形式追随燃料：耗能建筑

能量就是一切。

阿尔伯特·爱因斯坦在20世纪最著名的方程E=mc²中表达了这一观点，这一公式揭示了宇宙中的所有物质都是由能量构成的。从那时起，科学家们发现能量是统一所有科学的概念，也是宇宙运作的基础，工程师将能量定义为“做有用功的能力”。

我们中的大多数人都反应迟缓，只有在价格飙升或遇到能源短缺时才会真正注意到能源：饥饿感、中央供暖锅炉出现故障、手机电池电量耗尽。然而，它存在于我们存在的每一部分，是一切事物的基本事实。我们利用食物能量的能力使我们能够进化出聪明的大脑，随着我们社会可以控制的能量水平的提高，我们将越来越多的能量用于这个星球上有史以来最耗能的活动之一：建筑。

在马里多贡县发现的粮仓中含有一些最早形式的过剩能量：过剩谷物，控制粮食过剩是塑造农业时代社会等级制度的重要因素。

从考古学家可以追踪的最早的建筑开始，能量就一直支配着建筑。在14,000年前覆盖乌克兰的冰冻草原上，猛犸象猎人使用他们食物能量的副产品——猛犸象骨头和驯鹿皮建造房屋来保护火的宝贵热能，甚至火的燃料也包括猛犸象的骨头。

形式可能遵循功能，但更不可避免的是，形式也遵循燃料。在每一种能源环境中，人们都建造了适合的建筑：在炎热地区将热量挡在外面，在寒冷的气候中保温，并使用人类能源可以采购、组装和维护的材料。

农业大大增加了人类可以从大片土地上获取的食物量，支持了聚集到村庄和城市的住房密度。随着农业社会的发展，等级制度出现了，统治者发现了可以将剩余时间和精力用于纪念性建筑，来从大多数农业人口那里汲取剩余时间和精力，并且将其视为一种乐趣和政治优势。

大约六千年前，农业国家首先出现在中东，并开始控制世界上大部分人口。在尼罗河谷肥沃的土地和季节性洪水泛滥的背景下，农业世界的统治者将占比80%至95%的农业人口视为能源系统中的工具；需要人力和家养动物来照料庄稼，并将从阳光中获取的化学能转化为有用的动力。

当统治者想要建造或扩建城市时，他们的工人会改道河流以灌溉庄稼或将陡峭的山丘梯田改造成农田，所有人民流离失所以提供农业劳动力，犹太圣经中关于以色列人反复被迫迁移的记载是许多此类案例中最明显的证明之一。

操纵无数人的生命只不过是统治者优化能源系统目标的附带副作用，劳动力对于控制粮食盈余的权贵来说是廉价的。

在公元前1500年到公元1300年的农业社会中，一天的建筑劳动力可以用大约为劳动者提供食物的成本购买。如果你有多余的粮食，你还不如建造，把它留在粮仓里是没有用的。

从秦始皇的巨大陵墓群到婆罗浮屠，从廷巴克图的清真寺到特奥蒂瓦坎，千年农耕时代的遗迹都是极度廉价劳动力的建筑表现。

伦敦小威尼斯最近的一个住宅开发项目由特里·法雷尔 (Terry Farrell) 设计，它表明了居民对汽油泵的依赖；示意图泵实际上配备了电动汽车充电站。

图片来源：Dominic McKenzie Architects

不便宜的是热量，即使对有权势的人来说也是如此。它主要来自生长缓慢的木柴，这些木柴正在与农作物争夺土地空间。能源历史学家称之为“光合作用限制”：农业社会可用的总能量是农作物和树木从太阳中获取的能量。建筑和船舶需要成熟的木材，而木柴用于烹饪、取暖和工业过程，如冶金、用于化学和建筑用途的石灰窑、玻璃制造、酿造和布料加工。特别是在人口稠密的社会，急需的林地与粮食作物争夺有限的空间，导致木材价格昂贵且供应缺乏弹性。

在农业条件下，需要热量的行业只能繁荣到目前为止，因为扩大生产推高了木柴价格，使产品越来越难以负担。技术进步伴随着规模和竞争，这意味着小规模工业，例如英格兰都铎王朝的玻璃生产仍然昂贵且质量低下。每当农业建筑使用玻璃、金属、烧制陶瓷或窑石灰时，即使质量很差也是出于压倒性的技术需求或为了满足掌权者炫耀的欲望。

汽车时代在短短几十年内极大地改变了建筑环境，这种转变发生在各个方面：从30年代芝加哥适合存放机动车辆的建筑，到围绕它们设计的整个城市和基础设施。

这两种农业倾向，节约热量但使用大量人力在罗马帝国最为壮观。公元前31年征服盛产谷物的埃及后，新的食物能源大量涌入，使这座城市达到前所未有的规模。罗马最大的纪念碑之一是卡拉卡拉浴场，仅主矩形建筑就有228米长、116米宽、38米高，其建筑使用了50吨甚至更多的花岗岩和大理石巨石。虽然这座建筑群展示了皇帝对人类和自然的巨大权力，但它也做到了低碳。

考古学家珍妮特·德莱恩 (Janet DeLaine) 表明，视觉上占主导地位的石材实际上只占建筑的一小部分，大理石仅占材料体积的0.5%，而且四分之三的材料是在距建筑20公里的范围内提取。建筑在材料采购方面对热能的限制使用更加引人注目，砖和石灰这两种需要大量热量输入的成分对于使结构核心具有弹性至关重要，但加起来不到体积的6%，相比之下，今天的许多混凝土混合物都是用含20%的水泥。

今天的建筑材料消耗大量的化石燃料热量，这对农业建设者来说是无法想象的。比如，2019年全球生产水泥的能源需求相当于超过90万亿小时人类劳动的有用能源输出。其他默认材料甚至更耗能，世界能源的大约8%用于钢铁工业，塑料的成本足以驱动一辆电动汽车绕地球近四圈，而铝是它的两倍。

沙特阿美等石油公司开采的石油为战后几十年提供了燃料，在公司杂志AramcoWorld的1962年版中，一篇文章吹嘘“只需打开水龙头”即可在全球范围内调度燃料。

前现代建筑不仅在热能利用方面经济，而且还利用燃烧可再生木柴产生的热能。例如，卡拉卡拉的石灰和砖块就是这种情况，其中煅烧排放的碳随后在一个世纪内被松散粒状石灰的碳化作用重新吸收。今天，水泥占所有人类碳排放量的8%，由于现代混凝土的抗渗性，煅烧产生的碳被重新吸收的要少得多。最后，用于加热浴池的热能也来自木柴，这意味着综合设施在运营中实现了零碳排放。在化石燃料出现之前的几千年里，循环经济是唯一经济可行的运营方式。

前现代建筑的深远可持续性让人震惊，并在我们面临气候危机时提供了基本的教训。莫卧儿皇帝、古埃及人、阿兹特克人和玛雅人使用石器和最少的热输入建造了非常多的建筑。凭借我们无与伦比的技术理解、可再生能源技术以及强大的科学和计算方法，我们这一代人必须在全球范围内实现可扩展的零碳架构。

法国的Mont‑Louis太阳能炉，这是一种产生高温的结构，通常用于工业，它通过平面镜和曲面镜聚集阳光。

然而到目前为止，尽管许多人做出了真诚的努力，建筑仍在努力实现脱碳。许多其他行业诞生于化石燃料时代，但建筑师有数千年的零碳实践来激励我们。

密斯认为“在回顾过去的同时前进是不可能的”，自19世纪后期以来，在世界大部分地区，现有建筑不再被视为有价值的资源，而是在新建筑开始之前需要拆除的障碍物。在整个农业时代，废弃的建筑因其能源价值而被拆散：金字塔的大部分精美石灰石外墙被重新用于开罗的建筑项目，奥斯曼帝国伊斯坦布尔的大清真寺实用和象征性地使用了拜占庭和罗马柱，王澍对陶瓷屋顶瓦片的精心再利用是对中国乡土建筑数千年实践的当代表达。

今天，美国的水力压裂技术实现了相对的能源自主权，抽油机安装在德克萨斯州米德兰等居民区中间，西德克萨斯州正迅速成为美国最活跃的地震带之一。

与可持续循环经济的长期连续性的巨大决裂来自于化石燃料。煤炭是一种神秘的岩石，可以产生强烈的热量而不需要时间和土地空间在阳光下生长，煤炭打破了光合作用的限制。

中国早在九世纪就用煤来冶炼铁，在英国工业革命之前将近一千年，我们就建造出了整个使用铸铁建造的宝塔。煤最初的应用有限，因为它有臭味和污染性，它会将硫磺污染转移到用它的热量制成的食物或啤酒中，使煤制玻璃变色，并使煤冶炼的铁变脆。在“小冰河时代”的低温以及重新设计的工艺和机械中，16世纪和17世纪的英国开始发现煤炭成为越来越重要的热能来源。

尽管煤炭在世界各地的分布不均，但它在建筑领域掀起了一场全面革命。

伦敦存存在开始主要由易燃、易弯曲的木材和容易滋生害虫的荆棘、泥土和茅草建造而成，在1666年伦敦大火之后，煤炭产生的热量催生了一种基于耗能新材料的新建筑：与煤窑石灰砂浆粘合的耐火煤砖、煤玻璃大窗户、高天花板以确保由煤火和众多煤铁建筑工具和配件加热的房间的空气质量。

特朗普的行政命令“促进美丽的联邦公民建筑”或英国政府的“建设更好，建设美丽”委员会等推动的“传统”和“现代”建筑之间的过渡已经推迟了大约250年：17世纪向依赖煤炭的建筑转变比20世纪是否使用古典柱子的风格争论要大得多。

格鲁吉亚建筑是与粗野主义相同的传统的一部分，就像当今世界范围内的建筑一样：化石燃料传统。

在行星层面上，化石燃料代表了经过亿万年才形成的物质的挖掘和燃烧。在Sandra Sawatzky的《黑金挂毯》中，一件67米的刺绣艺术品以贝叶挂毯的风格讲述了化石燃料时代的故事，展示了一座由恐龙支撑的煤电城市。

有了煤炭，以及后来的石油和天然气，热能变得更便宜、更丰富。一个19世纪的煤矿工人可以提取比中世纪农民多2,500倍的剩余能源。随着热能价格的下降，劳动力成本上升，增加了新兴的、快速增长的工业工人阶级的物质财富。随着蒸汽机的兴起，廉价的热能可以转化为强大的动力，而弱小、昂贵的人力越来越局限于需要灵巧或灵活性的工作。

用化石热交换劳动力的新发明——机制砖和瓦片改变了建筑，越来越机械化的玻璃生产，预制结构套件和装修，暖气，釉面和改进的油漆，减少了保持家庭清洁的劳动力成本。

现代主义使用廉价的化石燃料能源来优化人类的生活条件，将煤和油的热量注入材料和服务中，并赋予新的建筑超能力：悬臂梁、空调和无限大的玻璃窗。

在塑造化石燃料时代的建筑技术方面，最先出现的两种材料是钢材和混凝土。两者都减少了对劳动力的要求，由于廉价的煤炭能源而在巨大的规模上变得更加可负担，并且在可扩展程序正在取代个人知识的世界中运作良好。

中世纪的木匠必须检查每棵树并对其作为横梁的价值做出熟练的判断，而现代主义工程师可以根据其标准化特性的知识来指定混凝土和钢材。没有这种可预测性和廉价的煤炭，建立庞大的工厂将坚硬的石头粉碎成灰尘并将其加热成水泥，而不是像人类几千年来那样，仅仅使用石头本身来建造建筑，这是极端的反常行为。工程师史蒂夫·韦伯 (Steve Webb) 引用当今的扫描技术和计算能力，指出，现成的石头可以成为零碳建筑的主要贡献者。

尤马，或称为朋友之地，2014年由卡罗琳娜·凯西多 (Carolina Caycedo) 拍摄的卫星照片拼贴画，描绘了哥伦比亚El Quimbo大坝建设对文化和环境造成的破坏。

建筑师投身于现代主义，抛弃了那些不知道他们的行为会对地球生态系统产生什么影响的人，将柯布西耶和密斯等人视为当代建筑的奠基人是对这个行业和地球未来的损害，这并不像密斯谈到他的众多玻璃盒子之一时所说的那样，“取决于工程师是否能找到某种方法来阻止热量进出”，诚然少即是多，但这个多也代表着多碳。

在任何地方，昂贵的劳动力都被廉价的化石燃料能源所取代，结果在生态上都是毁灭性的。拆除和更换可行的建筑目前已经习以为常，将旧建筑拆毁用于硬核和垃圾填埋场；使用CAD设计的新建筑重新开始；使用专有系统和分包商在他们自己的大部分非技术专业范围内运营来构建。

由于既有建筑的不可预测性和个性化，改造带来了更大的挑战。与最大可能的替代品可能实现的相比，它会导致可出租空间减少，但有助于扩大我们对“舒适”的定义。如果现场有可行的建筑，而我们的建筑材料仍然是能源密集型的，改造必须成为默认选项。

化石燃料的可负担性意味着今天的能源使用在人类历史上是前所未有的。建造胡夫金字塔所需的所有人力成本相当于今天不到七名普通人一生的消耗量。建筑的建造和运行占所有人为气候变化排放量的39%，其中大部分来自燃烧化石燃料获取能源。

建筑面临着迄今为止最大的挑战：在短短几年内改变能源系统。我们必须进行更多的改造，减少浪费，设计被动气候适应，在合适的地方安装太阳能光伏发电，并摆脱我们关于什么是好建筑的化石燃料驱动的想法。更广泛地说，需要进行文化和政治变革，使竞争环境向低碳选择倾斜：重新制定法规以消除对混凝土、钢铁和塑料的偏见；对碳强度征税并补贴零碳替代品；表明目前为减少碳排放而做出的个人牺牲与可避免的新建筑相比相形见绌。

在改变我们的文化方面，我们可以从柯布西耶那里学到一个教训：他 20年代的别墅向世界推销了一种工业化建筑和功能主义的想法，这种想法在传播当时的新能源技术方面发挥着巨大的作用。

同样，当今的建筑师在为零碳未来寻找材料美学方面发挥着至关重要的作用，人们应该为改变感到兴奋而不是恐惧。最大的安慰是，当变化来临时，它不是线性的而是指数的，建筑师、客户和施工团队今天采取的小步骤将成为明天爆炸式加速变革的种子。