废旧建筑材料再利用与建筑的拆解（建筑）

废旧建筑材料再利用与建筑的拆解（建筑）

                                丁衍然¹，谢  剑^1,2

（1天津大学建筑工程学院，天津300072；2天津大学滨海土木工程结构与安全教育部重点实验室，天津300072）

[摘要]  我国对于利用废旧建筑材料的研究起步较晚，没有形成健全的利用体系。在参考大量文献的基础上，全面地总结了废旧建筑材料的利用层次与废旧建筑材料再利用的方法，并在此基础上介绍了建筑的拆解方法和为拆解而设计的思想。最后对我国废旧建筑材料的再利用研究提出了建议，并对结构工程在该领域的发展方向进行了展望。

[关键词]废旧建筑材料；利用层次；再利用；建筑拆解；为拆解而设计

中图分类号：TU50   文章编号：1002-848X( 2016) 09-0100-05

0  引言

    随着我国工业化、城市化进程的加速，在进行城市建设和旧城改造过程中产生了大量废旧建筑。目前我国年拆除建筑产生的固体废弃物达3亿t以上，年新建建筑产生的建筑固体废弃物可达1亿t，建筑固体废弃物占人类活动产生废弃物总量的40%。但我国对废旧建筑材料资源的利用和处理相对滞后，致使废旧建筑材料利用水平较低，处理方式主要以露天搁置和填埋为主。这样的处理方式不仅因为废弃物的运输、填埋增加了成本，而且由于占用大量土地，还会造成环境的污染和资源的浪费。因此如何有效利用废旧建筑材料已成为必须解决的一个问题。

    本文对国内外对于废旧建筑材料利用的思想和成果进行总结，以期为进一步研究废旧建筑材料的利用提供参考和方向。

1  废旧建筑材料的利用层次

    以废旧建筑材料利用程度的高低和对环境影响的优劣作为标准，可以将废旧建筑材料的利用方式进行层次划分，各种处理方法对应不同的利用层次。国外对于废旧建筑材料的利用早于国内，一些国外的专家学者对于废旧建筑材料的利用层次均提出了各自的观点，比较有影响力的有杨和弗莱彻的观点。杨提出了3R模式，即再利用(Reuse)、再制造( Remanufaeturing)和再循环(Reeyeling)。再利用指将产品按其原用途重复使用，再制造指将产品拆成基本组成部分用于其他产品的生产，再循环指将产品粉碎成基础材料作为原料使用。弗莱切将废旧建筑材料的利用层次分为三个级别：系统级、产品级、材料级。系统级指旧建筑具有良好的适应性，可以通过不断改造更新满足人们不断居住使用需求；产品级指灵活可替换的建筑构件，被替换产品可以进入材料级；材料级指当一个产品被拆卸为其组成材料时，可进行循环利用。

    对于废旧建筑材料的处理，最优的方法应该是从源头消除或减少废旧建筑材料的产生。如果无可避免地要产生废旧建筑材料，首先应考虑直接对废旧材料或构件进行回收利用；如果材料或构件因为损坏、变形等种种原因不能继续使用，则可以将其粉碎成原材料进行再生利用；如果粉碎成原材料并不能被很好地利用，就可以采用焚烧的方法以获取其化学能量；如果不能焚烧则采用填埋的方法对其进行处理。废旧建筑材料的处理层次见表1。

 

2  废旧建筑材料及构件的回收利用

    在建筑结构的拆除工程中，对没有受到损害或者受损较小仍然可以使用的材料和构件，可以进行回收利用。废旧建筑材料、构件的回收不仅可以减少新材料的使用和节约加工成本，还可以保存建筑材料、构件中的“固化能量”。建筑中的固化能量可以被定义为建筑建造过程中所需要的所有能量，包括建造施工过程中直接所需要的能量以及制作材料和构件所产生的间接能量。

    国内外有许多对于建筑材料进行回收再利用的案例：图1为中国台湾建筑师谢英俊在9. 21大地震后，利用灾区废墟中的材料，结合新型钢架、竹子等材料建造的可回收再利用的过渡房。宁波博物馆的建筑立面使用了旧城改造中积累下来的上百万块青砖、龙瓦砖、瓦等装饰而成的瓦爿墙，见图2。在澳大利亚新南威尔土地区四星级旅店Old Leura Dairy的建设中大量地运用了旧材料，其中一栋名为Moo Manor的客房90%以上的建设用料都来自于当地一些桥梁和建筑拆除时产生的废旧木材和砖石材料，见图3。图4为美国匹兹堡节约资源顾问中心，它是由19世纪的一座三层砖石建筑改造而成，改造时保留了原来的石砌结构，并充分利用了拆下的废旧材料。

 

    对于构件的回收利用，国外已有相关的成功案例：美国马萨诸塞州著名的Big Dig House别墅，占地面积1 784m²，于2008年竣工。别墅由美国SSD建筑事务所设计，所用建筑材料均来自美国波士顿著名的Big Dig工程中回收的数以百万t的旧混凝土预制构件、钢构件及废弃材料。整个别墅的建造仅用了不到2d的时间，见图5，6。

 

    德国作为世界上最早从事建筑材料循环利用研究的国家之一，已开展了一种叫做元素回收( Elemental  Recycling)的研究应用，该项技术可以保留整个Plattenbau建筑构件（一种大型预制混凝土建筑），并将其用于新的住宅建筑中。2005年，德国建筑师Herve Biele与工程师Claus Asam合作，把从Plattenbau中拆卸下来的预制混凝土构件用于位于柏林东北郊边界之外的Mehrow城镇的新建住宅中。仅用7d时间就将这座拥有3间卧室、建筑面积为2 280ft²的两层高平顶式住宅的主体装配完成，见图7，8。

 

    瑞典小镇林雪平市( Linkoping)在1997年使用从建于60年代的两个建筑中获取的废旧建筑材料和构件建成了22间规模较小的学生公寓。该工程回收利用了混凝土墙体构件73个、混凝土地梁41个，混凝土基础面积30m²。瑞典政府参与运作的一个名为The Nya Udden Project的住宅建设项目中，其新建的500所公寓里面就有54所使用了从林雪平市的旧建筑中拆除下来的混凝土构件。

    国内回收利用构件的案列相对较少，在哈尔滨有这样的案例——哈尔滨SP板厂房迁移改造工程：哈尔滨SP板厂原厂房建于1996年，于2008年进行迁移改造。由于建造时间不长，原房屋使用状况较好，原厂房的绝大部分结构构件表观较好，且大部分为预制构件，因此适于拆除后用大型车辆运输到新厂址后安装再使用。工程中对原厂房预制结构构件进行了检测鉴定，确定可以适用于新厂房的建设。在对旧厂房的屋面梁、排架柱、吊车梁、屋面板及支撑等结构构件进行加固、改造的基础上，成功地将这些结构构件作为结构主体运用到了新建厂房中，见图9，10。

 

3  废旧建筑材料的再生利用

3.1废旧金属的再生利用

    废旧钢筋的去处较为简单，常用的方法是通过回收站送往钢筋加工厂进行回炼，废钢筋、铁丝、电线和各种钢配件等经分拣、集中、重新回炉后，可以加工制造成各种规格的钢材；此外，利用钢渣还可以用来制作砖和水泥。

    我国废旧钢材在再生利用上存在一些问题：在回收利用中没有按牌号对废旧钢铁进行分选贮存，影响了回炉重熔的品位；废旧钢铁混料严重，只能以低价品位向外销售；回收利用技术科技含量低、鉴别手段陈旧，提高利用的品位受到限制。

    对于废旧金属铝的回收利用，我国起步较晚，目前还处在初级阶段，废铝的回收利用并未标准化和规模化，也尚未建立专门的废铝回收部门。

3.2废旧木材的再生利用

    木材是一种天然的材料，是可再生和再循环利用的绿色材料和生物资源。废旧木材的利用中，最广为人知的方式是用来造纸和制造木炭，其实废旧木材还有很多种再生利用的方式：废旧木材可以用来制造木质人造板、细木工板、不容易开裂的承重构件。废旧木材可与废旧塑料复合生产木塑复合材料，这种材料价格便宜、可塑性强，并且可以100%回收。对回收的废旧木材进行化学改性，可制取强度高、耐腐蚀能力强、生产成本低的氨基木材，这种木材耐腐蚀能力强、强度高、加工性能优良且生产成本低；以木屑、稻草、炉渣等为原料可制作一种复合仿石板材，其制作工艺简单、强度高、容量轻、耐高温，该板材既保持了能锯能钉的材料性质，又具有坚硬耐磨的石材性能。另外，废旧木材也可以用来生产乙醇。对于废旧木材的再生利用我国还不够重视，没有形成回收利用体系、缺少相应的法律约束，存在技术设备落后、利用水平低等问题，阻碍了废旧木材再生利用的发展。

3.3废旧玻璃的再生利用

    我国每年产生的废弃玻璃约为450~700万t，占城市生活垃圾的3%~5%，但回收率仅为10%，废旧玻璃的再生利用在我国有巨大的潜力。废碎玻璃可以制成装饰板、玻璃布、水泥瓦骨料、砂布、砂纸、人造大理石板、地面砖、马赛克等建筑用板材。此外，碎玻璃可以加工成再生玻璃或装饰材料、制作玻璃沥青混凝土、作为细骨料拌制混凝土。废旧玻璃还可以用来生产平板玻璃、瓶罐及器皿玻璃；制作重量轻、成本低、使用寿命优于陶瓷绝缘子的高压线路玻璃绝缘子；生产空心玻璃砖、高速公路用玻璃道钉；作为U形玻璃、泡沫玻璃、玻璃微珠的生产原料；生产室内外装饰板材原料等。最新的研究成果表明，还可以将玻璃珠应用到砌体结构的隔震中。

3.4废旧混凝土的再生利用

    现阶段，对于废旧混凝土的再生利用的研究相对较多。废旧混凝土可以用于回填、加固软土地基；砖、石、混凝土等废料经破碎后代替砂，可用于制作砌块、铺道砖、化格砖等建材制品；将废旧混凝土和废粘土砖经过特殊处理后可以作为橡胶填料、保温节能材料；废旧混凝土可直接和粉煤灰生产无普通硅酸盐水泥的混凝土，也可以作为粗骨料应用于喷射混凝土中；在废旧混凝土中加入各种纤维还可以制作纤维再生混凝土；废旧混凝土也可以用来制作泡沫混凝土；有研究表明，废旧混凝土可以用于制作植被生态混凝土。

    国外对于再生混凝土的研究已经比较成熟：1997年日本政府制定了《再生骨料和再生混凝土使用规范》、美国政府制定的《超基金法》给再生混凝土的发展提供了法律保障，欧洲在20世纪80年代将再生混凝土应用到了高速公路等工程中。国内对再生混凝土的研究起步比较晚，还处在试验阶段，目前我国再生混凝土一般仅用于非承重结构。

3.5废旧砖、石材料的再生利用

    我国现存大量砌体结构房屋，随着城市化的发展、城市人口的增多，多层砌体房屋面临拆除，将会产生大量废旧砖材和石材。废旧砖材、石材除了和废旧混凝土一块用于加固软土地基、制作各种功能  的砌块、泡沫混凝土、橡胶填料、保温材料外，还可以作为再生混凝土骨料、耐热混凝土骨料、再生轻集料混凝土骨料，并可应用于砂浆。废旧砖材、石材在音障墙混凝土制品、运动场地的建设、土壤改良、膨胀陶粒的生产以及绿化种植方面也有应用，主要由烧结实心砖组成的建筑废料还可被加工成为用于园林美化等的装饰性颗粒产品。

3.6废旧碳纤维的再生利用

    碳纤维作为高强韧复合材料的增强纤维，被越来越多地运用到了建筑领域。随着碳纤维大量的运用，其产生的废弃物也越来越多。目前，国内外对废旧碳纤维的再生利用方法主要有两种：物理回收、化学回收。物理回收方法是将废弃物粉碎或熔融，作为新材料的原材料使用：将复合材料用物理的方法碾碎、压碎制成颗粒、细粉可用作建筑填料、铺路材料、水泥原料或者高炉炼铁的还原剂等。化学回收是利用化学改性或分解的方法使废弃物成为可以回收利用的其他物质：利用热解法可以得到粉碎的碳纤维、短切碳纤维和其他破碎产品等。

3.7其他废弃物的再生利用

    除了上述常见的废旧建筑材料的再生利用外，还有其他废弃资源可以再生利用：废旧橡胶可以用来制作再生胶、炭黑，可以处理成胶粉用于生产胶粉改性沥青，并可以制作橡胶改性混凝土；将塑料颗粒粉碎成不同的粒径后直接加入到混凝土材料中，可制作成再生塑料改性混凝土；秆秸灰可以用于制备外墙隔热涂料，以秸秆为填充料可制备墙体保温材料；废弃的纸材也可以用于建筑结构：日本建筑师坂茂利用废弃的纸筒，为神户大地震的难民建造了“纸屋”以及2000年汉诺威博览会上的日本豪华帐篷。

4  建筑的拆解与为拆解而设计

4.1建筑的拆解

    从废旧建筑材料的利用层次可知，对于废旧建筑材料、构件的直接利用优于对废旧建筑材料的再生利用。那么，如何才能使废旧建筑材料、构件可以相对完整地保存下来就显得非常重要了。

    建筑拆解这一概念于1996年在加拿大召开的第一届旧建筑材料协会( UBMA)会议上被第一次提出。综合各国学者的研究，建筑拆解是：以回收建筑材料为目的，将建筑中不同类型的构件逐一拆除，使之分离的过程。与简单的拆毁方式相比，拆解具有减少建筑废弃物、减少环境污染、提高建筑材料的再利用率、减少CO2排放等优势。

    目前，最主要的建筑拆解方法包括以下两种：一种是手工拆解，即手工移除建筑上的材料，以回收和再利用；另一种是成块拆解，这种方法用来移除建筑上的复合装配构件，使它们部分或全部被回收以再利用。但是，目前很难完整地从建筑上拆解下构件，这是由于建筑结构在设计的时候并没有考虑建筑结构生命周期末期材料、构件的回收，所以设计的节点都是永久性的，从而对拆解工作造成了困难。如果在设计阶段就充分考虑建筑在其生命周期末端所要面临的拆解问题，在结构设计时将结构设计成可拆解的，那么在其生命周期末期时就可以很方便地将可以使用的构件、材料完整地拆卸下来，在其他结构中继续使用，从而实现构件、材料的再利用，见图11。

 

4.2为拆解而设计

    国外有许多关于为拆解而设计的研究。所谓为拆解而设计-Design for Disassembly（简称DFD），是为回收利用旧建筑中的局部体系、构件和材料而提供便利的建筑设计方式。在建筑设计阶段，综合考虑拆解过程方便、节能的方法和措施有：使用开放的建筑体系；使用可再循环、轻质材料；减少材料和构件种类；采用标准化建造方式；减少建筑中连接件的种类、数量等。国外有一些成功工程实例，如美国查特韦尔学校新校区的设计等。

5  总结与展望

    通过前面的介绍可以得知废旧建筑材料和构件的重新利用最好的方式是整个构件和材料的重新利用，其次是将其作为基础材料再生利用，而再生利用又可以从高到低分为三个层次，最后是焚烧、填埋。

    国外对于废旧建筑材料的处理已经进行了深入的研究，并且从理论研究到技术运用都有长足的发展。目前，我国对废旧建筑材料的再生利用特别是混凝土的再生利用也有一定的研究，但是对于整个构件的回收利用的研究相对较少。然而要做到整个构件的回收，就要进行建筑的拆解，最终归结到为拆解而设计。为了方便建筑的拆解，需要在设计时使用尽量多的标准化预制构件，而在结构节点连接处的设计要尽量方便拆卸。这就与结构整体性好和强节点的设计原则存在矛盾。如何在保证结构便于拆解的前提下具有良好的刚度、耐久性与抗震性能值得深入研究。

    综合国内外学者对于废旧建筑材料的利用研究，根据废旧建筑材料利用研究的发展趋势，做出以下几点建议与展望：

    (1)技术上：工程师们首先应该从思想上摒弃建筑垃圾的观点，而应该将其看成建筑副产品，在这个基础上对建筑副产品进行回收或者再生利用；回收过程中应该尽量保证每个构件的完整性，使其可以被最大化地利用；对于回收的旧建筑构件或者材料需要进行利于重新利用的分类，避免笼统地回收造成的高品质材料的浪费；不应该局限于考虑废旧建筑材料、构件的物理和力学性能，也应该从人文的角度挖掘更深层次的价值；深入了解为拆解而设计

这一理念，研究并解决实现这一理念的具体问题；研究现有结构构件、材料是否可直接再利用，并建立一套可靠、科学的检测判别体系。

    (2)经济上：进行废旧建筑材料利用效益评价研究，建立一套科学、规范的废旧建筑材料利用效益评价指标体系，为废旧建筑材料处理技术的推广应用奠定基础。

    (3)政策上：出台相应的法律政策，为废旧建筑资源的利用提供更可靠、有效的大环境等。