绘制全球工程材料流动图谱：评估不同设计学科的影响

《Cleaner Engineering and Technology》：Mapping the global flows of engineering materials: Estimating the influence of design disciplines

　　汉内斯·盖斯特(Hannes Geist) | 列昂·沙克(Leon Schaake) | 弗兰克·巴勒(Frank Balle)
弗莱堡大学工程学院可持续系统工程系(Walter-and-Ingeborg-Herrmann电力超声与功能材料工程讲座席EFM)
地址：Emmy Noether Str. 2, 79110 Freiburg i. Br., 德国

**摘要**
迈向生态、可持续和循环设计的进展必须建立在扎实的系统知识基础上才能有效。虽然这类知识对于需要转变的方法论来说已经广泛可用，但对于那些旨在通过新方法论进行改变的系统而言却相对不足。本研究旨在缩小生命周期中材料阶段的知识差距。尽管工程材料的生产和消费过程已经得到了充分理解，但设计学科对这些过程的定量影响仍是一个重要的研究空白。本研究首次揭示了不同设计学科对全球工程材料流动及其相关碳足迹的相对影响。为此，本文根据材料家族、材料类别及其所属的主要设计学科，绘制了2022年全球主要工程材料的生产情况，并据此计算了这些材料流动的碳足迹。结果详细揭示了工业设计、工程设计以及土木和建筑设计对特定全球主要工程材料流动的相对重要性。桑基图(Sankey diagrams)为设计师、设计研究人员和政策制定者提供了关于不同学科和材料具体影响力和责任的详细信息，有助于优先考虑、定制并提高各学科在推进循环性和可持续性方面的行动效果。

**1. 引言**
将可持续性和循环性作为每个设计决策不可或缺的一部分，是当今及未来设计实践、设计科学研究和设计政策的关键挑战。这一趋势在越来越多的科学出版物中得到了体现。例如，魏伦·李(Wei Lun Lee)及其团队（Wei Lun Lee et al., 2023）关于生态设计的综述论文、艾哈迈德(Ahmad et al., 2018)关于可持续设计的论文、阿吉亚尔(Aguiar et al., 2022)关于循环设计策略的论文，以及雷克斯费尔特(Rexfelt and Selvefors, 2024)关于循环设计工具的论文都对此进行了探讨。诸如EN 45560（2024）等循环设计标准以及《欧洲可持续产品生态设计法规》（European Commission, 2024）等法规也在努力促进、鼓励或依法推行生态设计、可持续性设计和循环性设计。这些主题也出现在机械设计（McAloone and Pigosso, 2021）、机械设计中的材料选择（Ashby, 2024）、建筑或土木设计（Szokolay, 2014）以及工业设计（Ashby and Johnson, 2014）等标准教科书中。然而，这些还远未成为设计实践中的“新常态”。

这些新的设计工具、方法、方法论、标准和法规都试图提供所谓的“转型知识”（也称为指导行动的知识），以实现可持续性或循环经济等愿景，这类知识属于规范性或导向性知识（Grunwald, 2008）。基于转型可持续性科学，有效转型知识的发展不仅需要强大的规范性知识，还需要扎实的系统知识（也称为问题或解释性知识，Wiek and Lang, 2016）。一般来说，必须理解试图可持续转变的系统变量与整个系统之间的相互关系，以创造更有效的、定制化的可持续性解决方案并避免权衡。这适用于新的生态、可持续或循环设计工具和方法，它们是更广泛的设计学科方法论、知识和社会技术生态系统的一部分（Gericke et al., 2020）。术语“学科”用于区分具有自身方法论生态系统的设计专业，如工程设计、建筑设计或工业设计（Marshall, 2008）。然而，对于那些希望通过这些新方法论重新设计成更生态、更可持续或更循环状态的系统而言，同样需要扎实的系统知识。例如，为特定设计学科开发更有效的生态、可持续或循环材料选择方法和工具，需要深入了解所有特定工程材料流动及其影响。这类数据还有助于准确评估此类新生态、可持续和循环设计解决方案的潜力，这是量化实现可持续性转型剩余差距的必要研究步骤。尽管标准教科书中详细记录了各学科在设计方法和工具方面的最新成果，但关于待改造系统的学科特定问题知识仍存在不足（见第2节文献综述）。

本研究旨在缩小不同设计学科在生命周期材料阶段的知识差距。通过分析2022年全球主要工程材料的年度流动及其碳足迹（见第3节），详细研究了工业设计、工程设计以及土木和建筑设计的相对影响力（见第4节）。除了它们的绝对影响外，这项研究还首次揭示了不同设计学科对各个材料家族和类别流动的相对责任。由于如果针对特定的、通常是学科特定的情境进行定制，可持续性和循环性设计工具、方法、方法论、标准和法规在实践中可能会更加有效（Mallalieu et al., 2024），因此本研究为相关领域的紧迫进展奠定了基础。

**2. 文献综述**
已有大量材料流动分析（MFA）研究，但这些研究通常针对特定材料且地理范围有限。这类研究有助于绘制某一国家或地区内材料的产生、消费（应用领域）和去向。在可持续性和循环性的背景下，它们对于评估特定材料家族的现状和潜力非常有用，例如孟加拉国的塑料循环利用（Siddique et al., 2022）或西班牙的塑料包装管理（Lopez-Aguilar et al., 2022）。有时研究范围会进一步缩小到特定应用领域，以回答具体问题，例如澳大利亚塑料奶瓶的优化问题（Madden et al., 2023）。然而，这些研究对设计界的兴趣有限，因为设计工具、方法、方法论和政策通常不局限于特定的地理范围或单一材料。对于许多工程材料类别，包括钢材（Cullen et al., 2012）、铝合金（Cullen and Allwood, 2013）以及化学品（Levi and Cullen, 2018）等，已经存在将全球工程材料生产与其应用领域对应起来的材料类别映射。此外，还有关于工程材料寿命和去向的全球映射，例如金属（Charpentier Poncelet et al., 2022）、塑料（Geyer et al., 2017）或铜（Liu et al., 2023）。这些数据有助于识别与设计无关的可持续性指标，如分配再利用潜力（Cooper and Allwood, 2012）或建模加工材料效率的选项（Allwood and Cullen, 2015）。然而，设计学科在其中的作用尚不清楚。

关于生态设计（Ashby, 2021）和可持续设计（Ashby, 2023）中的材料选择的设计教科书向研究人员、学生和从业者提供了材料类别在全球挑战中的具体产量和相关气候影响的信息，使他们能够了解特定工程材料类别的重要性的大致范围。关于机械设计中的材料选择（Ashby, 2024）和可持续材料（Ashby, 2023）的教科书也介绍了工程材料对全球挑战（如全球变暖、生物多样性丧失或污染）的总体贡献。然而，设计学科的潜在影响力仍不清楚。

文献表明，全球材料流动的消费方面及其环境可持续性影响已经得到了充分理解，因为许多研究将材料流动和相关影响归因于特定应用领域。现有的统计数据（美国地质调查局, 2022）也涵盖了生产方面。另一方面，设计方面虽然对生产和消费都有重大影响，但至今仍不明确且未量化，尽管它经常被视为未来更可持续材料系统的关键驱动因素（欧洲委员会, 2020, 2012）。现有研究尚未将设计学科与全球范围内的工程材料流动联系起来，这一领域存在明显的文献空白。作者没有找到任何公共研究成果，尝试将全球每年的工程材料生产、材料家族、材料类别及其可持续性影响分配给能够主要影响其生产和消费的设计学科。

这种“影响”主要是指在设计每个产品或系统的每个组成部分中指定材料类型和数量时的直接影响。材料选择对商品吸引力的间接影响，可能源于材料特有的美学、关联性和认知，也可能影响特定商品的绝对需求及其相应的材料流动（Ashby and Johnson, 2014）。本研究中的“影响”不包括与设计无关的材料消费和生产驱动因素，如生产技术的进步、宏观经济或市场趋势。因此，本研究提出了以下研究问题：
- RQ1：不同设计学科对全球工程材料流动及其相关碳足迹的相对影响是什么？
- RQ2：哪些具体工程材料家族和类别的流动是由特定设计学科决定的？

**3. 方法**
本研究通过追踪参考年份内全球主要工程材料的生产情况，将其按材料家族（如金属或陶瓷）和类别（如钢材或混凝土）分解，并分配到相应的主要设计学科，从而得出设计学科对全球材料流动的具体影响。通过排除食品材料、燃料等，术语“工程材料”将材料范围限定在结构性和/或功能性应用相关的材料上。这也意味着不包括几何规格（组件或产品）。这一规定适用于所有材料家族，除了陶瓷，因为陶瓷从原材料到最终成品的加工通常直接完成（例如，黏土直接制成砖块，既是工程材料也是组件）。根据2023年的时间最佳匹配数据，这一排除方式保持了分析的时间相关性，并防止了由于数据不足导致的原料依赖性（初级 vs. 中级）分配问题。工程材料的分类和类别遵循Ashby、Shercliff和Cebon在材料选择（Ashby, 2024）和材料科学与工程（Ashby et al., 2023）标准教科书中的广泛采用的分类法。应用领域是根据可用原始数据归纳划分的。据此，可以将材料分配到四个主要设计学科：
- 土木和建筑设计：包括建筑和基础设施的结构和美学设计；
- 工程设计：包括产品的机械、电气和功能设计；
- 工业设计：包括产品的外观、关联性和感知设计；
- 其他较小的学科，主要包括包装设计和工艺设计。

在本文中，设计学科根据其主要材料选择方法进行分类，这是研究问题中最具影响力的方面。在土木和建筑设计中，材料选择主要基于当地可获得性，因为运输距离对大量低成本、低能耗材料的经济性和生态性至关重要。在工程设计中，选择过程是系统的、量化的，并遵循明确的方法（Ashby, 2024）。工业设计则更多采用定性方法进行材料选择，主要基于设计师在特定情境下的感官体验（Ashby and Johnson, 2014）。本研究未考虑与工程设计关系不大或无关的设计学科，如网页设计、平面设计或时装设计。

为了绘制和量化2022年的全球工程材料流动，进行了静态材料流动分析（MFA）（Graedel, 2019）。原始数据（见于补充材料）来自工业和行业协会、政府机构及期刊文章。2022年作为参考年份的选择，是因为它是最近一个拥有足够数据来回答研究问题的年份。没有明确的数据截止日期。然而，对于建筑用非碎石、技术陶瓷以及除玻璃和碳纤维增强聚合物（GFRPs和CFRPs）以外的复合材料，全球范围内的数据尚不完整。这些材料预计占全球年度工程材料产量的比例不到0.1%，因此误差可以忽略不计。每年全球工程材料产量小于3百万吨的部分被归类为“其他”材料家族。由于钛及其合金、GFRPs和CFRPs在工程设计中的特殊重要性，它们被排除在这一规则之外。分析工程材料时，需要将作为合金元素的纯金属所占的比例分配给相应的基底金属（例如，20%的镁被分配到铝合金中），或者如果相关基底数据为合金数据，则将其从分析中排除，以防止重复计数。材料流向设计领域的分配基于每个领域的主导设计假设。尽管现实中并不总是如此（例如，汽车门的设计属于工程设计，而其外观、触感和声学设计可能属于工业设计），但这一假设有助于防止重复计数，并创建明确易懂的问题知识。这一假设的固有限制通过应用分配因子来解决，这些因子将特定材料流向不同的设计领域进行分配，并明确标注“主导设计领域”的结果。由于缺乏关于不同应用领域中设计决策的具体责任份额的数据，因此必须根据经验证据制定稳健的分配假设，这些假设总结在表1中。虽然土木和建筑设计以及其他领域的分配假设是明确的，但工程和工业设计的分配假设是基于文献中示例产品的成分分析得出的。主要功能与美学、关联性和感知相关的组件（如覆层或用户界面）被归类为工业设计（Ashby和Johnson，2014），而所有与其他机械、机电或电气功能相关的组件则归类为工程设计（Ashby，2024）。对于电气和电子设备，分析了智能手机、开关设备和笔记本电脑的示例数据；对于交通领域，分析了汽车和轻型商用车辆、卡车和船舶的数据；对于家用和消费品，则使用了烤箱、冰箱、冷冻柜和洗衣机等白色家电的数据。该程序在补充材料中有详细说明，这是制定稳健分配假设的典型方法（Music和Allwood，2025）。最终的多流分析（MFA）通过桑基图（Sankey diagrams）进行了可视化。

**表1. 应用领域与设计领域的分配规则**

| 设计领域 | 分配的应用领域 |
|---------|------------|
| 土木和建筑设计 | 100%的建筑材料（包括所有基础设施），除了铜作为功能材料（导体）的应用 |
| 工程设计 | 100%的机械和设备 |
| 电气和电子设备 | 90%的电气和电子设备（100%的功能材料） |
| 交通 | 90%的交通材料（100%的功能材料） |
| 家用和消费品 | 50%的家用和消费品（100%的功能材料） |
| 其他金属和合金 | 100%的“其他金属和合金”直接分配给工程设计，因为其应用领域的数据不均匀 |
| 工业设计 | 10%的电气和电子设备（仅结构材料） |
| 交通 | 10%的交通材料（仅结构材料） |
| 家用和消费品 | 50%的家用和消费品（仅结构材料） |
| 其他 | 100%的包装材料 |

多流分析（MFA）是用于计算碳足迹的库存模型，从而使得结果具有可比性。碳足迹是指所有工程材料流动所产生的温室气体排放总量对气候变化的贡献，以二氧化碳当量（CO2 eq.）表示（ISO 14050，2020）。特征因子来自ecoinvent数据库版本3.9.1，用于表征100年内的全球变暖潜力（GWP100）（ecoinvent，2022）。选定的特征因子及其相应的计算方法在补充材料中有详细记录。

**4. 结果与讨论**
**4.1. 主要工程材料流动**
图1显示了2022年全球主要工程材料生产向其主导设计领域的分配情况。土木和建筑设计是大多数工程材料流动的主导设计领域，这与文献中的预期相符（UNEP，2023），这是本研究首次对此进行了量化。这种主导地位在桑基图的各个方面都有体现：建筑材料是最大的应用领域，混凝土是最大的材料类别，陶瓷和玻璃是最大的材料家族。它们都远远超过其下一个主要领域。所有其他设计领域合计占比不到所有主要工程材料流动的6%。图2、图3和图4是图1的详细版本，分别关注其中一个设计领域，有助于回答研究问题RQ2。详细研究的三个设计领域几乎决定了所有陶瓷和玻璃、金属以及所有复合材料的流动，但仅占所有天然材料的77%和所有聚合物的55%。这些结果表明，生态、循环和可持续设计进展必须关注更多领域，特别是包装设计，以有效促进与天然材料和聚合物相关的循环性和可持续性。

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**图1. 2022年全球主要工程材料流向其应用领域和主导设计领域的分配情况。注意：Fe = 铁，Al = 铝。**
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**图2. 2022年全球主要工程材料流动中主要由土木和建筑设计指定的部分。注意：Fe = 铁，Al = 铝，Cu = 铜，PVC = 聚氯乙烯，PS = 聚苯乙烯，PUR = 聚氨酯。**
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**图3. 2022年全球主要工程材料流动中主要由工程设计指定的部分。与图1相比，陶瓷和玻璃的位置有所调整以提高可读性。注意：Fe = 铁，Al = 铝，Cu = 铜，Pb = 铅，Ti = 铛，PP = 聚丙烯，HDPE = 高密度聚乙烯，LDPE = 低密度聚乙烯，PVC = 聚氯乙烯，PS = 聚苯乙烯，PUR = 聚氨酯，ABS = 丙烯腈-丁二烯-苯乙烯，ASA = 丙烯腈-苯乙烯-丙烯酸酯，SAN = 苯乙烯-丙烯腈。**
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**图4. 2022年全球主要工程材料流动中主要由工业设计指定的部分。注意：Fe = 铁，Al = 铝，PP = 聚丙烯，HDPE = 高密度聚乙烯，LDPE = 低密度聚乙烯，PVC = 聚氯乙烯，PS = 聚苯乙烯，PUR = 聚氨酯，ABS = 丙烯腈-丁二烯-苯乙烯，ASA = 丙烯腈-苯乙烯-丙烯酸酯，SAN = 苯乙烯-丙烯腈。**

土木和建筑设计对2022年全球主要工程材料流动的相对影响在图2中总结：几乎所有的陶瓷和玻璃（99%）、近五分之四的天然材料以及一半的金属材料都用于建筑材料。对于聚合物和复合材料，土木和建筑设计的作用相对较小（约20%）。图显示了典型的建筑材料，如混凝土及其加固材料（钢材、砖块、陶瓷瓷砖、窗玻璃）、用于窗框的铝合金以及用于管道和地板的聚氯乙烯（PVC）。除了沥青外，大量的工业原木主要用于建筑基础设施，例如电塔的地基桩。

工程设计的主导影响范围在图3中总结：工程设计主导了机械和设备、电气和电子设备以及交通领域的材料指定。它还对家用和消费品的材料规格有很强的影响，因此主要涉及金属、聚合物和复合材料等材料家族。结构材料如钢材和铝合金在交通、机械和设备应用中大量使用。高成本和高性能的结构材料（如钛合金或GFRPs和CFRPs）主要应用于航空行业。在工程设计中，铜主要以未合金化的形式作为功能材料使用，因其具有优异的导电性，用于电缆、电动机和各种电气和电子设备。铅主要用作铅酸电池的功能材料。对于聚合物，工程设计对热塑性塑料的大规模流动影响较小（主要用于包装）。相反，工程设计对热固性塑料、丙烯腈-丁二烯-苯乙烯（ABS）、弹性体和“其他塑料”有显著影响。热固性塑料由于其耐久性和较高的最高使用温度，仍然是工程设计的首选。ABS、丙烯腈-苯乙烯-丙烯酸酯（ASA）和苯乙烯-丙烯腈（SAN）等高性能塑料主要用于工程和工业设计，但用于包装的成本较高。弹性体主要应用于垫圈和密封件，这些通常由工程师设计。在“其他塑料”的大规模流动中，工程设计特别影响丁二烯橡胶在轮胎和涂层中的应用。

工业设计的相对主导地位在图4中显示：工业设计不是任何材料家族或类别的主要设计领域。唯一由工业设计主导超过20%的流动是ABS、ASA和SAN。最大的绝对流动量是钢材和铸铁，占所有相关工程材料流动的一半以上。除了工业设计对主要工程材料流动的直接影响相对较小外，它还通过显著影响这些领域的吸引力和接受度，间接影响了交通和电气及电子设备领域的流动。

这些结果可以与现有的全球材料生产量概述（Ashby，2023）进行比较，显示出一致性，这可能是因为这些概述基于相同的数据。除此之外，目前尚未找到其他比较研究，这突显了本研究的新颖性。

**4.2. 碳足迹**
图5显示了2022年全球工程材料流向其应用领域和主导设计领域的碳足迹。以二氧化碳当量表示，陶瓷和玻璃的流动减少了84%，天然材料的流动减少了22%，金属的流动增加了2.6倍，聚合物的流动增加了3.1倍，复合材料的流动增加了9.4倍（参见图1、图2、图3、图4）。从碳足迹来看，土木和建筑设计仅占所有工程材料流动的约60%。工程设计的影响增加到近20%。其他设计领域在这个图中相当显著，但由于给定数据的限制，无法对该类别进行更详细的分析。

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**图5. 2022年全球主要工程材料流向其应用领域和相关主导设计领域的全球变暖潜力（GWP 100），以二氧化碳当量（CO2 eq.）表示。注意：Fe = 铁，Al = 铝，Cu = 铜，PP = 聚丙烯。**

所有主要工程材料生产的计算碳足迹（13867百万吨CO2当量）可以与IPCC在其2023年第六次综合报告中提供的最新数据进行比较，该报告估计2019年的人为温室气体排放量为59 ± 6 Gt CO2eq，年增长率为1.3%（IPCC，2023）。将此数据外推到2022年，工程材料将占2022年所有温室气体排放量的22.6%。这正是预期的范围，大约为23%（Hertwich，2021年），包括对混凝土（主要来自水泥）（Monteiro等人，2017年）和钢铁（国际能源署，2020年）的预期，它们是主要的绝对贡献者。根据这些全球数据，估计由土木和建筑设计决定的工程材料的生产对全球年温室气体排放的贡献约为14%，工程设计约占4.5%，工业设计约占0.9%。没有找到进一步的研究进行比较，这突显了这次估算尝试的新颖性。图6提供了对土木和建筑设计在初级工程材料流碳足迹中主导地位的详细分析。与图2中特定学科的质量流分析相比，土木和建筑设计对材料家族碳足迹的责任始终低于材料家族的质量流。这是由于每种材料家族中使用的特定材料类别的排放强度在建筑行业中占比较高所致。总体而言，土木和建筑设计主要使用的是那些平均碳足迹较低的工程材料。例如，对于天然材料，如工业原木、锯木、木基板材和其他工程木材产品，这些材料完全由土木和建筑设计指定使用，其排放强度大约在每千克材料0.2-0.9千克二氧化碳当量之间。相比之下，纸张和纸板的排放强度在每千克0.3-2.7千克二氧化碳当量之间。同样，对于金属，土木和建筑设计主要决定了使用排放强度最低的材料类别，即钢铁。

图6显示了2022年主要由土木和建筑设计指定的初级工程材料流动的全球变暖潜力（GWP 100）以二氧化碳当量（CO2 eq）表示。注意：Fe = 铁，Al = 铝，Cu = 铜，PVC = 聚氯乙烯，PS = 聚苯乙烯，PUR = 聚氨酯。

图7提供了主要由工程设计决定的初级工程材料流动的碳足迹，与土木和建筑设计的情况相反，因为工程设计不成比例地使用了排放强度相对较高的工程材料。虽然钢铁和铸铁的使用（约2千克CO2 eq每千克）有40%是由工程设计决定的，但排放强度更高的材料类别，如铜及其合金（约6千克CO2 eq每千克）或钛及其合金（约46千克CO2 eq每千克），则由工程设计决定了更高的比例。

图8展示了主要由工业设计指定的工程材料流动的碳足迹。在这里，质量流与其碳足迹之间的百分比值没有显著差异。这意味着所使用材料类别的排放强度以及它们的使用量反映了各自材料家族的平均排放强度。

4.3. 限制
用于工程材料映射的数据准确性未知。这包括工程材料生产量、各应用领域的使用情况以及用于计算材料和碳足迹的表征因素的统计数据。与实验结果相比，这些数据的发布没有误差范围，使得定量不确定性分析变得不可能。此外，尽管所选的表征因素声称能完全代表市场情况，但它们很可能并不能完美反映特定工程材料流动中的实际数据分布。由于数据透明度有限（Guo等人，2025年），这一点难以进一步评估。通过比较sankey图的每个部分的质量平衡检查试图最小化与非数据相关的不确定性。当不同参考文献用于sankey图的不同部分时，这些“部分”之间的微小差异小于5‰，并已归一化到材料家族的值。完整性检查是通过将库存数据与材料科学和工程的标准教科书（Ashby等人，2023年）、工程设计中的材料选择（Ashby，2024年）以及工程材料数据库（ANSYS Granta，2025年）进行对比来完成的。

以下敏感性分析试图分析方法和数据选择对结果的影响（ISO 14050，2020年）。虽然将次要工程材料排除在分析之外总体上提高了结果的有效性（见第2节），但这意味着与包含所有工程材料的情况相比，绝对体积会发生变化。考虑次要工程材料主要会影响金属、纸张和纸板（回收含量超过30 wt%）。金属流的平均回收含量约为45 wt%，纸张和纸板的平均回收含量约为70 wt%（Ashby，2023年），这些材料主要增加了流入建筑行业的增强型钢铁（土木设计）（Cullen等人，2012年）、流入汽车行业的铸铝（主要是工程设计）以及流入包装和其他印刷应用的纸张和纸板（其他设计学科）。2022年，塑料的回收含量低于10 wt%（Houssini等人，2025年）。因此，由于重点关注主要材料，无法确定某一特定设计学科的结果存在普遍偏差。补充材料中记录的“其他金属”的份额估计基于美国数据，并不完全代表全球流动，但对总体结果的影响可以忽略不计（< 0.1%）。结果对于第2节中引入的主要设计学科的假设非常敏感。这个问题通过正确解释和标注结果来解决，始终强调假设的设计学科“主导地位”。在建模过程中做出的另一个可能对结果有显著但无法量化的决策是分配特定表征因素来计算碳足迹。总体而言，我们的结果与现有的最佳可用全球材料生产碳足迹计算（Hertwich，2021年）相比没有显著差异，如第4.2节所述。最后，由于缺乏数据，应用领域到设计学科的分配因子（表1）必须基于合理的假设。虽然所有100%的分配都是明确的，但其他分配则不是。虽然它们基于13个案例研究的示例性证据，但一组例子永远无法完美代表更大数据集的整体情况。这可能会影响工业和工程设计的结果。一个最大化工程设计的情景（将所有90:10的分配因子改为100:0，将家庭和消费品的50:50因子改为70:30）导致主要由工程设计指定的全球工程材料流动的比例为3.1 wt%，由工业设计指定的比例为0.2 wt%。一个最大化工业设计的情景（将所有90:10的分配因子改为80:20，将家庭和消费品的50:50因子改为30:70）导致主要由工程设计指定的全球工程材料流动的比例为2.4 wt%，由工业设计指定的比例为0.9 wt%。敏感性分析的值是从用于定义分配规则的示例产品中获得的极端值。

总体而言，MFA结果的不确定性低于碳足迹，因为它们的表征因素为材料流动模型带来了额外的不确定性。除了所有不确定性和方法论决策的敏感性之外，该模型还提供了对设计学科在全球工程材料流动、相关碳足迹以及特定工程材料家族和类别流动的相对重要性的稳健估计。

4.4. 未来工作
鉴于所有工程材料的数据可用性不足，现有结果无法：
- 区分实际上有多少工程材料流动到达最终应用，有多少作为损耗而损失，这对材料高效设计很有意义；
- 考虑理论上提供当今材料服务所需的工程材料流动的最小必要部分，Allwood及其同事对钢铁和铝的研究对此进行了探讨（Allwood和Music，2024年）；
- 提供工程材料流动的整体可持续性评估；
- 包括并区分主要材料和次要材料；
- 包括对降级效应的风险评估，例如Daehn及其同事对钢铁回收中铜污染的研究（Daehn等人，2017年）；
- 包括对工程材料类别的子类和个别成员的结果；
- 包括对循环设计可能感兴趣的组件的结果，主要关注组件和产品层面。

我们的工作可以作为未来工作的起点。提供了补充材料，以便未来能够复制、更新和在此基础上进行扩展。未来的工作可能尝试克服上述限制以及结果固有的“有效期”。然而，只有在未来提供更详细的材料统计数据时，这项工作才能取得成功。因此，这项工作代表了基于当今数据所能做出的最佳估计。

5. 含义和结论
首次量化并验证了设计学科对全球初级工程材料流动的直接影响的强烈定量层次结构（土木和建筑设计 >> 工程设计 > 工业设计）。如果从碳足迹的角度来看，这一层次结构同样成立，同时设计学科之间的相对重要性也发生了显著变化，回答了第一个研究问题（图1、图5、图6）。此外，还首次量化了不同设计学科对全球初级工程材料生产碳足迹的绝对责任。结果进一步强调了开发环保、循环和可持续的设计解决方案的必要性，以有效促进天然材料和聚合物的循环性和可持续性。首次确定了由特定设计学科主导的特定工程材料类别和家族的流动份额，回答了第二个研究问题（图2、图3、图4）。这些结果明确了特定工程材料流动的明确和详细的学科责任和优势。

揭示并定量估计设计学科、全球工程材料流动以及一个示例性影响类别之间的联系，从三个方面促进了生态设计、可持续性设计和循环性设计。它向设计师、设计研究人员和设计政策制定者提供了关于特定学科在全球工程材料流动中的优势和责任的明确信息。这有助于用可靠的系统知识替代直觉，并根据可持续性转型的紧迫性来确定行动的优先级。例如，致力于开发新的循环工程设计工具的设计研究人员现在知道，只需针对金属、聚合物和复合材料优化并测试其可行性和有效性即可。这样就可以避免在同时针对陶瓷、玻璃或天然材料进行优化和测试时浪费资源。其次，设计研究人员和政策制定者可以利用这些成果来模拟不同的情景，以开发新的可持续和循环设计方法及政策，从而找到更有效的解决方案并评估它们的潜力。第三，由于一些（少量）设计政策和方法不仅适用于特定学科，还适用于特定材料类别（例如仅针对特定类型塑料的政策或材料选择工具，见Maaskant等人，2023年），这项工作为他们提供了更系统的知识基础。

**作者贡献声明：**
Leon Schaake：撰写、审稿与编辑、可视化、验证、资源管理、方法论、研究、正式分析、数据管理。
Hannes Geist：撰写（初稿）、可视化、验证、软件开发、资源管理、项目管理、方法论、研究、正式分析、概念化。
Frank Balle：撰写、审稿与编辑、验证、监督、概念化。

**参考文献：**
CEN/CENELEC, 2024; ecoinvent, 2022; ISO, 2020; U.S. Geological Survey, 2022.

**利益声明：**
作者声明他们没有已知的可能影响本文研究的财务利益或个人关系。