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WeCity低碳城市研究組

 

建筑是人類最古老的行業之一，人類的生存發展與城市建筑緊密相連。據統計，人類的一生中有90%的時間在建筑中度過，城市建筑是一座城市歷史與文化交融的承載者，更是現代城市經濟發展的重要支柱。國家統計局公布的數據顯示，2020年全社會建筑業增加值為72996億元，比上年增長3.5%。

 

低碳建筑，即通過節能減排，實現可持續的綠色建筑。低碳建筑不僅是推動智慧城市建設與發展的重要內容之一，同時也是實現城市數字化轉型與低碳化發展的關鍵領域。對于建筑建造者而言，低碳意味著通過合理規劃和循環設計，采用生態建筑、節能技術、生態材料實現施工減碳；對于建筑管理者而言，低碳意味著通過數字化手段降低建筑運維成本，提高建筑運維效率；而對于建筑使用者而言，低碳意味著建筑具備高空間利用率、高舒適度和低能耗，以及面對自然災害時應具備的高抗壓性和安全性。

 

當下，全球城市化水平普遍提高，全球能源需求激增，數字化技術的運用能夠助力城市建成低碳建筑。從建筑建成前的材料選擇與設計，到建筑施工過程，以及建筑的生命周期管理，人工智能、3D打印等數字技術能從全流程為建筑增值賦能，是實現建筑與城市低碳發展的關鍵。

 

從設計出發：3D打印重構建筑綠色生命力

 

建筑在全球與能源相關的碳排放占比將近40%，建造大型建筑需要消耗大量的原材料與勞動力，而3D打印技術為建筑設計和建成提供了一種高效低能耗的解法。坐落在意大利的Tecla住宅項目是世界第一個完全由本地粘土進行3D打印的可持續生態住宅，該建筑由Mario Cucinella Architects建筑事務所和WASP 3D打印技術公司共同設計完成。Tecla將本土的建造實踐手法、對生物氣候的研究，以及對當地天然材料（粘土）的使用完美結合在了一起。房屋建造采用高效低能耗的“Crane WASP”新型3D打印技術，這是世界上首個可支持模塊化和協同建造工作的多層打印技術。

Tecla住宅項目

 

3D打印技術能夠滿足原料選擇的低碳和環保。這座60平方米的建筑高4.2米，包括起居空間、廚房和睡眠區，并配有服務設施和屋頂圓形天窗。和軀殼部分一樣，室內的家具也應用粘土來完成3D打印，以此維持與建筑外觀視覺風格上的統一。其余部分也均由當地采購，并設計為可重復使用或回收利用，呼應“可持續”概念。

 

此外，3D打印技術可以極大地提高建筑建造效率。多級模塊化3D打印機可以運作兩個同步臂，每個臂擁有50平方米的打印區域，可以同時打印多個模塊。本地的自然粘土融合了古代建筑技術和現代技術，被3D打印成350層，形成了獨具風格的低碳住宅。通過3D打印技術，Tecla每一棟圓形獨立住宅的建造周期只需要200個小時，平均消耗6千瓦的能源，極大地減少了建筑垃圾。

Tecla住宅項目內部結構圖

 

3D打印技術不僅可以運用在建筑住宅建設中，也可以應用在公共設施的建設上，采用更少材料，打造出更高效的結構。西班牙首都馬德里于2016年建成了全球首座3D打印的混凝土人行天橋，這座標志性建筑代表著增材制造在民用建筑領域中應用的一個里程碑。由荷蘭工作室Joris Laarman Lab與Laarman共同創立的技術公司MX3D和工程公司Arup（奧雅納）合作設計了一座12米3D打印人行天橋MX3DBridge，這是世界上第一座3D打印的不銹鋼橋。該橋由配備焊接裝置的六軸機械臂用不銹鋼棒制成，橋體結構使用了4500公斤不銹鋼，其彎曲的S形曲線和帶有格子式穿孔的欄桿是由參數化建模軟件設計完成，于2021年在阿姆斯特丹運河上方吊裝到位。這項技術展示了3D打印技術如何減少了橋梁對工具、石油、天然氣以及傳統建筑零件的依賴。

 

同時，艾倫圖靈研究所和Arup（奧雅納）為該結構安裝了傳感器網絡，使橋梁能夠收集數據并構建“數字孿生”以跟蹤其性能和健康狀況。“數字孿生”將監控腐蝕、負載變化、環境條件和行人使用情況，以進一步推進以數據為中心的設計。

長12米，采用4500公斤不銹鋼，使用機器人3D打印而成的橋梁“MX3D Bridge”于2021年7月在阿姆斯特丹開放

 

2021年，建筑公司BAM和WeberBeamix開始在荷蘭建造世界上最長的3D打印混凝土人行天橋，這座混凝土結構橋梁跨度將達到29.5米（97英尺）。隨著3D打印技術在建筑領域的應用潛力逐漸彰顯，3D打印房屋、橋梁已經在世界各個角落興起，在建筑中使用數字設計將帶來新一輪的新穎建筑概念，使建筑過程更加經濟實惠和省時。當然，3D打印在建筑領域的應用也帶來了一系列新的挑戰，例如結構安全性，精確的載荷分析和材料適用性等，這需要通過完善數字技術的應用，更好地實現其設計建設的合理化和最優化。

 

低碳施工：AI智能監管與安全方案

 

3D打印技術為建筑的可持續設計打開了新思路，但考慮到不同建筑功能、價值的獨特性與復雜性，3D打印并非是一個普適性的方法，要實現一般建筑的低碳施工，也需要更加精準的施工方案和監管。一般的建筑物施工階段能耗可以占到建筑物全生命周期內能耗的23%，在低能耗建筑中甚至高達40%-60%。低碳施工應當是將低碳方式作為一個整體運用到施工中去，將整個施工過程作為一個微觀系統進行科學的低碳施工組織設計。

 

低碳施工是建筑全壽命周期中的一個重要階段，更是實現建筑領域資源節約和節能減排的關鍵環節。大型建筑的施工時間長、范圍廣，過程復雜，人工智能技術能夠為其提供一套低碳的監管方案。

 

巴特西發電站房地產項目（Battersea Power Station）是英國倫敦市中心耗時三年的一個大型綜合性項目。巴特西發電站是目前歐洲現存最大的紅磚建筑，被英國人視為和圣保羅大教堂同等級別的倫敦地標。該項目位于泰晤士河南岸，在建造過程中采用了由波士頓動力公司（Boston Dynamics）設計的名為Spot的機器狗來監督“屋頂花園”項目的建設。

Spot機器狗可以根據設定的數據模型沿著既定路線進行數據掃描

 

機器狗能夠幫助相關機構采集建筑的相關數據，減少實地數據獲取失誤造成的材料和資源的浪費。Spot的四腳設計幫助它應對上下樓及更加復雜崎嶇的地形，可以探索建筑工地可能對人類有害或不適的地點。除了自身傳感器外，Spot最多還可以攜帶 14 公斤的設備，這對于施工現場不同承包商團隊而言十分有用。此外，Spot周期性采集的數據還會在項目建成時用于構建和更新項目的數字孿生建筑模型，用于對設計原型與建筑實物的最終比較。

 

除此之外，其還能通過遠程操控，在不斷變化的環境中實現對設定路線的定期巡查和掃描，以監測巴特西“屋頂花園”的進度，并將信息及時反饋給事務所。Spot機器狗在巴特西“屋頂花園”的施工應用，不僅節省了大量時間和金錢，同時還極大地減少了施工過程中可能出現的傷亡事故。

 

高效管理：BIM技術助力建筑可持續發展

 

數字化技術不僅能在建筑施工和建設時發揮作用，也可以貫穿在建筑整個生命周期中。BIM（Building Information Modeling建筑信息模型）代表著一種新的理念和實踐，即通過信息技術的應用和創新的商業模式來減少建筑工程的各種浪費，進而降低建筑設計、建設、運營等環節的碳排放。BIM的核心是通過建立虛擬的建筑工程三維模型，利用數字化技術提供完整的、實況的建筑工程信息庫。BIM通過數字化設計，仿真模擬建造的施工進度和成本控制，進行建筑能耗模擬數據分析，提高設計施工質量和效率，改變建筑的商業模式，實現建筑的低碳和高舒適性。

 

位于澳大利亞悉尼的“布萊街一號”項目是一個由始至終貫徹BIM技術思路的典型應用實例。“布萊街一號”從策劃設計到可持續性分析，到施工建設，再到物業管理，全部環節涉及的參與方都采用BIM技術，實現傳統工程模式的科學創新。

 

在設計開發階段，建筑、結構、水暖電三個專業的模型被整合在一起，通過對整合模型和信息的模擬分析，能夠盡早開展一系列的評估和鑒定，以支持和優化設計階段的決策。例如，在建筑專業設計中，雙層玻璃幕墻是“布菜街一號”的重點，它結合多種被動式節能技術和溫度、亮度、濕度傳感設備，對整個綠色建筑的能源利用產生全自動反饋調節。基于全BIM模型，日照、遮陽、通風和能耗專業分析軟件可以獲取精確的計算結果，以便優化每個細節的設計。最終，整個幕墻系統遮陽系數達0.15，相當于標準幕墻系統中最佳方案的2倍。在結構專業設計中，對BIM模型中復雜和不對稱的部分進行有限元分析，能夠識別出關鍵部位供設計師反復檢查，直到得出最終優化的結果。該項目對BIM模型的分析還包括熱傳遞效應、光照和反射、氣流路徑、觀景效果等。正是借助數字技術和手段評估出最優綠色措施，才使得該項目獲得澳大利亞最高的6星級綠色建筑評級。

澳大利亞悉尼的布萊街1號

 

在后期建筑管理階段，“布萊街一號”的BIM實踐并未隨著工程竣工而終止，開發商將“布萊街一號”工程的所有信息數據建成一個綜合數據庫，作為大樓運營和維護可依據的最可靠資料，有效提高了運維效率，更進一步實現BIM技術的全生命周期應用價值。

 

未來提案：從“碳排放者”到“碳捕獲者”

 

目前，數字技術不僅為建筑減少碳排放做出了巨大貢獻，也有諸多相關機構關注如何讓建筑減少碳排放的同時實現碳吸收。2021年在第26屆聯合國氣候變化大會（COP26）上，SOM建筑設計事務所提出了一項名為Urban Sequoia（紅杉城市）的提案，提出“建筑森林”的概念，認為建筑可以通過固碳的方式有效地改變氣候變化的進程。建筑設計通過使用負碳材料、結合生物燃料系統和直接空氣碳捕獲技術，實現對碳元素的分離，使城市建筑的角色從碳的排放者轉變為碳的捕獲者。

 

首先，從建筑原料上看，方案使用麻制混凝土、木材為主要材料，較傳統的混凝土和鋼材而言，可減少近50%的建筑碳影響。其次，方案關注建筑物的自然功能，利用二氧化碳捕獲技術（CCS），建筑可從空氣中直接捕獲二氧化碳并轉化為液體燃料，大樓捕獲的碳和生物燃料可用于生產道路、路面和管道所需的生物材料。

 

其次，從建筑設計上看，新的構想可以利用煙囪效應讓摩天大樓產生燃料。“煙囪效應”是一種存在于高層建筑的自然現象，即一種戶內空氣沿著有垂直坡度的空間向上升或下降，造成空氣加強對流的現象。以往的城市建筑致力于減少這種煙囪效應，以解決電梯井中的嘯叫聲等問題，而新的設計能夠合理利用這一效應，以達到節能減排的目的。除此之外，方案還采用了生物反應性外墻設計，大樓外立面的生物質和藻類將建筑變為生物燃料源，為加熱系統和汽車提供動力。

SOM建筑事務所“Urban Sequoia”提案的碳捕獲原理示意圖

 

由于這一提案可適配多種不同的建造尺度，SOM以此為基礎，設計了一棟高層建筑，其每年可捕獲近1000噸的碳元素，其捕獲碳的能力相當于48500棵樹木。這一設計原型有望在60年后，實現碳吸收量比施工階段排放量多400%的目標。建造行為所產生的碳排放占全球總量的近40%，Urban Sequoia提案是對建造行業轉型需求的一次回應。該方案具有創造新的循環經濟模式的潛力，為未來的低碳建筑設計提供了新的思路。

 

小結

 

作為城市碳排放的重要來源，建筑的低碳、節能、智能及綠色化發展探討由來已久，從建筑空間布局和結構設計，到建筑材料和能源利用的選擇，到建筑落成后的運維能耗管理，不同階段均呈現出不同階段的特征。BIM、人工智能、3D打印等新興數字技術的出現，使城市建筑的設計環節更加精細與感性，使城市建筑的施工過程更加智能和環保，使城市建筑的運營維護更加高效和低耗。數據驅動的建筑領域碳中和不僅關系到建筑本身的可持續發展，同時也與城市的一網統管與數字化轉型密切相關，成為影響整個城市實現低碳綠色發展的關鍵領域。眾多的實踐案例向我們證明了數字技術與城市建筑相結合的有效性和實用性，同時也提醒著人們，在科技不斷創新的過程中，要時刻保持對文化與自然的敬畏。