使用新兴结构材料进行可持续材料选择

我们建造所用材料为何重要

我们居住和工作的建筑在不经意间影响着气候。每一根梁、每一根柱以及每一层混凝土或钢材板，都代表着在有人开灯或启用取暖设备之前已消耗的能量和排放。当建筑师和工程师在降低建筑日常能耗方面做得越来越好时，隐藏在建材中的气候影响也变得同等重要。本文探讨了从传统材料转向新型结构材料如何显著减少建筑环境的碳足迹。

从能耗到建筑中的隐性排放

几十年来，绿色建筑设计的大部分关注点集中在“运行”排放：供暖、制冷、照明和设备所需的燃料与电力。得益于更好的保温、效率更高的系统和更多的可再生能源，这些排放正在缓慢下降。仍然顽固且规模巨大的，是“体现”碳——开采原材料、在工厂加工、运输并组装成结构时释放的温室气体。在许多新建建筑中，尤其是像英国这样的国家，体现排放已占其生命周期气候影响的很大一部分。由于混凝土、钢材和工程木材等结构材料构成了建筑的大部分质量，它们也主导了这项隐性碳账单，并提供了最大幅度减排的机会。

进入建筑工具箱的新材料

作者汇集了一个包含409种不同建筑材料的大型数据集，将它们分为传统选项和尚未广泛使用的“新兴”材料。这些包括用石灰石与粘土混合、工业副产品或基于镁的胶结材料替代普通水泥的新型混凝土；由废灰和碳化残渣制成的轻质骨料；以及日益增长的工程木制品谱系，如交叉层压木材、层压竹材和致密化木材。对于每种材料，他们收集了多达21项不同属性，从刚度和强度到密度和环境影响指标。然后，他们将这些数据绘制在材料选择图表上，展示属性之间的权衡，帮助设计者看清新兴材料在何处能够匹配或扩展熟悉材料的性能。

强度、轻质与碳排放的比较

研究发现，许多下一代材料在基本工程性能上已能与传统材料匹配或超越。若干新型混凝土在刚度和抗压强度方面可与普通硅酸盐水泥混凝土相当，这意味着它们可以安全承载相同的荷载。工程木材产品——包括层压木材、结构复合木材和竹材——常常在强度和刚度上等同或优于标准的胶合层压木。致密化木材尤其能达到较高的强度。与此同时，许多这些材料比传统竞争者更轻，减少了必须生产和运输的总质量。然而，作者也指出了一个主要的数据缺口：在他们研究的材料中，不到三分之一具有可靠的体现碳数据，不到十分之一具有体现能量数据，这使得全面判断其环境优势变得困难。

梁、柱与气候差异

为了展示这些数据在实践中的含义，研究人员进行了两个简化的构件设计练习：一个用于楼层梁，另一个用于竖向柱。他们将每个构件按相同的结构要求——跨距、荷载和安全性——进行设计，但允许材料发生变化。将等效梁的总体体现碳进行比较时，再用钢材和工程木材产品表现最好。再用钢梁由清理并认证用于再利用的回收截面制成，其排放仅为新制钢梁碳排放的约3–5%。如交叉层压木材或胶合层压木以及竹材等木材，与传统钢材和混凝土相比也显示出大幅减排。柱件中出现了类似的模式，再用钢和工程木材同样实现了最低的体现碳，而新型低碳混凝土虽优于传统水泥配比，但仍落后于最佳选项。

这对未来建筑意味着什么

作者总结认为，在主要结构领域用低碳替代材料替代高碳材料已经有坚实的技术基础，尤其是通过再用钢材以及扩大工程木材和竹材的使用。他们的数据库显示，许多新兴材料在提供相同强度和刚度的同时，可大幅削减气候影响。然而，进展受到环境数据缺失、有限的测试与认证以及这些材料尚未被纳入主流设计工具和标准的制约。通过系统性地收集和比较材料属性，这项工作为设计师和决策者提供了更清晰的现有选项地图，并指出需要更好数据与支持的关键领域，以使低碳建筑成为常态而非例外。

引用: Burdett, S., Arora, M. & Myers, R.J. Sustainable materials selection with emerging structural materials. npj Mater. Sustain. 4, 13 (2026). https://doi.org/10.1038/s44296-026-00099-7

关键词: 体现碳, 低碳混凝土, 工程木材, 再用钢材, 可持续建筑材料