“雙碳”目標(biāo)下的建筑構(gòu)件循環(huán)利用研究與實(shí)踐

駱麗賢

（浙江省建設(shè)裝飾集團(tuán)有限公司，浙江 杭州 310030）

0 引言

建筑業(yè)在“雙碳”目標(biāo)下，正邁入綠色化、低碳化的發(fā)展道路，建筑的可持續(xù)性設(shè)計(jì)已經(jīng)成為全世界日益關(guān)注的問題。人們意識(shí)到建筑物在其整個(gè)生命周期內(nèi)消耗了大量的能源和材料以及產(chǎn)生大量的難以被回收利用的建筑廢棄物，而造成建筑廢棄物再利用率和再循環(huán)率低的原因之一是很難將建筑物構(gòu)件和材料再彼此分離，目前尚未形成建筑構(gòu)件可以直接循環(huán)利用的模式體系。

建筑構(gòu)件和材料循環(huán)等利用相關(guān)內(nèi)容的研究，國外開展得較早，不同領(lǐng)域的專家學(xué)者從不同的角度入手，在不同層面探究了建筑構(gòu)件和材料循環(huán)的方法策略。實(shí)踐方面，建筑構(gòu)件循環(huán)利用理念也在很多實(shí)際項(xiàng)目中得到應(yīng)用。

近年來，我國學(xué)者也就展開了多維度的探討與研究。高新[1]從建筑材料循環(huán)利用的角度出發(fā)，研究介紹托馬斯勞材料循環(huán)理念的具體內(nèi)容及其輔助工Madaster 平臺(tái)的應(yīng)用，并通過已有的項(xiàng)目經(jīng)驗(yàn)總結(jié)其理念指導(dǎo)下的設(shè)計(jì)流程，探索如何最大化地再利用廢舊建筑材料。肖建莊等[2]從建筑結(jié)構(gòu)拆解設(shè)計(jì)、拆解施工等多角度分析了建筑拆解的關(guān)鍵技術(shù)，討論了拆解工藝方法和順序與不同層級(jí)的資源化再利用之間的邏輯關(guān)聯(lián)，并提出目前建筑拆解理論構(gòu)成上還有待解決的難題。

本文對(duì)建筑材料循環(huán)利用的模式進(jìn)一步研究，提出以建筑構(gòu)件為基本單元的循環(huán)利用模式，從一個(gè)整體視角和全生命周期的角度來解決建筑材料循環(huán)利用的相關(guān)問題，并嘗試在具體項(xiàng)目中進(jìn)行實(shí)踐應(yīng)用。

1 建筑構(gòu)件循環(huán)利用的價(jià)值分析

1.1 生態(tài)價(jià)值

建筑構(gòu)件循環(huán)利用的生態(tài)價(jià)值主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：

（1）通過對(duì)大量建筑構(gòu)件的循環(huán)利用，可以減少建筑廢棄物的產(chǎn)生，從而減少焚燒建筑垃圾產(chǎn)生的二氧化碳、二氧化硫等氣體的排放，減少垃圾填埋場地的需求，降低其對(duì)環(huán)境的負(fù)面影響。

（2）建筑構(gòu)件循環(huán)再利用可以減少建設(shè)項(xiàng)目對(duì)新材料的使用，從而減少與開采加工建筑材料相關(guān)的環(huán)境污染和能源使用。

（3）另一方面，建筑構(gòu)件循環(huán)利用有助于推動(dòng)建筑行業(yè)從粗放式增長向綠色環(huán)保、更為高效的方式升級(jí)。

1.2 經(jīng)濟(jì)價(jià)值

盡管使用可循環(huán)利用的建筑構(gòu)件來進(jìn)行建筑設(shè)計(jì)建造及拆解，會(huì)在一定程度上增加前期建設(shè)成本及后期建筑拆解人力成本，但是當(dāng)考慮到舊建筑構(gòu)件回收利用獲得的收入時(shí)，其經(jīng)濟(jì)價(jià)值則遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于傳統(tǒng)方式。建筑構(gòu)件循環(huán)利用的經(jīng)濟(jì)價(jià)值主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：

可以循環(huán)利用的建筑構(gòu)件的出售價(jià)值遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于需要重新加工利用的回收建筑材料及粉碎性建筑廢料。而且在某些情況下，項(xiàng)目方可以將這些低于新構(gòu)件的回收構(gòu)件重新使用在可匹配的其他新建或者改建項(xiàng)目中，這就大大減少了項(xiàng)目的材料采購成本。

由于拆除建筑物大量的建筑構(gòu)件可被循環(huán)利用，這就大大減少了建筑固體廢棄物的運(yùn)輸成本和處理費(fèi)用，節(jié)約項(xiàng)目成本。同時(shí)拆除建筑產(chǎn)生的建筑垃圾大大減少，也減少了垃圾填埋場地的需求，從而節(jié)約土地成本。

2 建筑構(gòu)件循環(huán)利用的前提和技術(shù)手段

2.1 建筑構(gòu)件循環(huán)利用的前提

《民用建筑設(shè)計(jì)通則》規(guī)定，以主體結(jié)構(gòu)確定的普通建筑和構(gòu)建物建筑設(shè)計(jì)使用年限為50 年，紀(jì)念性建筑和特別重要的建筑設(shè)計(jì)使用年限為100 年。而住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部副部長仇保興在第六屆國際綠色建筑與建筑節(jié)能大會(huì)上指出，我國建筑物壽命只能持續(xù)25～30 年。這遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于建筑設(shè)計(jì)年限，造成資源和能源極大的浪費(fèi)。張佳等人在城市建筑壽命的空間規(guī)律及其影響因素研究中，通過實(shí)地調(diào)查的方式統(tǒng)計(jì)了蘭州市城關(guān)區(qū)2013～2016 年拆除的154 個(gè)建筑的建成年份、拆除年份、建筑功能等信息，樣本統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)顯示：建筑壽命平均值工業(yè)類為26 年，居住類32 年，商業(yè)類19 年，而最小值工業(yè)類6 年，居住類1 年，商業(yè)類2 年。

從以上研究可以看出，中國現(xiàn)階段大量建筑實(shí)際壽命遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于其設(shè)計(jì)壽命，大量拆除建筑的結(jié)構(gòu)裝飾構(gòu)件還具有繼續(xù)利用的價(jià)值，這種矛盾性成為建筑構(gòu)件可被循環(huán)利用的前提。如果這些建筑的構(gòu)件可以進(jìn)行循環(huán)利用，將產(chǎn)生巨大的生態(tài)效益和經(jīng)濟(jì)效益。

2.2 技術(shù)手段

實(shí)現(xiàn)建筑構(gòu)件循環(huán)利用，需要從建筑設(shè)計(jì)、建筑建造、渠道建立等全過程進(jìn)行考慮。設(shè)計(jì)建造使用標(biāo)準(zhǔn)化模塊化構(gòu)件，組裝方式使用后期易于拆解的結(jié)構(gòu)都是建筑構(gòu)件可以回收循環(huán)利用的技術(shù)手段。在此基礎(chǔ)上還需提供建筑構(gòu)件可追蹤交易的平臺(tái)，才能完成這一循環(huán)利用過程。

2.2.1 標(biāo)準(zhǔn)化模塊化設(shè)計(jì)建造

嚴(yán)格來說，建筑構(gòu)件標(biāo)準(zhǔn)化并不是一個(gè)新興的事物，中國古建筑和西方古建筑都有建筑標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)的概念。宋代《營造法式》中規(guī)定，把“材”作為造屋的尺度標(biāo)準(zhǔn)，“材”一經(jīng)選定，木構(gòu)架部件的尺寸都整套按規(guī)定而來，不僅設(shè)計(jì)可以省時(shí)，工料估算有統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，施工也方便。這樣的標(biāo)準(zhǔn)化構(gòu)件設(shè)計(jì)建造，使其在不同建筑項(xiàng)目中具有普遍的適配性，從而為建筑構(gòu)件的大量回收循環(huán)利用創(chuàng)造了條件[3]。

而如今，裝配式建筑技術(shù)也為建筑構(gòu)件標(biāo)準(zhǔn)化提供了條件。裝配式建筑的基本單元是標(biāo)準(zhǔn)化建筑構(gòu)件。目前一個(gè)項(xiàng)目的建筑構(gòu)件一般只能在該項(xiàng)目中應(yīng)用，而建筑構(gòu)件標(biāo)準(zhǔn)族庫也僅限于某設(shè)計(jì)企業(yè)內(nèi)部。這就忽略了建筑構(gòu)件標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)在不同項(xiàng)目間的傳遞性適配性。而企業(yè)的構(gòu)件庫建立以及云端共享構(gòu)件庫的建立則是解決不同項(xiàng)目間標(biāo)準(zhǔn)建筑構(gòu)件需求的有效方式。

2.2.2 可拆解技術(shù)

建筑構(gòu)件循環(huán)利用的另一技術(shù)前提是建筑構(gòu)件可拆解技術(shù)。中國古建筑以木材、磚瓦為主要建筑材料，以木構(gòu)架結(jié)構(gòu)為主要的結(jié)構(gòu)方式，由立柱、橫梁、順檁等主要構(gòu)件建造而成，各個(gè)構(gòu)件之間的節(jié)點(diǎn)以榫卯相吻合，構(gòu)成富有彈性的框架。這種連接方式十分便于拆解，并能最低程度的損害建筑構(gòu)件，從而最大限度 的將建筑構(gòu)件回收和再利用。現(xiàn)代建筑中，鋼結(jié)構(gòu)建筑構(gòu)件也非常易于拆解，鋼結(jié)構(gòu)的連接方式大多是錨栓進(jìn)行連接，這種連接方式易于拆解又不容易損壞建筑構(gòu)件，并且標(biāo)準(zhǔn)件多，適配度比較高。

而現(xiàn)場澆筑的混凝土和砌筑磚石材料，在建筑拆除時(shí)很難被分離，清潔，整體回收，其再利用的方式就僅僅局限于粉碎重組用作填充材料。解決這一問題的方式之一是推進(jìn)預(yù)制裝配式建筑構(gòu)件的使用，預(yù)制裝配式建筑的全部或者部分構(gòu)件是在工廠里預(yù)制完成生產(chǎn)，再運(yùn)輸至項(xiàng)目現(xiàn)場，通過特定的方式及機(jī)械將建筑構(gòu)件進(jìn)行組裝。相較于傳統(tǒng)施工方式，一方面裝配式建筑構(gòu)件尺寸更大，另一方面其連接方式大量使用螺栓等易拆解結(jié)構(gòu)進(jìn)行組裝，給后期回收循環(huán)利用創(chuàng)造了條件。

迄今為止，國內(nèi)外已有多個(gè)項(xiàng)目都在建筑構(gòu)件可拆解技術(shù)方面進(jìn)行研究并付諸實(shí)踐。

（1）Kieran Timberlake 事務(wù)所研究設(shè)計(jì)的玻璃紙房是一座5 層高的建筑，采用透明的再生材料，鋁作為結(jié)構(gòu)件使用。這座建筑在異地加工，生產(chǎn)周期為3 周，現(xiàn)場安裝工程持續(xù)了16d。玻璃紙房所有的材料是采用快速可逆附件方式組裝的，擠壓鋁框架，配合傳統(tǒng)的鋼連接件，將加工廠內(nèi)生產(chǎn)的結(jié)構(gòu)件組合在一起，玻璃房可以拆除和再組裝，拆卸時(shí)生產(chǎn)相關(guān)材料所需的98.95%的能源都得到利用。

（2）京廣中心是一座集五星級(jí)飯店，高級(jí)寫字樓，豪華公寓于一體的綜合性大廈。由于建成于20 世紀(jì)90 年代，外立面效果難以滿足現(xiàn)代五星級(jí)豪華酒店的標(biāo)準(zhǔn)，因此需要對(duì)建筑1～ 7 層幕墻進(jìn)行整體改造，并考慮對(duì)拆卸的幕墻進(jìn)行回收利用。通過對(duì)幕墻結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的研究，施工方創(chuàng)造性地采用幕墻無損拆除工藝，實(shí)現(xiàn)了玻璃幕墻構(gòu)件拆解回收再利用。

（3）卡塔爾974 體育場（Stadium 974）位于拉斯阿布阿巴迪，可容納4 萬名觀眾。組成體育場的每一個(gè)集裝箱都是一個(gè)組裝模塊，可拆卸的椅子、零食攤位、廁所等，都能被預(yù)先安裝好，再一個(gè)個(gè)搭起來，模塊化的設(shè)計(jì)，也大大降低了施工成本、建造時(shí)間和材料浪費(fèi)。體育場將座位分為上下兩層，世界杯結(jié)束后，上層的座位可以被完全拆除，拆除后的集裝箱可以繼續(xù)在別的地方建館，還能用于建成經(jīng)濟(jì)適用房。

2.2.3 結(jié)合數(shù)字化技術(shù)建立建筑構(gòu)件循環(huán)利用的渠道平臺(tái)

如何讓將拆解回收的建筑構(gòu)件重新進(jìn)入市場流通實(shí)現(xiàn)循環(huán)利用，是當(dāng)下面臨的難題?；诮ㄖ?shù)字化和產(chǎn)品化策略，積極探索數(shù)字化設(shè)計(jì)建造解決方案，為傳統(tǒng)的業(yè)主、設(shè)計(jì)、施工等各參與方提供新的業(yè)務(wù)轉(zhuǎn)型模式，搭建建筑構(gòu)件標(biāo)準(zhǔn)化+定制化，乃至租賃制平臺(tái)，是實(shí)現(xiàn)建筑構(gòu)件循環(huán)利用的渠道條件。

BIM 技術(shù)是基于建筑工程項(xiàng)目中的各種相關(guān)信息數(shù)據(jù)，然后通過建立建筑模型，來模擬建筑物的真實(shí)信息，換句話說就是數(shù)字信息模擬。BIM 技術(shù)具有可視化，協(xié)調(diào)，仿真，優(yōu)化的特性，當(dāng)前建筑行業(yè)正在逐步探索和實(shí)踐基于互聯(lián)網(wǎng)+BIM 的設(shè)計(jì)和施工管理方式[4]。

如今將BIM 技術(shù)引入建筑全生命周期開發(fā)管理是建筑業(yè)內(nèi)的一大趨勢，所以標(biāo)準(zhǔn)建筑構(gòu)件的循環(huán)利用渠道也可基于這一平臺(tái)。首先，在設(shè)計(jì)階段，依托數(shù)字化建模技術(shù)，建立建筑構(gòu)件標(biāo)準(zhǔn)化族庫，并將族庫中標(biāo)準(zhǔn)化建筑構(gòu)件應(yīng)用于具體項(xiàng)目中。下一步，精確記錄各建筑構(gòu)件的信息數(shù)據(jù)，并與制造施工環(huán)節(jié)嚴(yán)格匹配，項(xiàng)目中所使用的建筑構(gòu)件將在此數(shù)字化管理平臺(tái)中全過程可追溯。建筑拆除時(shí)，符合循環(huán)再利用的構(gòu)件將進(jìn)入互聯(lián)網(wǎng)銷售、回收，甚至租賃交易平臺(tái)，重新回到設(shè)計(jì)階段的建筑構(gòu)件標(biāo)準(zhǔn)化族庫，并與新項(xiàng)目相匹配，從而實(shí)現(xiàn)符合條件的建筑構(gòu)件循環(huán)利用。

3 實(shí)踐項(xiàng)目

3.1 項(xiàng)目背景

項(xiàng)目 A 位于浙江省杭州市青山湖科技城，主要包含兩個(gè)建設(shè)內(nèi)容，新建2#廠房及原有廠房立面改造更新。項(xiàng)目用地條件分析如圖1 所示，基地北側(cè)緊鄰科技大道快速路，是臨安經(jīng)濟(jì)開發(fā)區(qū)主要干道，16 號(hào)輕軌線也從基地北側(cè)經(jīng)過，因此園區(qū)北立面非常重要，不論是地面視線高度，還是高架輕軌視線高度都成為企業(yè)的主要展示面。園區(qū)東側(cè)為企業(yè)辦公，因此廠區(qū)東側(cè)展示面是對(duì)內(nèi)及來訪人員的展示面。因此此次立面更新的設(shè)計(jì)范圍將園區(qū)西側(cè)、北側(cè)、東側(cè)以 U 形進(jìn)行圍合，將企業(yè)對(duì)外和對(duì)內(nèi)的主要展示面進(jìn)行改造提升。

圖1 方案一

3.2 現(xiàn)狀問題

項(xiàng)目基地位于臨安與余杭的交界處，科技大道主要街面沿線，是展示臨安區(qū)與青山湖科技城面貌的門戶與名片。

目前該項(xiàng)目主要面臨以下兩個(gè)問題：一方面，急需進(jìn)行擴(kuò)建，現(xiàn)有廠房的生產(chǎn)現(xiàn)狀已滿足不了企業(yè)生產(chǎn)進(jìn)度需求，而且為了提高企業(yè)的核心競爭力，特別是提高醫(yī)藥用和食品用包裝材料的技術(shù)水平，必須對(duì)現(xiàn)有的生產(chǎn)設(shè)備進(jìn)行技術(shù)改造和引進(jìn)新的設(shè)備，必須新建廠房、采用最先進(jìn)生產(chǎn)工藝才能盡快提高創(chuàng)新能力。另一方面，面臨搬遷問題，項(xiàng)目A 園區(qū)現(xiàn)狀廠房外立面比較老舊，與青山湖科技城日新月異的城市面貌不相符，且項(xiàng)目A 作為傳統(tǒng)工業(yè)企業(yè)，長期來看隨時(shí)面臨整體搬遷至城市外圍的可能。

為了解決這一矛盾，設(shè)計(jì)方案通過對(duì)園區(qū)現(xiàn)狀建筑進(jìn)行立面改造的方式，使其建筑形象達(dá)到了城市規(guī)劃的要求，大幅度節(jié)約了建設(shè)成本，并避免了園區(qū)搬遷對(duì)企業(yè)生產(chǎn)造成影響。針對(duì)青山湖園區(qū)處于城市快速更新區(qū)、大拆大建的現(xiàn)狀，新建建筑及現(xiàn)有廠房外表皮采用標(biāo)準(zhǔn)化單元進(jìn)行設(shè)計(jì)建造，遠(yuǎn)期面臨園區(qū)整體搬遷時(shí)可拆卸重組，循環(huán)利用，避免建設(shè)成本的浪費(fèi)。

3.3 應(yīng)對(duì)策略

現(xiàn)狀生產(chǎn)廠房外立面為普通涂料，建筑體量大小不一，外立面色彩搭配稍顯凌亂，設(shè)計(jì)方案在現(xiàn)狀建筑物沿科技大道主立面覆蓋金屬穿孔板表皮，以最為經(jīng)濟(jì)有效的方式，使之成為“具有地標(biāo)性和未來感的科技創(chuàng)意廠區(qū)”?；谝陨峡紤]，建筑設(shè)計(jì)做出兩個(gè)對(duì)比方案。

方案一，將園區(qū)稍顯凌亂的建筑體塊進(jìn)行梳理整合，建筑由幾種簡單的功能性元素構(gòu)成：一系列具有金屬光澤的金屬漆質(zhì)感基座、高低起伏的銀色穿孔板墻面。他們共同構(gòu)成了一個(gè)規(guī)則的整體，凸顯建筑豐富鮮明的形象。銀色金屬質(zhì)感的穿孔金屬板立面，彰顯獨(dú)特的現(xiàn)代工業(yè)建筑氣質(zhì)，使其成為展示臨安區(qū)與青山湖科技城面貌的門戶與名片，如圖1 所示。

方案二，在體塊整合的基礎(chǔ)上，立面大面積采用色彩明亮的穿孔金屬板單元，代表了企業(yè)豐富多元的產(chǎn)品特色；立面顏色從下到上由深到淺，由灰到亮，體現(xiàn)了一種活力向上的態(tài)度；當(dāng)沿途的車輛快速駛過，色彩變化的金屬板呈現(xiàn)出一種動(dòng)態(tài)變化的趨勢。立面的彩色穿孔板有規(guī)律的里出外進(jìn)，呈現(xiàn)出一種編織的紋理，對(duì)應(yīng)企業(yè)主打產(chǎn)品塑料與金屬材質(zhì)柔韌多變的性能，如圖2 所示。

圖2 方案二

兩個(gè)方案均從外表皮構(gòu)件可以循環(huán)利用的角度進(jìn)行考慮，以一場工業(yè)建筑外表皮更新的設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)，尋求項(xiàng)目的經(jīng)濟(jì)效益與低碳愿景。

生產(chǎn)廠房外表皮采用模塊化矩形鋁板構(gòu)件排列組合。在立面形態(tài)上，裝配式構(gòu)件已經(jīng)不僅僅是隱性特征，更是一種顯性元素。外表皮單元構(gòu)件的標(biāo)準(zhǔn)化，使之能輕松與不同建筑形體進(jìn)行匹配，通過排列組合與建筑體塊相互融合，產(chǎn)生不同的立面效果，如圖3 所示，外立面建筑構(gòu)件的這種適應(yīng)性使其在建筑面臨拆遷時(shí)可以匹配新建建筑的設(shè)計(jì)要求，從而達(dá)到循環(huán)利用的目的。

圖3 標(biāo)準(zhǔn)化立面單元與不同建筑形體進(jìn)行匹配效果

4 結(jié)語

建筑構(gòu)件循環(huán)利用具有較高的研究與應(yīng)用價(jià)值，不僅有效減少有害氣體和建筑廢棄物的產(chǎn)生，降低了對(duì)材料資源和能源的消耗，也為相關(guān)企業(yè)創(chuàng)造了可觀的經(jīng)濟(jì)價(jià)值。本文提出從建筑設(shè)計(jì)、建筑建造、渠道建立等全過程進(jìn)行考慮，設(shè)計(jì)建造使用標(biāo)準(zhǔn)化模塊化構(gòu)件，組裝方式使用后期易于拆解的結(jié)構(gòu)都是建筑構(gòu)件和提供建筑構(gòu)件可追蹤交易的平臺(tái)這三個(gè)方面來實(shí)現(xiàn)建筑構(gòu)件循環(huán)利用過程。并在實(shí)際項(xiàng)目案例中通過方案設(shè)計(jì)階段使用標(biāo)準(zhǔn)化可拆解建筑構(gòu)件，積極推進(jìn)這一設(shè)想，來論證這一模式的可行性。本文對(duì)建筑構(gòu)件循環(huán)利用理念的研究尚處于初步探索階段，希望借助本文研究對(duì)建筑材料回收領(lǐng)域的研究和實(shí)踐起到一定推動(dòng)作用，促進(jìn)我國建筑全生命周期可持續(xù)理念的發(fā)展。