苯乙烯 常被稱為聚苯乙烯泡沫塑料 但可降解性有所提高 除了木製纖維素機制外 菌絲基生物複合材料的特性 還受到所選真菌種類 及其持續生長時間的強烈影響 因此菌絲的生長 又受到機製材料的組成和結構的影響 Nucleotide design是當今基於菌絲體設計的先驅 它們利用這種非常規材料 創造出包裝材料等物品 為了生產這些東西 機制和真菌混合於溶液中 並插入模具中 在有利的條件下核試的溫度 濕度和光照經過大約5天的生長 材料凝固成所需的形狀 然後將物體放入空箱中 使存在的微生物完全濕活 然後就可以作為普通包裝使用 一家戴爾等大公司已經開始使用這種 完全可以生物降解的包裝材料了 紐約的The Living Studio與Covertive Design設計公司 合作完成了HIFI Project 該項目是2014年贏得 MMA青年建築師項目後 在MMA PSC的院子裡建造的一個展館 在Rook的結構建議下使用了菌絲磚 切碎的玉米接桿的殘渣與菌絲混合 在不到一週的時間裡 就形成了長方形的菌絲磚 建成後 這些菌磚構成了一座高約12米的塔 在為期兩個月的展覽結束後 塔樓被拆除 正快被送往堆肥廠 利用其天然的生物降解能力 進行降解回收 Color Reality Society與能源公司NN合作 開發了一個由蘑菇製成的建築結構 與米蘭設計中亮相 圓形花園是由菌絲組成的一系列拱門 工藝功力長 在這些拱門中 包子被注入有機材料中 開始它們的生長過程 許多臨時展覽的展館 會產生大量的廢棄物 而圓形花園照著 James Argyro 遵循的是 可持續發展的路線 它的主要材料 蘑菇 繩索 和碎木屑 在展覽結束後都會回到地面 由Beatles 3.3 和Yasinu Ediya Designs合作的 君洛庭院的Chermaine Syllium Pavilion 同樣展示了另類的生態設計意識 帶有真菌的椰子殼纖維 纏繞著結構主體 經過幾天培養之後 菌絲形成落雪狀覆蓋在表面上 頂層物質因為太陽的直射而死亡 從而形成一道堅硬的保護外殼 鎖建築結構外 菌絲體還具有用於 隔熱和隔音的潛力 根據CoverTV的另一項提議 香火蘑菇置於木板之間 可以形成有效的隔熱牆 在三天內 菌絲生長並凝結為鬆散的顆粒 形成密閉的隔熱層 同時粘附在木板上 形成極強的加層 其結果類似於結構絕熱板 似乎且沒有熱橋 根據CoverTV的說法 大約一個月後 蘑菇保溫層會自然乾燥 就不會繼續生長了 而歐洲的計算機 生物和建築領域的研究人員 則更進一步 他們提出利用活的真菌菌絲 配合納米顆粒和聚合物 開發出一種菌絲體機制 通過實現感知融合和真菌決策 製造出基於菌絲的電子產品 菌絲網絡將具有計算活性 為建築藝術品和材料 帶來全新的基於生物的功能 如自我調節 適應 決策 生長和自主修復 為建築藝術品和環境 帶來新的優勢和價值 並為非常依賴科技的 最先進的智能建築 提供一種根本性的革新 儘管在本文中 我們看到了將菌絲體 用於建築的多個例子 但菌絲體的使用 仍未完全發揮其潛力 有關菌絲體的論文 幾乎都是以這樣的說法作為結論 必須對這種材料 進行大量的研究和仔細的實驗 才能使它具有大規模使用所需的效率 競爭力和工業質量 但研究人員也一致肯定了 這種材料在不同的領域的巨大潛力 菌絲體代表了 我們在建築材料的採購 使用和廢料處理方式上的一種模式轉變 作為100%可生物降解 在地球上大量存在 從廢物中生長出來的材料 並擁有卓越的功能特性 菌絲體材料具有巨大的 尚未開發的潛力 但最重要的是 菌絲也證明瞭偉大的創新 並不一定需要新技術或複雜的材料 它們可能比我們想像的更容易 四 土壤建築 在土壤建築中 Karen Kirsten Plin 想像了一種與土壤打交道的另類方式 傾倒它 這種複合材料由消失 水、稻殼和極少的能源投入製成 具有抗壓和抗裂性 同時減少了農業廢料 土壤在現代墨西哥建築中很少被探索 其障礙在於當地的技術匱乏 和貧窮的社會本質 雖然混凝土是工業化的寵兒 但它是一種能源密集型材料 其生產佔據全球二氧化碳排放量的8% 為了建造經濟適用房 我們需要替代方法 而液體土壤具有很大的潛力 五 碳排廢料造瓷磚 Carbon Craft Design沒有將污染 視為工業不可避免的副產品 而是將污染物用作製造 由碳黑製成的瓷磚的原材料 該項目是由建築師 T.J.Sidano發起的創新項目 融合了技術和工藝 以重新利用碳排放 碳黑是一種廢物 在化石燃料燃燒過程中 呈蹲地產生 最終被丟棄或進一步燃燒 單色瓷磚的顏色來自升級回收的碳 防止材料的進一步燃燒 並將其固定為裝飾元素 瓷磚是通過成型 切割 然後將碳黑與水泥混合製成的 手工製作比主流瓷磚的製造方式 消耗的能量更少 同時能夠賦予工匠社區權利 瓷磚是一種經濟上可行的產品 該團隊可以用廢料 而不是磚塊來創造立面元素 6.可再生生物混凝土孔隙與裂縫 會使水滲入材料 從而危及它的機械特性 而戴爾夫特理工大學 正在研發一種圓形混凝土 通過向其中加入菌羣 來再生和彌合混凝土內的細小孔隙 當這些細菌被水激活後 它們以混合料中的乳酸鈣為食 產生碳酸鈣修補混凝土內的裂縫 7.菌絲體犧牲板 菌絲體犧牲板是混合菌絲體 與有機農副產品生長成的 復碳且可降解的材料 菌絲體有望取代塑料等 其他一些危害環境的材料 並且有效利用其他產業的一些廢棄物 耐斯因是一家專注於開發 這類技術的研究與設計公司 他們專注於探索菌絲體材料的特性 並將其用於室內產品製造 如犧牲板或其他傢俱 除了具有一定經濟效益 且可生物降解外 這些材料還具有較高的犧牲性 低導熱性以及高耐火性 8.礦棉聚合物 在對待建築材料的回收過程中 如果要取得全方位的有效的結果 會有很多障礙 首先拆除中的不小心 會使這個過程變得非常複雜 因為不同回收物品經常被混合在一起 此外不是所有的材料 都能被有效的回收或處理 因為許多材料仍然需要 貴或過於複雜的工藝才能回收 但是建築業作為廢物生產 和溫室氣體排放的一個大頭 也開發了多種新技術來改善 這就是Walnut Loop項目的狀況 該項目試圖解決 如何在施工和拆除的廢物 如何循環應用的最大挑戰之一 一個具有為開發可能循環性的 一個例子是礦棉 它們是由礦物或熔岩的旋轉 或提取形成的纖維材料 如礦渣和陶瓷 由於它們具有極低的密度 它們可以作為優秀的熱學和生學絕緣體 出於同樣的原因 它們在拆除過程中也可能成為問題 因為它們在垃圾田埋場佔據了大量空間 它們非常輕 但體積很大 正如這篇文章中提到的 在歐洲 每年在建造和拆除中 產生約250萬噸礦棉廢料 目前 礦棉廢料幾乎全部被堆放在垃圾田埋場 導致這個建築業環節 每年的成本約為2.5億歐元 Walnut Loop項目 旨在將加工後的礦棉廢料用於產品 如外牆板 隔音板 鋪路磚 甚至作為3D打印機的集料 為此 開發了一種工藝 首先分離礦棉殘餘物 將其研磨 並通過鹼性薄化 或土工聚合 作為產品使用 將其轉化為陶瓷 或類似混凝土的材料 地質聚合物被認為是傳統波特蘭水泥 OPC的良好替代品 主要是由於具有相似的機械性能 同時只釋放出微量二氧化碳 最大的優勢在於 現有工業過程中的一些殘留物 可以用於製造土工聚合物 如粉梅灰或窯渣 這時的該過程 在環境和經濟上都很理想 為了了解其影響 大約有5%到10%的人 認為二氧化碳排放 是在水泥生產中產生的 土工聚合物正在成為 一種更廣泛接受的方法 用於從各種工業副產品中 製備第二氧化碳的粘合劑 其他產物和材料 礦棉廢料就是其中之一 在這個項目可能利用的不同領域中 3D打印是最有希望的領域之一 目前正在測試從建築工地 回收的絕緣材料 包含的不同土工聚合物 混合物的不同打印能力 通過適當的混合比例 和對打印技術的調整 可以製造出 無法用傳統技術製造的 新的幾何形狀 OneRloop是由15個合作夥伴 組成的聯合體開發的 其中包括聖戈班芬蘭公司 Saint-Gobain-Saint-Andre 一個非政府組織和研究機構 正如聖戈班芬蘭公司的 可持續發展經理 安快的所指出的 通過將壽命結束後的礦棉 變成新產品的原材料 成為新的工業生態系統的一部分 並在循環經濟中促進生態創新 同時減少填埋場的建造 和拆除廢物的數量 9.鋼渣或凝土 鋼渣作為水凝或穀料的 部分替代品 在建築行業中具有廣闊的前景 即使其在大規模建築中 的應用潛力 仍在研究和測試中 多年來多項調查 對此進行了探索 許多研究人員和工程師 已經發現使用鋼渣 作為合適的混凝土穀料是可能的 鋼渣被認為是最激動人心的廢料之一 是鋼鐵生產中不可避免的副產品 它是在煉鋼爐中分離 鋼水與雜質的過程中產生的 數量很大 鋼渣以熔融液體的形式出現 是硅酸鹽和氧化物的複合溶液 冷卻後凝固 形成玻璃顆粒狀材料 然後被粉碎至合適的大小 用作混凝土中的穀料 或進一步加工以生成其他產品 礦渣數量大又有潛在價值 全球煉鋼業每年產生 超過1.3億噸鋼渣 墨爾本梅塔學的水務工程師 拜博普羅曼尼說 根據世界鋼鐵協會的數據 僅歐洲就有1570萬噸 這種鋼渣作為副產品出現 其中1150萬噸被回收利用 世界各地鋼廠產生的大量鋼渣 是對這種材料回收的主要動機 尤其是知道這些材料本來會被兜棄 在混凝土中使用鋼渣 最終減少了鋼鐵行業產生的廢鋼量 工業廢料具有高度污染性 因而賦予它新的價值 是為循環經濟做出貢獻的一個好方法 同時鋼渣混凝土的應用 減少了對原始穀料材料的需求 避免了對有限自然資源的開採 減少了二氧化碳排放 同時保持了混凝土出色的質量