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处理即将结束寿命的建筑物:当建筑物遗弃

我们的周围到处都是建筑物,它们拥护着人类最珍视的价值观,例如财富和社会互动。虽然根据我们的价值观,我们常常愿意花一大笔钱来保护一些建筑物的重要性,但大多数建筑物,在建造时都考虑到了一定的使用寿命。更重要的是,当它们达到其使用寿命后,也将会被遗弃。直到最近,人们也很少会去考虑如何处理这些将被遗弃的建筑物。可选项,要么尽快拆除它们,为新建筑让路;要么保留它们,翻新并将其改造成新建筑。

建筑物在其使用寿命结束时将面临哪些挑战?

为减少新建筑的碳排,后者显然是首选解决方案,但这只发生在少数情况下,并且也只有在预算可允许的情况下才会发生。(例如参见下图1)。当建筑物内部的物品都被拿走后,剩下的外壳,看起来可能没有什么价值。然而,其实大部分的建筑隐含碳都在这个外壳中,包括承重结构、地板、墙壁和屋顶。通过更详细的调查也可能表明,我们可以从这个外壳中提取大量价值。


拆除建筑
英国曼彻斯特大学艾伦吉尔伯特学习共享区

图 1:翻新后的建筑:英国曼彻斯特大学艾伦吉尔伯特学习共享区:投资 2400 万英镑进行翻新之前(上图)和之后(下图)


目前大多数报废建筑的解决方案都是拆除,如图2所示。拆除前,该建筑就已经变成成堆的垃圾了。而拆除后我们最好的选择是对建筑垃圾进行管理,主要是回收利用。然而,由于废物污染,即使经过漫长的建筑废物流分类和分离过程,回收材料的性能仍比原始建筑中的材料差很多。此外,从建筑和拆除废物中回收材料的再制造,仍然属于能源密集型。


建筑拆除现场

图2:典型建筑拆除现场


考虑到全球在追求的净零碳目标,想要最大限度地减少报废建筑隐含碳排放这个想法已经不再站得住脚。更好的解决方案是保留建筑物本身的的价值和隐含碳,从一开始就防止建筑物成为废物源。如果做不到,则应该以废物污染最小化的方式拆除建筑物。通过这种方式,可以最大限度地减少对不同废物流进行分类和分离的需要,并最大限度地发挥从建筑废物中重新制造高质量和高性能材料的潜力。例如,在现场回收的混凝土骨料,若被其他废料污染,则用于低价值的应用,如道路填料。但如果没有被污染,则可以被再次用来制造高质量的混凝土,用于承重结构件。


然而目前的做法与处理报废建筑的理想结果之间仍存在巨大差距,所以我们应该采取更进一步的改进措施。


可以做出哪些改进以及面临哪些挑战?

下面的图3显示了比较为行业熟知的资源管理层次。循环利用一定是比直接烧掉(Burn)或埋掉(Bury)要好。不制造新的建筑对于减少建筑材料使用来说,不能成为一个单一的选择。在处理报废建筑时,进一步的更好的解决方案是 "最小化(minimise)"(重新设计(redesign))或 "重新使用(reuse)"材料。虽然 "再利用(recycle)"这一选择仍不可避免,但 "再利用(recycle)"的结果应该而且可以与 "最小化(minimise)"的需要相一致。


建筑拆除现场

图 3:建筑拆除现场


因此,为了在处理报废建筑方面做出必要的改变,可以假设采取以下三种策略:


A. 建筑元素的再利用。这与 "重新设计(redesign)"和 "修理/重新使用(repair/repurpose)"不同,它能使整个报废建筑得到重新利用,如图1所示。


B. 通过防止废物流的污染,以及研究改善材料特性的方法,提升回收材料的价值。


C. 在高价值的应用中使用常规的"回收(recycled)"材料。


以下例子分别说明了上述途径,以及它们面临的挑战。


A. 建筑构件的再利用

任何建筑结构的外壳都可以大致分为非承重元素和承重元素,非承重元素通常在建筑物的表面。许多非承重构件的再利用是非常可行的,比如天花板,因为它们相对容易拆卸/储存,并且有标准的尺寸和功能,因此在许多应用中可以互换。相比之下,承重结构件的再利用要困难得多,然而,大部分的碳和剩余经济价值却又都体现在结构性承重构件中。


钢:最常见的结构性承重材料之一(钢、混凝土、砖、木材)。钢构件的再利用是最容易的,特别是如果钢构件在建筑物报废时用螺栓固定。再利用钢结构构件的技术障碍都不大,主要的问题是与开发一个可行的商业模式有关,包括储存、再加工、供应链管理,以及设计工程师对选择再利用方案的信心。


砖块:砖块作为一种材料,也是一种结构元素。从技术上讲,回收砖块是可能的,即使是带有水泥砂浆的砖块(见下图4),尽管开发回收水泥砂浆砖的机器需要投资。然而,一旦克服了这一障碍,再生砖就可以进入市场,且可以像新砖一样使用。


再造的砖头

图4:通过冲压再造的砖头


混凝土:混凝土是使用最广泛的结构材料,但它也是最难再利用的。承重混凝土构件的问题有两个方面。首先,它们通常是整体铸造的(预制构件除外),这使得回收非常困难。其次,回收过程中需要切割钢筋,这使得恢复钢筋的连续性变得非常困难,而这对于混凝土结构件来说又是必要的。因此,承重混凝土构件的再利用必须从设计阶段开始。同时,对于目前的报废混凝土建筑流(以及未来更多的年份),最好的解决方案在于下面所解释的另外两个选项。


B. 提升回收利用的价值

为了提高回收利用的价值,回收材料的特性应该满足特定的标准,并发挥其潜力。在这里,必须在低碳材料的要求下进行广泛的研究和开发。一个例子是在再生骨料混凝土中使用极少量的石墨烯,以增加其机械性能,使其能够完全模仿天然骨料混凝土的使用。在建筑业中接受这种材料创新还是有疑问的,因为在没有公认的标准的情况下,建筑业本质上是仍较为谨慎。


虽然确实存在允许使用回收材料的标准,但其应用取决于回收材料的等级。因此,为了符合最高价值链的应用,回收材料必须达到最高等级,这也就需要最高质量的回收,完全没有受到污染。


C. 再生材料的高价值应用

在结构工程中,假设同一材料在任何地方都会被用于结构件。因此,材料必须满足结构件中最高性能部分的要求。然而,思维方式的改变可以带来在高价值应用中使用常规低等级再生混凝土的选择。例如,在结构工程中,我们知道混凝土的抗拉性能被忽略了。既然如此,为什么不在混凝土构件的拉伸区域使用低等级的再生混凝土呢?在一个典型的混凝土梁中,有一个压缩区和一个拉伸区,而后者通常占构件体积的50%以上。当然,为了实现这一目标,需要提高结构工程师的认识,并调整现有的施工实践。


发展的道路是怎样的?

无论为报废建筑追求什么样的最佳价值链,在时间和金钱的限制下,需要克服许多挑战。为了促进这一进程,就必须彻底了解建筑物。这意味着不仅要了解建筑物不同材料和元素的位置和数量,还要了解它们的历史轨迹,这将决定它们未来潜在的回收和再利用的最高价值。这样全面的知识不能指望只由一个人拥有。而且,从不同的来源手动获取这些知识将需要大量的时间和精力,而在处理报废建筑的压力下,这些时间和精力是很短缺的。


报废建筑的数字模型则提供了克服技术挑战的必要平台。这就是几个openBIM标准和其他数字工具能为我们服务的地方,且可以用来支持尽可能多的受众。这样的数字模型正在欧洲地平线资助的项目RECONMATIC中开发,图5是其中的一个例子。这种数字模型可以纳入一个全面的数据库,其中包括不同类型的材料在不同条件下的使用历史,以及它们在再制造后的潜在属性。这样的数据库可以独立开发,以涵盖报废建筑中所有可能的建筑材料,然后针对所考虑的特定报废建筑进行提取。


然后,报废建筑的数字模型可以用来建立拆迁前的审计计划,通过在拆迁过程中尽量减少废物污染,以及回收最大数量的可再利用的元素,从现有建筑中提取最大的价值。


曼彻斯特大学

图 5:曼彻斯特大学大楼的数字模型


在开发上述数字模型的过程中,我们必须认识到,目前大多数即将结束寿命的建筑是在数字CAD成为普遍做法之前设计和建造的。因此,它们的物理信息很可能是以纸质图纸的形式存储的。在RECONMATIC项目中,一个特别的挑战是如何用纸质图纸来开发已建成的建筑的数字模型。也因此要处理原始的建筑平面图在其生命周期中经过多次修改后,很可能与实际报废的建筑不同的问题。为了克服这个问题,可采用合并CAD和增强现实(AR)数据进行建筑检查。


另一方面,由于对这种数字模型的需求主要涉及建筑垃圾管理,与用于其他目的(如结构加固或翻新)的建筑数字模型相比,信息的准确程度,即建筑元素的确切尺寸和连接性,可能有些欠缺。



作者/联系人:


王勇教授:yong.wang@manchester.ac.uk


穆罕默德·奥马尔博士:Muhammad.omer@manchester.ac.uk



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