在资源有限且气候变化显著的证据不断增加的时代，可持续性日益被视为全球重要议题。以设计、能源和材料等领域为例：这些与可持续性相关的核心概念，构成了广泛创新这一综合谱系的一部分。
“如今，可持续性成了一种时尚，”麻省理工学院土木与环境工程系（CEE）教授 Oral Buyukozturk 说。“但这个概念常常被使用得过于宽泛，以至于许多人不确定它究竟意味着什么。”
Buyukozturk 特别关注力学、建筑材料的耐久性和合理设计，并在 CEE 推动了多个跨学科项目——其共同目标是推进科学与工程发展，为基础设施打造可量化的可持续设计。
他认为，正是科学与工程让摩天大楼屹立不倒、材料保持韧性、基础设施完好无损。
“实体基础设施和土木基础设施不可避免地会随着时间推移而劣化，”Buyukozturk 说。“建筑材料劣化是一个全球性问题，我们面临两项挑战：如何修复和修缮现有结构？又该如何建设在当今条件下更耐久的新系统？”他在建成环境可持续性方面的工作，正致力于提供解决方案。
为了用工程学术语阐明可持续性的概念，Buyukozturk 于 2011 年创立了 基础设施科学与可持续性实验室 （LISS）。如今，LISS 汇集了一系列相互关联的倡议，旨在通过详细评估现有实体基础设施的可持续性并改进新系统的设计，促进社会和经济发展。
LISS 涵盖多个相互关联的倡议，包括运动感测和分布式无线传感器网络、建筑材料创新、基础设施能源效率，以及地震工程领域的新设计范式。
LISS 通过在结构健康监测、地震工程和地震学国际会议上发表论文，以及在诸如 发表研究成果 的期刊上，广泛传播其发现和新技术，例如 《美国国家科学院院刊》。
LISS 致力于提升科威特建成环境的可持续性
在 LISS 框架下汇集的研究倡议中，最具雄心的项目之一是“科威特建成环境可持续性”（SKBE）。这项使命被称为首个科威特—麻省理工学院标志性项目，并于 2013 年 3 月 13 日公布。
该团队汇聚了 30 多名麻省理工学院和科威特研究人员，以及来自麻省理工学院各处的大批研究生，致力于在建筑材料、感测、能源效率、韧性和城市规划方面推动创新。
“总体目标是在极端条件下，为科威特建成环境的可持续性开发创新解决方案和方法，”SKBE 首席主要研究员 Buyukozturk 说。项目最终成果将是一份关于科威特建成环境未来发展的蓝图。
“该项目采用独特的多尺度城市规划方法，大幅提升材料、建筑和社区的能源效率与生命周期效率。它将助力科威特未来城市开发，并改善现有建筑和城镇的能源利用，同时着眼于可再生能源理念，”科威特科学研究所（KISR）能源与建筑研究中心研究科学家、该标志性项目共同首席研究员 Ali Hajiah 说。
SKBE 源于麻省理工学院与科威特科学研究所及科威特大学科学家多年来的交流；项目由科威特科学促进基金会通过科威特—麻省理工学院自然资源与环境中心（CNRE）提供 497 万美元资助。
Buyukozturk 说，该项目的亮点在于汇集了一系列“热门议题”挑战：人口急剧增长、地震地面运动、危险天气状况、能源转换以及未来能源枯竭。他补充说，为科威特最终能源系统进行抢救和利用，其现实应用范围十分广泛。
“据我所知，这是一个规模独特、处理如此重大问题的项目，”Buyukozturk 说。“挑战在于让所有人共同为可持续性而努力——不只是谈论它，而是创造解决方案。”
为响应科威特政府关于以综合方法更新基础设施的号召，该计划涵盖三大研究方向：纳米工程建筑材料；基于性能的工程、可靠性和能源效率；以及科威特建筑材料和建筑物的生命周期性能。
“科威特若干基础设施项目将依据其总体规划实施，这个分为三个相关研究方向的独特标志性项目，将为科威特未来的基础设施系统、现有基础设施改造、教育、经济和建筑行业带来重要科学知识和益处，”科威特市政委员会成员、项目协调员兼共同首席研究员 Hasan Kamal 说。“除惠及海湾地区外，项目成果还将用于修订标准、规章和规范。”
SKBE 开发耐久建筑材料
该项目成功的一个例子，是开发出一种混凝土，其耐候性更强、劣化程度低于目前科威特许多建筑中使用的混凝土。
“在科威特大学，我们拥有固态 600-NMR、N2/H2O 吸附测量、拉曼光谱和纳米压痕等强大的技术。通过这个独特项目，我们首次将这些技术用于水泥表征和优化，”科威特大学学术与研究生事务副院长、该校纳米科学中心负责人及项目共同首席研究员 Professor Ali Bumajdad 说。
SKBE 团队通过反复迭代，将实验与多尺度计算建模相结合；这类建模由土木与环境工程系主任 Markus Buehler 领导。团队正在开发一种掺入火山灰的水泥浆体配方——火山灰在波斯湾地区/阿拉伯半岛各地均有发现。用这种配方制成的混凝土孔隙更少、抗水渗透能力更强，符合团队的可持续发展目标。
“我们[在 SKBE 中]将 Buehler 教授团队研究的生物材料融入建筑和建材，”CEE 研究生、SKBE 合作者 Steven Palkovic 说。“这项工作具有创新性，因为它是首次尝试将多尺度方法用于水泥基材料的工作之一，也是一项持续进行的努力，旨在把从生物材料中获得的经验应用于全球使用最广泛的建筑材料之一。”
Buyukozturk 认为，这项工作将为科威特及未来的任务节省资金和能源。
“这是一个新概念：利用当地可获得的材料替代部分水泥，从而制成性能更好、制造成本更低、使用寿命更长的材料，”他说。
项目愿景是结合当前实验技术，运用计算材料建模与模拟的基础科学能力，以应对科威特特有的技术挑战。
Buyukozturk 说，这是“为材料和结构提供可持续解决方案的模式迈出的第一步”。
调节基础设施对环境的响应
能够探测建筑物细微行为（如扭转、振动和摇晃）的传感器，有望在灾害发生前识别结构损伤或薄弱之处。
在 SKBE 的研究范围内，传感器网络正安装在科威特城的 Al Hamra 塔上——这座塔是世界上最高的雕塑式建筑——以监测其地震行为及任何环境影响。“我们建立了完整尺度的有限元模型，研究这座独特高塔的动态特性，并在安装仪器前进行最优传感器布置分析，”CEE 博士后 Hao Sun 说。“在实际结构健康监测中，最优传感器布置的目标是在传感器数量有限的情况下，尽可能多地获取结构信息。”
GPS 设备和加速度计也已布设在科威特各地，以测量建筑物运动。“我们在 Al Hamra 安装了两台 GPS 设备，持续监测建筑物的运动和位移，”MIT 地球、大气与行星科学系（EAPS）GPS 专家兼教授 Tom Herring 说。“GPS 有望实时监测建筑物的动态行为，从而让我们了解地震和环境对建筑物的影响，并帮助评估建筑物安全性。”
SKBE 的一个特别目标是考察作用于科威特高层建筑和超高层结构的地震荷载。“区域地震是威胁科威特建筑安全的重要因素，”EAPS 教授、共同首席研究员 Nafi Toksoz 说。“借助基于性能的工程理念，我们研究稳健的本地地面运动计算方法，为建筑响应建模和性能预测提供数据。”
Buyukozturk 说，这些新技术可以为有关现有基础设施安全性和可靠性改造的决策提供依据，也有助于量身设计未来建筑系统，以实现最高能源效率和坚固性。
提升基础设施的能源效率和生命周期性能
建筑师正主导 SKBE 的第三个研究重点领域。项目成员之一、麻省理工学院建筑与规划学院副教授 Christoph Reinhart，正在将可持续设计模拟和规划模型应用于科威特这个大型实验室。
Reinhart 与麻省理工学院学生及科威特同事合作，为科威特城典型社区的每一处住宅绘制地图，以确定住户的能源使用情况，以及每个单元的隐含能耗（即建筑物在其整个寿命期间建造和维护所需的能源）。他的团队还绘制城市社区的“步行便利度”，即商店、公园和其他地点对步行者的距离远近与可达性。
这项研究将为科威特政府提供规划指导。该政府目前承受着巨大压力，既要应对人口迅速增长，也要履行向科威特人提供可负担住房的承诺。
“我们在这里真正做的，是创建他们今天就能使用的、以证据为依据的设计工具，”Reinhart 说。“如果我们能指出未来十年建筑物将使用多少能源，科威特人就可以作出战略决策，例如决定为老旧建筑加装光伏设备或隔热性能更好的窗户，或者部署能让建筑物在夏季保持凉爽的新型建筑材料。”
Reinhart 的研究揭示了科威特在选择可持续建筑方案时可能面临的权衡。他的模型显示，设计良好的高层建筑能源效率最高，也能提升社区的步行便利度，但并不太适合采光设计——这项技术利用窗户的自然光减少对人工光源的需求。建筑密度增加有利于节能，却可能压缩科威特人对舒适居住空间的需求。
无论科威特如何运用这项研究，Reinhart 都将其社区建模视为“一种令人兴奋的新型能源政策工具，可能产生巨大影响，”他说，尤其是在更大范围推广之后。
此外，麻省理工学院土木与环境工程系和建筑系 1942 届教授 John Ochsendorf 正与 Reinhart 合作，量化科威特建筑材料的环境影响。目标是找出建筑运营和施工两方面的节能机会。Ochsendorf 认为，“该项目为未来低能耗城市的规划与设计提供了一种综合方法。”
Buyukozturk 说，SKBE 最初预计运行三年。如今项目已进入第三年，他暗示项目自然延续的时间将超过原先预计的期限。“种种迹象表明，随着这次延期，他们[科威特]将从我们通过该项目建立的知识框架和发展成果中获得更多益处，”他解释说。“尤其是，他们希望我们继续推进所创建蓝图的实体实施。”
SKBE 是展示联盟协同效益的第一步，旨在为一系列技术奠定科学基础，以应对科威特建成基础设施的安全与效率问题。
“SKBE 的成功取决于能否针对科威特的具体条件提出解决方案；它也体现了我们社会中任何以科学为基础的技术型企业转型都遵循的一项原则——将科学进步的推动力（全球）与技术需求的拉动力（本地）相连接，”核科学与工程系教授、项目共同研究员 Sidney Yip 说。
从提供详尽的能源使用地图，到制造能够抵御各种环境因素、用于打造坚固基础设施的耐久建筑材料，Buyukozturk 说，科威特可量化的可持续设计以及 LISS 的其他倡议“将会带来重大影响”。
本文与 MIT News合作发布。发布本文并不意味着世界经济论坛认可其中观点。
订阅我们的每周通讯， 了解议程动态。
作者：Kelsey Damrad 为 MIT News 土木与环境工程系撰稿。
图片：上海虹桥机场附近的建筑工地上，工人正在施工。REUTERS/Aly Song。
