《Buildings》：Advancing Sustainable Building Construction Through Immersive Digital Technologies: Towards Digital Transformation in the Nigerian Context
Oluwagbemiga Paul Agboola and
Abdulaziz Mislat Alsharif
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本综述深入探讨了在乡土建筑背景下，如何将传统建造技艺与天然材料（如粘土基复合材料、芦苇、大麻等植物纤维）进行可持续性整合。文章以多瑙河三角洲联合国教科文组织世界遗产地为例，通过全面的文献回顾，系统评估了这些环境友好型材料的潜力，特别是其良好的湿热性能与显著的隔热能力。研究指出，尽管该地区（尤其是其拥有世界最大连续芦苇植被）的自然资源未得到充分利用，但通过整合现代技术创新来复兴传统建造方法，在可持续乡村发展、文化遗产保护、增强地域认同、降低建筑业环境影响及支持地方经济增长（通过文化原真性旅游）方面，具有巨大潜力。本文为建筑、材料科学及可持续发展领域的学者和从业者提供了宝贵的见解。
1. 引言
工业化进程在加速经济社会发展的同时，也对环境造成了显著的负面影响，这促使了以欧盟绿色协议、欧洲气候法案以及第八个环境行动计划（EAP）为代表的系列环境保护政策的出台，其核心目标是确保所有公民在地球生态限度内的福祉与高品质生活。建筑业因其贡献了全球21%至36%的温室气体排放，而处于当前可持续发展议程的核心。为达成203年减排55%及205年实现气候中和的目标，建筑业的设计、建造与维护方式需进行根本性变革。在此背景下，历经数百年对当地气候和材料进行适应性演化而形成的乡土建筑，其所蕴含的经验知识，与资源效率、生物气候设计及文化延续性原则高度契合。本研究旨在评估支持在特定生态与文脉（以多瑙河三角洲为例）中，重新整合乡土建筑材料（特别是植物纤维增强的粘土基复合材料）的科学证据基础。
然而，当代建筑，尤其是城市设计，常偏向一种“可消费”模式，注重快速执行、空间效率、用户舒适度和成本优化，这往往导致建筑与建成环境和谐融合、保护地方传统、以及突显特定建筑元素等重要方面被边缘化。解决这一当代危机的根本途径，是将建筑实践与文化、传统、环境及自然维度进行协调一致的再融合。乡土建筑作为适应本地气候条件与材料资源可及性的结果，提供了一个可持续且情境化的建筑发展模型。它不仅反映了社会的集体价值、信仰与抱负，成为文化合法性的基本元素，也是强化和保存民族认同的重要工具。因此，当代建筑与可持续城市设计，可以结合当前科学进步，充分利用乡土建筑的情境性知识。通过分析当地气候条件和传统材料，并借助现代技术对其进行整合或再诠释，有助于发展可持续的城市与建筑空间模型。
2. 研究方法
本研究基于对科学文献的全面回顾，采用了综合性文献综述的方法，结合文献计量分析与案例研究，旨在评估学术界对乡土建筑的关注度，并识别可用于可持续建筑的本地天然资源，特别是针对多瑙河三角洲特定建筑的案例研究。文献检索主要使用Web of Science (WoS)核心合集数据库，关键词包括“乡土建筑”、“天然建筑材料”、“土结构”、“粘土材料”、“植物纤维”、“芦苇”、“大麻”、“可持续建筑”、“多瑙河三角洲”等及其组合。检索时间范围以近十年（2010-2025）为主，但也纳入了相关的奠基性研究。文献筛选过程遵循结构化步骤：识别、筛选、合格性评估和最终纳入。本研究的第二部分是对多瑙河三角洲地区的定性案例研究，该地区因其独特的生态文化特征、芦苇和粘土等自然资源的可用性以及特定的传统建造实践而被选中。
3. 乡土建筑
“乡土建筑”通常指主要基于经验，通过反复“试错”过程，利用可得的本地资源并适应特定地理气候条件而发展起来的一类建筑。它是当地社区文化价值、传统和需求的直接反映，强调人、环境与物质性之间的和谐关系。保罗·奥利弗将其定义为“人民的、由人民创造的建筑”，强调了其参与性和深刻的情境性。在能源消耗增加、自然资源过度开发、需减少二氧化碳排放的当代挑战下，乡土建筑中所蕴含的、对当地条件可持续适应的知识遗产，已成为一个日益受到关注的未充分利用的资源。学术兴趣的增长在WoS数据库中以“乡土建筑”为关键词的出版物数量演变上得到了印证。
文献计量关键词分析揭示了该领域的研究趋势演化。热图分析显示，近年来，与传统建筑、文化遗产和可持续性相关的研究显著增加，而与农村发展相关的话题则表现较低且波动，针对多瑙河三角洲的专门研究更是边缘。在材料方面，对土、土坯、粘土基材料等传统天然材料的兴趣逐渐增强，而特定植物纤维和生物基材料的研究则相对不足。在能源效率方面，过去五年的研究兴趣同样强劲增长。
4. 天然资源
乡土建筑的一个决定性特征是主要使用适应当地地理和文化特异性的本地资源，其中粘土、沙、石和各种植物材料是最常用的。
4.1. 粘土——用于乡土建筑的复合材料粘合剂
粘土土壤在建筑中的应用历史悠久，技术多样，主要包括：生产自然干燥的小型预制构件（土坯）；在木模板中逐层夯实粘土（夯土）；用粘土基复合材料填充木框架（如编条抹灰）；以及手工塑造不规则形状的粘土、土、稻草、水和沙的混合物（土团）。粘土建筑因其耐久性和结构强度而被重视。夯土结构因其可达性、施工简单、低环境影响和优化热舒适的能力（源于墙体高热惯性）而日益流行。然而，高初始含水率会影响其热性能和机械性能，需长时间才能达到平衡。
粘土材料调节室内空气相对湿度的能力是其促进健康和环境舒适性的一个重要方面。其透湿性和在高低湿度条件下储存和释放水分的特定能力，可通过自然湿度调节直接改善室内空气质量，从而对室内微气候产生积极影响。相关量化指标包括湿缓冲值（MBV）和吸湿水分储存量。
实施夯土技术需要使用特定土壤，最佳成分是沙含量30-50%，粘土含量最多8%。若土壤不符要求，可通过预处理和添加外加剂进行“稳定化”。近年来，研究方向包括通过自动化、数字技术、机器学习和人工智能来优化施工过程，减少人工干预并提高性能均匀性，例如德国布伦瑞克工业大学结构设计研究所开发的机器人夯土（RRE）技术。
土坯的生产对原材料有特定要求，需排除有机质，并从表层下一定深度取土。化学和矿物学上，适合的粘土土壤应以二氧化硅（SiO2）为主（50-60%），其次是氧化铝（Al2O3，约10%），并限制氧化钙（CaO）和氧化铁（Fe2O3）含量。颗粒级配方面，大于2毫米的骨料应≤10%，沙粒（0.063-2毫米）占40-80%，粉土（0.002-0.063毫米）占10-30%，粘土占20-50%。
物理机械性能上，为保证高热惯性，混合物的堆积密度应在1800-2000 kg/m3之间。国际标准对用于承重墙的材料的抗压强度有最低要求，例如美国ASTM标准为2.07 N/mm2，澳大利亚标准为1.15 N/mm2。掺入植物纤维（如稻草、天然纤维）作为分散增强材料，是提高粘土砖抗弯强度、弹性并减少开裂的常用方法。例如，研究表明，掺入1.5%的稻草纤维可在一定程度上提升材料的弹性。位于罗马尼亚锡比乌的粘土城堡是当代旅游中整合粘土和植物来源材料的独特建筑范例。
4.2. 植物资源
用于乡土建筑的第二类资源是植物源材料，可分为结构用途（如优质木材）和非结构用途（如稻草、茎秆、枝条，用作复合材料中的分散增强或隔热、吸湿、隔音）。从循环经济角度看，将农业废弃物（如秸秆）重新用于环保建筑实践，不仅能减少填埋和传统工业材料生产带来的排放，还能保护并促进地方地理和文化认同。
木材作为一种可持续建筑材料，其性能因树种和含水率而异，主要化学成分是纤维素、半纤维素和木质素。
芦苇是湿地地区广泛使用的有机建筑材料，具有良好的耐水性、耐久性和机械应力下的柔韧性，但易燃。其管状结构使其成为高效的热和声学绝缘材料。文献报道的芦苇板导热系数值范围较广，从0.045到0.101 W/mK不等，显著受吸水率和评估时含湿量的影响。全球芦苇植被覆盖分布图显示了其在多瑙河三角洲等地区的丰富性。
大麻因其优异的湿热性能，日益被视为建筑领域的可持续材料。与矿物基天然骨料相比，大麻纤维的吸水能力可达其自身重量的四倍。目前，大麻纤维和大麻碎料因其在调节湿度和热声传递方面的优异性能，被广泛关注用于制造隔热隔音材料。研究表明，以大麻纤维为基础的生物复合材料的传热系数（U值）与材料的表观密度和厚度直接相关。此外，大麻基材料还具有重量轻、耐水耐火防霉、透湿性好、抗生物降解能力强、以及在极端环境条件下结构性能良好等优点。其显著的二氧化碳（CO2）储存能力进一步强化了其环境效益。目前，大麻加工残留物（特别是茎秆内芯）正越来越多地用于制造小型预制构件，如与粘土基粘合剂（大麻粘土）或石灰（大麻混凝土）结合，或作为抹灰等饰面材料中的功能添加剂。
4.3. 讨论
需区分作为农业活动副产品的植物材料（如秸秆）和专门为工业应用种植的植物材料（如大麻）。从循环经济角度看，秸秆在建筑中的使用是对农业残留物的高效增值。而大麻虽然在其生物复合材料中具有固碳潜力，但其上游种植阶段引入了秸秆替代品所没有的土地使用需求。在多瑙河三角洲，当地收割的芦苇和香蒲因自发生长且已被用于其他用途，呈现出更直接可行的循环经济路径。
尽管粘土-植物纤维复合材料具有显著的生态和湿热优势，但其在当代建筑中的更广泛应用仍面临一些限制：长期耐久性、机械性能可变性、耐火性以及缺乏统一技术标准等问题仍是主要挑战。此外，这些材料与现有建筑规范的兼容性、可靠的本地原材料供应链的建立以及规模化工业生产的能力，都是大规模应用前需要进一步研究和验证的关键方面。
5. 案例研究——多瑙河三角洲的乡土建筑
多瑙河三角洲是欧洲第二大、保存最完好的三角洲，拥有独特的生态环境和多元文化，已被列为联合国教科文组织世界遗产地和拉姆萨尔湿地。该案例研究围绕四个假设展开。
假设1认为，基于可持续发展原则的评估所制定的多瑙河三角洲保护政策，将显著提升环境保护措施的有效性和可行性，从而促进可持续地方社区的发展。该地区的管理采用分区制，以平衡自然环境保护与自然资源可持续利用。立法框架的演变显示，国际公约的通过或批准相对较早，而专门针对多瑙河三角洲的国内立法随后逐步发展，经历了从基础建立、部门监管到管理计划和资源使用规定的过程。
假设2指出，当地传统建筑的独特特征是国家及国际遗产中宝贵但未充分利用的组成部分，且常被视为过时和功能不足，这阻碍了其保存和融入当代可持续发展战略。对传统住宅的分析显示，其在与洪水易发和气候多样性的条件相适应方面表现出卓越的智慧，如高跷房屋、编条抹灰墙、芦苇茅草屋顶等。然而，这些传统结构正变得越来越稀有，而使用非本地材料和现代风格建造的新建筑往往造成视觉不协调，侵蚀了该地区的真实特征。传统材料（如植物纤维添加的粘土基复合材料）虽具有本地可用性、经济性、低环境足迹和支持文化认同的潜力，却常被忽视。传统住宅通常沿纵向轴线建造，拥有厚墙、小窗、朝南的窗户和门廊，以适应冬季强风、低降水和夏季高温的气候特点。其装饰元素简单而具有象征意义，常用白色灰泥墙和蓝色的木制品。屋顶多为两坡对称，茅草层厚达30-40厘米。传统院落还包括功能性的附属建筑。位于布加勒斯特乡村博物馆的多瑙河三角洲传统房屋和储藏附属建筑是典型例证。现存于多瑙河三角洲的传统房屋，如菲利普之家和独立住宅，展示了木材结构、芦苇屋顶、粘土基复合墙体等特征。
假设3认为，当前专业文献中可用的科学研究仍然不足。对WoS数据库的分析显示，以“多瑙河三角洲”为关键词的论文仅约1100篇，考虑到该生态系统的全球重要性，这个数量相当低。出版物主题分布主要集中在环境科学和跨学科地球科学领域，而与建筑和建筑材料相关的研究几乎空白。从作者国别分布看，大多数研究来自罗马尼亚、德国和奥地利的研究人员。专利分析显示，尽管存在一些利用粘土、芦苇等本地材料的专利，但总体规模有限，表明在将传统本地材料融入现代技术工艺方面，仍有大量未开发潜力。
假设4主张，多瑙河三角洲地区的发展和创新轨迹应基于该地区本土材料的独特特性。该地区乡土建筑中主要使用的天然原材料是粘土、木材、芦苇，有时还有谷物秸秆。建造技术多样，包括使用编织橡木叉外部覆以绑扎芦苇的墙体、使用植物纤维分散的粘土基复合材料预制小构件（土坯）、以及将粘土基粘合剂与动植物源添加剂混合用于木框架填充的“编条抹灰”等技术。该地区的土壤以松散沙质土、潜育冲积土、滨海盐土和潜育黑钙土为主，深层多为壤土和粘土质地，这支持了粘土的天然可获得性。芦苇作为多瑙河三角洲生态系统的特征性植物原料，目前占地约17万公顷，罗马尼亚拥有世界上最大的连续芦苇植被区。尽管具有潜力，但该资源在很大程度上未得到可持续利用，大部分以原料形式出口，本地附加值创造有限。芦苇在用作屋顶材料时具有高隔热性能、耐环境性、可再生、本地丰富及加工安装成本低等优点。根据可持续利用能力评估，可收获的芦苇资源可分为五种主要类型的单优势芦苇床。因此，基于这些独特本土材料，通过整合现代技术创新复兴传统建造方法，对于该地区的可持续乡村发展、文化遗产保护、增强地域认同及降低建筑业环境影响，具有至关重要的前景。
