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本篇研究通过量化全球1028栋建筑的材料使用强度(MUI) 和原子使用强度(AUI)，首次系统揭示了全球建筑的材料与元素组成。研究发现，全球建筑主要由氧、钙、硅、碳、铁、铝六种元素构成（约占质量97%），其AUI在不同地区和建筑类型中相对恒定。这为建筑业循环经济(CE) 框架的建立、城市采矿及元素回收策略提供了关键数据和原子尺度的新视角，有助于推动建筑材料的可持续利用与碳封存。
引言
建筑行业每年消耗超过170亿吨材料，占每年从岩石圈开采原材料的24%，并贡献了全球23%的CO2排放。预计到2050年，全球建筑面积将增加75%，因此迫切需要采取可持续解决方案以减少建筑材料消耗和排放。为建筑材料建立循环经济（Circular Economy, CE）是一种新兴的可持续策略，已证明可通过城市采矿（即直接再利用回收的建筑材料）将隐含碳排放减少高达80%。特别是混凝土和钢材等结构材料的CE，能有效减少新建筑的隐含碳。然而，尽管建筑材料的CE具有显著的环境效益，但对整体建筑材料组成的研究能够为当前和未来的建筑材料供应链提供信息。虽然已有研究关注建筑的材料组成，但对于建筑化学（原子）组成的研究大多局限于金属元素，且材料组成研究通常受限于特定地理区域。因此，在局部、区域或全球尺度上，对整体建筑的材料和原子组成认知仍存在空白。深入了解建筑的化学组成可以补充CE，并通过元素回收更好地支持原子元素供应链。本研究首次对来自八个全球区域的1028栋建筑进行了全面的材料使用强度（MUI, kg/m2）和原子使用强度（AUI, mol/m2）分析，旨在为全球建筑业的循环经济策略和城市采矿提供有价值的见解。
材料与方法
全球建筑的材料组成
本研究收集了1028栋建筑的材料数据，主要来源于材料数量与生命周期评估（Life Cycle Assessment, LCA）研究以及公开的材料清单（Bill of Material, BOM）整体建筑数据库。数据涵盖了建筑结构和围护结构，若数据集中报告了内部分隔和装饰材料，则也包含在内。大部分数据来自Heeren和Fishman的材料强度数据集，该数据集经过严格的数据协调和验证，置信度较高。建筑按类型和地理位置进行总结，如图1所示。数据显示，大多数建筑（89.6%）位于欧洲、东亚和北美。非洲、中东和南美的代表性不足（合计占2.5%）。在建筑类型上，独户住宅占比过高（41.2%），而工业和机构建筑代表性不足（合计占8.0%）。各建筑数据库报告了每栋建筑中每种材料的材料使用强度（MUI, kg/m2），或将材料数量转换为质量（kg），再除以总建筑面积（m2），最终得到统一的MUI单位（kg/m2）。
全球建筑的原子使用强度（AUI）
全球建筑的元素组成和原子使用强度（AUI）是使用计算出的MUI，结合化学元素标准和现有文献确定的。优先使用美国国家标准与技术研究院（NIST）的标准参考物质（Standard Reference Materials, SRMs），其中列出了常见材料的元素组成。对于NIST SRM中未列出的材料，则参考美国材料与试验协会（ASTM）标准中列出的材料成分限值（采用最大成分限值）。若上述标准均未涵盖，则使用环境产品声明（Environmental Product Declarations, EPDs）。聚合物的元素组成则参考聚合物数据库（如PubChem）。对于未包含在上述资源中的建筑材料，则采用报告元素组成的科学研究论文。其他材料则参考材料安全数据表、LCA研究以及国家和国际组织（如NIST、联合国环境规划署、世界卫生组织）的报告。
建筑的元素组成通过权衡每种建筑材料在该建筑中的总重量及其元素组成来计算。随后，通过将每种材料的MUI乘以其化学元素x的百分比组成，再除以该元素的原子质量，并对建筑u中的所有材料i和所有元素x求和，得到每栋建筑的AUI（mol/m2）。计算中使用了六种最常见元素的原子质量（见表2）。本研究承认存在不确定性来源，包括区域差异导致的元素组成不同、材料成分（如混凝土配合比）和制造工艺（如复合材料）的差异。因此，AUI结果应被视为估计值，未来研究可使用本文方法对结果进行细化。
统计分析
为了进一步了解不同全球区域和不同建筑类型之间MUI和AUI的异同，进行了双样本Kolmogorov–Smirnov（KS）检验。KS检验评估两个独立样本之间的统计显著性，统计显著性意味着不同区域对或建筑类型对之间的MUI或AUI分布存在统计学差异。此外，还使用Ydata profiling计算了Spearman相关系数（rs），以评估其他建筑特征（如建筑面积）与MUI和AUI的相关性。
结果与讨论
MUI因全球区域和建筑类型而异
图2显示了所有1028栋建筑按（a）全球区域和（c）建筑类型划分的MUI。所有分析建筑的中位MUI为1082 kg/m2，四分位距（IQR）为611–1602 kg/m2。KS检验表明，七个全球区域（南欧、东亚、中欧、大洋洲、北欧、北美、南亚和东南亚）的MUI概率分布存在统计学显著性差异。南欧的建筑表现出最高的中位MUI（1413 kg/m2），其次是东亚（1388 kg/m2）和中欧（1323 kg/m2）。南亚和东南亚的建筑中位MUI最低（314 kg/m2），部分原因可归咎于该地区数据集中的建筑类型（54栋中有48栋是独户住宅）。尽管中位MUI不同，但南亚和东南亚（21–2039 kg/m2）和大洋洲（759–2343 kg/m2）的IQR最大，而北美（517–909 kg/m2）和非洲（363–694 kg/m2）的IQR最小。
图2b显示了按全球区域划分的所有建筑的平均材料质量贡献。13种建筑材料占MUI的99.5%以上。总体而言，混凝土（此类别中也包括水泥和砂浆）是所有全球区域中质量最密集的材料，平均占总MUI的52–93%。第二大贡献材料因地区而异：砖是南欧、中欧、北欧和大洋洲建筑的第二次大贡献者（7–21%）；石头是东亚以及南亚和东南亚建筑的第二次大贡献者（20–21%）。在中东、非洲和北美，接下来的最大MUI贡献者是钢材和木材，但它们占总MUI的百分比（约6–8%）远低于混凝土。
图2c显示了按建筑类型划分的MUI分布。杂项（如停车场、公共集会场所）、机构、商业和杂项住宅建筑的中位MUI > 1300 kg/m2。正如预期，独户住宅建筑的中位MUI最低。然而，独户住宅的MUI IQR最宽（454–1631 kg/m2）。由于IQR变异性高，KS检验表明所有建筑类型的MUI分布与其他建筑类型均无统计学相似性。此外，总建筑面积与MUI之间的相关性具有统计学显著性（rs= 0.543），这印证了现有文献中的报告和结构工程直觉：低层建筑每单位建筑面积使用的材料少于高层建筑。
图2d显示了按建筑类型划分的所有建筑的平均材料质量贡献。对于所有建筑类型，混凝土对总质量的贡献（48–75%）超过任何其他材料。尽管在北美等地区，独户和多户住宅通常由木材构成，但地基中使用的混凝土相对于构成住宅的其他建筑材料而言，其质量密集度显著更高。除混凝土外，砖和石头分别贡献了11–26%和3–24%的质量，而钢材和木材根据类型不同，对总质量的贡献高达9%。
图2e和f比较了五个可比全球区域（南欧、东亚、中欧、北欧、北美）的三种常见建筑类型（商业、多户住宅、独户住宅）。结果显示，南欧、东亚和中欧的MUI通常高于北欧和北美，商业建筑的MUI高于多户和独户住宅。然而，也观察到了跨区域的MUI差异。材料贡献百分比突出了材料差异：石头在北欧的商业、多户和独户住宅中使用远比在其他全球区域普遍；钢材对北美商业建筑的质量贡献更大。这些发现凸显了区域设计决策和施工实践如何影响建筑材料可用性，从而影响建筑材料CE。
97%的全球建筑存量由六种原子元素构成
所分析建筑的元素组成如图3所示。图3a显示，对于大多数建筑材料，氧（O）是按质量计最常见的原子元素（42–56%），钢材除外（由94%的铁（Fe）构成）。钙（Ca）和硅（Si）也是常见建筑材料组成中的主要元素。例如，玻璃含有3%的Ca和34%的Si，而灰泥含有36%的Ca和12%的Si。碳（C）对木材的组成贡献显著（50%），对混凝土（8%）和石头（4%）的贡献较小。
无论按全球区域还是建筑类型分类，所分析建筑的元素组成都相似（图3b-d）。O对建筑质量的贡献最大（43–47%），其次是Ca（14–20%）、Si（13–18%）、C（6–13%）、Fe（3–12%）和Al（3–5%）。全球建筑存量中约97%由这六种元素构成。由于混凝土、砖和石头的质量贡献之和占所有建筑材料的90%（见图2b，d中的“All”），因此不同全球区域和建筑类型的元素组成受这些材料的元素组成主导。尽管在所分析的建筑中，木材和钢材对质量的贡献小于混凝土、砖和石头，但它们主要由C和Fe构成，这解释了为什么这些元素是第四和第五大贡献者。与MUI类似，五个可比全球区域的商业、多户和独户住宅在元素质量贡献上存在差异——尽管差异细微。例如，北欧的多户住宅含有更多的Fe，而北美的独户住宅则含有显著更多的C。这些发现表明，区域性可能影响城市采矿回收金属（即Fe和Al）的成功与否，以及建筑材料可封存的碳量。
构成所分析建筑的主要六种原子元素（即O、Si、Ca、C、Fe、Al）的AUI（mol/m2）如图4所示。所有建筑六种元素的中位AUI范围从345 mol/m2到40,423 mol/m2。O的AUI远高于其他五种元素。比较不同全球区域时，AUI从大到小的排名与MUI的排名密切相关，这种模式在不同建筑类型以及可比全球区域的商业、多户和独户住宅中也同样存在。这表明AUI在很大程度上受MUI影响，这与材料密集型建筑往往表现出更高AUI的预期相符。
此项分析的结果为建筑脱碳和物质流研究提供了可行的见解。例如，探索在混凝土生产过程中利用CO2矿化作为碳封存策略的研究人员，可考虑从废弃混凝土中回收Ca元素。所有全球区域和建筑类型中Ca的中位AUI为4214 mol/m2（169 kg/m2），理论上可将186 kg/m2的CO2矿化为碳酸钙（CaCO3）。因此，一栋建筑面积为5.4 m2的建筑，如果其中的Ca被仔细回收，并且CO2随时间完全矿化，理论上可封存1吨CO2。其次，O和C的AUI可以指导更好地估算建筑中的碳储存潜力。鉴于建筑中含有丰富的O，C的AUI控制着一栋建筑理论上可能的碳储存量。所有全球区域和建筑类型中C的中位AUI为6921 mol/m2（83 kg/m2），作为稳定的矿物碳，可储存约300 kgCO2/m2。最后，可以从Fe的AUI中获得启示。成功从建筑中回收Fe元素可以支持电子产品（如手机）的供应链。所有全球区域和建筑类型中Fe的中位AUI为857 mol/m2（48 kg/m2），理论上可为1600部手机提供足够的铁。这些近似计算使用了平均AUI，但计算可以针对特定的建筑类型和全球区域进行调整，以更好地为碳封存和金属供应链提供信息。
全球建筑的原子组成类似于地壳组成
为了进一步理解AUI结果并更好地认识原子元素的来源，将典型建筑的原子组成与地壳和人体组成进行了比较。图5显示了一个全球建筑的平均元素组成与地壳（即岩石圈）和人体组成的对比。比较发现，构成典型建筑的主要元素反映在地壳中（见图5b）。构成建筑的主要六种原子元素中的五种，即O、Si、Ca、Fe、Al，也主导着岩石圈的组成。这五种元素合计约占建筑原子元素的89%，占地壳原子元素的91%。这一结果并不令人意外，因为60%的建筑材料是从岩石圈中提取的。值得注意的是，地壳中C的组成约为0.03%，而在建筑中为8%，这一结果表明建筑使用了从生物圈（如木材）提取的大量材料。相比之下，建筑的组成与人体不同。O是建筑和人体中最普遍的原子元素。然而，由于我们的有机性质，人体中C（19%）和H（9%）的含量显著高于建筑。最近的研究表明，通过加入大量木材，建筑可以充当碳汇，从而储存更多的生物碳。然而，本文的研究结果表明，现有的全球建筑存量绝大多数是无机的。用木材密集型替代品建造所有新结构或改造现有结构，将需要大量可持续采伐的木材资源，而这些资源在许多全球区域分布不均且有限。其他研究也得出类似结论：尽管在理论上很有前景，但如此大规模的转变在全球范围内在科学和物流上都是不可能的。
意义
本文定义的MUI和AUI可以为旨在了解当前和未来全球建筑存量中材料数量和消耗的广义物质流分析（Material Flow Analysis, MFA）提供信息。利用MFA评估储存在建筑存量中的材料库，对于实现建筑材料和其他行业（如电子行业）的CE至关重要。MUI数据可以为每个全球区域不同建筑用途类型和建筑部件的典型MUI基准提供信息。AUI还可以支持旨在理解和减轻建筑环境影响的MFA，例如估算未来建筑环境的碳储存潜力。最后，数据集中包含的建筑可能不能完全代表特定的建筑类型或全球区域的建筑，特别是在那些建筑数据条目很少的全球区域。因此，随着更多建筑材料数量数据的可用，本研究的MUI和AUI可以得到更新，以更好地为碳封存和MFA提供信息。
材料稀缺、建筑浪费以及目前CE原则应用的有限性，使得建筑材料和原子元素的直接再利用或生产性回收成为未来研究的重要领域。评估整体建筑的材料和元素组成可以帮助研究人员更好地了解现有建筑中有哪些资源可用。目前工业规模上还没有协调一致的努力，来从现有建筑材料中适当提取组成元素以用于新材料。由于许多常见的建筑材料具有相似的元素组成，未来的CE框架可以利用这些组成来重新制造建筑材料，以减少材料提取和总体材料消耗。尽管高度依赖于从现有材料中回收元素（如从混凝土中回收钙）的科学处理进展，但在建筑寿命结束时从建筑中进行元素城市采矿，可以补充对需要能源和碳密集型生产技术的原始材料（即金属）的使用。随着材料制造和再利用的完整生命周期得到研究，关于建筑行业内材料和原子供应链及环境影响的新研究问题将变得更加相关。
预计随着时间的推移，全球建筑存量中使用的建筑材料分布将发生变化。虽然混凝土的全球消耗量在未来几年可能会继续增长，但木材产品（如大型木结构）和其他生物基材料（如秸秆）的区域消耗预计将会增加。此外，其他非传统材料的日益广泛使用将进一步影响全球建筑存量的元素组成。因此，未来将需要类似本文的分析，以最好地支持城市采矿工作以及全球范围内CE框架的制定和实施。
