低碳建筑的本质：自然空间与数字空间的连接
建筑是人类最古老的行业之一，人类的生存发展与城市建筑紧密相连。据统计，人类的一生中有90%的时间在建筑中度过，城市建筑是一座城市历史与文化交融的承载者，更是现代城市经济发展的重要支柱。国家统计局公布的数据显示，2020年全社会建筑业增加值为72996亿元，比上年增长3.5%。
低碳建筑，即通过节能减排，实现可持续的绿色建筑。低碳建筑不仅是推动智慧城市建设与发展的重要内容之一，同时也是实现城市数字化转型与低碳化发展的关键领域。对于建筑建造者而言，低碳意味着通过合理规划和循环设计，采用生态建筑、节能技术、生态材料实现施工减碳；对于建筑管理者而言，低碳意味着通过数字化手段降低建筑运维成本，提高建筑运维效率；而对于建筑使用者而言，低碳意味着建筑具备高空间利用率、高舒适度和低能耗，以及面对自然灾害时应具备的高抗压性和安全性。
当下，全球城市化水平普遍提高，全球能源需求激增，数字化技术的运用能够助力城市建成低碳建筑。从建筑建成前的材料选择与设计，到建筑施工过程，以及建筑的生命周期管理，人工智能、3D打印等数字技术能从全流程为建筑增值赋能，是实现建筑与城市低碳发展的关键。
建筑在全球与能源相关的碳排放占比将近40%，建造大型建筑需要消耗大量的原材料与劳动力，而3D打印技术为建筑设计和建成提供了一种高效低能耗的解法。坐落在意大利的Tecla住宅项目是世界第一个完全由本地粘土进行3D打印的可持续生态住宅，该建筑由Mario Cucinella Architects建筑事务所和WASP 3D打印技术公司共同设计完成。Tecla将本土的建造实践手法、对生物气候的研究，以及对当地天然材料（粘土）的使用完美结合在了一起。房屋建造采用高效低能耗的“Crane WASP”新型3D打印技术，这是世界上首个可支持模块化和协同建造工作的多层打印技术。
3D打印技术能够满足原料选择的低碳和环保。这座60平方米的建筑高4.2米，包括起居空间、厨房和睡眠区，并配有服务设施和屋顶圆形天窗。和躯壳部分一样，室内的家具也应用粘土来完成3D打印，以此维持与建筑外观视觉风格上的统一。其余部分也均由当地采购，并设计为可重复使用或回收利用，呼应“可持续”概念。如图1所示。
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此外，3D打印技术可以极大地提高建筑建造效率。多级模块化3D打印机可以运作两个同步臂，每个臂拥有50平方米的打印区域，可以同时打印多个模块。本地的自然粘土融合了古代建筑技术和现代技术，被3D打印成350层，形成了独具风格的低碳住宅。通过3D打印技术，Tecla每一栋圆形独立住宅的建造周期只需要200个小时，平均消耗6千瓦的能源，极大地减少了建筑垃圾。
3D打印技术不仅可以运用在建筑住宅建设中，也可以应用在公共设施的建设上，采用更少材料，打造出更高效的结构。西班牙首都马德里于2016年建成了全球首座3D打印的混凝土人行天桥，这座标志性建筑代表着增材制造在民用建筑领域中应用的一个里程碑。由荷兰工作室Joris Laarman Lab与Laarman共同创立的技术公司MX3D和工程公司Arup（奥雅纳）合作设计了一座12米3D打印人行天桥MX3DBridge，这是世界上第一座3D打印的不锈钢桥。该桥由配备焊接装置的六轴机械臂用不锈钢棒制成，桥体结构使用了4500公斤不锈钢，其弯曲的S形曲线和带有格子式穿孔的栏杆是由参数化建模软件设计完成，于2021年在阿姆斯特丹运河上方吊装到位。这项技术展示了3D打印技术如何减少了桥梁对工具、石油、天然气以及传统建筑零件的依赖。如图2所示。
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同时，艾伦图灵研究所和Arup（奥雅纳）为该结构安装了传感器网络，使桥梁能够收集数据并构建“数字孪生”以跟踪其性能和健康状况。“数字孪生”将监控腐蚀、负载变化、环境条件和行人使用情况，以进一步推进以数据为中心的设计。
2021年，建筑公司BAM和WeberBeamix开始在荷兰建造世界上最长的3D打印混凝土人行天桥，这座混凝土结构桥梁跨度将达到29.5米（97英尺）。随着3D打印技术在建筑领域的应用潜力逐渐彰显，3D打印房屋、桥梁已经在世界各个角落兴起，在建筑中使用数字设计将带来新一轮的新颖建筑概念，使建筑过程更加经济实惠和省时。当然，3D打印在建筑领域的应用也带来了一系列新的挑战，例如结构安全性，精确的载荷分析和材料适用性等，这需要通过完善数字技术的应用，更好地实现其设计建设的合理化和最优化。如图3所示。
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3D打印技术为建筑的可持续设计打开了新思路，但考虑到不同建筑功能、价值的独特性与复杂性，3D打印并非是一个普适性的方法，要实现一般建筑的低碳施工，也需要更加精准的施工方案和监管。一般的建筑物施工阶段能耗可以占到建筑物全生命周期内能耗的23%，在低能耗建筑中甚至高达40%-60%。低碳施工应当是将低碳方式作为一个整体运用到施工中去，将整个施工过程作为一个微观系统进行科学的低碳施工组织设计。
低碳施工是建筑全寿命周期中的一个重要阶段，更是实现建筑领域资源节约和节能减排的关键环节。大型建筑的施工时间长、范围广，过程复杂，人工智能技术能够为其提供一套低碳的监管方案。
巴特西发电站房地产项目（Battersea Power Station）是英国伦敦市中心耗时三年的一个大型综合性项目。巴特西发电站是目前欧洲现存最大的红砖建筑，被英国人视为和圣保罗大教堂同等级别的伦敦地标。该项目位于泰晤士河南岸，在建造过程中采用了由波士顿动力公司（Boston Dynamics）设计的名为Spot的机器狗来监督“屋顶花园”项目的建设。
机器狗能够帮助相关机构采集建筑的相关数据，减少实地数据获取失误造成的材料和资源的浪费。Spot的四脚设计帮助它应对上下楼及更加复杂崎岖的地形，可以探索建筑工地可能对人类有害或不适的地点。除了自身传感器外，Spot最多还可以携带14公斤的设备，这对于施工现场不同承包商团队而言十分有用。此外，Spot周期性采集的数据还会在项目建成时用于构建和更新项目的数字孪生建筑模型，用于对设计原型与建筑实物的最终比较。如图4所示。
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除此之外，其还能通过远程操控，在不断变化的环境中实现对设定路线的定期巡查和扫描，以监测巴特西“屋顶花园”的进度，并将信息及时反馈给事务所。Spot机器狗在巴特西“屋顶花园”的施工应用，不仅节省了大量时间和金钱，同时还极大地减少了施工过程中可能出现的伤亡事故。
数字化技术不仅能在建筑施工和建设时发挥作用，也可以贯穿在建筑整个生命周期中。BIM（Building Information Modeling建筑信息模型）代表着一种新的理念和实践，即通过信息技术的应用和创新的商业模式来减少建筑工程的各种浪费，进而降低建筑设计、建设、运营等环节的碳排放。BIM的核心是通过建立虚拟的建筑工程三维模型，利用数字化技术提供完整的、实况的建筑工程信息库。BIM通过数字化设计，仿真模拟建造的施工进度和成本控制，进行建筑能耗模拟数据分析，提高设计施工质量和效率，改变建筑的商业模式，实现建筑的低碳和高舒适性。
位于澳大利亚悉尼的“布莱街一号”项目是一个由始至终贯彻BIM技术思路的典型应用实例。“布莱街一号”从策划设计到可持续性分析，到施工建设，再到物业管理，全部环节涉及的参与方都采用BIM技术，实现传统工程模式的科学创新。
在设计开发阶段，建筑、结构、水暖电三个专业的模型被整合在一起，通过对整合模型和信息的模拟分析，能够尽早开展一系列的评估和鉴定，以支持和优化设计阶段的决策。例如，在建筑专业设计中，双层玻璃幕墙是“布菜街一号”的重点，它结合多种被动式节能技术和温度、亮度、湿度传感设备，对整个绿色建筑的能源利用产生全自动反馈调节。基于全BIM模型，日照、遮阳、通风和能耗专业分析软件可以获取精确的计算结果，以便优化每个细节的设计。最终，整个幕墙系统遮阳系数达0.15，相当于标准幕墙系统中最佳方案的2倍。在结构专业设计中，对BIM模型中复杂和不对称的部分进行有限元分析，能够识别出关键部位供设计师反复检查，直到得出最终优化的结果。该项目对BIM模型的分析还包括热传递效应、光照和反射、气流路径、观景效果等。正是借助数字技术和手段评估出最优绿色措施，才使得该项目获得澳大利亚最高的6星级绿色建筑评级。
在后期建筑管理阶段，“布莱街一号”的BIM实践并未随着工程竣工而终止，开发商将“布莱街一号”工程的所有信息数据建成一个综合数据库，作为大楼运营和维护可依据的最可靠资料，有效提高了运维效率，更进一步实现BIM技术的全生命周期应用价值。如图5所示。
图片来源：http://www.360doc.com/content/16/1227/04/9667630_618058702.shtml
目前，数字技术不仅为建筑减少碳排放做出了巨大贡献，也有诸多相关机构关注如何让建筑减少碳排放的同时实现碳吸收。2021年在第26届联合国气候变化大会（COP26）上，SOM建筑设计事务所提出了一项名为Urban Sequoia（红杉城市）的提案，提出“建筑森林”的概念，认为建筑可以通过固碳的方式有效地改变气候变化的进程。建筑设计通过使用负碳材料、结合生物燃料系统和直接空气碳捕获技术，实现对碳元素的分离，使城市建筑的角色从碳的排放者转变为碳的捕获者。
首先，从建筑原料上看，方案使用麻制混凝土、木材为主要材料，较传统的混凝土和钢材而言，可减少近50%的建筑碳影响。其次，方案关注建筑物的自然功能，利用二氧化碳捕获技术（CCS），建筑可从空气中直接捕获二氧化碳并转化为液体燃料，大楼捕获的碳和生物燃料可用于生产道路、路面和管道所需的生物材料。
其次，从建筑设计上看，新的构想可以利用烟囱效应让摩天大楼产生燃料。“烟囱效应”是一种存在于高层建筑的自然现象，即一种户内空气沿着有垂直坡度的空间向上升或下降，造成空气加强对流的现象。以往的城市建筑致力于减少这种烟囱效应，以解决电梯井中的啸叫声等问题，而新的设计能够合理利用这一效应，以达到节能减排的目的。除此之外，方案还采用了生物反应性外墙设计，大楼外立面的生物质和藻类将建筑变为生物燃料源，为加热系统和汽车提供动力。
由于这一提案可适配多种不同的建造尺度，SOM以此为基础，设计了一栋高层建筑，其每年可捕获近1000吨的碳元素，其捕获碳的能力相当于48500棵树木。这一设计原型有望在60年后，实现碳吸收量比施工阶段排放量多400%的目标。建造行为所产生的碳排放占全球总量的近40%，Urban Sequoia提案是对建造行业转型需求的一次回应。该方案具有创造新的循环经济模式的潜力，为未来的低碳建筑设计提供了新的思路。如图6所示。
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作为城市碳排放的重要来源，建筑的低碳、节能、智能及绿色化发展探讨由来已久，从建筑空间布局和结构设计，到建筑材料和能源利用的选择，到建筑落成后的运维能耗管理，不同阶段均呈现出不同阶段的特征。BIM、人工智能、3D打印等新兴数字技术的出现，使城市建筑的设计环节更加精细与感性，使城市建筑的施工过程更加智能和环保，使城市建筑的运营维护更加高效和低耗。数据驱动的建筑领域碳中和不仅关系到建筑本身的可持续发展，同时也与城市的一网统管与数字化转型密切相关，成为影响整个城市实现低碳绿色发展的关键领域。众多的实践案例向我们证明了数字技术与城市建筑相结合的有效性和实用性，同时也提醒着人们，在科技不断创新的过程中，要时刻保持对文化与自然的敬畏。
[2] https://cj.sina.com.cn/articles/view/5182171545/134e1a999020016bea
[3] http://www.360doc.com/content/16/1227/04/9667630_618058702.shtml
[4] https://xw.qq.com/cmsid/20210126A0BZ9300
[5] https://www.dezeen.com/2020/11/13/foster-partners-adopts-spot-the-boston-dynamics-robot-dog/
[6] https://www.dezeen.com/2021/07/19/mx3d-3d-printed-bridge-stainless-steel-amsterdam/
[7] https://m.pchouse.com.cn/x/313/3139463.html#ad=4289
[8] https://www.sohu.com/a/121659264_181700
[9] https://www.sohu.com/a/461007399_100034932
[10] https://www.esriuk.com/en-gb/home
[11] https://new.qq.com/omn/20211207/20211207A04EXB00.html
