0 引 言
建筑垃圾具有产量大、运输难、综合利用途径少、安全处置困难等问题。中国是一个发展中国家，建筑工业是其国民经济的重要组成部分，在产生经济效益的同时,也产生了大量的建筑垃圾，其中约90%被直接填埋。对此，中国提出建筑行业清洁生产的主线，主要分为优化城市空间规划、选择合适的设计文件和建筑材料、改进施工技术、加强工地管理力度、法律法规的约束、就近处理、资源化利用、安全弃置等环节。
1 建筑垃圾的源头减量
从源头上避免建筑垃圾产生是清洁生产理念的最直接体现，可从规划、设计以及施工技术方面改进。具体体现在：通过合理的城市空间规划来促进建筑垃圾的就地利用；优化设计文件来避免施工过程中的返工；选择合适的施工技术来减少建筑垃圾的产生。
1.1 优化城市空间规划
城市建设区域一般包括生活区、商业区和工业区。在建设区域内进行合理的城市规划，例如工业综合与建筑工业协同、土方质量平衡，可有效地减少需外运至填埋场的建筑垃圾量。
工业综合体利用现有的工业布局实现工业废物与建筑垃圾的协同减量[1]。例如，钢铁厂周围存在水泥厂、化工厂、玻璃厂等企业，建筑垃圾可直接被玻璃厂利用生产釉面瓷砖和蜂窝玻璃[2]，废木材可被用来生产刨花板，且具有良好的隔音降噪效果[3]。日本利用工业共生体系每年回用约40万t废塑料，废塑料可替代焦炭作铁矿石的还原剂，塑料热解产生的气体用作钢铁生产中的燃气[4]。
研究表明，通过规划建设项目的土方质量平衡,可实现44%的弃土再利用，从而减少运输到填埋场的土方量。这类建筑垃圾再利用的主要技术方向是降低土壤的渗透率和可压缩性。英国英格兰西北部4个工程案例中，弃土被挖掘出来运到一个临时枢纽处理后，再运输到建筑工地，使30000 m3弃土得到再利用，减少了运输、填埋费用，节省了约30%的项目成本[5]。
1.2 工程最优化设计
优化设计也能显著地削减建筑垃圾产生量。调查显示，约33%的建筑垃圾产量直接受设计文件质量的影响，而设计文件的质量主要取决于设计师、采购团队和承包商之间的合作以及采取的预防措施。三者之间的协调不良将会增加设计方案的不准确性，导致施工错误、返工和原材料的浪费[6]。采取的预防措施主要有标准化设计、借鉴成功的设计经验、选择合适的建筑材料等。
1.2.1 标准化设计
在设计阶段，可以采用标准化设计来减少垃圾产生，材料规格的标准化能加强建筑物的可施工性。在装配式建筑中，通过确定标准化模数，可减少材料因切割产生的建筑垃圾，如按照100 mm的平面模数和100/200 mm的构件模数的协调要求，确定n×200以及100 mm×100 mm标准转角模数(n代表数量)，不仅能减少建筑垃圾，还可满足不同截面的布置需要[7]。研究表明，建筑材料在一个维度中10 mm的差异可能在返工中造成高达3000英镑的损失。因此，防止尺寸错误很重要，设计也应标准化以避免产生不必要的边角料[8]。
1.2.2 借鉴成功的设计经验
建筑废物最小化是建筑项目的一个关键性指标。案例分析表明，对于工业建筑，使用英国建筑资源体系的智能废物系统进行设计，每10万英镑的投资强度会产生14.7 t的建筑垃圾，而实施前人成功的设计方法仅产生5.7 t的建筑垃圾。所以，借鉴成功的设计经验能更有效减少建筑垃圾产生[8]。
1.2.3 选择合适的建筑材料
选择合适的建筑材料也能适当减少建筑垃圾。例如，纳米技术产品通过提高建筑材料的强度、耐腐蚀性、抗应力能力、耐磨性来延长材料的使用年限，从而减少建筑垃圾产生[9]。在水泥砂浆中添加0.25%的纳米SiO2，可提高10%的强度，增强25%的柔韧性[10]。在施工过程中，使用轻质隔墙板代替实心砖墙、钢框架代替混凝土框架、轻钢结构代替木质结构，可减少高达90%的建筑垃圾[11]。
1.3 改进施工技术
单位建筑面积建筑垃圾产生量是建筑工业的一个重要指标。研究表明[12]：全球单位建筑面积垃圾产生量的均值为38～43 kg/m2，部分国家单位建筑面积垃圾产生量如表1[12,13]所示。
表1 部分国家单位建筑面积垃圾产生量
Table 1 Waste production per unit construction area in some countries kg/m2
美国黎巴嫩科威特挪威西班牙韩国中国44～4738～424529～32464850～60
由表1可知：中国单位建筑面积垃圾产生量较大。施工技术不当是产生大量建筑垃圾的主要原因之一，改进施工技术可有效地减少建筑垃圾的产生，如构件预制、一体化施工、建筑信息建模等现代建筑技术。
1.3.1 预制技术
预制降低了工程的复杂程度，从而使建筑垃圾减量。有案例分析表明，预制化可以使废物产生量最多减少100%, 降低损耗达到84.7%[14]。例如，湖南省湘阴县的T30塔酒店项目，在40 d内完成了所有的预制工程，该预制工程具有9级抗震、造价低廉、热效率高等优点，与传统建筑相比，只产生1%垃圾废料。预制工程中使用钢制模板代替木质模板，建筑垃圾产生量可减少74%～87%，而混凝土消耗量可减少51%～60%[15]。然而预制化程度并不是越高越好，要根据具体的项目来确定采用最佳的预制水平。
1.3.2 一体化施工技术
中国尊项目应用了一体化施工的方法。在管廊施工时，最大限度地利用已有围墙，将北侧的外墙作为内墙直接利用，具有节省防水施工、节约材料、增加建筑使用面积、避免回槽混凝土使用等优点。基坑支护按“时空效应”原理和“中心岛式、分区、分块、对称、平衡”原则设计，减少土方开挖量。支护体系见图1：北侧标高-27.200 m以上采用“护坡桩+预应力锚杆”支护体系，标高-27.200 m以下采用“地下连续墙+混凝土角撑+高压旋喷桩”支护体系，东、西、南三侧采用“地下连续墙+预应力锚杆+混凝土角撑”支护体系[16]。地下连续墙可作为永久性地下水外墙使用，支撑架见图2。采用型钢支撑架[17]，可拆卸后组装再用。角撑混凝土强度等级为C50，有效减少角撑数量，从而减少建筑垃圾。敦煌文博会主场馆项目和深圳裕璟家园项目通过一体化施工技术，分别节约了7%以上的综合成本和20%的原材料，且均实现了80%以上的建筑垃圾减量。一体化施工技术对类似大型项目的开发建设具有很好的借鉴意义。
图1 中国尊项目基坑支护形式
Figure 1 Support of the foundation excavation in the project of the CITIC TOWER
图2 型钢支撑架
Figure 2 Rolled steel supporting frame
1.3.3 建筑信息建模
建筑信息建模(BIM)是通过建立虚拟的建筑工程三维模型，并利用数字化技术，为该模型提供完整的、与实际情况一致的建筑工程信息库。BIM能有效地帮助项目参与者了解规划、设计方法以及改进施工和拆卸技术，从而有效地管理并使建筑垃圾产生量最小化。例如，在现场浇筑中，使用金属模板代替木材模板，可减少27%的废物；使用无机溶剂作为脱模剂，可完全规避危险废物的产生。在地基建造方面，使用预制桩可减少78%的废物[18]。
中国尊、正大中心项目，在建筑施工装备以及施工工艺上的创新，为建筑垃圾源头减量化提供了成功范例。采用自主研发的超高层施工顶升模架——智能顶升钢平台，显著提高了超高层施工的机械化、智能化及绿色施工水平，有效节约周转场地约6000 m2。所采用的预制立管安装技术，具有设计施工一体化、现场作业工厂化、分散作业集中化和流水化等多重施工优势，加快了施工进度。运用BIM技术，辅助深化设计，实现二维图纸和三维模型同步进行，并利用BIM深化设计成果，按照现场场地条件及安装要求对模型进行分段分节，并进行预制加工，部分结构安装前先进行预拼装工作，再进行整体吊装，既加快了建设进度，又实现了工程减量。
2 生产过程中控制建筑垃圾产生
生产过程控制是建筑垃圾最小化的第2个环节。施工阶段的建筑垃圾产生主要原因是材料在运输过程中的损坏、工人技能原因引起的过量边角料、无计划储存等。因此，应加强建筑工地的管理力度，实现生产废弃物就近利用。
2.1 加强工地管理力度
严格按照项目设计图纸和施工计划进行生产，可以显著减少建筑垃圾的产生。此外，工地废物管理计划也是生产过程中减少建筑垃圾的一个有效措施。
工地管理包括计划和实施2个阶段[11]。计划阶段，明确施工期间需回收再利用和安全弃置的垃圾，理清各种建筑垃圾的管理责任，推广有效的垃圾管理措施，建立量化考核指标，设计分类原则和分类储存设施，制定清除、分离、储存、运输、回用等程序，并进行初步的费用估计。在实施阶段，严格按照计划对施工过程中建筑进行管理，并实现动态监控。例如中国尊、正大中心项目，建筑垃圾产生量分别为190，120 t/hm2，废料再利用率分别为33%和32.5%，模板平均周转次数分别为3次和4次，围挡等周转设备重复使用率分别达到90%和83%，临时用房等设备重复使用率均为95%，达到较好的施工减量效果。
2.2 建筑垃圾就近处理
建筑垃圾的就近处理分为原位和异位2种。原位就近处理即就地利用。在欧洲，约75%的混凝土废料和约100%的再生沥青用于道路建设，而废玻璃作为沥青混凝土的稳定剂[19]。建筑垃圾的异位处理中，需要根据道路的复杂程度和废物特性选用车辆收集和运输，并采用最短的收集和运输路线以降低处理成本。按照最小路径法优化建筑垃圾的收集和运输系统。
利用城市河道进行水上运输，可降低运输成本、扩大渣土平衡区域，实现更大范围的建筑垃圾资源化利用。2013年，广州约40%的建筑垃圾通过水上运输到附近市区再利用，在经济、环保和安全方面都体现出优势。
利用科技手段创新，畅通供需联系渠道，也能促进建筑垃圾的就近处理。例如，广州市先后建立了渣土车运输监控平台、数字化执法平台、电子联单管理系统、政企交流微信群、渣土宝微信公众号等，通过高科技手段，将服务、管理、执法集于一体，实现共建、共治、共管、共享。
3 法律法规的约束
立法和财政政策是减少建筑垃圾产生、促进其再利用的有效方法。欧盟废物管理法律《废物框架指令》中，设定了“污染者付费”的原则。1996年和2001年，英国分别征收垃圾填埋税和建筑骨料综合税，通过财政政策控制废物产生、鼓励建筑垃圾再利用[20]，使英国建筑垃圾的回用率提高到90%；德国柏林制定适当的标准和法规，也使得建筑垃圾的回用率高达90%[11]。而中国建筑垃圾回用率仅5%，且通过表2[21,22]可知，中国尚无明确的建筑垃圾责任制度。
表2 国内外建筑垃圾再利用相关法律法规
Table 2 China’s domestic and foreign construction waste recycling laws and regulations
国家法律法规名称主要内容日本《资源重新利用促进法》《建筑废弃物再生促进法》《建设再循环法》对建筑垃圾分类回收体系进行分级细化,要求公共建筑必须使用再生建材德国《资源闭合循环和废弃物管理法》《包装条例》利用罚款等措施,要求建筑垃圾生产者或持有者对建筑垃圾进行循环利用与能量再生英国《废物框架指令》《建筑能效条例》明确污染付费原则,并鼓励建筑垃圾再利用中国《循环经济促进法》《城市建筑垃圾管理规定》《再生资源回收管理办法》要求建筑设计、施工等要节约资源并尽可能使用可再生资源,鼓励施工单位对建筑废弃物进行资源化和无害化处理
4 建筑垃圾资源化利用减量
建筑垃圾属于工业废料，部分可被回收成低成本的新物料来减少原材料的使用。美国和中国建筑垃圾再利用途径的比较如图3[23，24]所示。 可知：中、美两国建筑垃圾再利用途径的主要差别是道路材料方面的比例。中国建筑垃圾的回用率低，道路材料消纳的建筑垃圾量更加有限,中国应加大建筑垃圾在道路材料方面的应用力度。
图3 美国与中国建筑垃圾做再利用于不同产业的占比
Figure 3 The proportion of construction waste recycling in different industries in the United States
建筑垃圾资源化利用按原位资源化利用和异位资源化利用途径划分结果如表3和表4所示。
表3 建筑垃圾原位资源化
Table 3 In-situ recycling of construction waste
沙子和塑料[25]工程弃土碎混凝土和砖瓦[26]沥青[27]碎混凝土[27]碎混凝土[28]碎玻璃[28]免烧复合砖车辆段地基道路路基路面黏结剂填充材料混凝土粗骨料混凝土细骨料
表4 建筑垃圾异位资源化
Table 4 Heterotopic recycling of construction waste
聚苯乙烯[29]工程弃土混凝土、陶瓷等[30]废玻璃[2]废木材[3]废砖块轻质石膏中的添加剂烧结空心砌块水性涂料中的填料蜂窝煤玻璃和釉面瓷砖水泥黏合刨花板与生物菌合成净化水填料
部分建筑垃圾在经过分离、粉碎、筛分后部分可代替天然材料，甚至比天然材料具有更优良的性能。建筑垃圾分离利用后，有些成分难以综合利用，处理不当还有可能产生二次污染，故应进行安全处置。
5 安全处置难回收的建筑垃圾
装修垃圾、含石棉的建筑垃圾、含煤焦油的沥青、塑料等建筑垃圾，污染特征明显且难回用，需要安全处置。
装修垃圾是一种较特殊的建筑垃圾，其成分复杂、且存在有害物质。德国西门子公司通过干馏燃烧工艺分离出装修垃圾中的不同组分后再分别回用，分离过程中产生的燃气用于发电，经干馏处理后的装修垃圾，每吨仅剩余2～3 kg的金属，有效节省了填埋用地[31]。
石棉是一种隔热保温材料，但有一定的致癌性。目前的处理方法有热处理、玻璃化、高能研磨等，其中热处理的潜力最大，在1300 ℃下对石棉水泥板进行热处理，使石棉的结构发生变化，从而消除致癌性[32]。
煤焦油中含有一些浓度高、致癌性强的多环芳烃，部分沥青含煤焦油。瑞典将沥青归类为危险废物。生物修复是安全处置沥青的有效方法，先将含煤焦油的沥青运到一个临时固废枢纽进行破碎，再运到生物修复点。将破碎的沥青铺在土工布上，添加微生物和营养物质，使用机械通风来氧化有机化合物。修复后的沥青可在道路上重复使用[33]。
塑料的主要处理方法有焚烧和加氢裂化。焚烧分2个燃烧室，废塑料在第1个燃烧室内燃烧并产生气体，其中未完全燃烧的气体在第2个燃烧室中继续燃烧，产生的热量可以用来发电，焚烧后仅剩少量残渣需进行填埋[34]。加氢裂化是在300～450 ℃和2～15 MPa的压力条件下，使用催化剂将废塑料转化为高质量的液体燃料，为了避免副反应，应使用高压H2[35]。
6 结 论
1) 在建筑工业中贯彻清洁生产理念是有效减少建筑垃圾的根本指导思想，按流程具体可通过源头减量、施工过程减量、综合利用等措施来实现。
2) 通过优化城市规划和工程设计，采用先进施工技术，健全法律法规等措施来实现源头减量；强化施工过程管理和废物就地利用等措施来实现施工减量；将建筑垃圾综合利用与安全弃置有机结合，实现终端减量。
3) 本研究对比了国内外建筑综合利用的现状，发现道路材料在中国建筑垃圾资源化领域有很大的发展空间。
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