澳大利亚建筑材料的隐含环境影响揭示可持续政策中的关键权衡

《Cell Reports Sustainability》：Embodied impacts of Australian building materials highlight trade-offs for sustainability policy

本研究针对建筑环境对"三重行星危机"（温室气体排放、生物多样性丧失和污染）的广泛影响，通过分析澳大利亚1,376万座建筑，量化了31.1亿吨隐含材料存量及其在资源消耗、污染和毒性等多维度的环境影响。研究发现单户住宅与高层建筑在土地利用效率和环境影响强度之间存在显著权衡，为制定空间差异化可持续城市发展策略提供了科学依据。

　　

当我们谈论建筑环境的可持续性时，注意力往往集中在运营阶段的能源消耗和碳排放上。然而，随着全球能源转型的推进和建筑能效标准的提高，建筑材料生产、运输和施工过程中产生的"隐含影响"正成为新的前沿挑战。这些影响远不止碳排放，还包括资源枯竭、毒性污染和生态系统破坏等多重环境压力。

澳大利亚作为一个以低密度郊区发展模式为主的国家，其建筑环境呈现出独特的材料使用模式。研究人员Raymundo Marcos-Martinez及其团队在《Cell Reports Sustainability》上发表的研究，首次对国家尺度的建筑存量进行了空间显式的多维环境影响评估。这项研究不仅揭示了建筑材料对环境的多重压力，还深入探讨了不同建筑类型和城市形态之间的关键权衡。

为了全面评估澳大利亚建筑存量的环境影响，研究团队开发了一套综合分析方法论框架。他们整合了Geoscape建筑数据集中的1,376万座建筑的详细数据，包括边界、形状和高度等信息，并结合澳大利亚人口普查中最小的地理单位——统计区域级别1（SA1）的统计信息。通过两阶段分类流程，研究人员将建筑分为单户住宅、低层公寓、中层公寓、高层公寓、商业建筑和工业建筑等类型。

研究采用了混合生命周期评估（LCA）方法，量化了14种关键建筑材料从生产到施工现场（A1-A4阶段）的环境影响。分析涵盖了13个不同的环境影响指标，包括资源消耗、全球变暖潜力、酸化和富营养化潜力、毒性影响等。特别值得注意的是，研究还估算了建筑的土地足迹，为评估城市扩张的影响提供了重要指标。

澳大利亚建筑存量与隐含材料的分布模式

研究发现，2023年澳大利亚建筑存量包含约1,376万座建筑，总建筑面积达58.2亿平方米。住宅建筑占据主导地位，占总建筑数量的94.6%，而商业和工业建筑分别仅占1.0%和1.5%。单户住宅是最常见的建筑类型，约有1,246万套，占总建筑面积的47亿平方米。

澳大利亚建筑存量中包含约31.1亿吨材料，相当于人均115吨。混凝土是主要材料，占总质量的53%（16.6亿吨），其次是未粘结的沙石（7.18亿吨，23%）、陶瓷制品（2.90亿吨，9%）、木材（1.92亿吨，6%）和钢材（1.14亿吨，4%）。建筑材料的空间分布显示出明显的城市集中现象，悉尼、墨尔本等大都市区的材料密度高达每平方公里500万吨。

澳大利亚建筑存量的环境足迹

研究结果显示，建筑材料相关的不可再生非生物资源消耗估计为103,080吨锑当量（tSbe），其中钢材贡献59.6%，铝材贡献11.7%。建筑材料生产和运输的化石燃料消耗为14.74拍焦（PJ），陶瓷制品是最大贡献者（29.9%）。

建筑存量的隐含碳足迹估计为12亿吨CO₂e（二氧化碳当量），相当于人均42.5吨，是澳大利亚2023年全年温室气体排放量的2.7倍。陶瓷产品的生产和运输占隐含排放的最大份额（25.8%），其次是混凝土（21.2%）和钢材（16.8%）。

除了温室气体排放，建筑存量还代表着其他空气污染影响的巨大累积库存。隐含酸化潜力估计为350万吨二氧化硫当量（SO₂e），相当于澳大利亚当前年酸化潜力约1个月的水平。富营养化影响更为显著，隐含磷酸盐当量（PO₄e）为84万吨，相当于锁定澳大利亚全国总富营养化影响的1.2年。

毒性影响方面，淡水生态毒性估计为11,865万亿比较毒性单位（CTUe），铝材生产和运输是最大贡献者（36.4%）。人类毒性影响估计为32,000 CTUh（癌症效应）和115,000 CTUh（非癌症效应），钢材生产是主要贡献者。

单位建筑面积的环境足迹

研究对不同建筑类型的环境影响进行了标准化比较，发现高层公寓每100平方米建筑面积的材料需求为76吨，而单户住宅为47吨。高层公寓的全球变暖潜力最高，达到38吨CO₂e/100平方米，而单户住宅最低，为18吨CO₂e/100平方米。

土地足迹方面，单户住宅需要最大的土地 footprint，平均每100平方米建筑面积需要57平方米土地，而高层公寓仅需15平方米/100平方米。这种对比凸显了垂直发展在城市环境中的空间效率，但代价是更高的隐含环境影响。

人均环境足迹

按居住者标准化影响后，研究揭示了不同的权衡模式。单户住宅的人均材料强度最低，为57.7吨/人，而低层公寓需要近两倍的材料存量（116.6吨/人）。在隐含排放方面，高层公寓的人均全球变暖潜力最高（29.8吨CO₂e），而单户住宅居住者为22.4吨CO₂e。

空间形态的环境足迹

将环境负担分布在不同发展模式上显示，郊区区域是澳大利亚总隐含影响的主要驱动因素，占材料存量的61%和全球变暖潜力的58%。然而，环境影响分布并不均匀。城市和工业区尽管总体足迹较小，但却是高强度建筑和制造业特定影响的热点区域。例如，城市核心区是矿物资源消耗的最大单一贡献者（33%），而工业区在人类毒性（癌症）（23%）和矿物资源消耗（28%）方面占比过高。

研究结论与意义

这项研究揭示了不同建筑类型在隐含环境影响和土地利用效率之间的重要权衡。高层公寓由于依赖钢材和混凝土等能源密集型材料，表现出较高的单位面积环境影响，而单户住宅虽然单位影响较低，但导致广泛的土地利用和城市扩张。

研究强调需要采取空间差异化的策略来应对不同城市形态的独特挑战。对于郊区区域，政策应侧重于通过激励填充式开发和现有存量改造来减少新的低密度建设需求。对于高密度城市区域，策略应侧重于材料循环性和创新设计，如建立城市采矿的健全市场和推广预制模块化建筑。

该研究为建筑行业的可持续转型提供了重要见解。随着运营排放的下降，建筑材料的隐含影响正成为关键挑战。通过空间显式的材料存量和环境影响分析，城市规划者和政策制定者可以制定更有针对性的策略，平衡密度与可持续性，推动建筑环境向更循环、更健康的方向发展。

这项研究不仅为澳大利亚提供了具体的政策指导，也为全球其他面临类似城市化挑战的国家和地区提供了可借鉴的方法论框架。特别是在快速城市化的全球南方国家，如何在垂直和水平扩张之间做出明智选择，这项研究提供了重要的科学依据。