作者：閆徐乾，吳昊
木材是一種古老的的建築材料，但它卻在近百年來逐漸被混凝土和鋼材所取代。在當今碳中和的背景下，加以建築技術的進步（比如數位製造和預鑄建築），木材的優勢又被重新發現。
碳中和
自從人類在200多年前發現植栽能夠吸收空氣中的二氧化碳以構建自身軀體，木材就多了「碳池」（Carbon Sink）此一獨特的機能。下圖展示了木材種植-生長-加工-建造-使用-回收/焚燒的整個生命週期，在生命週期的不同階段，碳以不同的形式儲存於木材內或者釋放到大氣中。
面臨當前緊迫的氣候危機，許多國家承諾了碳中和（以二氧化碳為主的溫室氣體淨零排放）的目標。比如中國計劃實現2030年碳達峰，2060年碳中和；美國計劃2030年溫室氣體排放相比於2005年減半；瑞士計劃在2050年前實現碳中和。木材這種古老的建材能否對實現碳中和有所貢獻？
下圖對此給出了答案：可以！因為木材作為一種生物基材料（bio-based material），在光合作用（photosynthesis）下，其生長過程吸收了大氣中的二氧化碳。注意圖中藍線代表的生物基材料在生長期的驟降使得其全生命週期基本處於碳捕集（carbon sequestration）區域；而黃線代表的水泥材料（cementitious material）則在全生命週期都處於碳排放區域（carbon emission）。
黃線代表的水泥材料在生產和建造階段會排放大量二氧化碳，即使是在使用和拆除階段的碳化會吸收一部分二氧化碳，整體還是處於圖中的碳排放區域。藍線代表的木材在生長階段會吸收大量二氧化碳，加工和建造階段會排放少量二氧化碳，全生命週期基本處於碳捕集區域。（來源： (Arehart, Hart, Pomponi, & D’Amico, 2021)）然而圖中藍線末端的虛線也提示了木材生命週期末尾（end-of-life）帶來的不確定性：一旦處理不善，木材中儲存的碳還會重新釋放到大氣。
幾種常見的廢舊木材處理包括：直接焚燒回收能量（比如用於發電）：焚燒過程會將木材中的碳瞬間重新釋放為CO2，但好處在於用木材作為能源可以取代一些化石能源（替代效應）。回收再利用：短期內的環境影響小於直接焚燒。填埋：雖然填埋可以被視為長期碳儲存，但它的長期溫室氣體排放（不僅CO2，還包括甲烷等溫室效應更顯著的氣體）高於焚燒和回收。
一些歐盟國家禁止了填埋木材。在所有的處理方式中，焚燒會瞬間釋放木材中的碳，因此短期內的碳排放量最高。瑞典的Dodoo等學者詳細探討了焚燒的環境影響，結論是：對比木結構和水泥結構房屋，即使在生命週期末期將廢木材焚燒，木結構也比水泥結構房屋有更低的碳排放。這主要歸功於上文提到的木材的替代效應：焚燒木材生產能源減少了化石能源的使用。下表取自Dodoo等人的文章，由此看出，水泥結構房屋在全生命週期排放36.6噸碳，而木結構房屋可以吸收24.1噸碳。
![Table 1: 木結構和水泥結構的同機能建築（4層，使用面積1190m2）的生命週期碳排放[tC(噸碳)]對比。（來源： (Dodoo, Gustavsson, & Sathre, 2009)）](http://forgemind.net/media/wp-content/uploads/2021/08/51628071299.png)
更進一步，上文提到的研究並未考慮使用碳捕集與封存（carbon capture and storage, CCS）技術。CCS可以用來收集並永久封存（如注入地下）焚燒木材產生的CO2。如果CCS被用於焚燒木材能量回收（Bioenergy with carbon capture and storage， BECCS）的過程中，將另有12.1噸碳排放被避免，表格中木結構與水泥結構的差距（60.7噸碳）也將被進一步擴大至72.8噸碳。
下圖展示了英國一家裝配有CCS的生物質電廠Drax的流程概念圖。生物質（包括廢木材）首先經過步驟3被轉化為顆粒，再在步驟4被用來焚燒發電，焚燒發電過程產生的CO2被收集、運送（步驟5）至儲藏點 – 大西洋北海的南部。
CO2是如何被運送和儲藏的呢？採取CCS收集的CO2首先被壓縮，成為超臨界CO2（Supercritical CO2）的液狀形態。然後這樣的液狀物質可以採取地下管道運輸，並注入到深層岩層，地底的高壓可以讓CO2保持超臨界的液狀形態。這種處理方法叫做地質碳封存（Geological Sequestration）。至此，木材中吸收的碳被永久的移除出大氣，成為負排放。
數位化建造
對環境友好，符合永續發展理念的木構建築近些年來市場份額正不斷擴大 (Hildebrandt, Hagemann, & Thrän, 2017)，其很多特性也很符合現今數位化設計和建造潮流的需求。現在的AEC（Architecture, Engineering, Construction）領域正擁抱一個已經醞釀許久，但姍姍來遲的數位化時代。建築材料除了應該輕質，具有永續發展性和多機能性，擁有令人愉悅的質感之外，還需要能夠很好的適應由數位化設計催生的自由建築形態及數位化建造。
在這個意義上，木材是一種對機器人加工而言非常友好的材料。雙曲率的粱和面單元，不同形狀的面板，多樣的表面紋理和精細的節點都可以採取數位化建造有效率而準確地完成 (Menges, Sheil, Ruairi, & Marilena, 2017)。複雜的節點，從前是阻礙木結構邁向大量工業生產的一個原因，而現在變成了木結構令人著迷的一個因素 (Bianconi & Filippucci, 2020)。
木材對數位化設計和建造的良好適配性在國內外作品上均有呈現。大界機器人在2020年完成的南京園博園2號口膠合木吊頂作品中，利用數位化設計方法模擬出符合建築師設計理念的地質紋理，然後借由自己的數位化建造平台在有限時間內高品質地完成任務。
下圖展示的是斯圖加特大學ICD/ITKE在2019年竣工的BUGA Wood Pavilion。其木構殼單元的設計和製造也展示了如何將木材此一古老的建築材料，與最先進的數位化設計和建造進行結合。
預鑄建築
在住宅和商業建築設計中，預鑄建築變成一個越來越受歡迎的選擇。工業化的預鑄建築有兩種類型：預鑄建築構件和預鑄建築模組。對於預鑄建築構件，其在工廠生產的是單獨或者成組的構件，之後運到工地進行拼裝。而預鑄建築模組是在工廠裡生產好了獨立的機能模組，在工地將其組裝成為一棟建築。
預鑄建築能夠幫助解決很多在設計，工程和管理上的挑戰，例如 (THINKWOOD, 2018):
-
下料優化和構件重複利用提高材料利用率 -
優化供應鏈管理和縮短施工時間提高建造效率 -
在可控的環境下生產有利於保證生產質量
-
塑形上有高度靈活性 -
能夠實現很低的製造誤差和很高的預製程度 -
自重小，有助於減小其他構件尺寸（柱子和基礎）和所需起吊設備 -
多功能性：結構構件，建築構件，裝飾等 -
簡易的拆除和重組裝鼓勵了構件和材料的重複利用
下圖展示的是由日本建築師同時也是運用木構造的大師坂茂（Shigeru Ban）主持設計的Swatch集團在瑞士Biel的新總部。這個240m長的蛇形拱形木構和立面由75000多根預製構件組成，有470個窗戶單元也是曲面，整體建築順利完工離不開預製構件資訊從設計端到生產端的管理和傳輸，構件生產的高精度和現場拼裝的準確性。
總結
值得注意的是，盡管木構從全週期來看比混凝土和鋼結構排放更少的碳，但碳排放的差值將隨著能源生產和工業生產過程本身的去碳化逐漸縮小 (Arehart, Hart, Pomponi, & D’Amico, 2021)。同時，在林木培育過程中也應小心因為種植單一樹種所可能帶來的生態損害 (Liu, Kuchma, & Krutovsky, 2018)。無論如何，木構建築在如今急迫的氣候危機和不斷進步的生產加工技術的大背景下展現出來的優勢是不應被忽視的。首先，木材能夠在其整個漫長的生命週期中將碳儲存起來，在生命末期採取焚燒代替化石燃料產生能量，並且能夠採取CCS技術提供將碳永久封存的可能性。此外，木材獨特的性質讓其能夠很好地融入到這波由數位化建造和預鑄建築掀起的浪潮中，並在多種建築材料中佔據亮眼的一席，給未來提供不小的想像空間。
鳴謝
在此感謝斯圖大學ICD/ITKE和大界機器人在文章寫作中提供的支持。尤其要特別鳴謝的是ETH Energy Blog 的編輯組在英文版的撰寫和發表過程中給予的鼓勵、幫助以及非常有建設性的意見和建議。
文章的英文版Wooden buildings: a natural carbon sink boosted by modern manufacturing technologies 已發表在ETH Energy Blog。本文較英文版有所修改。
參考資料
Arehart, J. H., Hart, J., Pomponi, F., & D’Amico, B. (2021, February). Carbon sequestration and storage in the built environment. Sustainable Production and Consumption.
Bianconi, F., & Filippucci, M. (2020). Digital Wood Design. Springer.
Borgström, E., & Johan, F. (2019). The CLT Handbook. SWEDISH WOOD.
Dodoo, A., Gustavsson, L., & Sathre, R. (2009, February). Carbon implications of end-of-life management of building materials. Resources, Conservation and Recycling.
Hildebrandt, J., Hagemann, N., & Thrän, D. (2017, July). The contribution of wood-based construction materials for leveraging a low carbon building sector in Europe. Sustainable Cities and Society.
Liu, C. L., Kuchma, O., & Krutovsky, K. (2018). Mixed-species versus monocultures in plantation forestry: Development, benefits, ecosystem services and perspectives for the future. Global Ecology and Conservation.
Menges, A., Sheil, B., Ruairi, G., & Marilena, S. (2017). FABRICATE. UCL PRESS.
Sheil, B., Thomsen, M. R., Tamke, M., & Hanna, S. (2018). Design Transactions. UCL PRESS.
THINKWOOD. (2018). DESIGNING SUSTAINABLE, PREFABRICATED WOOD BUILDINGS. THINK WOOD.
大界機器人. (2021, 02 20). 大界智造|南京園博園數位建造工程實踐. Retrieved from https://mp.weixin.qq.com/s/PnqwqpN0ajYWKzE4ctTlwQ
ETH Energy Blog：https://blogs.ethz.ch/energy/wooden-buildings/
作者簡介
閆徐乾，畢業於北京大學和蘇黎世聯邦理工學院，能源專業。之前在ETH能源中心擔任研究助理和作品工程師，現在德國西門子能源和奧登堡大學攻讀博士學位。研究方向為電解水制氫相關的機器學習模型開發。
吳昊，畢業於東南大學和蘇黎世聯邦理工，曾在sbp，SOM等設計事務所工作，現任職於Jan Knippers Ingenieure。主要從事新型木結構和纖維結構的研究和設計，以及建築結構資訊化軟體開發。