廢舊建筑材料再利用與建筑的拆解（建筑）

                                丁衍然¹，謝  劍^1,2

（1天津大學建筑工程學院，天津300072；2天津大學濱海土木工程結構與安全教育部重點實驗室，天津300072）

[摘要]  我國對于利用廢舊建筑材料的研究起步較晚，沒有形成健全的利用體系。在參考大量文獻的基礎上，全面地總結了廢舊建筑材料的利用層次與廢舊建筑材料再利用的方法，并在此基礎上介紹了建筑的拆解方法和為拆解而設計的思想。最后對我國廢舊建筑材料的再利用研究提出了建議，并對結構工程在該領域的發展方向進行了展望。

[關鍵詞]廢舊建筑材料；利用層次；再利用；建筑拆解；為拆解而設計

中圖分類號：TU50   文章編號：1002-848X( 2016) 09-0100-05

0  引言

    隨著我國工業化、城市化進程的加速，在進行城市建設和舊城改造過程中產生了大量廢舊建筑。目前我國年拆除建筑產生的固體廢棄物達3億t以上，年新建建筑產生的建筑固體廢棄物可達1億t，建筑固體廢棄物占人類活動產生廢棄物總量的40%。但我國對廢舊建筑材料資源的利用和處理相對滯后，致使廢舊建筑材料利用水平較低，處理方式主要以露天擱置和填埋為主。這樣的處理方式不僅因為廢棄物的運輸、填埋增加了成本，而且由于占用大量土地，還會造成環境的污染和資源的浪費。因此如何有效利用廢舊建筑材料已成為必須解決的一個問題。

    本文對國內外對于廢舊建筑材料利用的思想和成果進行總結，以期為進一步研究廢舊建筑材料的利用提供參考和方向。

1  廢舊建筑材料的利用層次

    以廢舊建筑材料利用程度的高低和對環境影響的優劣作為標準，可以將廢舊建筑材料的利用方式進行層次劃分，各種處理方法對應不同的利用層次。國外對于廢舊建筑材料的利用早于國內，一些國外的專家學者對于廢舊建筑材料的利用層次均提出了各自的觀點，比較有影響力的有楊和弗萊徹的觀點。楊提出了3R模式，即再利用(Reuse)、再制造( Remanufaeturing)和再循環(Reeyeling)。再利用指將產品按其原用途重復使用，再制造指將產品拆成基本組成部分用于其他產品的生產，再循環指將產品粉碎成基礎材料作為原料使用。弗萊切將廢舊建筑材料的利用層次分為三個級別：系統級、產品級、材料級。系統級指舊建筑具有良好的適應性，可以通過不斷改造更新滿足人們不斷居住使用需求；產品級指靈活可替換的建筑構件，被替換產品可以進入材料級；材料級指當一個產品被拆卸為其組成材料時，可進行循環利用。

    對于廢舊建筑材料的處理，最優的方法應該是從源頭消除或減少廢舊建筑材料的產生。如果無可避免地要產生廢舊建筑材料，首先應考慮直接對廢舊材料或構件進行回收利用；如果材料或構件因為損壞、變形等種種原因不能繼續使用，則可以將其粉碎成原材料進行再生利用；如果粉碎成原材料并不能被很好地利用，就可以采用焚燒的方法以獲取其化學能量；如果不能焚燒則采用填埋的方法對其進行處理。廢舊建筑材料的處理層次見表1。

2  廢舊建筑材料及構件的回收利用

    在建筑結構的拆除工程中，對沒有受到損害或者受損較小仍然可以使用的材料和構件，可以進行回收利用。廢舊建筑材料、構件的回收不僅可以減少新材料的使用和節約加工成本，還可以保存建筑材料、構件中的“固化能量”。建筑中的固化能量可以被定義為建筑建造過程中所需要的所有能量，包括建造施工過程中直接所需要的能量以及制作材料和構件所產生的間接能量。

    國內外有許多對于建筑材料進行回收再利用的案例：圖1為中國臺灣建筑師謝英俊在9. 21大地震后，利用災區廢墟中的材料，結合新型鋼架、竹子等材料建造的可回收再利用的過渡房。寧波博物館的建筑立面使用了舊城改造中積累下來的上百萬塊青磚、龍瓦磚、瓦等裝飾而成的瓦爿墻，見圖2。在澳大利亞新南威爾土地區四星級旅店Old Leura Dairy的建設中大量地運用了舊材料，其中一棟名為Moo Manor的客房90%以上的建設用料都來自于當地一些橋梁和建筑拆除時產生的廢舊木材和磚石材料，見圖3。圖4為美國匹茲堡節約資源顧問中心，它是由19世紀的一座三層磚石建筑改造而成，改造時保留了原來的石砌結構，并充分利用了拆下的廢舊材料。

    對于構件的回收利用，國外已有相關的成功案例：美國馬薩諸塞州著名的Big Dig House別墅，占地面積1 784m²，于2008年竣工。別墅由美國SSD建筑事務所設計，所用建筑材料均來自美國波士頓著名的Big Dig工程中回收的數以百萬t的舊混凝土預制構件、鋼構件及廢棄材料。整個別墅的建造僅用了不到2d的時間，見圖5，6。

    德國作為世界上最早從事建筑材料循環利用研究的國家之一，已開展了一種叫做元素回收( Elemental  Recycling)的研究應用，該項技術可以保留整個Plattenbau建筑構件（一種大型預制混凝土建筑），并將其用于新的住宅建筑中。2005年，德國建筑師Herve Biele與工程師Claus Asam合作，把從Plattenbau中拆卸下來的預制混凝土構件用于位于柏林東北郊邊界之外的Mehrow城鎮的新建住宅中。僅用7d時間就將這座擁有3間臥室、建筑面積為2 280ft²的兩層高平頂式住宅的主體裝配完成，見圖7，8。

    瑞典小鎮林雪平市( Linkoping)在1997年使用從建于60年代的兩個建筑中獲取的廢舊建筑材料和構件建成了22間規模較小的學生公寓。該工程回收利用了混凝土墻體構件73個、混凝土地梁41個，混凝土基礎面積30m²。瑞典政府參與運作的一個名為The Nya Udden Project的住宅建設項目中，其新建的500所公寓里面就有54所使用了從林雪平市的舊建筑中拆除下來的混凝土構件。

    國內回收利用構件的案列相對較少，在哈爾濱有這樣的案例——哈爾濱SP板廠房遷移改造工程：哈爾濱SP板廠原廠房建于1996年，于2008年進行遷移改造。由于建造時間不長，原房屋使用狀況較好，原廠房的絕大部分結構構件表觀較好，且大部分為預制構件，因此適于拆除后用大型車輛運輸到新廠址后安裝再使用。工程中對原廠房預制結構構件進行了檢測鑒定，確定可以適用于新廠房的建設。在對舊廠房的屋面梁、排架柱、吊車梁、屋面板及支撐等結構構件進行加固、改造的基礎上，成功地將這些結構構件作為結構主體運用到了新建廠房中，見圖9，10。

3  廢舊建筑材料的再生利用

3.1廢舊金屬的再生利用

    廢舊鋼筋的去處較為簡單，常用的方法是通過回收站送往鋼筋加工廠進行回煉，廢鋼筋、鐵絲、電線和各種鋼配件等經分揀、集中、重新回爐后，可以加工制造成各種規格的鋼材；此外，利用鋼渣還可以用來制作磚和水泥。

    我國廢舊鋼材在再生利用上存在一些問題：在回收利用中沒有按牌號對廢舊鋼鐵進行分選貯存，影響了回爐重熔的品位；廢舊鋼鐵混料嚴重，只能以低價品位向外銷售；回收利用技術科技含量低、鑒別手段陳舊，提高利用的品位受到限制。

    對于廢舊金屬鋁的回收利用，我國起步較晚，目前還處在初級階段，廢鋁的回收利用并未標準化和規?；?，也尚未建立專門的廢鋁回收部門。

3.2廢舊木材的再生利用

    木材是一種天然的材料，是可再生和再循環利用的綠色材料和生物資源。廢舊木材的利用中，最廣為人知的方式是用來造紙和制造木炭，其實廢舊木材還有很多種再生利用的方式：廢舊木材可以用來制造木質人造板、細木工板、不容易開裂的承重構件。廢舊木材可與廢舊塑料復合生產木塑復合材料，這種材料價格便宜、可塑性強，并且可以100%回收。對回收的廢舊木材進行化學改性，可制取強度高、耐腐蝕能力強、生產成本低的氨基木材，這種木材耐腐蝕能力強、強度高、加工性能優良且生產成本低；以木屑、稻草、爐渣等為原料可制作一種復合仿石板材，其制作工藝簡單、強度高、容量輕、耐高溫，該板材既保持了能鋸能釘的材料性質，又具有堅硬耐磨的石材性能。另外，廢舊木材也可以用來生產乙醇。對于廢舊木材的再生利用我國還不夠重視，沒有形成回收利用體系、缺少相應的法律約束，存在技術設備落后、利用水平低等問題，阻礙了廢舊木材再生利用的發展。

3.3廢舊玻璃的再生利用

    我國每年產生的廢棄玻璃約為450~700萬t，占城市生活垃圾的3%~5%，但回收率僅為10%，廢舊玻璃的再生利用在我國有巨大的潛力。廢碎玻璃可以制成裝飾板、玻璃布、水泥瓦骨料、砂布、砂紙、人造大理石板、地面磚、馬賽克等建筑用板材。此外，碎玻璃可以加工成再生玻璃或裝飾材料、制作玻璃瀝青混凝土、作為細骨料拌制混凝土。廢舊玻璃還可以用來生產平板玻璃、瓶罐及器皿玻璃；制作重量輕、成本低、使用壽命優于陶瓷絕緣子的高壓線路玻璃絕緣子；生產空心玻璃磚、高速公路用玻璃道釘；作為U形玻璃、泡沫玻璃、玻璃微珠的生產原料；生產室內外裝飾板材原料等。最新的研究成果表明，還可以將玻璃珠應用到砌體結構的隔震中。

3.4廢舊混凝土的再生利用

    現階段，對于廢舊混凝土的再生利用的研究相對較多。廢舊混凝土可以用于回填、加固軟土地基；磚、石、混凝土等廢料經破碎后代替砂，可用于制作砌塊、鋪道磚、化格磚等建材制品；將廢舊混凝土和廢粘土磚經過特殊處理后可以作為橡膠填料、保溫節能材料；廢舊混凝土可直接和粉煤灰生產無普通硅酸鹽水泥的混凝土，也可以作為粗骨料應用于噴射混凝土中；在廢舊混凝土中加入各種纖維還可以制作纖維再生混凝土；廢舊混凝土也可以用來制作泡沫混凝土；有研究表明，廢舊混凝土可以用于制作植被生態混凝土。

    國外對于再生混凝土的研究已經比較成熟：1997年日本政府制定了《再生骨料和再生混凝土使用規范》、美國政府制定的《超基金法》給再生混凝土的發展提供了法律保障，歐洲在20世紀80年代將再生混凝土應用到了高速公路等工程中。國內對再生混凝土的研究起步比較晚，還處在試驗階段，目前我國再生混凝土一般僅用于非承重結構。

3.5廢舊磚、石材料的再生利用

    我國現存大量砌體結構房屋，隨著城市化的發展、城市人口的增多，多層砌體房屋面臨拆除，將會產生大量廢舊磚材和石材。廢舊磚材、石材除了和廢舊混凝土一塊用于加固軟土地基、制作各種功能  的砌塊、泡沫混凝土、橡膠填料、保溫材料外，還可以作為再生混凝土骨料、耐熱混凝土骨料、再生輕集料混凝土骨料，并可應用于砂漿。廢舊磚材、石材在音障墻混凝土制品、運動場地的建設、土壤改良、膨脹陶粒的生產以及綠化種植方面也有應用，主要由燒結實心磚組成的建筑廢料還可被加工成為用于園林美化等的裝飾性顆粒產品。

3.6廢舊碳纖維的再生利用

    碳纖維作為高強韌復合材料的增強纖維，被越來越多地運用到了建筑領域。隨著碳纖維大量的運用，其產生的廢棄物也越來越多。目前，國內外對廢舊碳纖維的再生利用方法主要有兩種：物理回收、化學回收。物理回收方法是將廢棄物粉碎或熔融，作為新材料的原材料使用：將復合材料用物理的方法碾碎、壓碎制成顆粒、細粉可用作建筑填料、鋪路材料、水泥原料或者高爐煉鐵的還原劑等?；瘜W回收是利用化學改性或分解的方法使廢棄物成為可以回收利用的其他物質：利用熱解法可以得到粉碎的碳纖維、短切碳纖維和其他破碎產品等。

3.7其他廢棄物的再生利用

    除了上述常見的廢舊建筑材料的再生利用外，還有其他廢棄資源可以再生利用：廢舊橡膠可以用來制作再生膠、炭黑，可以處理成膠粉用于生產膠粉改性瀝青，并可以制作橡膠改性混凝土；將塑料顆粒粉碎成不同的粒徑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；稈秸灰可以用于制備外墻隔熱涂料，以秸稈為填充料可制備墻體保溫材料；廢棄的紙材也可以用于建筑結構：日本建筑師坂茂利用廢棄的紙筒，為神戶大地震的難民建造了“紙屋”以及2000年漢諾威博覽會上的日本豪華帳篷。

4  建筑的拆解與為拆解而設計

4.1建筑的拆解

    從廢舊建筑材料的利用層次可知，對于廢舊建筑材料、構件的直接利用優于對廢舊建筑材料的再生利用。那么，如何才能使廢舊建筑材料、構件可以相對完整地保存下來就顯得非常重要了。

    建筑拆解這一概念于1996年在加拿大召開的第一屆舊建筑材料協會( UBMA)會議上被第一次提出。綜合各國學者的研究，建筑拆解是：以回收建筑材料為目的，將建筑中不同類型的構件逐一拆除，使之分離的過程。與簡單的拆毀方式相比，拆解具有減少建筑廢棄物、減少環境污染、提高建筑材料的再利用率、減少CO2排放等優勢。

    目前，最主要的建筑拆解方法包括以下兩種：一種是手工拆解，即手工移除建筑上的材料，以回收和再利用；另一種是成塊拆解，這種方法用來移除建筑上的復合裝配構件，使它們部分或全部被回收以再利用。但是，目前很難完整地從建筑上拆解下構件，這是由于建筑結構在設計的時候并沒有考慮建筑結構生命周期末期材料、構件的回收，所以設計的節點都是永久性的，從而對拆解工作造成了困難。如果在設計階段就充分考慮建筑在其生命周期末端所要面臨的拆解問題，在結構設計時將結構設計成可拆解的，那么在其生命周期末期時就可以很方便地將可以使用的構件、材料完整地拆卸下來，在其他結構中繼續使用，從而實現構件、材料的再利用，見圖11。

4.2為拆解而設計

    國外有許多關于為拆解而設計的研究。所謂為拆解而設計-Design for Disassembly（簡稱DFD），是為回收利用舊建筑中的局部體系、構件和材料而提供便利的建筑設計方式。在建筑設計階段，綜合考慮拆解過程方便、節能的方法和措施有：使用開放的建筑體系；使用可再循環、輕質材料；減少材料和構件種類；采用標準化建造方式；減少建筑中連接件的種類、數量等。國外有一些成功工程實例，如美國查特韋爾學校新校區的設計等。

5  總結與展望

    通過前面的介紹可以得知廢舊建筑材料和構件的重新利用最好的方式是整個構件和材料的重新利用，其次是將其作為基礎材料再生利用，而再生利用又可以從高到低分為三個層次，最后是焚燒、填埋。

    國外對于廢舊建筑材料的處理已經進行了深入的研究，并且從理論研究到技術運用都有長足的發展。目前，我國對廢舊建筑材料的再生利用特別是混凝土的再生利用也有一定的研究，但是對于整個構件的回收利用的研究相對較少。然而要做到整個構件的回收，就要進行建筑的拆解，最終歸結到為拆解而設計。為了方便建筑的拆解，需要在設計時使用盡量多的標準化預制構件，而在結構節點連接處的設計要盡量方便拆卸。這就與結構整體性好和強節點的設計原則存在矛盾。如何在保證結構便于拆解的前提下具有良好的剛度、耐久性與抗震性能值得深入研究。

    綜合國內外學者對于廢舊建筑材料的利用研究，根據廢舊建筑材料利用研究的發展趨勢，做出以下幾點建議與展望：

    (1)技術上：工程師們首先應該從思想上摒棄建筑垃圾的觀點，而應該將其看成建筑副產品，在這個基礎上對建筑副產品進行回收或者再生利用；回收過程中應該盡量保證每個構件的完整性，使其可以被最大化地利用；對于回收的舊建筑構件或者材料需要進行利于重新利用的分類，避免籠統地回收造成的高品質材料的浪費；不應該局限于考慮廢舊建筑材料、構件的物理和力學性能，也應該從人文的角度挖掘更深層次的價值；深入了解為拆解而設計

這一理念，研究并解決實現這一理念的具體問題；研究現有結構構件、材料是否可直接再利用，并建立一套可靠、科學的檢測判別體系。

    (2)經濟上：進行廢舊建筑材料利用效益評價研究，建立一套科學、規范的廢舊建筑材料利用效益評價指標體系，為廢舊建筑材料處理技術的推廣應用奠定基礎。

    (3)政策上：出臺相應的法律政策，為廢舊建筑資源的利用提供更可靠、有效的大環境等。