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The Architects Who Dream of a New Stone Age
世界上许多屹立最久的建筑都有一个共同点：它们由石头建成。然而，你很难在现代建筑中找到这种经得起文明更迭的材料被用作结构构件。许多石材建筑都是冒牌货：薄薄的石灰石或花岗岩饰面，掩盖着混凝土和钢材骨架。
石头作为地壳的日常职责，是支撑整个城市、国家和大陆。但它很少被充分发挥潜力，作为一种承重材料使用；而它的强度可能超过混凝土。
在伦敦北部芬奇利路，一项新的住宅开发项目希望改变这种状况。该项目由当地建筑事务所 Groupwork 和工程公司 Webb Yates 设计，名为 Petra Heights，共有三栋楼、22 套公寓，其中最高的一栋高达 10 层。乍一看，你可能会把它误认为普通的高层住宅项目。但整个建筑由约 1,000 吨火山岩支撑，并在外部披上一副巨大的锈红色外骨骼，供世人看见。
为了保持直立，超过五六层的建筑通常依靠钢筋混凝土框架，以及一个像脊柱一样发挥作用的混凝土稳定核心。但在这里，石柱和石梁承载建筑重量，不需要核心或钢制加固件——当然也不需要饰面，因为石头同时充当结构和外立面。“据我所知，这以前从未做过，”Webb Yates 联合创始人史蒂夫·韦布说。“阻止这栋楼被风吹倒的，只有未经加固的石头。”
Petra Heights 很快可能会迎来其他同类建筑。Groupwork 和 Webb Yates 一直在努力证明，这种最古老的材料在未来建筑业中有着令人意外的新角色。他们坚持认为，石头可以帮助降低一些规模最大、排放最密集建筑的碳排放。
欧洲各地其他不走寻常路的建筑师和工程师——在里昂、巴黎、日内瓦和帕尔马——也在推动结构石材达到新的高度。一些采石场和石匠相信石头将迎来第二次兴盛，已经开始制造预制建筑构件，使现代高层建筑建造者能够用石头替换钢材和混凝土。
混凝土和钢材的问题归根结底在于，它们的原材料必须经过开采、粉碎、混合，并在极高温度下熔合——这是一个排放密集型过程，产生了人类总碳足迹的 16%。另一方面，石头实际上已经是现成材料：它要么经过数千年的沉积作用胶结而成，要么由熔融岩浆锻造而成。韦布说，这种材料的强度可以超过混凝土的两倍（而混凝土基本上就是重新制成的石灰石）。
“你真正需要做的，就是把它从地下挖出来，再切成所需形状，”工程师斯科特·布特说。他正在为结构工程师学会撰写业内首份承重石材正式指南。“它是低碳的——前提是你在本地使用，并尽可能以大规格使用，这样切割缩小尺寸就不会增加你的能耗足迹。”
研究表明，结构石材构件造成的碳排放最多可比混凝土低 75%；与钢材相比，这一数字可达 99%。
由于没有关于如何使用承重石材建造的正规培训，试图推动这场复兴的建筑师和工程师大多是自学成才的——他们许多最初的实验也是自费完成的。在法国，建筑师吉勒·佩罗丹首先用预切石块为自己建造了一座酒庄，将石块像巨砖一样堆叠起来，形成承重墙；随后，他逐步发展到更大规模，于 2011 年在图卢兹附近建造了一项三层社会住宅项目。佩罗丹启发了西欧各地一波类似项目。如今，77 岁的他正在建造自己迄今最高的石材建筑：里昂一栋九层社会住宅楼，将提供 145 套住房。
从技术上说，这位建筑师认为石材建筑的高度没有上限。“地球上最高的石头建筑大约有 1 万米高，”他喜欢这样说，指的是珠穆朗玛峰。“这证明我们可以用石头建造高层建筑。”
不过从实际情况看，承重墙超过一定高度后会变得厚得难以承受——这也是结构石材最初失宠的原因之一。费城城市政厅在 1901 年完工时是世界上最高的可居住建筑，其花岗岩地下室墙体为支撑上层楼层，著名地厚达 22 英尺。1908 年，这座建筑很快被纽约市采用钢框架的胜家大厦取代。此后，世界上所有最高的建筑——以及大多数并不那么高的建筑——都用大规模生产的钢材和钢筋混凝土制成的纤细柱梁，替代了承重墙。
“框架建筑意味着你可以拥有非常薄的墙和玻璃橱窗，”剑桥大学建筑与建造史教授詹姆斯·坎贝尔说。“这绝对与时尚无关，而完全关乎经济性和实用性：人们希望建造超过六层的建筑，并以尽可能低的成本完成。”
当时，石材的供应链也主要是手工化的，无法轻易适应工业时代的需求。石材工程很快变成了装饰性饰面。石匠兼作家理查德·罗兹称，到 20 世纪下半叶，建筑中石材的平均厚度已经不到两英寸。
不过如今，计算机控制的金刚石线锯和钻机等技术进步，加上巧妙的工程设计，已经使人们可以重新构想以石头打造结构框架。韦布认为，气候变化也使这件事变得必要。“我们必须用更少的碳来建造，”这位 Petra Heights 工程师说。“正是这一点，让它从一种有些奇特的好奇事物，变成了关乎生存的重要事项。”
在英国，韦布和 Groupwork 创始人阿明·塔哈在 15 年多以前就开始探索结构石材。塔哈位于伦敦的旧居和办公室——曾入围斯特林奖的克勒肯韦尔克洛斯 15 号——采用由混凝土核心支撑的石灰石外骨骼。借助 Petra Heights，他们成功将高度增加了四层。这栋建筑仍依赖混凝土地基和楼板，但 572 根由西西里玄武岩和挪威拉维石制成的柱梁，通过钢制销钉和托架连接起来，承载这栋 30 米高建筑的垂直荷载和风荷载。
据韦布称，与钢筋混凝土相比，使用如此多的石材使建筑的隐含碳足迹降低了 32%。“这不是一件极其纯粹的作品，”他说。“芬奇利路项目的意义在于，它展示了结构外骨骼的可行程度。”
Groupwork 和 Webb Yates 在一份报告中表示，同样的方法可以扩展到一栋 30 层摩天大楼，在不抬高成本的情况下节省“数千吨二氧化碳”。这两家公司目前还在推介一座位于阿尔巴尼亚的 80 层酒店，采用类似的当地石材外骨骼。
塔哈推测：“如果我们打个响指说：任何拿起笔画图的人都必须用石头和木材建造，那么如今建筑业就会成为碳封存产业，而不是每年大气碳排放的 40% 来源。”
我们的星球大部分由岩石构成，因此石头供应充足。但要在某个项目地点附近找到一座采石场，能够开采出足够长、足够坚固、可以制成柱梁的石块，则是另一回事。钢材和混凝土建筑的主导地位迫使许多采石场关闭，或转向表面材料和骨料等产品。“英国显然有大量石头，但采石场并不多，”韦布说。
地质性质也很重要。石头可以承受巨大的压力，但容易因侧向力而开裂。尤其是梁，必须用非常坚固的石材制造，或者另行加固。Groupwork 和 Webb Yates 最终不得不把目光投向更远的地方，先到西西里，最终到挪威，寻找 Petra Heights 所使用的玄武岩和拉维石。在西方建筑传统中，用石头制作这些结构构件非常罕见，以至于剑桥大学历史学家坎贝尔称其“几乎有些反常”。
为了大幅增强石材的抗拉强度，并使建筑构件更容易批量生产，石材公司开始制造预制柱梁。这些构件被描述为石材版的交叉层压木材，但采用了从混凝土行业借鉴的技术：用张紧的钢缆加固石材，使其能够跨越更大距离而不开裂，并嵌入更传统的建筑框架中。
其中一种由 Webb Yates 和英国石工公司开发的版本，使用较小块、容易获得的当地石材（例如采石场边角料），将其串在定制设备上，制成“增强石材”构件。“想象一根巨大的串签，”石工公司石匠皮埃尔·比多说。“我把它叫作石头烤肉串。”
这些梁最长可以达到 12 米（40 英尺），接近标准卡车能够装载的极限。比多估计，这些“烤肉串”还需要大约五年的开发，才能在成本上与混凝土和钢材竞争。制造它们所需的技术已经存在——缺少的只是投资。“我们已经到了可以扩大规模的阶段，但没有资金继续推进。”
在美国，纽约初创企业 Monumental Labs 已经成功筹集 2,000 万美元，用于建设一家由人工智能驱动的机器人石材雕刻工厂。其创始人迈卡·斯普林古特称，工厂将于 11 月准备开始制造加固石材框架。他说，最终该设施每年能够以与混凝土和钢材相近的价格，为几栋建筑生产材料；不过目前唯一在筹划中的项目——与 Groupwork 合作、位于曼哈顿的一项豪华住宅开发——仍在寻找资金。（美国建筑师接受结构石材的速度一直较慢，就像他们当初接受大规格木材一样。）
目前，这些可能是唯一接近于把这种规模的石梁做成现成产品的公司。“我从事石材工作 15 年了，现在还在挠头，努力想有哪些人能做到这一点，”布特说。“对于普通工程师或项目经理来说，他们会去谷歌搜索，但找不到太多信息。”
一些专家表示，考虑到目前的成本和复杂性，如果没有大量投资和干预，结构石材可能仍会是一种小众产品。“如果存在——比如说——禁止使用钢筋混凝土或钢材等材料的政府规定，那么，是的，你可以为它建立一个可行的市场，”康奈尔大学荣休教授、《建筑师与建造者结构构件》教材作者乔纳森·奥克肖恩说。“但考虑到现有选择，考虑到我们所处的这种文化——人们基本上都在寻找成本最低的结构替代方案——我不认为它会胜出。”
在法国，石匠比多认为这些条件已经具备。在那里，采石场能够生产建造佩罗丹实心墙所需的较小石块，其价格可以与钢材和混凝土竞争，甚至更低；这得益于需求、补贴，以及 2022 年法国建筑规定等法规的共同作用。该规定要求公共建筑至少使用 50% 的天然材料。如今，索瓦松附近 Noyant 采石场中一些效率最高的作业线每月生产 1,000 立方米预切石块。比多说，这足以建造“每月两座芬奇利路项目”。
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建筑师和工程师正重新探索承重石材，认为它可能比钢材和混凝土更低碳。伦敦 Petra Heights 等项目已展示可行性，但供应、成本、工程技术和投资仍是推广障碍。
现代建筑大多依赖钢材和混凝土，石材通常只作为薄型外墙饰面。但伦敦北部的 Petra Heights 住宅项目展示了结构石材的新可能：22 套公寓分布在三栋楼中，最高十层，建筑由约 1000 吨火山岩构成的外骨骼支撑。石柱和石梁承担重量及风荷载，不依靠钢框架或稳定核心，石材同时充当结构和外立面。
推动者认为，石材有助于降低建筑业碳排放。钢材和混凝土的生产需要高温加工，而石材基本只需开采和切割；研究显示，结构石材构件的碳排放可能比混凝土低最多 75%，比钢材低最多 99%。Petra Heights 据称比钢筋混凝土方案减少了 32% 的隐含碳排放，设计团队还提出将类似方法扩展到 30 层建筑，并计划推广一座采用当地石材外骨骼的 80 层阿尔巴尼亚酒店方案。
欧洲多地的建筑师、工程师、采石场和石匠正在重新探索承重石材。法国建筑师 Gilles Perraudin 从预制石块承重墙起步，如今正在里昂建造一栋九层、提供 145 套住房的社会住宅。新型计算机切割设备和工程技术提高了石材加工的可行性；一些企业还用钢缆加固石材，制造可用于更大跨度的预制柱梁。英国团队开发的“增强石材”可用较小的本地石料或采石边角料组装成最长约 12 米的梁。
这一技术仍面临供应、成本和性能限制。适合制作长而坚固柱梁的采石场并不普遍，石材抗压能力强，却容易因侧向力开裂，尤其是梁需要高强度石材或额外加固。专家认为，若缺乏投资、政策支持或对钢材和混凝土的限制，结构石材可能仍是小众选择；但法国的补贴、需求和规定正在改善其市场条件，部分采石场每月可生产足以建造两座 Petra Heights 规模项目的预切石块。
Architects and engineers are reviving load-bearing stone as a lower-carbon alternative to steel and concrete. Projects such as London’s Petra Heights show the potential, but supply, cost, engineering and investment challenges remain.
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