人類建築的未來趨勢:採用木質建材對抗氣候暖化

木質建築會有助於人類回收大氣中的碳排放,然後將碳儲存於我們的住家和辦公樓 Image copyright Getty Images

這是東倫敦一個看來普通不過的辦公樓建築工地。七層高的樓房已建成了三分之二,基本結構和樓梯部分已經各就各位,正在開始為牆壁抹灰泥和鋪設管道線路。待我東張西望到處走動,才慢慢發現這座未完工的大樓有非同尋常之處。建築工地安靜而又乾淨,甚至還有一股好聞的氣味。工地上堆著大量的木材。建築工地通常以木材作框以澆築混凝土。但在這個工地上,木材充當的就是混凝土的功能。

領著我參觀的建築師安德魯‧沃(Andrew Waugh)興奮地告訴我,「木結構建築的重量只有混凝土建築的20%,因此大樓的重力負荷大幅減輕。這就是說,我們只需要最基本的地基就可以了,不需要澆築龐大的混凝土地基。我們以木材作建築主結構,再加上木牆和木地板,因此可以把鋼材的數量減少到最低限度。」

大多數大型現代建築通常用鋼材做主要的承重樑柱,並用鋼筋或鋼骨來強化混凝土的拉力。然而這座木結構樓房只使用了很少的鋼材。而這些鋼材如同英國麥卡諾(Meccano)品牌的模型組合玩具一樣是用螺栓固定在一起,在樓房的使用壽命結束時或使用期間要拆開都很容易。沃指著天花板說,「要是你想在這裏加建一個樓梯,你只需要擰開鋼樑的螺絲,拿把鏈鋸,在木地板上鋸個洞就能辦到。」

當代建築,從住房到體育場館,完全依賴混凝土和鋼材做建材,結果是付出嚴重的環保代價。混凝土造成的碳排放量佔全球二氧化碳排放量的4%至8%。製作混凝土的砂石開採量僅次於地球上使用最廣泛的自然資源水,砂石開採量約佔全球所有採礦業的85%,結果是造成全球的海沙河沙驚人的枯竭。現在全球每年澆築的混凝土足以覆蓋整個英格蘭。

因此,以安德魯‧沃為代表的一些建築師主張回歸傳統,用木材作為今後人類建築的主材料,並身體力行地推動他們的主張。木材如果是取自於受到人工管理的森林,實際上是有助於碳的儲存,而不是將碳排放到大氣中,因為樹木在生長過程中,會從大氣中吸收二氧化碳。根據過往經驗,每立方米木材含有大約一噸的二氧化碳,相當於350升汽油。至於實際存儲多少,則取決於樹木的種類。

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Image caption 安德魯‧沃在倫敦的達爾斯頓區設計了這個10層樓房,採用稱之為綠能建材的交叉層壓木板(CLT)做建築材料,整個樓身重量只有同等混凝土建築的五分之一。

用木料做建材不僅僅因為其從大氣中吸收的二氧化碳比其釋放的二氧化碳要多,而且因為取代混凝土或鋼鐵等碳排放量巨大的建築材料,木材對降低大氣中的二氧化碳含量又多了一重貢獻。最近一份題為《低碳經濟中的生物質能》的諮詢報告送交給英國政府。報告指出,「使用木材作建築材料……既儲存碳,又替代高碳排放的水泥、磚和鋼鐵等材料,因此生物質能可以最高水平減少溫室氣體。」

現在英國每年新落成的房屋,有15%到28%使用的是木結構建築,因而每年捕獲的二氧化碳超過100萬噸。該報告的結論是,增加建築木材量可能使這一數字增加兩倍。「在商業和工業部門使用新的工程木料,例如交叉層壓木板(CIT),也可能節省同樣數量的碳排放。」

安德魯·沃帶我參觀的東倫敦建築工地,其主要材料就是交叉層壓木板。因為稱之為「工程木料」,我以為看到的會是刨花木板或膠合板之類的東西。實際上,交叉層壓木板看起來就像普通的3米,即10英尺長木板,有1英寸厚,板面滿布木節孔和木紋。其天才的設計在於,木板是三層粘合而成,每層均與鄰層紋路垂直相交,從而十分堅固。安德魯‧沃表示,這意味著交叉層壓木板「不會向上也不會向下彎曲,水平垂直兩個方向的強度都很高」。他說,「交叉層壓木板牆身能支撐整個上層的地板,其水平向的強度足以承載上層樓的荷載,猶如一根長梁一樣」。這「改變了建築」。

安德魯·沃使用交叉層壓木板建房已經有10年歷史,他相信這種木材可以做到任何混凝土和鋼鐵建築可以做到的事,甚至更多。他說,交叉層壓木板是上世紀90年代發明的,部分原因是為了解決「家具和造紙工業的消亡」。「奧地利60%的土地是森林,他們需要為木材找到一個新的銷售渠道門路。所以,奧地利人髮明瞭交叉層壓木板這種新的工程木料。」

膠合板和中密度纖維板等工程木材,含有10%左右的粘合劑,即所謂膠水,通常是一種叫尿醛的化學物,在回收或焚燒過程中會產生有害化學物質。但交叉層壓木板的黏合劑含量則低於1%,通常使用比較環保的生物聚氨酯。木板在高溫和壓力下粘合在一起,少量的粘合劑則被木材中的濕氣所融化。看著這種木板,再用鼻子聞一聞,用手摸一摸,感覺就像為孩子建的樹屋一樣,是帶著木質疤痕和紋路的純粹木頭。

奧地利許多生產交叉層壓木材的工廠為了環保,甚至使用可再生的生物質能來作燃料,如木材邊角廢料、樹皮和樹枝等。一些工廠用生物質能生產的電力還足夠供應周圍的社區。

儘管交叉層壓木材是奧地利發明的,但第一個使用這種建材來建造多層樓房的公司是安德魯‧沃的倫敦建築事務所。默裏格羅夫大廈(Murray Grove)是倫敦街頭一棟普通的九層公寓樓,樓面是灰色的。安德魯‧沃說,2009年這座大廈落成時,「在奧地利引起了震驚和恐慌」。因為在此之前交叉層壓木只用來建造「漂亮而簡單的兩層樓房子」,而高於兩層樓的房子則會恢復到混凝土和鋼結構。但是默裏格羅夫大廈的一樓以上的整個結構全由交叉層壓木板組成,所有的牆壁、樓板和電梯內壁都是這種木板,很像蜂窩塊一樣。

默裏格羅夫大廈的成功啟發了全球數百名建築師使用交叉層壓木板建造高樓,其中最高的是加拿大溫哥華的布洛克卡芒區高55米的高木大樓( Tallwood House)。奧地利維也納即將超越這個記錄,目前正在建設將高達84米的24層和和高樓(HoHo Tower)。

最近很多人呼籲大規模植樹造林,以捕獲大氣中的二氧化碳,遏制氣候暖化。然而,雖然新生的樹木能有效回收和儲存碳,但成年老樹並非如此。地球本來一直維持著一個平衡的碳循環,樹木、以及所有植物和動物,均靠吸收碳而生長,然後枯萎和死亡,將碳再次釋放出來。但當人類發現以煤和石油的形式儲存的碳,開始燃燒這種石化燃料時,碳循環的平衡就被打破。煤和石油是在遠古地質年代在碳循環中被捕獲而儲藏於地下數以萬年的碳,一旦大量開採,燃燒後產生的巨量二氧化碳釋放到大氣中,其釋放速度之快是目前的碳循環無法處理的。

在有效管理的森林中,許多松樹,如歐洲雲杉,需要大約80年才能達到成熟,因此在這80年生長期,是在淨吸收碳。不過一旦成年,這些老樹開始針葉脫落,樹枝枯萎。此時這些樹木吸收的碳和釋放的碳大致相當。上世紀90年代,對紙張和木材的需求急劇下降,導致全球範圍內大片管理森林被廢棄,奧地利的森林也出現這樣的現象。但這些失去管理的森林沒有回復為原始的荒野,森林地下全部覆蓋著單一樹種的酸性針葉和枯枝。由於成熟的樹木無人砍伐製成木材,自2001年以來,加拿大巨大的森林實際排放的碳比吸收的還要多。

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Image caption 每立方米木材中含有約一噸的二氧化碳,相當於350升汽油。

此時有人提出一個理論,認為將碳封存起來的最好辦法是砍伐樹木,恢復可持續的有管理的森林,砍伐成年樹木用作建築材料。經環保團體「森林管理委員會」(FSC)認證的人工管理森林通常每砍伐一棵樹就要種植兩到三棵樹。這意味著對木材的需求量越大,森林的覆蓋率和需要呼吸二氧化碳的幼樹的增長就越大。

讓森林恢復野生和保護原始森林都是必需的。但是,未作管理的單一樹種森林則毫無益處,而且這種森林遍地乾燥的針葉也是引發野火的主要原因。北美和世界上許多地方都會因此發生這樣的森林火災。有管理的砍伐樹木會大大降低這種風險。

美國當局對管理森林的好處並非視而不見。在環境和能源研究協會(EES)最近的一次會議上,美國聯邦森林管理局的梅麗莎·詹金斯解釋說,「我們有森林過密的情況。如果這些森林發生野火,火勢會越來越大,燃燒速度會很快,滅火也會更加困難…...如果我們可以為這些森林的木材建立銷售市場,森林的業主就可能可持續地管理自己的森林,不時砍伐成樹以免森林過密。」她特別強調,交叉層壓木板這種工程木料特別有降低「野火風險的潛力,並能支持鄉村經濟發展和就業」。

建材市場似乎也同意梅麗莎·詹金斯之說。交叉層壓木板登陸美國還不到五年,現在美國幾乎每個州都有交叉層壓板建築工程在進行。更重要的是,與目前全部靠進口的英國不同,美國正在投資本國的交叉層壓板生產,現設有工廠的有蒙大拿州和俄勒岡州,其餘緬因州、猶他州、伊利諾伊州、德克薩斯州、華盛頓州、阿拉巴馬州和阿肯色州也計劃建廠。亞馬遜在明尼阿波利斯新建的「技術中心」大樓是由釘層壓木板(類似交叉層壓板,但使用釘子而不是膠水來合成多層木板)建成。美國國會通過的《2018年木材創新法案》還包括對大批量木材使用研發的規定。

使用木材建房會更快、更易建造,因此也減少了勞動成本、運輸燃料和建造場地的用電量。基建設施公司Aecom的董事艾莉森·沃林(Alison Wring)以一個使用交叉層壓板為建材的住宅屋邨為例。該屋邨約有200套公寓,「只花了16個星期就完工……但要是用上傳統的混凝土框架建造,至少需要26個星期」。同樣,安德魯‧沃說,他最近設計的一座一萬六千平方米的交叉層壓板大樓,如果用混凝土,「僅結構框架就需要1000輛卡車車次來運送水泥」。但運送所有的交叉層壓板,「我們只需要92個車次」。

其他國家也紛紛轉用木材做建材。一家代銷交叉層壓板的奧地利和斯洛文尼亞合資工程公司Ledinek的銷售員莫妮卡,先給我看她公司2013年的訂單記錄,只有來自奧地利和斯洛文尼亞的少量訂單。但從2017年起,日本、法國、澳大利亞、拉脫維亞和加拿大這些國家也紛紛向他們訂貨。莫妮卡解釋說,「我們公司平均每年代銷的交叉層壓板在2萬5千到5萬立方米這個範圍。」數據顯示,1000立方米的交叉層壓板相當於要砍伐500棵成年樹,因此,每年加工5萬立方米的交叉層壓板所收回的碳排量就相當於2.5萬棵樹木所收獲的碳。

交叉層壓木板甚至還有一些優勢特別吸引日本這樣的國家,因為人們發現這種建材在地震測試中表現很良好。意大利和日本的一個聯合研究小組曾用交叉層壓板建造了一座七層樓房,並在一個「地震模擬台」上進行了測試。Youtube上有這個測試的視頻,很酷,但也有點怪異。研究小組發現這座交叉層壓板樓房可以承受1995年日本神戶地震那樣的強度,那次地震摧毀了5萬多棟建築。沃夫說,時間很巧的是,「當年作為馬歇爾計劃的一部分,美國人在日本種了很多樹。那是60多年前的事了,現在這些幼苗已成為參天大樹。」

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Image caption 新生的幼樹靠吸收二氧化碳而生長,但年老的樹木釋放的二氧化碳比吸收的還要多。

與人們的直覺相反,交叉層壓板抗火能力不但不差,反而相當出色。這種工程建材的設計能夠承受高達270攝氏度的高溫,然後才開始炭化,而且炭化後的木板外表如同一層保護層,能保護炭化下面的木材結構密度。但在類似的高溫下,混凝土會剝落和龜裂,鋼也會失去強度。

不過,並非人人都相信建築的未來是交叉層壓板。我問倫敦帝國理工學院(Imperial College London)材料資源工程學教授克里斯·奇斯曼(Chris Cheeseman),木材能否取代混凝土成為我們的主要建築材料,他直言回答,「不能。這不會成為現實。只可能用於當地一些小型工程。但你必須認識到混凝土才能大量使用,以及混凝土對基礎設施和社會的巨大重要性。因為混凝土的功能性和堅固性,是一種非常好的建築材料。」

此外,還有一個木材「生命終結」的問題。只要建築物屹立不倒,或木材料回收後用於其他建築,碳就會一直被困在木材裏。但如果木材腐爛或者作為能源被燃燒,那麼儲存在木材中的碳就會被釋放到大氣中。特許工程師、建築可持續發展顧問道格·金(Doug King)告訴我,「除非我們能解決木材使用壽命結束後的處理問題,否則無法保證木材的整個碳循環過程會有益於社會。」英國奧雅納建築公司於2014年做的研究估計,一半的建築木材最終被填埋,36%被回收,剩下的14%會作為生物質能源使用。

雖然有這些問題,但仍然未能阻止安德魯‧沃開發木結構建築的雄心壯志。一座建築的平均壽命是50至60年。他認為,五六十年時間足夠建築師和工程師解決再利用和回收問題。轉化為生物炭或許是一種選擇。因此他的建築事務所所設計的建築都易於拆卸,其材料可供後代子孫一用再用。

基本而言,安德魯‧沃與越來越多的國際建築師相信,大規模使用交叉層壓板作建材是對抗氣候變化的一個重要武器。參觀完東倫敦這座正在動工的交叉層壓板樓房,再次深深呼吸一下這來自森林的氣味後,沃對我說,「這不是什麼短期或長期的時尚。英國最大的商業開發商剛剛買下了這棟樓房。對我來說,這就是你想要的居住的環境…...我希望交叉層壓木板成為主流建材。大家都應該用來建房。」

我再提到我最初的問題:我們是否可以真正地將木材作為人類的主要建築材料?沃這樣回答:「這不僅是可行的,而且勢在必行。我們必須這樣做。說到建築,你一定要先製作草圖,而草圖就是氣候變化。」

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蒂姆·史沫德萊Tim Smedley是一位常駐英國的可持續發展作家。他的第一本書是《淨化空氣:空氣污染的開始和結束》。

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