用于混凝土浇筑的固定钢筋（摄于2003年）

 

主笔/袁越

从石头到石头

2020年夏末的一个雨天，我乘坐一辆越野车从西安市中心出发，沿着延西高速一路向延安方向驶去。公路两边是成片的高层住宅楼，好似一个个方方正正的盒子堆在一起，黑乎乎的窗户像是窑洞的入口，每个洞里都住着一户人家。类似这样的景象在全中国到处都是，一大半中国人都已住在了空中。假如此时有个外星人降落到中国，他一定会得出结论说，人类这个物种仍然像几万年前那样住在石头里面，只不过现代人终于学会了如何把石头房子叠加起来，从而节约了宝贵的土地资源。

造就这一奇迹的关键材料就是水泥，而我此行的目的地正是位于陕西省铜川市耀州区董家河镇的凤凰建材有限公司，他们生产的海螺牌水泥就是眼前这些空中楼阁的主要成分之一。

开了一个多小时后，车子驶出高速，开始爬山。狭窄的盘山路上挤满了大货车，在外星人眼里它们就像是一串蚂蚁，正排着队往自家巢穴里运粮食。拐过一个山坳，眼前出现了一个更加令人震惊的景象，只见一座数百米高的山被从中间劈成了两半，山体内部的灰白色岩石暴露在光天化日之下。几辆重型铲车正在山坡上挖石头，这些石头就是生产水泥的主要原料——石灰石。

石灰石的主要成分为碳酸钙，这是地球上的钙元素最常见的存在形式。如果把石灰石和木炭放在一起高温煅烧，碳酸钙中的碳元素会和氧气结合成二氧化碳并释放到大气中，剩下的白色块状物就是生石灰，其主要成分为氧化钙。生石灰是人类最早学会使用的一种凝胶建筑材料，因其加水后会变软，风干后又会变硬，因此又被称为“气硬性无机凝胶材料”。

波特兰水泥协会的现场工程师在给学徒们演示如何抹水泥

 

阿斯普丁水泥窑模型，最早用于生产波特兰水泥的水泥窑

 

作为一种建筑材料，石灰最大的问题就是硬度不足，只能用来刷墙或者砌砖。工业革命开始后，英国人对建筑材料的需求量暴涨，迫切需要发明一种比石灰更坚固的新材料。一位名叫约瑟夫·阿斯普丁（Joseph Aspdin）的英国建筑工人受古罗马建筑的启发，研制成功一种新型凝胶材料，凝固后无论是硬度还是颜色都很像英国波特兰地区特有的一种石材，这就是大名鼎鼎的波特兰水泥。

如今建筑行业使用的水泥绝大部分都是波特兰水泥，这种水泥的主要成分是硅酸钙，其中的钙来自氧化钙，也就是石灰，硅则来自地球上含量极为丰富的硅酸盐，这也是砂岩的主要成分。难点在于，硅酸盐的化学键非常稳定，至少需要加热到1450℃以上才能将其打断，然后才能和氧化钙（石灰）发生化学反应，生成硅酸钙，所以波特兰水泥只有在工业革命开始后才有可能被研制出来。

但是，自然界还有一种情况能够提供这样的高温，这就是火山爆发。意大利的波佐利（Pozzuoli）地区火山活动频繁，留下了大量火山灰，只要往里面加入石灰就制成了一种近似现代水泥的建筑材料，史称“罗马水泥”。这种水泥遇水后会逐渐变硬，不用等到风干，所以又被称为“水硬性无机凝胶材料”。

水泥和石灰一样，本质上都是建筑材料的黏合剂。古罗马人在水泥中掺入砂石，加水搅拌后浇筑到事先做好的模具之中，凝固之后再把模具拆掉，就制成了各种形状的立柱、墙壁和屋顶，其质地和天然的岩石没什么两样。

换句话说，古罗马人学会了把岩石变为液体，塑形后再变回岩石的诀窍。人类历史上最重要的几种材料，无论是陶土、金属还是玻璃，本质上都是这种能够在液体和固体之间发生转变的物质。

混有砂石的水泥还有一个更加响亮的名字，叫做混凝土。这是一种革命性的建筑材料，因为它可以暂时变为液体，只要建筑工人开得了模，建筑师的任何想法都可以在混凝土的帮助下很轻松地实现。古罗马人很快学会了用浇筑法做出连续体的结构，从地基到屋顶一气呵成，著名的罗马万神殿就是这项技术的经典案例。这座建筑的半圆形穹顶直径达43.2米，屹立了2000多年而不倒，至今仍然是全世界最大的无钢筋圆顶建筑，如果没有混凝土的话这是不可想象的。

后人研究表明，古罗马水泥的寿命之所以如此之长，原因在于当地的火山灰中含有一种特殊的含铝雪花钙石，能够和海水起反应，变得越来越硬。可惜这种特殊材料非常罕见，古罗马人也搞不清这里面的科学原理，一直没能找到合适的替代品，所以水泥的制造技术在罗马帝国灭亡之后就失传了。人类在此后长达1000多年的时间里不知混凝土为何物，直到工业革命在英国爆发，人类这才重新掌握了这项技术，水泥重出江湖。

和其他建筑材料相比，水泥最大的优点并不是坚固，而是廉价。制造水泥的主要原材料就是普通的石灰石，储量非常丰富，开采也相对容易，用混凝土盖的房子物美价廉，就连最穷的人家稍微努力一下也能住得起，古人“居者有其屋”的理想终于得以实现。混凝土不但可以盖房子，也可以用来造桥修路，于是人类的活动范围大大扩展，普通人也可以很容易地出门旅行了。从某种意义上说，水泥是继铁器之后出现的第二种非常“民主”的原材料，水泥生产技术的进步使得人类的平权运动终于有了实现的可能。

但是，水泥有个致命的缺点，那就是污染环境。矿石开采本身就会对自然环境造成一定的破坏，水泥的生产过程也是空气污染的主要来源。据统计，中国水泥工业的粉尘排放占到工业排放总量的30%，氮氧化物的排放量约占全国总量的10%至12%，两项数据都仅次于能源工业。成品水泥粉末非常细小，很容易扩散到空气中，吸入后会导致各种健康问题，甚至有可能致癌，所以水泥厂大都建在远离居民区的山沟里，而且附近最好要有石灰石矿，我参观的这家水泥厂就是如此。

出乎我预料的是，这家工厂的厂区显得非常干净。虽然那天下着小雨，地面上却看不到太多淤泥，空气中也闻不到任何异味。原来，为了减少空气污染，国家出台了新法规，像这样的工厂必须全封闭运行，生产过程中产生的废气也必须先清洁再排放，所以这家水泥厂的大部分关键设备都安装在封闭的厂房内，不但我看不到，工人们也不必经常去车间，只需要待在中央控制室，通过仪表盘实时监控就行了。水泥生产的整个过程也全都在封闭的管道内进行，原材料全程不和外部接触，我只在最后的产品封装车间里闻到了一点水泥粉尘的味道。

虽然颗粒物污染问题基本解决了，但还有一种更加致命的污染暂时没办法解决，这就是温室气体排放。水泥生产过程需要经过两次加温，先要把石灰石加热到900℃，将其变为生料（石灰），再和其他矿石混在一起加热到1300℃，直至变为水泥熟料为止。厂区内最显眼的设备就是一根长约100米、直径超过5米的巨无霸金属管道，整根管子斜斜地吊在空中，雨水刚滴一滴到上面就被迅速地蒸发了，冒出一股股白烟。原来这就是运送水泥生料的管道，其外表温度超过了300℃，由此可见整个生产过程需要耗费多少能量。

据介绍，这家工厂每年生产180万吨水泥熟料，在国内应该算是中等规模。虽然他们采用了目前国际上比较先进的干法水泥生产技术，生产每吨水泥熟料依然需要消耗140公斤煤。按此标准计算，这家水泥厂每年需要烧掉25万吨标准煤。如果用这些煤来发电的话，至少可以发8亿度电，这相当于一个30万人口的县城一年的用电量。除此之外，石灰石变为水泥生料（氧化钙）的过程本身也会释放出大量二氧化碳，这是由水泥生产的化学反应方程式决定的，没法更改。事实上，这一步化学反应所释放出的二氧化碳占到了水泥生产总排放量的一半，加热所需的化石能源（大部分是煤炭）只占总排放量的40%，剩下的10%是矿石开采和运输过程中的能耗。整体算下来，水泥生产占到人类工业温室气体排放总量的一半左右，是绝对的污染大户。

根据联合国有关机构所做的统计，每生产1吨水泥，平均会向大气中排放大约900公斤二氧化碳。2019年全球一共生产了42亿吨水泥，相当于排放了将近40亿吨二氧化碳，约占当年整个人类活动所释放的温室气体总量的8%。如果把全世界的水泥厂当成一个国家来计算的话，这个“水泥国”的温室气体排放总量将会排在世界第三位，仅次于中国和美国。

在这42亿吨水泥当中，中国的生产量约为22亿吨，占比超过了50%。相比之下，和中国人口差不太多的印度2019年的水泥产量仅为3.2亿吨，占比8%。这个结果一方面说明中国的经济发展水平远超印度，普通中国人的居住条件也好于普通印度人，但从另一方面来看，建筑行业的高能耗很可能将成为中国2060年实现碳中和目标的最大障碍。

更糟糕的是，温室气体排放只是建筑业污染环境的原因之一，还有一些次要因素也不容忽视。

法国东南部，一名工人操控隧道掘进机施工。 这个项目是建设从都灵到里昂的高速地铁

 

1961年建成的全球第一条钢筋混凝土高架路，横穿西伦敦地区

 

2012年3月26日，农民工在南京某拆楼工地回收废钢筋

 

从砂石到钢材

单纯的混凝土有个最大的缺陷，那就是它虽然正面抗压能力优秀，但却无法承受侧向的拉扯，因此混凝土只能作为地基、廊柱或者圆屋顶的建筑材料，无法用于横梁或者悬垂楼面，因为这些部位会受到弯曲应力，一点小小的裂缝就会导致整个结构的崩塌。

最终解决这个问题的是一位名叫约瑟夫·莫尼耶（Joseph Monier）的巴黎园艺家，他用钢圈做骨架搭了个模具，再灌入水泥，做成了一个花盆，结果这个花盆既能抗压又能抗拉，是建筑师梦寐以求的绝佳建筑材料。于是，大名鼎鼎的钢筋混凝土诞生了。

事实证明，钢筋和混凝土是天生的一对。钢筋出色的抗拉性能正好弥补了混凝土在这方面的先天不足，而水泥的包裹则可以防止钢筋生锈。更妙的是，这两种材料的热膨胀系数居然也完全相同，这就保证了钢筋混凝土结构的建筑物无论在哪种温度下都不会变形。

因为有这些优点，钢筋混凝土逐渐取代了砖瓦、石头和纯钢材，成为高楼的首选建筑材料。如今全世界绝大部分高层民用建筑都是用钢筋混凝土搭建的，建筑工人先用混凝土打好地基，然后搭建一个模板，中间架好钢筋作为骨架，然后把搅拌均匀的混凝土浇筑在模板里，等其凝固后拆下模板往上搬一层，再重复一遍上述过程就行了。

不过，搅拌这一步通常不是在工地进行的，而是在遍布各地的混凝土搅拌站里完成的。这些搅拌站负责把水泥和骨料按照一定比例混在一起，加水后搅拌均匀，然后用特制的运输车运到工地。为了防止水泥和骨料分布不均，运输过程中也必须不停地搅拌，这就是大家在马路上经常见到的那种一边开一边转的搅拌车，有人因其形状特殊而称之为“橄榄车”。因为混凝土掺水后会持续变硬，所以搅拌车一旦离开搅拌站就必须在5个小时内抵达工地，这就是为什么搅拌站不能像水泥厂那样搞集中化，而是必须分散在各个地方。比如人口总数刚刚超过600万的三线城市湖北襄阳就有45家搅拌站，它们均匀地分布在整个市区，负责为各种房地产项目和公路桥梁等基础建设项目提供混凝土。

我去参观了其中一家名为“广捷”的混凝土搅拌站，站内设有4条生产线，一年的产能是60万方混凝土，大约够盖40幢高层住宅楼了。搅拌站必须保证混凝土的质量，所以搅拌站内建有一个设备齐全的实验室，负责按照施工方的要求设计出最佳的混凝土配方，并负责成品的质检。站内技术人员介绍说，一般情况下水泥和混凝土的配比是1∶3，即1吨水泥可以制造3方（立方米）混凝土，其余的是各种骨料，包括从发电厂运来的煤灰、用各种特殊矿石磨成的添加剂，以及砂石等等。除了水泥之外，最能决定混凝土性能的就是砂石的质量。该厂常年备有3种砂石，分别是黄砂、青砂和机制砂。

“黄砂就是河砂，质量最好，价格也最高，但现在国家管控得非常严格，很少用了。”一位技术人员介绍说，“青砂是另外一种河砂，虽然现在还在挖，但量也很少了。青砂颜色泛黑，质地较细，更适合用于调配抹墙的砂浆，不太用于建筑工程本身。而机制砂就是用机器打碎的鹅卵石做成的砂子，质量一般，价格只是黄砂的1/5到1/6。”

1982年，上海，承担宝钢一期工程建设任务的解放军基建工程兵正在安装一号高炉的配套设备（基建工程兵已于1983年撤销番号）

 

前文说过，水泥本质上是一种黏合剂，其作用就是把掺入的骨料黏在一起。骨料的主要成分是砂石，也就是体积很小的砂子和体积稍大一点的砾石的混合物。沙漠里的砂子经过多年的风吹雨打，棱角都磨没了，对水泥的附着力太弱，没法用。海滩上的砂子因为含有氯离子，对水泥有腐蚀性，也不能用于工程建设，否则会严重降低建筑物的使用寿命。

于是，我们只剩下河砂可以用了。如果你几年前曾经到过国内任何一条河边游玩，你一定会看到各种各样的挖砂船，它们挖出来的砂子很可能被填充进了你家房子的墙壁，或者你驾车驶过的大桥的桥墩。但是，最近几年国家出台了多项新政，对河砂的挖掘严加管控，这样的场景已经很难见到了。

这些政策当然是必须的。一来挖河砂会严重影响河滩湿地的生态环境，污染地下水源，二来河砂是体积较大的鹅卵石经过多年的河水冲刷而形成的，生成速度十分缓慢，如此高强度的挖掘早已超出了大自然的恢复速度，是不可持续的。

据统计，目前全世界每年消耗的砂石总量已经超过了400亿吨，使之成为继水资源之后开采量第二大的自然资源。除了用于制造混凝土之外，砂石还被用于制造玻璃、半导体材料和太阳能电池板，石油和页岩气的开采也要用到大量砂石，所以未来对砂子的需求量只会越来越大。如此僧多粥少的局面引发了大量暴力抢砂事件，很多地区的采砂行业都是被黑社会所控制的。根据联合国环境署（UNEP）所做的调查，全世界至少有70个国家存在不同程度的非法采砂活动，东南亚、南亚和非洲等地爆发的采砂冲突已经导致数千人死亡。

在砂石的使用量方面，中国毫无疑问又是世界第一。根据国家发改委所做的统计，2018年全国砂石产量超过了200亿吨，占世界总产量的一半。其中机制砂占到建筑用砂总量的70%，再这样下去恐怕连制砂的砾石也快要不够用了。另外，由于中国建筑用混凝土的技术标准都是根据河砂来制定的，必须重新加以修订才能更好地适应这一新情况，否则的话，中国建筑物的使用寿命又会打一个大大的折扣。

说起来，砂石应该算是地球上储量最大的固体材料，但因为人口增长太快，对建筑材料的需求量猛增，居然连砂石都快要不够用了。事实上，制造水泥所必需的石灰石也并不是高枕无忧的。中国建材工业规划研究院曾经于2005年组织专家进行了一次资源普查，发现中国石灰石的探明储量约为750亿吨，具有经济开采条件的仅有390亿吨，算下来只够用30～40年。不过这个结论遭到了另外一批专家的质疑，他们认为中国的石灰石潜在储量远超已探明储量，暂时还不用担心。

不管双方谁对谁错，有一点是肯定的，那就是石灰石和砂石都属于不可再生资源，总有一天会用光的。

砂石之所以属于不可再生资源，原因在于从石灰石到水泥的转变是一个不可逆的化学过程。用水泥制成的混凝土一旦报废就没有用处了，除了少部分可以拿去铺路之外，其余的都只能扔掉。中国的建筑垃圾已经占到城市垃圾总量的30%～40%，其中大部分都是混凝土，它们又没法烧，最终都进了填埋场。

废旧混凝土有两个主要来源：一是施工过程产生的损耗，平均每1万平方米建筑大约会产生500～600吨建筑垃圾，其中大部分是混凝土；二是报废旧建筑的拆除，平均每1万平方米报废旧建筑会产生7000～1.2万吨建筑垃圾。后者的总量远比大家想象的要大得多，原因在于钢筋混凝土并不是一种非常耐用的建筑材料，日常的风吹日晒、细菌生长和酸雨污染等都会加剧钢筋混凝土的腐蚀和老化，导致大部分建筑物用不了太久就得花钱保养。照理说，中国钢筋混凝土建筑的设计寿命是50～70年，但由于一些不法承包商偷工减料，以及老式建筑功能落后，跟不上时代发展等原因，改革开放初期盖起来的那批居民楼的寿命要比50年短得多。住建部的公开报告显示，大多数中国现有建筑物平均只有25～30年的使用寿命，因此中国每年拆毁的老建筑占新建筑总面积的比例高达40%。若按照中国每年新增40亿平方米新建筑来计算，仅此一项每年就将产生10亿～20亿吨建筑垃圾，其中有相当一部分废弃混凝土最终都进了填埋场。

钢筋混凝土中的钢材情况稍微好一点，因为钢铁是可以被回收利用的原材料。事实上，任何含铁的工业产品，报废后原则上都可以拿回去重新炼钢，不会被浪费掉。像美国这样的老牌工业国家因为有相当长的炼钢史，积攒下来的废钢铁非常多，所以美国目前每年新生产的钢铁已经有一半是来自报废回收的废钢铁了。

但是，中国是个发展中国家，暂时还达不到美国的水平，所以仍然需要消耗大量铁矿石。“新中国从成立到现在一共生产了90多亿吨钢材，几乎全都被用掉了，没剩下多少。”中国钢铁工业协会冶金工业规划研究院总工程师程小矛对我说：“目前中国每年的钢产量约为10亿吨，其中8亿吨来自铁矿石的冶炼，只有2亿吨来自废钢铁的回收利用。但随着时间的流逝，将来会有越来越多的废钢材被回收利用，比如未来几年预计将会报废一大批旧汽车，废钢铁就回来了。”

按照程小矛的设想，随着人口增长极限的到来，一方面未来的用钢量会逐渐减少，另一方面废钢铁也会越来越多，两者会逐渐达成某种平衡，这就大大减轻了铁矿石的开采压力，所以我们暂时还不必担心铁资源的枯竭问题。

话虽如此，炼钢仍然是一个高耗能的过程。整个炼钢产业的温室气体总排放量几乎和水泥差不多，也就是说全世界的钢筋水泥所产生的二氧化碳占到人类活动释放的温室气体总量的16%，大致相当于全美国的温室气体排放量。中国的情况更糟，水泥和钢铁的碳排放已经分别占到全国总碳排放量的12%和15%，几乎是世界平均水平的两倍。如果继续按照现在的模式发展下去的话，整个建筑行业要么会因为排放了太多的温室气体而烧毁地球，要么会因为消耗了太多的砂石资源而挖空地球。两种不同颜色的药丸，无论选哪一个都是死。

要想彻底解决这个问题，我们必须换一种思路，试试其他的建筑材料。

日本奈良的法隆寺五重塔

 

用木材盖房子

读到这里也许有读者会问，中国人口虽多，但也仅占世界人口的1/5而已，为什么我们的钢筋混凝土产量居然占到世界的一半呢？难道外国人都不盖房子吗？对这个问题的一个最简单的回答是：很多外国人居住的房子都是用木材盖的。

说起来，中国曾经是世界上最大、历史最悠久的木结构建筑使用国，我们早在宋代就有了《营造法式》这样的木结构建筑技术专书，并在此基础上建立了一整套以榫卯为主要特征的梁柱式木结构建筑标准。可惜的是，由于多年战乱，大部分中国古代木建筑都被损毁了。目前国内保留下来的最古老的木结构建筑是五台山的南禅寺，只有1200多年的历史。相比之下，邻国日本保留下来的古代木建筑数量更多，规模也更大。比如日本奈良的法隆寺五重塔建于公元607年，距今已有1400多年的历史了，是公认的全世界现存最古老的木结构建筑。

东亚诸国之所以更喜欢木建筑，主要原因在于这片地区地震频繁，洪灾和台风的出现频率也非常高，木建筑抗震性能好，万一被毁，重建也相对容易些。相比之下，古罗马人因为发明了水泥，更喜欢建造石头房子。罗马帝国虽然很早就灭亡了，但这些石头建筑却保留了下来，成为后人的榜样，所以大部分欧洲人也都喜欢用石头盖房子，留下来的木建筑比东亚少得多。

木材虽然是可再生材料，但古代的木结构建筑用的大都是原木，对木材的需求量非常大，原材料逐渐供应不上了。比如著名的山西应县木塔在建造时几乎砍光了县内所有的树木，这个做法显然是不可持续的，于是到了民国时期很多民居便改为砖木结构了，因为好的木材实在是用不起了。

中国建筑西南设计研究院有限公司高级工程师杨学兵教授

 

但是，真正让木结构建筑从中国逐渐消失的是上世纪50年代开始的“大炼钢铁”运动，中国境内剩下的一点森林几乎全都被砍下来用掉了。等到1963年修订中国建筑规范时，党中央提出了以钢代木、以塑代木、以竹代木的口号，很多与木结构相关的技术内容从标准规范里消失了。就这样，中国人从60年代开始大量采用砖瓦来盖房子，就连门窗和家具也都改用廉价的塑料和胶合板来制造。纯粹用木材造的房子只在边远的农村地区还保留了一点，城里几乎见不到了。

就这样过了30多年，整整一代中国人都已忘记了祖先们原本是住在木头房子里的。直到1997年中国申请加入世界贸易组织，情况发生了变化。“1998年底中美举行贸易谈判，美方指出中国的木结构相关规范里有贸易壁垒，因为中国的木结构建筑法规里没有任何关于进口木结构的内容，因此也就没有办法进口美国木材并在建筑工程中应用。”中国建筑西南设计研究院有限公司高级工程师杨学兵教授对我说，“后来美方邀请了中国专家去美国研究考察，回来后专家们立即开始修订国家标准的《木结构设计规范》，并于2003年正式颁布实施，中国的木结构建筑看到了复兴的曙光。”

就在新的《木结构设计规范》正式颁布的前一年，第一幢美式木结构住宅在北京的温哥华森林小区动工了。中国人喜欢把这种独门独院的美式住宅称为别墅，其实这在美国就是很普通的民用住宅而已，专业术语称之为轻型木结构建筑。这种房子不直接用原木，也不用榫卯这种费时费工的传统连接方式，而是用金属连接件和圆钉把现成的锯材（规格材）钉在一起作为框架，中间用保温隔音材料填充，内墙铺设石膏板将木结构部分覆盖住，外墙面则用定向刨花板或胶合板覆盖，然后再用各种挂板、抹灰或者砌筑等方式进行装饰，使人看不出房屋的材质。

从这个过程可以看出，轻型木结构房屋的建造要比钢筋混凝土容易得多，工期也更短，在人工费非常高的北美地区很有优势。这种房屋一般使用来自针叶林的软木规格材，这种木材的质地虽然不是最硬，但胜在木纤维比较长，力学性质均匀可靠，而且不像来自阔叶林的硬木那样价格昂贵，后者大都用来造家具了。地球上绝大部分针叶林产自寒带，北美（尤其是加拿大）、北欧和西伯利亚等地保留有大片的松树和杉树等松科树种，都非常适合用来盖房子，所以欧洲和北美的普通住宅大都是木结构的，只有在大城市才能见到少量钢筋混凝土结构或者钢结构的办公大楼。

早期伐木场景（摄于1945年）

 

美国亚利桑那州，工人们在建造木结构房屋（摄于1952年）

 

一提到森林，很多人脑海里立刻就会想到环保，坚信树是最宝贵的自然资源，砍树一定是不好的。但在加拿大，森林的定位和大家想象的有些不一样。“加拿大拥有347万平方公里林地，其中24万平方公里是被保护的原始森林，绝对不能动。但加拿大有166万平方公里的次生林地获得了第三方可持续森林管理认证，原则上是可以砍伐的。”加拿大木业（Canada Wood China）规范与标准部门高级总监张海燕对我说，“据统计，2014年加拿大砍伐了7200平方公里林地，而2015年的几场森林大火就烧掉了3.9万平方公里林地，是砍伐林地面积的5倍多。事实上，加拿大每年因为森林大火被烧掉的林地都要比砍伐的林地多，与其白白烧掉，还不如拿来用。”

确实，从环保的角度讲，很多历史悠久的商业林地都是单一树种的次生林，不但对生态环境无甚益处，而且很容易引发大火，反而得不偿失。像加拿大这样的森林大国，虽然每年都至少出口2000万立方米的木材，但相比于该国的森林总量来说几乎可以忽略不计。另外，按照加拿大政府的规定，伐木工人每砍倒一棵树都必须立刻补种3棵树，所以这个行业是非常可持续的。与此类似的还有俄罗斯、瑞典、澳大利亚和新西兰等高纬度国家，它们都是软木的主要出口国，也是中国木材的主要进口国。

当气候变化成为全民关注的焦点之后，大力发展木结构建筑就又多了一个强大的理由，因为木材本身相当于碳的仓库（碳汇），可以有效地锁住二氧化碳，不让它轻易地释放到大气中。据计算，每立方米木材在生长过程中可以消耗并储存大约1吨的二氧化碳，大致相当于350升汽油燃烧后的碳排放。如果用这方木头盖房子，就意味着少排了1吨二氧化碳。除此之外，木材的比重是钢筋混凝土的1/5左右，木结构建筑的施工过程也会节省大量运输能耗。还有，木材的隔热性能是钢筋混凝土的10倍以上，木结构建筑在使用过程中的能耗也远比钢筋混凝土房子要低很多。

最重要的一点是，一旦木结构建筑因为某种原因而报废，拆下来的木材可以很方便地回收利用，不像混凝土那样只能扔进垃圾填埋场。

气候变化因素甚至对森林的砍伐模式也产生了影响。此前人们都是等到树木长到最粗时再砍下来作为建材，这样可以卖个好价钱。但新的研究表明，当针叶树种长到一定年龄后，其吸收二氧化碳的能力便会逐年下降，所以最好的办法是在树木老去之前就将其砍下来加以利用，同时补种新的树苗，这么做会大大提高二氧化碳的吸收效率，最大限度地发挥森林的碳汇优势。

但是，当我们谈论中国的森林时，情况就有些不一样了。据统计，中国的森林覆盖率仅为22%，远低于31%的全球平均水平。如果算人均的话，更是仅为全球平均水平的1/4，这就是为什么禁砍禁伐式的森林保护政策一直是中国的主旋律，尤其是1998年长江洪灾之后，封山育林作为国家政策被写进了《森林法》，砍树更加不受欢迎了。

澳大利亚墨尔本的Forte公寓楼

 

虽然砍树越来越难，但木材仍然要用。2019年中国的木材消耗量为6.31亿立方米，主要用于造纸、家具和装饰基材等，真正用于建造木结构房屋的极少。中国目前每年新建的木结构建筑仅为200万～300万平方米，只占每年新增建筑面积的0.15%左右，几乎可以忽略不计。但因为中国体量太大，再加上国家鼓励木材进口，去年的木材（锯材+原木）进口量再次突破1亿立方米，进一步巩固了全球木材第一大进口国的宝座。

虽然目前的情况不太乐观，但杨学兵教授认为再过几年有可能会发生很大变化。“中国是全世界最大的人工林种植国，总的种植面积超过了100万平方公里。虽然中国人工林的质量不算太好，主要用于造纸了，但东北和西南等地种植了大量松树和杉树，都很适合用于建筑材料。”杨教授对我说，“这些软木的生长期是70～100年，但过了70年后生长力开始衰退，就该砍下来用了。中国曾经在70年代种植了大量人工林，再过20年就可以用了，否则就会白白浪费掉。”

杨学兵认为，木材一定要用起来，否则广大林农就没有积极性了。这方面的一个好例子就是日本。日本的人口密度很高，但目前大部分日本民居都是木结构的日式工坊，美式轻型木结构房屋的占比也达到了25%左右。除了日本木结构建筑传统保持得比我们好，以及日本位于地震带上这两个主要原因之外，日本的森林管理体系健全，木材供应较为充足也是重要原因。二战结束后，作为马歇尔计划的一部分，美国人在日本一次性种植了大量柳杉和日本落叶松，如今都到了该采伐的时候，于是日本政府近年来出台了一系列政策鼓励木材出口，同时也鼓励本国老百姓用木材盖房子，每幢木结构民居由政府出资奖励20多万日元。

当然了，中国人口总量巨大，又正好处于快速城镇化的阶段，要想在短期内复制日本模式是不可能的，钢筋混凝土在未来很长一段时间内仍将是中国建筑的主要原材料。但是，如果二三十年后中国城镇化目标基本达成，大批人工林也到了该采伐的时候，再加上2060年碳中和目标的压力，木结构建筑迎来一次大规模复兴不是没有可能的。

不过，木结构建筑在中国的复兴还有一个很大的障碍需要克服，那就是土地资源紧缺。凡是去过日本的游客肯定都会注意到，除了东京、大阪等少数大城市之外，日本的高楼很少，大部分日本人都住在三层以下的小楼中，因为轻型木结构建筑通常只能盖这么高。中国显然很难复制这种居住模式，因为中国的耕地就快要不够用了。

难道木材不能用于盖高楼吗？答案显然是否定的，应县木塔就是个好例子。

宁波中加低碳新技术研究院有限公司承建的正交胶合木结构展示厅

 

国际木材科学院院士王建和

 

用木材建高楼

山西应县木塔始建于公元1056年，距今已有将近1000年的历史了。这座9层木塔高65.8米，大致相当于现代普通住宅楼的20层那么高。整座宝塔没有用一根钉子，全部依靠榫卯连接，是古代木结构建筑史上的一座里程碑。

古人能做到的事情，现代人当然也能做到，只不过古人可以不计成本，现代人则必须考虑投资效益和环境影响。比如应县木塔用的都是原木，如今的建筑师没有那么多原木可用了，必须另辟蹊径，现代工程木材料就是在这个背景下诞生的。

所谓工程木，就是将体积较小的锯材经过工程化的设计，采用钉接或胶黏的办法，变为体积较大且比高质量原木的物理力学性质还要好的工程木板材。最常用的工程木是胶合木（Glulam），主要分为两大类：第一类叫做层板胶合木（Glue-laminated Timber），就是顺着木纹的方向将几块普通锯材胶黏在一起而制成的建筑材料，主要用于建筑物的承重部分；第二类叫做正交胶合木（Cross-laminated Timber），就是按照木纹一正一反的顺序把普通锯材交叉叠放，然后再胶黏在一起而制成的建筑材料。因为不同木纹方向的刚性是不同的，正交胶合木在两个垂直方向上的抗压能力都非常强，更适合制成楼板、屋面板和墙板等需要承受多方压力的组件。如果把这两种工程木料结合起来使用的话，完全可以建造6层以上的高楼。

事实上，因为胶合木的比重只有钢筋混凝土的1/5到1/7，而正交胶合木的强度比同等重量的钢筋混凝土要好很多，地基不用打得那么深，再加上木结构的抗震性能比钢筋混凝土结构有天然的优势，所以胶合木构件在理论上甚至比钢筋混凝土更适合用于高楼。

这两种胶合木当中，正交胶合木因为其优秀的性能而深得当代建筑师们的喜爱。这种产品是在上世纪90年代在奥地利被发明出来的，部分原因是为了解决家具和造纸行业的消亡。以前这两个行业消耗了大量木材，但随着塑料工业和计算机行业的快速发展，人们对木制家具和纸张的需求量大减，奥地利人急需为本国出产的木材找到一个新的需求点，便发明了正交胶合木这种新型工程木材，试图挑战钢筋混凝土在高层建筑领域的霸主地位。

2009年，英国伦敦建成了一幢高达30米的9层木结构Stadthaus公寓楼，全球木结构高楼建筑大赛就此拉开序幕。3年之后，澳大利亚墨尔本的Forte公寓楼把这个纪录提高了2米，只不过这幢大楼的第一层商铺用的是混凝土，只有上面9层公寓用的是正交胶合木，不算太正宗。2017 年加拿大魁北克市建成的Origine大楼首次突破了40米大关，不列颠哥伦比亚大学的温哥华校区则在同一年建成了一幢高达53米的学生公寓楼Brock Commons，吸引了全世界的目光。该楼属于混合型木结构高层住宅楼，一共有18层，大部分建筑材料用的是工程木，但地基和底层，以及两个核心筒（内含电梯井、电梯和设备立管）为现场浇筑混凝土，3层至18层的结构由胶合木柱和正交胶合木楼板组成，但在墙体外覆盖了一层石膏板，看不出里面的木结构了。

这幢学生公寓楼“世界最高木建筑”的头衔只保持了两年就被挪威的Mj～st～rnet大楼抢走了。这幢一共18层的旅馆兼办公大楼高85.4米，主体结构和墙面都是用本地出产的工程木做的，只在地基和最高层的阳台部分用了一点点钢筋混凝土，被公认为是当今环保建筑的典范。

这几幢木制高楼的成功让很多重视环保的建筑师看到了希望，纷纷开始了自己的尝试。荷兰、挪威和奥地利各自有一幢高度分别为73米、80米和84米的木结构建筑正在施工过程中，瑞典和法国的工程师计划建造两幢高度分别为112米和120米的木制高楼，力争成为第一个打破百米极限的国家。不过，野心最大的当属美国、英国和日本这3个老牌经济强国，其中美国人正计划在芝加哥建造一幢高228米的榉木塔楼，英国人则计划在伦敦建造一幢高304.8米的橡木塔楼，日本的住友林业公司最厉害，计划在2041年公司成立350周年的时候在东京建成一幢高350米的木制塔楼。如果这3幢木结构大楼真能如期建成的话，绝对可以跻身摩天大楼的行列了。

值得一提的是，住友林业公司还和京都大学合作，计划在2023年发射一枚木制地球轨道卫星，因为木结构比合金更轻，将来报废后也很容易彻底烧掉，不论是从降低发射成本的角度，还是从减少太空垃圾的角度来看，木结构地球轨道卫星的优势都很明显。

这一波木结构高层建筑热潮带动了工程木产业的兴旺。2018年全球正交胶合木的总产量达到了120万立方米，预计到2024年时将超过300万立方米。全球产能主要集中在欧洲和北美地区，亚洲的产能则大部分集中在日本，2018年日本的正交胶合木产量已经达到了4万立方米。按照每1万立方米正交胶合木需要砍伐5000棵树来计算，仅在2018年全球就有60万棵树的碳汇被储存在了建筑结构之中。

中国在这方面比较落后，目前仅在山东有一幢6层的新型木结构示范建筑。国内能够制造正交胶合木的工厂只有两家，位于江苏盐城的那家工厂最近停产了，于是我专程去浙江宁海参观了另一家工厂，亲眼看到了这种神奇的建筑材料是如何被制造出来的，以及它在重型木结构建筑中的使用情况。

这家工厂隶属于宁波中加低碳新技术研究院有限公司，创始人王建和就是宁海本地人。他本科上的是南京林业大学，毕业后去加拿大的不列颠哥伦比亚大学学习材料科学，专攻工程木材料，是这个行业的国际知名专家。2013年，身为国际木材科学院（IAWS）院士的王建和回国创业，成立了这家合资企业，主攻低碳节能环保建材。公司主要核心成员均来自加拿大，大部分原材料也都是从加拿大进口的。

我去参观那天，正好有一批刚刚运来的加拿大木材。它们先按照北美规格被锯成宽3.5～5.5英寸，厚1.5英寸，长度在12～20英尺之间不等的长木条，干燥后就变成了堆在厂房里的这捆宽8.9～14厘米，厚3.8厘米，长度在4～6米之间的锯材，它们就是制造正交胶合木的主要原材料。

“这批锯材来自加拿大铁杉，这种树只要长到30厘米的胸径就可以砍伐了。”王建和院士介绍说，“最近大概因为疫情的原因，像这种二级锯材已经从每立方米2000多元涨到将近3000元了。”

这批锯材旁边正好堆着一摞刚做好的正交胶合木预制板材，是用3层锯材正交交叉叠加后粘在一起做成的，厚度约为10.5厘米，长度和宽度可以按照客户的要求任意扩展。如果客户还嫌不够厚，还可以两层两层地加，直到符合要求。换句话说，正交胶合木的层数一般是单数的。

通常情况下，7层的正交胶合木（厚度约为24.5厘米）就足以满足大部分建筑的需要了，因为这种胶合木真的非常结实！北京工业大学在这间仓库里设立了一个专门测试工程木蠕变速度的试验台，6×6米的3层正交胶合木板被放在一个空心铁架子上，木板上方压了好几个沉重的沙袋，但整块木板看上去几乎是水平的，只在正中心有一点不易察觉的下弯。我完全可以想象用这种正交胶合木板来代替钢筋混凝土，用作一间36平方米的屋子的地板，其承重能力应该是足够的。如果还嫌跨度不够的话，只要再增加板材厚度就可以了。

看过实物之后，我立刻就明白了正交胶合木为什么会被称为环保建材。这项技术可以把原本胸径不够大的原木通过锯切和拼贴的方式加工成任意尺寸的预制板材，其力学性能甚至比同等大小的原木还要好，这就大大扩展了建筑用木材的取材范围，不但节约了木料，也节约了宝贵的森林资源。

“我们会先把锯材送进干燥窑烘干，使之达到建筑物所在地的平衡含水率，然后经过分级、截断、刨光后再用单组份聚氨酯胶将处理好的锯材粘在一起，再经过高压压制和铣型，就可以送去盖房子了。”王建和院士介绍说，“不过我们的淋胶设备因为有段时间没有开工，胶口堵住了，我订的新配件还没有到货，所以无法演示给你看。”

虽然看不到生产过程有点可惜，但我也因此知道目前正交胶合木的国内需求量肯定不算大，否则像这样的生产线是不会轻易停工的。

国内胶合木一直流行不起来的原因有很多，大家最容易想到的是成本。据王院士介绍，单以建筑物外壳成本来计算，目前国内砖混结构的普通民用住宅建筑成本为每平方米低于1000元，钢筋混凝土结构大致在1500～2000元之间，用普通锯材或板材直接搭建的轻型木结构成本就上升到了4000元左右，而完全用正交胶合木建造的话目前成本大致在5000～6000元。

“正交胶合木虽然初始成本较高，但因为建好后就可以直接暴露使用，可节省一大笔装修费用。”王建和院士对我说，“另外，木结构建筑的工期短，后期的使用成本也更低，建筑报废后建筑材料可以回收利用，这些都是钢筋混凝土建筑所没有的优点。”

这些优点显然更适合发达国家的国情，再加上西方国家的碳市场机制更为健全，混凝土因为高排放而被课以重税，导致木材反而要比钢筋混凝土便宜，所以木结构建筑在西方更为流行，对正交胶合木的需求量越来越大，而规模效益又进一步降低了价格，形成了一个良性循环。

但在中国，木结构的这些优点被我们独特的产权结构和经济模式稀释了。大部分国内客户最看重前期投资，因为谁也不敢肯定30年后这房子会属于谁。于是目前国内的绝大部分木结构建筑都是为一些特殊用途服务的，比如度假村、高级会所、展览馆和图书馆等，真正用于居住的极少。王院士带我去参观了一幢这样的建筑，这是受宁海县政府委托建造的一个全正交胶合木居住中心项目，总建筑面积488平方米，8名工人仅花了20天就完成了主体木结构的装配，再加上各种特殊辅助设施的安装调试，总共只花了4个月就交钥匙了，同等类型的钢筋混凝土建筑至少需要一年。

这幢小楼建在县公安局院内，虽然只有两层，但因为外墙只涂了一层透明的防水涂层，木头的颜色和花纹全都裸露在外，和周围一堆钢筋混凝土办公楼相比显得鹤立鸡群。走进楼内，首先会闻到一股木头的清香味道，同时身体也会很明显地感受到一种木房子特有的温暖感觉。南方的冬天十分阴冷，木结构强大的保温性能为业主节省了不少空调费。

房间的内墙也没有刷漆，原木特有的木纹和节疤都清晰可见，野趣十足。因为木墙上可以随便钻孔打洞，所以各种附加的管道和电路都可以轻松布置，修改起来也容易，各种挂件也可以直接钉在墙上，不用担心钉子的位置，这些优点可以算是木结构建筑为使用者带来的额外好处吧。

从名义上讲，这是全中国第一栋全部采用正交胶合木制造的两层重型木结构公共居住建筑，但这只是因为业主有特殊需要才这么做的，因为正常情况下两层楼根本不需要动用正交胶合木，普通轻型木结构就足以胜任了。

正交胶合木最适合用于6层以上的高楼，只有高楼才能最大限度地发挥这种新型工程木的潜力。但在中国建木结构高楼有个难以克服的困难，这就是中国建筑的防火规范。

“其实木结构建筑的防火性能比我们想象的要好，因为大断面木材在受热分解时表面会形成一层碳化层，起到了一定的隔离作用，使得碳化层推进速度缓慢且稳定，整体结构不至于突然垮塌。”张海燕对我说，“相比之下，钢材在700℃高温下就会变软，完全丧失承载能力，世贸大厦就是这么坍塌的。”

在张海燕看来，在防火安全理念上，中国是材料防火和耐火极限双控，而欧美国家已普遍采用基于目标的防火规范，即不具体规定材料的选择而只提出防火安全性能目标，这么做更有利于材料的创新。

但在杨学兵教授看来，国内标准之所以会这么定，是因为国内目前的消防原则是既要保护生命安全也要减少财产损失。“国外消防原则主要是看是否满足耐火极限，房子失火后只要逃生通道能保证一定时间内畅通，让人能跑出来就行了。”杨教授对我说，“国内标准不但对耐火极限有要求，还要满足材料是否可燃的要求，目的是为了保证房子最好不烧起来，但这么做所需的成本太大了，并不划算。”

归根结底，还是因为国内木结构建筑已经停滞了很多年，无论是研究者还是建筑工人都缺乏这方面的经验。比如，北京林业大学直到2016年才开始招收木结构专业的大学生，由此可见中国在这方面的人才缺口有多大。王建和院士创立这家研究院的一大目的就是培养这方面的人才，国内很多相关院校都来这里搞过合作研究，因为他这里有制造正交胶合木的能力。

不过，办公司不赚钱是不行的。面对国内低迷的市场，王建和院士只能主动出击，通过承包工程项目的办法来带动正交胶合木的销售。目前他手头正在做的一个项目是给一家当地的文具企业建一个产品展示厅，这家企业有一幢5层的钢筋混凝土办公楼，展示厅就建在办公楼的屋顶上，据说这是全世界第一个加盖顶楼的重型木结构建筑。

我上午专程去参观了施工现场，立刻看出木结构真的是太适合这样的项目了。一来木结构建筑的施工速度特别快，比如这个近300平方米的展示厅理论上10天内就能建好，对现有设施的影响非常小；二来整个施工过程属于“干作业”，没有搅拌车，也不用打水泥，不会产生任何建筑垃圾，基本上不会影响办公楼周边的卫生环境；三来木结构比钢筋混凝土轻很多，对顶楼楼板的压力不大，更容易获得批准。

吃完午饭，我又去了一次工地，没想到却目睹了一起激烈的争论。业主方的一位负责人指着正交胶合木墙体上的一个小缺口冲王建和院士大喊大叫，指责工人偷工减料，用了不合格的木材。王院士不愿和对方争论，很快就离开了现场。

回到公司后，王院士再次带我去仓库看那批加拿大进口的二级锯材，我发现很多边角都不那么整齐，而是缺了一小块，原来那就是树皮的所在地，专业术语称之为缺棱。如果要想完全避免缺棱的话，就得浪费更多的木材，那样的话木材等级就高了，价格当然也就更贵了。“缺棱的问题早就被研究过很多年了，局部的少量存在是国内外相关标准都许可的，不会影响正交胶合木的正常使用。”王院士拿出手机给我看他拍的一些国外木建筑的细节照片，果然能看到不少类似的缺陷。

回到会议室，我看到桌子上放着几块木料样品，它们全都没有瑕疵，像常见的钢筋混凝土或者金属制品那样完美无缺。那位甲方负责人很可能习惯了这样的样品，误以为真实的胶合木也会和这些样品一样完美，这才会在施工现场大发雷霆。

也许，这才是推广类似胶合木这样的生物质建材最大的困难所在。木材本质上是一种天然的、可再生的生物质材料，它原本是一棵树的一部分，天生就带有生命特有的不完美性。如果我们还像对待钢筋混凝土或者金属、塑料等人工制品那样对待这种生物质材料，必然会挑出各式各样的小毛病。但是，如果我们还想继续使用生物质材料，享受生物质材料带来的种种好处，那就必须换一种思维方式，学会接受生物质材料与生俱来的那些小缺陷。

更重要的是，我们必须换一种审美方式，重新学会欣赏生物质材料的这种不完美。人类所面临的很多现实问题，归根结底都是因为现代人过于贪婪，忘记了对完美的过度追求往往需要付出昂贵的代价。随着世界人口的持续增长，这样的代价我们已经快要付不起了。

结语

制造水泥的主要原料是石灰石，而地球上绝大部分石灰石都是古代海洋生物留下的骨骼化石。换句话说，石灰石和煤炭、石油、天然气一样，都是古代生物留给我们的遗产。在这个高速发展的时代，也许我们应该停下来认真地想一想，我们将会给后人留下点什么呢？