施工現場建筑垃圾減量化的思考*

陳 蕾

(中國建筑一局(集團)有限公司，北京 100161)

1 國內外現狀

1.1 建筑行業整體產值、建筑垃圾產生量情況

隨著我國經濟的快速發展以及城鎮固定資產投資額的快速上升，建筑行業在發展過程中獲得了更多的資金和良好的市場機遇，據統計分析，2011—2019年的近10年間，建筑面積持續增加, 2020年全國建筑業總產值26.4萬億元，占國內生產總值的25.88%，建筑業房屋施工面積149.5億m2，比上年增加5.35億m2。

但是，面對持續高增長的新建建筑面積，其產生的建筑垃圾等固體廢棄物也必然增多。據測算，每10 000m2建筑施工面積平均產生550t建筑垃圾。近幾年，我國每年建筑垃圾的排放總量約為15.5億～24億t。而目前國內建筑垃圾的整體減量化水平與發達國家相比仍處于較低水平，絕大多數建筑固體廢物未經任何處置，便被運往城市郊區或鄉村空曠地區填埋處置或非法傾倒。

1.2 國家政策層面的變化

自中華人民共和國成立以來，生態環境保護取得了前所未有的進步，特別是國家環境戰略政策發生了巨大變化，經歷了一個從無到有、從環境保護基本國策到全面推進生態文明建設的發展軌跡，基本建立了適應生態文明和“美麗中國”建設的環境戰略政策體系。黨的十九大和十九屆二中、三中、四中、五中全會中始終指出，要堅定不移貫徹創新、協調、綠色、開放、共享的新發展理念，著力解決突出環境問題。此后，隨著建筑垃圾圍城現象的日趨凸顯，建筑垃圾的存量壓縮、排放減量也逐步上升成為環境治理的主要施政領域。

此前，盡管建筑垃圾的問題已經引起相關政府管理部門、科研人員的注意，但總體而言社會各界對建筑垃圾治理的認識程度還不夠，短期內我國的建筑垃圾資源化利用率處于較低水平。為此，2018年底，國務院辦公廳印發《“無廢城市”建設試點工作方案》(以下簡稱《工作方案》)，正式啟動“無廢城市”建設試點工作，希望通過打造區域源頭減排、充分利用、無害處置的垃圾閉環綜合治理案例，發揮示范引領作用，用新型發展理念推動城市管理綠色轉型，輻射落后中小城鎮。

2020年4月29日，十三屆全國人大常委會第十七次會議審議通過了修訂后的《中華人民共和國固體廢物污染環境防治法》，針對建筑垃圾獨立增設了部分條款，是我國首部規范建筑垃圾治理行為的法律法規，為后續建筑垃圾污染防治提供了強制約束環境及后盾保障。

住房和城鄉建設部2020年5月8日印發《關于推進建筑垃圾減量化的指導意見》，明確了建筑垃圾減量化的總體要求、主要目標和具體措施，是推動當前和今后一個時期建筑垃圾源頭減量化、推進城鄉建設綠色發展的重要指導文件。

此后，住房和城鄉建設部依次頒布了《施工現場建筑垃圾減量化指導手冊》《施工現場建筑垃圾減量化指導圖冊》，形成從政策到實操的梯次指導性文件，為實現該體系在行業內快速推廣應用提供了保障，對我國可持續發展具有重要的意義。

1.3 建筑垃圾減量化研究現狀

關于建筑垃圾減量化的相關研究，我國通過國家“十一五” “十二五”重點研發計劃項目研究，已在某些單項建筑垃圾資源化利用技術上得到較大發展。“十三五”期間，圍繞新建工程施工現場建筑垃圾源頭治理，由中建一局牽頭，依托國家重點研發計劃“施工現場固體廢棄物減排、回收與循環利用技術研究與示范”(2016YFC0702103)與住房和城鄉建設部課題“建筑垃圾源頭減量化措施研究”、行業標準和示范工程為依托，以實現建筑垃圾量化、分類、預測、控制、減量化、無害化及資源化的產業化應用為目標，在施工現場建筑垃圾量化計量、源頭減量化控制、資源化利用成套技術與標準、綜合處理設備以及工程應用示范等方面開展系統研究。

在既有研究成果的基礎上，進一步明確了施工現場建筑垃圾的定義、內容邊界及分類，初步形成了適用施工現場建筑垃圾的量化及預測體系，首次提出基于質量守恒定律的以節材設計、減廢工藝、精細管理為主要內容的施工現場建筑垃圾減量化方法框架，為后續研究建立建筑垃圾減量化技術集成體系奠定了基礎，進而在數字建造時代，探索了基于BIM技術的數字化建筑垃圾減量化工具及手段。針對不同種類建筑垃圾，集成分析了目前建筑垃圾在施工現場的資源化利用方法，自主研發了場地適用性強的小型模塊化無機非金屬類建筑垃圾資源化處置工藝及設備，有效提高了再生骨料的品質。各項技術通過示范驗證及優化完善，根據建筑業及固廢處理業權威專家審定，量化、減量化及資源化各項關鍵技術研究成果均已達到國際先進水平，為我國后續相關理論及應用研究提供了可靠的經驗支撐。

在成績被行業認可的同時，課題研究團隊重新梳理相關研究瓶頸，發現目前我國建筑垃圾減量化研究的未來方向及目前研究中存在的不足。其中，量化研究是一切研究工作的基礎，尚未實現客觀有效數據的高效收集及足量積累，已成為限制課題進一步深入研究的關鍵影響因素。同時，基于國家“碳中和”宏偉藍圖，系統分析現有減量化措施對建筑垃圾產生及排放的作用機制，盡快提出源頭減量化技術集成體系及資源化再生產品的產業化利用策略，全面提升施工現場建筑垃圾處置能效，也是未來建筑垃圾治理亟待解決的問題。

2 施工現場量化技術

2.1 量化及預測方法

2.1.1量化方法

從上文可知，建筑垃圾量化工作是提高建筑垃圾治理水平的關鍵一步，也是施工現場建筑垃圾治理研究的基礎。并且，統計施工現場建筑垃圾的組成成分和排放量是采取有效建筑垃圾源頭減量化、資源化手段的重要支撐，使工程管理者能夠有效針對施工現場的實際情況進行分析并制定相應的建筑垃圾減排措施。目前，針對施工現場建筑垃圾的量化統計主要分為兩大類：第1類是以間接測量法為代表，通過計算指標及數學模型間接獲得計算總量的統計方法，主要包括面積指標法、定額損耗法、分類組合法以及間接測量法等；第2類則是以直接測量法為代表，通過實際稱重或測得體積換算直接得出排放量的統計方法，主要包括直接稱重法、體積測量法、卡車計量法等。

總體來看，大多數量化方法都需要直接測量類統計方法的參與，比如產生率計算法需要以獲取單位建筑垃圾產量(kg/m2)為前提，而單位建筑垃圾產量則需要直接測量法來計算。除此之外，間接測量類統計方法因其考慮的數據量較多，且在施工現場難以獲取，會在建筑垃圾量化的過程中產生較大誤差。采用直接測量類統計方法可以有效減少建筑垃圾的量化誤差，同時可為其他量化方法提供基礎數據支撐。因此，從短期來看，直接測量類統計方法更具短期研究價值及意義。但從中長期來看，在單位統計量或計量指標逐步核準的研究環境下，基于間接測量類統計方法的建筑垃圾量化研究更易揭示建筑垃圾產生機理，也將進一步提升后續減量化技術研究的針對性及指導性，有著巨大的研究潛力及前景。

2.1.2預測方法

施工現場建筑垃圾量化研究是對某個項目或某個區域內已產生的建筑垃圾排放量進行統計或估算，而施工現場建筑垃圾預測研究是在已收集建筑垃圾排放量數據的基礎上，通過合理的預測方法對項目或區域內將要排放的施工現場建筑垃圾數量進行推測。但是，預測方法多種多樣，且適用范圍各不相同，如何根據施工現場建筑垃圾量化數據庫特點及預測方法的優勢，選擇合適的預測方法是構建建筑垃圾排放量預測模型的前提。

目前，針對施工現場建筑垃圾，常見的預測方法根據預測維度主要分為兩類，第1類是以項目為預測維度，主要包括人員經驗值估算法、多元線性回歸分析法、“S”形曲線法等；第2類是以區域為統計維度，主要包括定額損耗預測法、灰色系統預測法等。但總體而言，兩類方法均受制于傳統預測算力的限制，無法對足量多元影響因素進行綜合分析，也無法充分考慮不同項目的建筑垃圾排放量和影響因素之間的關系。現有研究成果片面簡化了兩者之間原本復雜的非線性映射關系，忽視了項目的獨特性，以至于無法保證施工現場建筑垃圾的預測精度。

近些年，隨著人工智能的發展，機器學習技術也越來越多的作為預測手段應用到工程造價領域，并逐步應用于施工現場建筑垃圾排放量預測方面。主要包括基因表達式編程技術、支持向量機技術、人工神經網絡技術等。

施工現場建筑垃圾排放量的預測是機器學習中的回歸問題，由于建筑垃圾產量預測的特點是影響建筑垃圾產量的因素眾多，建筑垃圾排放量預測不僅與已分析的影響因素有關，而且受很多不確定性因素的影響，因此，如何反映建筑垃圾影響因素及不確定性因素與建筑垃圾排放量之間的非線性映射關系，是施工現場建筑垃圾量化預測模型構件中需要解決的重要問題。其中，逆向誤差神經網絡(back propagation neural network, BPNN)作為機器學習應用最廣泛的算法之一，不僅具有很強的非線性映射能力,而且具有良好的泛化能力、自學習能力和高容錯性，這些性能都較好地滿足了進行建筑垃圾排放量預測影響因素多、不確定因素干擾、樣本量較少的特點。由于工程建設耗費時間長，國內所能采集的項目數據有限，所以在對預測模型進行訓練時，會出現樣本量少的情況，而BP神經網絡能夠較好地滿足現有施工現場建筑垃圾排放量數據收集項目樣本容量不夠大、排放量與特征因素映射關系復雜的情況。

2.2 存在問題及研究方向

結合上文所述，短期內，持續開展基于直接測量法的量化數據積累，并借助人工智能發展契機，通過機器學習逐步優化預測模型，將對施工現場建筑垃圾排放總量控制起到重大支撐作用。但如何以國家大力推行智能建造為契機，基于AI及物聯網技術，通過開發建筑垃圾場內處置、再生材料利用、場外排放數據聯動的建筑垃圾監測成套設備，更為客觀真實地獲取大體量建筑垃圾產生及排放數據，是下一步值得探索的方向。不僅如此，從中長期來看，還要考慮進一步研究特征因素對建筑垃圾產生量的敏感性。即基于間接測量法，結合施工現場各項特征影響因素及建筑垃圾減量化措施，深入探索兩者對施工現場建筑材料垃圾產生及排放的作用關系，繼而研究提出施工現場投、余、廢料閉環智能管理體系，開發施工全過程建筑垃圾監測、管控、決策平臺。

3 施工現場建筑垃圾減量化技術

3.1 目前的減量化方法

施工現場建筑垃圾減量化是建筑垃圾源頭治理的有效手段，能夠從根本上解決建筑垃圾產量大的問題。源頭減量模式不同于傳統的末端處理模式，是一種以預防為主的減量模式，開展施工現場建筑垃圾源頭減量化工作，也可以認為是避免或者減少施工現場建筑垃圾產生過程的方法。目前，建筑行業由于信息化發展緩慢，施工現場管理粗放，施工過程數據尤其是材料量統計的不確定性，直接影響并阻礙了施工現場建筑垃圾源頭減量的實現，而施工現場建筑垃圾產生量來自施工建造過程中參與的不同種類建筑材料，而施工現場建筑材料的變化貫穿施工全壽命周期，并在量變過程始終遵循質量守恒定律。因此，通過提高建筑施工材料的測算能力、施工過程的管理水平，逐步實現施工現場建筑垃圾產生量的間接測量，也是從源頭有效減少或避免建筑垃圾產生的重要理論基礎。

綜上，建筑垃圾源頭減量化關鍵技術可以歸納為：從設計圖紙繪制、施工方案編制、材料量計算、施工管理等材料轉化相關階段入手，通過對材料轉化全過程的精準測算及管控，避免或減少由于過量冗余、余料浪費等行為對施工現場建筑垃圾減量化造成的間接影響。

為了全面分析固廢減量化的影響因素，根據理論分析和現場實地勘察，得出基于“人員-材料-設備-工法-環境-管理”6要素的減量化影響因素體系，并就此開展了問卷調查，得出普遍認知中工法要素對施工現場建筑垃圾減量化效果影響最大，其次是管理要素，兩者在所有影響因素中比重遠高于其他要素。因此，引進更加先進的技術理念或提升管理水平是有效提升施工現場建筑垃圾減量化效果的關鍵支撐。

因此，結合施工現場建筑垃圾減量化內涵，以目前施工現場建筑垃圾源頭減量化關鍵技術和管理方法為主要類別，總結梳理了包含節材式設計、減廢化工藝、政策面支持、精細化管理幾個方面的建筑垃圾源頭減量化方法內容，主要框架如圖1所示。

圖1 建筑垃圾源頭減量化方法主要框架

針對施工現場建筑垃圾源頭減量，相較于方法框架中的其他方法，政策層面的引導仍只能起到間接影響的作用。因此，梳理了可直接作用施工現場建筑垃圾源頭減量的其他3種方法，即節材式設計、減廢化工藝、精細化管理，以下為方法主要內容及作用機制。

3.1.1節材式設計

1)設計優化

施工單位在工程進場后，在原有設計方案的基礎上，遵循合理、經濟、可行為基本原則，通過設計優化，縮減、循環和高效利用建筑主體及施工措施材料，以優先避免施工現場建筑垃圾產生和排放的關鍵措施。

2)設計深化

建筑深化設計是指根據施工驗收標準規范及施工工藝，以降低施工難度、提升施工效率為目標，進行的圖紙深化工作，其主要工作包括了專業梳理、設計協調、深化圖紙出圖等方面內容。目前，隨著建筑施工技術的不斷發展，深化設計逐步開始向“正向設計-施工”偏移，逐步延伸形成了以精準投料、可視化設計協同等以“近零變更、一次成型”綠色施工理念的主要內容，其實際目的為源頭避免工程建造粗放管理提供依據保障。通過減少工程變更及加工材料損耗的深化設計措施，是支撐施工現場建筑垃圾減量化工作的重要內容。

3.1.2減廢化工藝

針對兩個或兩個以上施工組織設計或方案，通過經濟技術對比分析，以“經濟高效，環保減排”為目標，梳理優勢內容，對方案的組合、順序、周期、生產要素調配等內容進行協調整合，形成可高效指導現場施工，且以施工現場建筑垃圾產生量最小化為目標的方案或施工組織設計。

3.1.3精細化管理

1)永臨結合

永臨結合作為綠色建造模式下施工體系的重要組成部分，部分措施在工程實踐中已充分完善，并根據其適用性，成為典型建筑常態建設施工動作。其主要內容為施工單位在滿足相關標準規范要求，并且征得建設單位同意的前提下，對條件具備的施工現場，水、電、消防、道路等臨時設施工程實施“永臨結合”，并通過合理的維護措施，確保交付時滿足使用功能需要，也可從源頭大幅降低施工現場建筑垃圾的產生。

2)信息化管理

由于管理手段落后，施工材料耗用時，常出現限額領料不到位的情況，項目施工管理人員只關注施工質量及進度，對勞務隊伍材料使用規范性的管理不嚴，施工材料在二次運輸及安裝過程中，會產生一定的邊角余料，特別是對周轉材料及易產生施工現場建筑垃圾的材料等，目前缺乏有效的回收管控，造成現場余料的浪費，也直接導致了施工現場建筑垃圾的產生。

通過對近年來相關建筑工程智能及數字建造技術應用案例的總結分析，以對象模型為工程制圖單元的BIM技術，不僅從幾何參數上更為直觀且形象地表達了工程建造實體，也為4M1E(人、機、料、法、環)等各類工程建造生產要素相關信息融入提供了載體，極大改進以傳統二維制圖為基礎的工程建造模式，加快推進了建筑行業信息化進程，也為建筑垃圾源頭減量提供了新思路，極大優化了傳統建筑垃圾源頭減量手段。

3.2 尚存在的問題及今后的研究方向

在施工現場建筑垃圾減量化技術方面，減量化措施的優化只解決了影響建筑垃圾產生的部分主要因素，并沒有建立起與全部影響因素一一對應的關系。另一方面，優化后的減量化措施究竟能對建筑垃圾減排起到多大的作用，并沒有進行定量的評價。

因此，未來研究方向仍需針對設計圖紙、施工工藝、管理水平等因素，進一步分析形成各項因素對建筑垃圾產生排放的影響機制，繼而以實現節材設計、減廢工藝、精細化管理為目標，梳理形成施工現場建筑垃圾源頭減量化關鍵技術集成體系。在此基礎上，研發數字化節材設計工具，優化形成成套減廢工藝工法，探討以建筑垃圾源頭產生量最小的資源優化配置機理，逐步形成工序智能管控策略。

4 施工現場資源化利用技術

4.1 目前的減量化方法

根據住房和城鄉建設部建筑垃圾減量化指導意見，施工現場建筑垃圾的就地處置和資源化利用根據其種類因地制宜、分類利用，提高資源化利用水平。因此，針對不同種類建筑垃圾的特性和可利用方式，形成如圖2所示的施工現場建筑垃圾資源化技術應用方法。

圖2 施工現場建筑垃圾資源化技術應用

其中，施工現場的金屬類建筑垃圾，可通過簡單分選、現場加工，作為施工材料或制成施工工具，直接回收應用于施工現場。廢鋼筋可通過切割焊接，加工成馬凳筋、預制地坪配筋、臨時道路配筋、模板限位鋼筋等小工具進行場內周轉利用；可通過機械接長，加工成較長鋼筋用于場地洗車槽、工具式廁所、防護門、排水溝的鋼筋網片等。其他難以現場加工利用的金屬類建筑垃圾，根據金屬或合金的材料成分，按照鋼鐵類及有色金屬類進行分類存放，避免發生電化學腐蝕，并交由專業公司進行回收再利用。

而無機非金屬類建筑垃圾是施工現場產量最大的建筑垃圾，根據場地條件，一般以設置場內綜合處理設備，制備再生產品分別利用為主。

現有施工現場建筑垃圾的處理設備，其工藝流程大多還停留在簡單破碎和篩分的水平上，大量產出的再生骨料產品品質因天然骨料與水泥砂漿的包裹無法實現有效分離，導致再生骨料的性能低下，難以達到拌制高品質混凝土的水平，其再生利用價值長期處于較低水平，與產業化應用的需求差距巨大。因此研發了針對無機非金屬類建筑垃圾的綜合處理設備，使其滿足能夠現場處理的要求并生成高品質再生骨料。施工現場無機非金屬類建筑垃圾綜合處理設備總裝(國家課題研究成果)如圖3所示。

圖3 施工現場無機非金屬類建筑垃圾綜合處理設備總裝

整套綜合處理設備具備將施工現場產生的無機非金屬類建筑垃圾(混凝土、瓷磚、砂石、砂漿等)現場破碎、篩分后，生成再生粗骨料、細骨料、再生中砂、細砂粉料等再生產品，滿足現場資源化再利用，并能提高再生利用附加值。

有機類建筑垃圾中，木方、模板等可在施工現場通過相應的資源化設備實現回收利用，部分木材類建筑垃圾可通過木方接長，模板通過模板覆膜機進行翻新再利用。其他難以在施工現場進行就地處置的有機類建筑垃圾，如塑料包裝、保溫板等，嚴禁就地焚燒或直接掩埋，需制定合理的消防、防腐措施，進行無害化處置，統一收集后進行場外處理。

4.2 尚存在的問題及今后的研究方向

目前，全國已建和在建的資源化利用生產線年處置能力在 100 萬t以上的約 70 條，小規模資源化利用企業約 600 家，年資源化利用能力為 5.5 億t。但與發達國家相比，我國建筑垃圾循環利用率整體偏低，尚處于高耗能、弱監管、難保障的狀態。造成這種現象的原因，首先從建筑業自身層面來看，建筑垃圾強制性源頭分類不足，絕大多數施工現場分類水平低下，后端分類資源化利用難度大。其次，也缺乏全國統一的強制性資源化利用法律要求，建筑垃圾產業發展規劃引導性不足，各環節市場主體的法律義務不明確，配套的管理、指標、監測、排放標準體系不健全，導致粗放處置和非法處置得不到有效監管。不僅如此，由于綜合利用產品政策支持不足、配套規范標準欠缺、項目投資大、原料來源不穩定等原因，導致市場接受度低、生產成本不可控，成熟的規模化產業鏈難以孵化。

因此，可以在專業化的工藝技術領域，借鑒美國、德國、日本等發達國家經過長期的實踐累積，以追求獲得更高效、更優化的資源化為目標，梳理分析建筑垃圾再利用手段及再生材料施工現場可利用程度。在此基礎上，根據施工現場典型建筑垃圾產量，梳理提出低碳消納策略。通過開展施工現場建筑垃圾高效資源化處置、再生材料性能提升關鍵技術研究，分析提出建筑垃圾再生產品產業化利用策略，進而研制可產業化建筑垃圾新型再生利用產品，以期盡快形成施工現場建筑垃圾低碳消納與內循環利用體系。

5 前景展望

施工現場建筑垃圾作為建筑施工過程中的必然產物，是城市垃圾中體量最大的部分，占比達70%。建筑垃圾隨意處置占用土地、污染環境，直接或間接影響空氣質量，且易造成土壤、水資源的污染和安全隱患。在全社會倡導“可持續發展”“循環經濟”和“低碳經濟”等大背景下，全面貫徹國家綠色發展理念，實現資源節約、能源減量、發展方式可持續的綠色建筑產品供給，追求建造質量和效益的協調、功能和造價的統一以及社會利益和環境利益的最大化，推動施工現場建筑垃圾的源頭治理，已成為推進生態文明建設、促進企業轉型升級、提升企業形象及文化軟實力的亟需。

因此，需要繼續踐行新發展理念，聚焦解決“卡脖子”問題，促進企業轉型升級，推動中國建筑業高質量發展。通過對源頭減量、資源化再生及產業化利用、建筑垃圾處置碳排放機理等關鍵技術開展系統研究，力爭在綠色建造關鍵技術領域取得創新突破，繼而凝練形成高效適用、經濟合理的施工現場建筑垃圾低碳消納與內循環利用體系，在實現施工現場建筑垃圾排放減量的同時，有效避免材料過量投入，大幅降低建筑垃圾處置成本，為建筑行業建筑垃圾處置提供重要的理論、實踐與技術指導，盡快實現施工現場建筑垃圾的精益管理與科學處置。