我们建造的环境——从住宅到办公室、学校和商店——并非对环境无害。事实上，建筑物和建筑业是世界上最大的原材料消耗者，占全球二氧化碳排放量的 25%–40% (F. Pomponi & A. J. Moncaster Clean. Prod. 143, 710–718; 2017)。因此，让建筑成为循环经济的一部分，最大限度地减少材料浪费，可以带来巨大的环境效益。相反，在这方面失败可能会产生可怕的后果。
“建筑物可以而且必须以循环方式运作，”英国爱丁堡龙比亚大学研究建筑环境的 Francesco Pomponi 说。“否则，就无法摆脱气候危机。”
以混凝土为例，它由砾石、水泥和水混合而成。它是世界上使用最广泛的建筑材料，但同时也是巨大的碳排放源，占全球人为碳排放量的 8%。水泥是最大的贡献者，每年生产超过 40 亿吨。它的生产需要将石灰石（主要成分是碳酸钙）加热以产生石灰（氧化钙）。该反应释放出二氧化碳，而燃料燃烧产生热量又会产生更多的二氧化碳。
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将建筑作为一种积极的力量
在全球范围内，工程师、建筑公司和建筑师开始拥抱和应用循环模式。在改进建筑中使用的材料、引入循环设计原则以便这些材料可以得到适当的再利用，以及更雄心勃勃地创造对气候和生物多样性做出积极贡献的建筑物方面，存在着大量的机会。但是，如果要减少排放量的巨大贡献，还需要做大量的工作。而且它们必须下降——而且要快。
材料创新可能有助于使混凝土成为更可持续的选择。例如，在混合物中添加石墨烯（一种二维形式的碳）可能会通过增强混凝土的强度，从而减少特定应用所需的用量，来改善环境足迹。英国艾姆斯伯里的一家公司 Nationwide Engineering 与英国曼彻斯特大学的研究人员合作开发了这种名为 Concretene 的混合物，该公司表示，将其洒入混凝土中可能会带来巨大的好处。第一座受益于 Concretene 的建筑是 2021 年 5 月在艾姆斯伯里的一家健身房，该健身房使用这种材料铺设了新地板。
混凝土甚至可能成为碳汇。加拿大哈利法克斯的一家公司 CarbonCure 开发了一种将捕获的二氧化碳添加到混凝土中的技术。二氧化碳与混合物中的钙反应生成碳酸钙，该公司称这种矿物质既能增强混凝土的强度，又能锁定碳。
混凝土已经普遍被再利用——废混凝土被粉碎成再生混凝土骨料 (RCA)，然后可以用于制造新的骨料。但 RCA 往往用于低技术应用，例如填充道路。混凝土质量和价值的这种降低与完全循环经济不太相符。
CarbonCure 正在开发一种新型 RCA，可用于建筑物。该公司技术开发负责人 Sean Monkman 表示，相同的二氧化碳注入技术和随后的矿化作用可以应用于 RCA 以及新制成的混凝土。另一家公司 Blue Planet Systems 位于加利福尼亚州洛斯加托斯，该公司开发了一种由回收废混凝土制成的 RCA，并掺入了捕获的二氧化碳。
在亚特兰大佐治亚理工学院，肯德达创新可持续设计大楼将储存二氧化碳的混凝土作为一系列可持续创新之一加以使用。肯德达项目是作为“生命建筑挑战 (LBC)”的一部分而建造的，“生命建筑挑战”计划允许将“生命建筑”的称号应用于满足一系列标准的建筑项目，从负责任的用水到采购消除浪费的材料。肯德达大楼主任 Shan Arora 说，该计划旨在激励建筑物产生能源、生产自己的水并回馈自然多于索取。全球有 83 个获得认证的生命建筑项目，另有 241 个项目已注册寻求认证。
为了满足 LBC 标准，肯德达建筑团队通过雇用当地劳工在材料即将运往垃圾填埋场时拦截它们，然后将它们变成合适的原料来抢救材料。“在施工过程中，肯德达大楼从垃圾填埋场转移的废物多于运往垃圾填埋场的废物，”Arora 说。
LBC 项目雄心勃勃。“我将 LBC 视为再生建筑设计的圣杯，”艾伦·麦克阿瑟基金会的 Nick Jeffries 说，该基金会是一家位于英国考斯岛的慈善机构，致力于推动循环经济。
除了更全面和要求更高的项目外，还可以采取不那么雄心勃勃但仍然有用的步骤。在气候迅速变暖的情况下，即使是窗户也能发挥作用。2010 年，纽约市标志性的帝国大厦进行了彻底的改造，包括升级了摩天大楼的所有 6,514 扇窗户。现有的玻璃板没有被丢弃，而是被一一取出，双层玻璃中的间隙填充了绝缘气体——氩气和氪气的混合物。此外，每块玻璃板都涂上了一层滤光透明膜。这些薄膜由麻省理工学院林肯实验室的科学家在 20 世纪 70 年代开发 (J. C. C. Fan et al. Appl. Phys Lett. 25, 693; 1974)，现在由总部位于田纳西州金斯波特的伊士曼化学公司销售，使用纳米级金属颗粒来反射热量。翻新后的窗户使帝国大厦的能耗降低了 40%。Jeffries 说，其他建筑物的类似改造对于向循环建筑过渡至关重要。
分解问题
Jeffries 说，在循环经济中，“建筑物应该像乐高积木一样建造。您应该能够拆卸它们并重复使用结构构件。”
Pomponi 同意设计是关键，并且深思熟虑地应用现有技术可以使建筑物具有这种灵活性。例如，与其将钢框架焊接在一起以形成建筑物的骨架，不如使用螺栓。“当使用寿命结束时，这可以更容易地拆卸，并且更容易重复使用结构部分，”Pomponi 说。
“即使使用环境影响低的材料，建筑物也可以以非循环的方式设计，”Caroline Henrotay 说，她曾是“将建筑物作为材料库 (BAMB)”项目的协调员，该项目是欧盟资助的 Horizon 2020 创新项目。Henrotay 解释说，例如，如果材料被粘合在一起，“那么在寿命结束时，将更难以创建用于高质量回收的清洁馏分。”
这种机械结构方法是 Wikihouse 的关键，Wikihouse 是一个 BAMB 支持的英国项目，为可以从桦木胶合板上在当地切割的模块提供开源设计，允许通过将部件像拼图一样插入到位来组装建筑物，并且可以再次轻松拆卸。这种方法已被用于建造全球各地的图书馆和荷兰阿尔梅勒的房屋等场所。
Jeffries 说，这种重复使用具有悠久的传统。“罗马的马塞勒斯剧院 [in Rome] 在 2000 年后仍在运营，”他说。“它甚至被用作采石场来建造当地的桥梁和道路。它实际上是未来建筑的材料库。”
一种跟踪建筑物组件并确保可以有意义地重复使用它们的现代工具是“材料护照”。该文件包含所用材料的详细清单，以及与材料安全或来源相关的任何数据。通过整理所有这些数据，这些组件在该建筑物寿命结束时成为有用的商品。材料护照使后续建筑的设计变得容易，因为组件规格是提前准确知道的。Jeffries 说，护照“承认材料存在于特定的结构中，然后确定最有用的未来目的地”。他指出了一个具有此类护照的建筑物的例子，该建筑物已被拆除以供重复使用：阿姆斯特丹临时法院，该法院于 2022 年初迁至恩斯赫德市郊外的一个商业园区，成为办公楼。
协调的材料追溯
许多初创公司正在涌现以提供材料护照服务，但这可能会在未来导致混乱。Arora 说，LBC 的愿景不仅仅是拥有材料护照。LBC 还有一个不断增长的不安全材料清单，即红色清单，其中必须避免使用石棉、甲醛和氯化聚合物等，因为它们对人类和环境健康有害。为了被允许用于 LBC 建筑物，材料需要被列出和核算，并且还需要满足特定标准。鉴于围绕建筑物循环经济的正在进行的项目、雄心壮志和定义范围，其全球采用将需要时间。“我仍在弄清楚谁拥有循环经济转型，”Pomponi 说。
大规模采用循环经济实践将需要足够的决策者不仅认为这些措施将有助于地球，而且认为它们在经济上是可行的。“我们需要所有人。我们需要苹果、谷歌、微软这样的公司来证明这是可以做到的，”Jeffries 说。Jeffries 希望看到艾伦·麦克阿瑟基金会网络中的 200 多家公司超越短期目标。“我们可以超越减少危害，”他说，并朝着更积极的目标迈进，“减少我们使用的材料，减少排放，减少产生的废物，使建筑物积极净化空气，为野生动物提供栖息地”。
建筑设计和建造方面的这些雄心勃勃的进步对于可持续的全球经济至关重要。最终，庇护和保护人类的建筑物将需要做的不仅仅是为我们遮风挡雨：通过采用创新方法和材料，建筑物可能成为人类自招的气候灾难的解决方案。
本文是Nature Outlook：循环经济的一部分，这是一份编辑上独立的增刊，由谷歌提供财政支持。 关于此内容。