建筑垃圾減量化與資源化利用技術(shù)

張明 陳曉龍

（1.安徽置地投資有限公司， 安徽 合肥 230000；2.合肥工業(yè)大學(xué)土木與水利工程學(xué)院， 安徽 合肥 230009）

2005 年建設(shè)部出臺《城市建筑垃圾管理規(guī)定》，將“建筑垃圾” 定義為： 建設(shè)單位、 施工單位新建、 改建、 擴(kuò)建和拆除各類建筑物、 構(gòu)筑物、 管網(wǎng)等以及居民裝飾裝修房屋過程中所產(chǎn)生的棄土、 棄料及其他廢棄物。

隨著時代的發(fā)展， 建筑結(jié)構(gòu)的類型不斷發(fā)生變化， 框架結(jié)構(gòu)逐步取代了以前使用較多的磚混結(jié)構(gòu)，而建筑垃圾的主要成分也由原來的碎磚、 砌塊等變成了混凝土、 砂漿、 鋼材等。 隨著新型建筑材料不斷發(fā)展及推廣應(yīng)用， 建筑垃圾的種類也在不斷增多，導(dǎo)致了建筑垃圾的收集和處理難度也在不斷增加[1]。目前建筑工程施工過程中產(chǎn)生的建筑垃圾分為三大類： 第一類是鋼筋下料后的料頭； 第二類是廢舊的模板及方料； 第三類是墻體及構(gòu)件破除后產(chǎn)生的石渣[2]。 建筑垃圾往往堆放在固定的地點， 對其進(jìn)行收集和分類的難度不大。 同時很多建筑垃圾具有二次使用價值， 通過處理可以轉(zhuǎn)化為可用資源， 這樣即保護(hù)了環(huán)境， 也帶來了經(jīng)濟(jì)效益。 然而， 如果建筑垃圾不經(jīng)任何技術(shù)處理， 直接進(jìn)行堆放或者填埋，會對周邊環(huán)境產(chǎn)生影響， 周圍的土質(zhì)、 水質(zhì)及大氣會受到持續(xù)的危害， 這種危害會持續(xù)數(shù)十年。 因而，在充分認(rèn)識建筑垃圾特性的基礎(chǔ)上， 對建筑垃圾進(jìn)行減量化資源化處理顯得尤為重要[3]。

1 建筑垃圾減量化技術(shù)要點

建筑垃圾減量化是指在施工過程中減少建筑垃圾的產(chǎn)生量和排放量， 包括減少建筑垃圾的種類、體積數(shù)量等； 建筑垃圾資源化利用是指對建筑垃圾就近處置或回收再利用[4]。 對施工現(xiàn)場垃圾減量與資源化的主要技術(shù)重點有。

1） 對二次結(jié)構(gòu)的混凝土砌塊做好排塊設(shè)計， 在加工車間提前進(jìn)行切割加工， 以減少施工現(xiàn)場混凝土砌塊產(chǎn)生的廢料； 2） 優(yōu)化鋼筋下料技術(shù)， 提高鋼筋利用率； 對余料采取二次利用， 用于預(yù)埋件與安全圍欄的加工等； 3） 對施工中的混凝土余料做好回收利用， 用于制作小型構(gòu)件； 4） 垃圾管道垂直運輸技術(shù)， 節(jié)能型豎向建筑垃圾管道可提高建筑垃圾分類收集的程度， 減少了垃圾資源化、 無害化處理的難度； 進(jìn)一步提高建筑垃圾處理及資源化利用技術(shù)水平， 有利地避免對土壤質(zhì)量的損害， 減少對空氣的污染； 5） 對建筑垃圾進(jìn)行分類處理； 碎石類及粉質(zhì)建筑垃圾進(jìn)行顆粒級配， 用作路基的回填材料。

2 建筑垃圾減量化施工對策

2.1 混凝土加氣塊排塊設(shè)計研究

建筑工程中的二次結(jié)構(gòu)， 其細(xì)部節(jié)點繁多， 施工過程中難以進(jìn)行精細(xì)化設(shè)計， 以致于施工現(xiàn)場對砌體等原材料切割的隨意性較大， 普遍的存在著嚴(yán)重浪費、 損耗的現(xiàn)象。 目前， 管理較好、 技術(shù)能力較強的項目部的二次結(jié)構(gòu)精細(xì)化設(shè)計一般使用CAD（ComputerAided Design， 計算機(jī)助設(shè)計等） 工具，依靠用戶手動在平面上進(jìn)行砌塊等材料的電腦排版，在使用過程中呈現(xiàn)手動工作量大、 容易出錯、 效率低、 造成建筑材料的浪費等缺點。

考慮到上述問題， 我們提出了一種新的砌塊排布方法。 主要包括： 獲取待進(jìn)行砌體排布墻體模型；獲取在對所述墻體模型進(jìn)行砌體排布過程中所需的初始參數(shù)信息， 并根據(jù)獲取到的初始參數(shù)信息， 在墻體模型上形成體排布圖， 從面實現(xiàn)體的自動排布，整個砌體排布過程操作簡單， 克服了手動進(jìn)行砌體排布所存在的缺點， 降低了用戶的手動工作量， 提高了砌體結(jié)構(gòu)綜合排布的效率和準(zhǔn)確度， 減少了建筑廢料。

2.1.1 模擬現(xiàn)場排布BIM模型

在進(jìn)行砌體排布時， 通過從用戶選定的建筑謝謝模型中提取出墻體模型， 具體地， 可將用戶指定的BIM模型導(dǎo)入到系統(tǒng)中， 系統(tǒng)根據(jù)BIM模型中的圖元屬性將墻體模型從整體模型中提取篩選出來，并進(jìn)行一些數(shù)據(jù)的預(yù)處理， 由于從BIM模型中提取出的墻體模型與實際墻體契合度高， 保證了后續(xù)在墻體模型形成的砌體排布圖的合理性[5]。

2.1.2 生成墻體排布詳圖

根據(jù)獲取到的所述初始參數(shù)信息， 在所述墻體模型上形成砌體排布圖的步驟， 具體包括： 根據(jù)所述砌體的參數(shù)信息和所述措施構(gòu)件的參數(shù)信息， 確定砌體排布過程中所需砌體的尺寸、 數(shù)量以及布設(shè)位置： 基于所述砌排布過程中所需砌體的尺寸、 數(shù)量以及布設(shè)位置， 形成所述砌體排布圖如圖1 所示。

圖1 砌體排布圖

2.1.3 導(dǎo)出墻體料單

通過BIM三維模擬技術(shù)將現(xiàn)場砌體排布做成二維碼， 方便現(xiàn)場管理人員的查看和溝通。 另外在施工現(xiàn)場我們將多余的混凝土加氣塊進(jìn)行破碎， 并將其用于屋面的找坡層， 做到了建筑垃圾的減量化。

2.2 鋼筋優(yōu)化下料技術(shù)研究

建筑工程中鋼筋是最為常見的材料之一， 由于它在單價上又比較高， 所以對于任何一個項目而言，只要控制好了鋼筋的用量， 就相當(dāng)于在材料的造價上節(jié)約了一筆可觀的資金。 近年來， 很多企業(yè)的施工團(tuán)隊， 不考慮建設(shè)投資成本， 盲目的濫用鋼筋材料， 不僅導(dǎo)致了鋼筋材料的浪費， 還加劇了企業(yè)材料成本的投入， 而這些最終降低的是企業(yè)在同行中的競爭力[6]。 為了及時避免更多的企業(yè)陷入這種沒有引起重視的損失中， 為了在用料時更好的提高鋼筋的利用率， 我們分析了利用率低的主要原因， 并給出了可行的方案。

鋼筋下料利用率低的原因主要有： 鋼筋配比依據(jù)的計算公式存在問題； 缺乏對先進(jìn)工藝技術(shù)的了解； 缺乏技能培訓(xùn)， 專業(yè)人員水平低。 目前， 管理較好、 技術(shù)能力較強的項目部在鋼筋配合比的計算公式上不會出現(xiàn)問題， 主要對先進(jìn)的工藝技術(shù)不太了解， 缺乏技能培訓(xùn)， 專業(yè)人員水平較低等等方面。為此， 我們通過BIM技術(shù)解決上述問題， 從而提高了鋼筋的利用率。

通過建立鋼筋骨架圖及其相關(guān)文件的管理可以更好的進(jìn)行鋼筋排布， 對鋼筋下料進(jìn)行優(yōu)化管理。進(jìn)行BE文件上傳， 通過BV移動客戶端進(jìn)行實時查看。 以方便為下料人員與施工人員進(jìn)行技術(shù)交底，避免下料及施工錯誤， 節(jié)約施工時間。 從而提高了鋼筋的利用率， 減少了鋼筋的浪費。

2.3 施工現(xiàn)場鋼筋、 混凝土余料回收利用

隨著建筑業(yè)的快速發(fā)展， 高層、 超高層結(jié)構(gòu)越來越多， 混凝土、 鋼筋用量也相應(yīng)增大， 產(chǎn)生的余料、 造成的浪費也隨之增多。 如攪拌機(jī)在每次使用后， 都會在機(jī)內(nèi)留有部分砂漿和混凝土， 以400L攪拌機(jī)為例， 余料一般在50kg左右。 在混凝土澆筑工作開始或結(jié)束后將泵管中的余料或沖洗水直接從電梯井、 外架等地方排下， 在鋼筋翻樣料下料時剩余的鋼筋頭、 下料過多產(chǎn)生的鋼筋廢料。 如果不再利用這些余料， 則會造成資源的浪費[7]。

2.3.1 混凝土余料的回收利用

攪拌機(jī)每次使用后， 混凝土澆注結(jié)束后， 在攪拌機(jī)、 泵送管內(nèi)都會留有部分混凝土。 對于這些混凝土余料， 我們制作了一些小型的PC構(gòu)件， 從而提高了混凝土的利用率， 減少了建筑垃圾的產(chǎn)生。 制作的小型PC構(gòu)件主要包括門窗洞口預(yù)制過梁， 預(yù)制成品空調(diào)孔洞如圖2 所示等。

圖2 預(yù)制成品空調(diào)孔洞

2.3.2 鋼筋余料的回收利用

鋼筋余料在工地的再次利用方式較多， 可以制作馬凳筋如圖3 所示用于地下室底板施工； 可以將較長的鋼筋余料焊接成通道架子， 形成臨時通道；可以焊接成鋼筋篦子， 代替溝蓋板用于施工現(xiàn)場及生活區(qū)排水溝。 將鋼筋余料用于工地工作生活的許多方面， 方便工人的工作及生活， 節(jié)約施工成本。

圖3 板馬凳筋

2.4 垃圾管道垂直運輸技術(shù)研究

高層建筑在主體結(jié)構(gòu)施工過程中， 由于模板施工、 混凝土輸送、 混凝土振搗等各方面原因， 都會發(fā)生混凝土拋灑、 泄露， 從而產(chǎn)生一定數(shù)量以混凝土材料為主的建筑垃圾。 在裝飾裝修施工中也會產(chǎn)生以落地砂漿、 混凝土剔鑿碎塊等為主的建筑垃圾。對產(chǎn)生的這些建筑垃圾， 一般是采用人工收集裝袋，然后利用垂直運輸設(shè)備從各個樓層運到地面再進(jìn)行集中處理。 整個過程要經(jīng)過多次倒運， 這不僅要投入大量勞動力， 還要占用緊缺的垂直運輸設(shè)備， 同時會造成揚塵污染。 運到地面的建筑垃圾， 在沒有完善的篩分設(shè)備情況下， 回收利用率極低， 大多作為廢料外運填埋[8]。 因此， 我們將使用垃圾管道輸送系統(tǒng)解決以上所有問題。

垃圾管道輸送系統(tǒng)設(shè)計主要內(nèi)容包括管道入口、主管道、 管道與墻體的連接、 管道出口、 管道減速器5 個方面的研究。

2.4.1 管道入口設(shè)計

垃圾管道的人口是很重要的部分， 因此著重設(shè)計了管道的人口。 首先， 管道的人口應(yīng)該能直接與樓板的接觸， 否則垃圾有可能從管道與樓板直接的縫隙漏到下面， 并且管道和樓板的距離不可能都是一致的， 因此， 還要適應(yīng)管道離墻體距離的變化。由此， 研究設(shè)計了一個與管道連接， 可沿著軸固定轉(zhuǎn)動的擋板， 這樣就能以擋板的垂直距離來代替它的水平距離， 擋板可直接與建筑物的樓板接觸， 垃圾下落的問題得以解決。

2.4.2 主管道設(shè)計

主管道部分采用竹節(jié)式標(biāo)準(zhǔn)管道層， 每個標(biāo)準(zhǔn)管道層分上下兩層套筒， 管壁厚3mm， 上層套筒寬度為500mm， 下層套筒寬度為506mm， 每層套筒高度為1500mm， 在上層套筒中從上向下每隔200mm設(shè)置兩個10mm螺栓孔（水平方向上兩個螺栓孔之間的距離為300mm）， 在下層套筒中也是從上向下每隔200mm設(shè)置兩個螺栓孔， 上下套筒可以通過螺栓將其固定。 因此， 管道高度可以進(jìn)行調(diào)節(jié)， 以滿足不同樓層高度的需求。 而標(biāo)準(zhǔn)層之間可用螺栓直接將管道連接。

2.4.3 管道出口設(shè)計

管道出口一般都是豎直方向的， 而我們在豎直末端連接一個水平出口。 這種設(shè)計便于垃圾出口靈活的與垃圾箱連接， 而且能夠通過角度的調(diào)節(jié)， 減少下落的垃圾對垃圾管道的沖擊損害， 能有效地保護(hù)垃圾管道。 垃圾管道水平出口處設(shè)置擋板， 能夠減少建筑垃圾下落時引起的塵土飛揚， 保護(hù)周圍的環(huán)境。 還可以起到減緩垃圾速度、 保護(hù)垃圾箱的作用。

2.4.4 管道減速器設(shè)計

建筑垃圾管道主要用于高層、 超高層建筑， 建筑垃圾如果從高處一次性落下， 勢必會對地面或地面承接物產(chǎn)生相當(dāng)大的沖擊力， 產(chǎn)生不安全因素。為解決這個問題， 我們在每層的建筑垃圾管道中安裝了緩沖裝置， 用于減小建筑垃圾的下落速度， 保證建筑垃圾在到達(dá)地面時速度降到安全范圍內(nèi)。 但在使用初始階段， 垃圾在通過減速器時經(jīng)常會卡住，為此我們經(jīng)過多重考慮后， 決定利用彈簧的緩沖作用對建筑垃圾進(jìn)行減速， 具體設(shè)計方案見圖4。

圖4 管道減速器

管道截面尺寸為506 ×506mm， 因此減速板的尺寸設(shè)計為480 ×380mm， 厚度為3mm， 所用材料為鋼板。 在減速板表面覆蓋一層橡膠， 用于減小建筑垃圾在撞擊減速板時發(fā)出的噪音。 減速板與管道的連接方式為鉸接； 減速板的初始角度為45°。

假定一次性從管道進(jìn)入垃圾15kg， 鋼的密度為7.85g/cm3， 鋼板厚度d 為3 mm， W=7.85 ×d， 每平方米重量（W） =7.85 ×3 =23.6kg。 該減速門的鋼板尺寸為380 mm×480 mm， W=2.28kg。

下落的垃圾對鋼板的沖擊能量E=mgh =15 ×9.8 ×0.5 =58.8J， 由能量的轉(zhuǎn)換對鋼板的沖擊能量轉(zhuǎn)化為彈簧的彈性勢能， 如下式所示。

式中： k——彈簧的彈性系數(shù)（N/m）， 經(jīng)推算得： k=5880 N/m； x——鋼板末端的最大位移量（取x=0.1m）。

鋼板與管壁夾角α的確定。 查閱相關(guān)資料， 橡膠與混凝土之間的摩擦系數(shù)u 為0.45。 根據(jù)力學(xué)平衡條件得，cosα＞u。 得α=45°。 彈簧與鋼板之間的夾角為90°。

2.5 建筑垃圾回填路基研究

建筑垃圾回填前要先進(jìn)行預(yù)處理， 對于大塊的建筑垃圾先進(jìn)行破碎處理， 破碎程度根據(jù)具體施工要求而定。 待破碎完成后再使用篩分設(shè)備進(jìn)行篩分處理。 將破碎后的建筑垃圾按不同的粒徑進(jìn)行篩分，再進(jìn)行摻配， 使集料的顆粒級配滿足施工要求。 經(jīng)過以上處理的建筑垃圾， 可以在路基施工中得到二次使用[9]。

1） 技術(shù)要求： ①建筑垃圾分類堆放至對施工不造成影響或影響較小的區(qū)域； ②建筑垃圾的粒徑不應(yīng)過大， 較大粒徑的建筑垃圾應(yīng)再次進(jìn)行破碎篩分；③控制路基填筑材料中建筑垃圾的比例， 保證材料中正常材料的含量。

2） 施工工藝： ①基底處理， 對原地面表層的樹根雜草等植被進(jìn)行清除， 將地面的低洼和坑洞進(jìn)行填補壓實， 保證地面平整。 對于土質(zhì)松散的部分，先進(jìn)行松土晾曬再重新填補碾壓至密實； ②攤鋪、整平： 路基攤鋪時應(yīng)分層填筑分別壓實， 采用后退式攤鋪法鋪筑建筑垃圾， 推土機(jī)隨時攤鋪整平。 最后采用平地機(jī)進(jìn)行精平； ③碾壓： 確保鋪層材料的含水量在碾壓時屬于最佳水平， 采用灑水車均勻灑水。 碾壓時應(yīng)遵循先慢后快、 先兩邊后中間的原則，使用羊角碾與光輪壓路機(jī)組合施工。

3 結(jié)語

建筑垃圾不需要再次開采， 通過破碎、 篩分及加工后可以在工程中得到再次利用。 想要實現(xiàn)建筑垃圾減量化與資源化， 必須堅持減量與資源化利用同步進(jìn)行， 要明確建筑垃圾的利用是貫穿工程始終的， 并不僅僅存在某一施工階段。 通過對施工現(xiàn)場建筑垃圾的減量化與資源化的處理我們得出了以下結(jié)論。

1） 利用BIM技術(shù)收集參數(shù)信息， 搭建系統(tǒng)化平臺， 對鋼筋、 混凝土下料做出最優(yōu)的處理方案，以優(yōu)化鋼筋、 混凝土的下料， 克服了傳統(tǒng)鋼筋、 混凝土下料存在面臨算量偏差、 裁切無章的問題， 提高了施工效率， 減少了資源的浪費。

2） 節(jié)能型豎向建筑垃圾管道實現(xiàn)了建筑垃圾的集中收集， 減少粉塵， 綠色環(huán)保。 制作工藝簡單，操作簡單， 受外界環(huán)境條件影響小。

3） 通過對施工現(xiàn)場的鋼筋余料、 混凝土余料的再生利用實現(xiàn)了建筑垃圾的資源化， 減少了浪費，降低了達(dá)到節(jié)能減排目標(biāo)的難度。

4） 將建筑垃圾在路基建設(shè)中再次利用， 不僅在技術(shù)上符合要求， 也符合保護(hù)環(huán)境節(jié)約能源的要求，為減少建筑垃圾排放量實現(xiàn)綠色施工做出了巨大貢獻(xiàn)。