正如研究人员、设计师以及麻省理工学院教授凯特琳·穆勒 (Caitlin Mueller) 曾经说过的：“赋予一种材料的最大价值是让它在结构中发挥承重作用”。承重部件（例如地基、梁、柱、墙等）被设计用来抵抗永久或可变的力。类似于人体的骨骼，这些部件支持、保护并将所以构件固定在一起。为了实现这一不可或缺的功能，它们必须由具有出色机械性能的材料制成，这就是水泥和钢材在结构中的突出地位。然而，它们的高性能是以高成本为代价的：它们合计占全球二氧化碳排放量的 15%。这让我们不禁要问，结构材料是否有可能真正实现可持续发展？我们知道，像更环保的混凝土这样的解决方案已经存在，但还有许多其他的替代方案需要探索。有时，答案比我们预期的更接近，也许就在我们脚下的土地和我们周围的大自然中。
天然衍生的材料——也被称为生物基或生物材料——例如菌丝、麻类植物、麦秆和软木，长期以来一直在建筑和设计行业中得到应用。尽管它们不断发展，但这些材料往往与覆层和饰面有关，而不是与坚固、耐用和承重系统有关。但是，伴随着新技术的发展，研究已经取得了巨大的进步，生物材料的创新在建筑结构应用方面展现出巨大的潜力。下面，我们将介绍三个有前景的例子，它们可以取代钢材、混凝土与石灰石。虽然这些都处于实验或早期发展阶段，但它们肯定有助于提升未来建筑环境的可持续性。
废弃的树杈节点
树杈是指树干或树枝一分为二，形成一个Y字形的部分。虽然它特别坚固，但在木结构中不常被使用，因为它们不是笔直的。另一方面，大多数结构节点是由高排放的钢材制成的。在这种情况下，由建筑技术项目的教授凯特琳·穆勒以及她的数字化结构小组组成的麻省理工学院研究人员提出了一种创新方法。考虑到建筑中充满了Y字形的节点，在这些节点上，直的元素聚集在一起，他们开发了由废弃的树杈制成的承重连接件。在寻求替代混凝土和钢材的木结构建筑趋势下，通过使用不规则的树杈进一步实现可持续性。通常情况下，这些树杈被烧毁或磨碎，将隐藏在木材中的碳释放到大气中。
树杈是天然设计的结构节点，在树木中作为悬臂，由于其内部纤维结构，它们可能非常有效地传递力。——凯特琳·穆勒
该策略是如何将这些“废弃”材料作为结构部件用于建筑中来进行回收利用的呢？采用先进的数字和计算工具，可以将废弃的树杈分配到建筑设计的Y形节点中。这些分配方式可以最大限度地利用木质纤维的固有强度，然后在建筑师改变设计时立即重新分配。为了指导树杈的切割过程，研究人员使用了一种自定义的算法，可以计算出使树杈适合其指定节点所需的切割程度。总而言之，人们必须简单地按照说明进行操作：“计算机驱动的机器人加工对树杈进行调整和与标记，以便与直的木构件轻松组装。”在未来，该团队计划与更大的材料库合作，如多分支的树杈，并且纳入新的扫描技术。
3D打印的菌丝体支柱
真菌是土壤中最丰富的微生物群体，从作为重要的食物来源到为植物提供养分，在生态系统中发挥着重要作用。认识到这些优势后，Blast Studio已经开发出一种用废物和菌丝体（真菌的根系）3D 打印两米高的结构柱（被称为树柱）的方法。生产过程从收集废弃的咖啡纸杯开始，并将其切碎的碎片放入水中煮沸，来产生经过消毒的纸浆。与菌丝体混合后，形成了一种生物质糊状物，随后通过 3D 打印形成 10 个独立的模块，然后将其一个一个堆叠起来，并用更多的菌丝体融合在一起。
树柱的脊状起伏形状是通过算法设计的，可以保持水分并防止气流进入，为蘑菇生长创造理想的气候。但这种设计也有结构作用：由于材料的弹性，立柱很轻，抗压和抗弯性能好，一旦凝固，它就能达到与中密度纤维板（MDF）相似的结构能力，这意味着菌丝体最终可以替代小型建筑中的混凝土。因此，该技术能够在没有模板的情况下，创造出更加复杂的形状，从而在替代传统结构材料的同时优化性能。Blast Studio 目前的目标是扩大该技术的规模，即打印一个展厅，并希望在未来建造建筑物，这将有可能使城市在为居民提供食物的同时，从废物中创造建筑。
藻类生长的石灰石
硅酸盐水泥（Portland cement）是最常见的水泥类型，由开采的石灰石制成，而石灰石在高温下燃烧，占了该材料温室气体排放的很大一部分。考虑到这一点，科罗拉多大学博尔德分校（University of Colorado Boulder ）的一个研究小组创造了生物附着生长的石灰石，可能使水泥生产实现碳中和（甚至是负碳）。当领导生命材料实验室的 Wil V. Srubar 博士在珊瑚礁中观察到大自然如何能够从碳酸钙（石灰石的主要成分）中生长出自己的耐用、持久的结构时，就产生了这个想法。他与他的团队一起，开始培育球石藻（coccolithophore），这是一种单细胞藻类，通过光合作用，可以以矿物形式储存二氧化碳。利用阳光、海水和溶解的二氧化碳，这些微生物产生了地球上最大数量的碳酸钙。
如果全世界所有以水泥为基础的建筑都被替换为生物石灰石水泥，每年将有高达 20 亿吨的二氧化碳不再被排入大气层，还有超过 2.5 亿吨的二氧化碳将被从大气层中排出并储存在这些材料中。——科罗拉多大学博尔德分校，Kelsey Simpkins
通过这种方式，海藻生长的石灰石成为一种环保的替代品。而且，由于该方法涉及使用我们所熟知的混凝土，因此它已经可以大规模地用于结构应用。从本质上讲，它具有与混凝土相同的机械性能和承载能力，但有能力减轻传统水泥产生的许多有害环境影响。展望未来，接下来的步骤涉及增加产量以实现商业化，但可能性已经很明显：这种本土化的石灰石创造了一个将未来的结构转变为碳汇的机会，同时“改善空气质量，减少环境破坏，并增加世界各地对建筑材料的公平获取”。
为了取代结构性排放密集型的材料，生物基替代品必须是价格合理且易于生产。但无论即将到来的挑战如何，它们都开启了无限的可能性；与新技术携手并进，将这些转化为更健康的建筑环境只是时间问题。
本文源自 ArchDaily 主题：建筑材料的未来。每个月，我们会以文章、访谈、新闻与项目的形式来深度探索一个主题。您可以在此阅读过往月度主题内容。ArchDaily一如既往地欢迎读者的贡献；如果你希望提交一篇文章或项目，请联系我们。
译者：成果
