施工现场建筑垃圾减量化的思考

摘要

介绍了我国施工现场建筑垃圾产生量情况以及建筑垃圾减量化研究现状及方向。重点阐述了目前施工现场建筑垃圾量化技术、减量化技术以及资源化利用技术，分析了尚存在的问题及今后的研究方向。通过对源头减量、资源化再生及产业化利用、建筑垃圾处置碳排放机理等关键技术开展系统研究，力争在绿色建造关键技术领域取得创新突破。

Part 01

国内外现状

1.1 建筑行业整体产值、建筑垃圾产生量情况

随着我国经济的快速发展以及城镇固定资产投资额的快速上升，建筑行业在发展过程中获得了更多的资金和良好的市场机遇，据统计分析，2011—2019年的近10年间，建筑面积持续增加，2020年全国建筑业总产值26. 4万亿元，占国内生产总值的25. 88%，建筑业房屋施工面积149. 5亿㎡，比上年增加5. 35亿㎡。

但是，面对持续高增长的新建建筑面积，其产生的建筑垃圾等固体废弃物也必然增多。据测算，每10 000㎡建筑施工面积平均产生550t建筑垃圾。近几年，我国每年建筑垃圾的排放总量约为15. 5亿～24亿t。而目前国内建筑垃圾的整体减量化水平与发达国家相比仍处于较低水平，绝大多数建筑固体废物未经任何处置，便被运往城市郊区或乡村空旷地区填埋处置或非法倾倒。

1.2 国家政策层面的变化

自中华人民共和国成立以来，生态环境保护取得了前所未有的进步，特别是国家环境战略政策发生了巨大变化，经历了一个从无到有、从环境保护基本国策到全面推进生态文明建设的发展轨迹，基本建立了适应生态文明和“美丽中国”建设的环境战略政策体系。党的十九大和十九届二中、三中、四中、五中全会中始终指出，要坚定不移贯彻创新、协调、绿色、开放、共享的新发展理念，着力解决突出环境问题。此后，随着建筑垃圾围城现象的日趋凸显，建筑垃圾的存量压缩、排放减量也逐步上升成为环境治理的主要施政领域。

此前，尽管建筑垃圾的问题已经引起相关政府管理部门、科研人员的注意，但总体而言社会各界对建筑垃圾治理的认识程度还不够，短期内我国的建筑垃圾资源化利用率处于较低水平。为此，2018年底，国务院办公厅印发《“无废城市”建设试点工作方案》( 以下简称《工作方案》) ，正式启动“无废城市”建设试点工作，希望通过打造区域源头减排、充分利用、无害处置的垃圾闭环综合治理案例，发挥示范引领作用，用新型发展理念推动城市管理绿色转型，辐射落后中小城镇。

2020年4月29日，十三届全国人大常委会第十七次会议审议通过了修订后的《中华人民共和国固体废物污染环境防治法》，针对建筑垃圾独立增设了部分条款，是我国首部规范建筑垃圾治理行为的法律法规，为后续建筑垃圾污染防治提供了强制约束环境及后盾保障。

住房和城乡建设部2020年5月8日印发《关于推进建筑垃圾减量化的指导意见》，明确了建筑垃圾减量化的总体要求、主要目标和具体措施，是推动当前和今后一个时期建筑垃圾源头减量化、推进城乡建设绿色发展的重要指导文件。

此后，住房和城乡建设部依次颁布了《施工现场建筑垃圾减量化指导手册》《施工现场建筑垃圾减量化指导图册》，形成从政策到实操的梯次指导性文件，为实现该体系在行业内快速推广应用提供了保障，对我国可持续发展具有重要的意义。

1.3 建筑垃圾减量化研究现状

关于建筑垃圾减量化的相关研究，我国通过国家“十一五”“十二五”重点研发计划项目研究，已在某些单项建筑垃圾资源化利用技术上得到较大发展。“十三五”期间，围绕新建工程施工现场建筑垃圾源头治理，由中建一局牵头，依托国家重点研发计划“施工现场固体废弃物减排、回收与循环利用技术研究与示范”( 2016YFC0702103) 与住房和城乡建设部课题“建筑垃圾源头减量化措施研究”、行业标准和示范工程为依托，以实现建筑垃圾量化、分类、预测、控制、减量化、无害化及资源化的产业化应用为目标，在施工现场建筑垃圾量化计量、源头减量化控制、资源化利用成套技术与标准、综合处理设备以及工程应用示范等方面开展系统研究。

在既有研究成果的基础上，进一步明确了施工现场建筑垃圾的定义、内容边界及分类，初步形成了适用施工现场建筑垃圾的量化及预测体系，首次提出基于质量守恒定律的以节材设计、减废工艺、精细管理为主要内容的施工现场建筑垃圾减量化方法框架，为后续研究建立建筑垃圾减量化技术集成体系奠定了基础，进而在数字建造时代，探索了基于 BIM 技术的数字化建筑垃圾减量化工具及手段。针对不同种类建筑垃圾，集成分析了目前建筑垃圾在施工现场的资源化利用方法，自主研发了场地适用性强的小型模块化无机非金属类建筑垃圾资源化处置工艺及设备，有效提高了再生骨料的品质。各项技术通过示范验证及优化完善，根据建筑业及固废处理业权威专家审定，量化、减量化及资源化各项关键技术研究成果均已达到国际先进水平，为我国后续相关理论及应用研究提供了可靠的经验支撑。

在成绩被行业认可的同时，课题研究团队重新梳理相关研究瓶颈，发现目前我国建筑垃圾减量化研究的未来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础，尚未实现客观有效数据的高效收集及足量积累，已成为限制课题进一步深入研究的关键影响因素。同时，基于国家“碳中和”宏伟蓝图，系统分析现有减量化措施对建筑垃圾产生及排放的作用机制，尽快提出源头减量化技术集成体系及资源化再生产品的产业化利用策略，全面提升施工现场建筑垃圾处置能效，也是未来建筑垃圾治理亟待解决的问题。

Part 02

施工现场量化技术

2.1 量化及预测方法

2.1.1 量化方法

从上文可知，建筑垃圾量化工作是提高建筑垃圾治理水平的关键一步，也是施工现场建筑垃圾治理研究的基础。并且，统计施工现场建筑垃圾的组成成分和排放量是采取有效建筑垃圾源头减量化、资源化手段的重要支撑，使工程管理者能够有效针对施工现场的实际情况进行分析并制定相应的建筑垃圾减排措施。目前，针对施工现场建筑垃圾的量化统计主要分为两大类: 第1类是以间接测量法为代表，通过计算指标及数学模型间接获得计算总量的统计方法，主要包括面积指标法、定额损耗法、分类组合法以及间接测量法等; 第2类则是以直接测量法为代表，通过实际称重或测得体积换算直接得出排放量的统计方法，主要包括直接称重法、体积测量法、卡车计量法等。

总体来看，大多数量化方法都需要直接测量类统计方法的参与，比如产生率计算法需要以获取单位建筑垃圾产量(kg/m2)为前提，而单位建筑垃圾产量则需要直接测量法来计算。除此之外，间接测量类统计方法因其考虑的数据量较多，且在施工现场难以获取，会在建筑垃圾量化的过程中产生较大误差。采用直接测量类统计方法可以有效减少建筑垃圾的量化误差，同时可为其他量化方法提供基础数据支撑。因此，从短期来看，直接测量类统计方法更具短期研究价值及意义。但从中长期来看，在单位统计量或计量指标逐步核准的研究环境下，基于间接测量类统计方法的建筑垃圾量化研究更易揭示建筑垃圾产生机理，也将进一步提升后续减量化技术研究的针对性及指导性，有着巨大的研究潜力及前景。

2.1.2 预测方法

施工现场建筑垃圾量化研究是对某个项目或某个区域内已产生的建筑垃圾排放量进行统计或估算，而施工现场建筑垃圾预测研究是在已收集建筑垃圾排放量数据的基础上，通过合理的预测方法对项目或区域内将要排放的施工现场建筑垃圾数量进行推测。但是，预测方法多种多样，且适用范围各不相同，如何根据施工现场建筑垃圾量化数据库特点及预测方法的优势，选择合适的预测方法是构建建筑垃圾排放量预测模型的前提。

目前，针对施工现场建筑垃圾，常见的预测方法根据预测维度主要分为两类，第1类是以项目为预测维度，主要包括人员经验值估算法、多元线性回归分析法、“S”形曲线法等; 第2类是以区域为统计维度，主要包括定额损耗预测法、灰色系统预测法等。但总体而言，两类方法均受制于传统预测算力的限制，无法对足量多元影响因素进行综合分析，也无法充分考虑不同项目的建筑垃圾排放量和影响因素之间的关系。现有研究成果片面简化了两者之间原本复杂的非线性映射关系，忽视了项目的独特性，以至于无法保证施工现场建筑垃圾的预测精度。

近些年，随着人工智能的发展，机器学习技术也越来越多的作为预测手段应用到工程造价领域，并逐步应用于施工现场建筑垃圾排放量预测方面。主要包括基因表达式编程技术、支持向量机技术、人工神经网络技术等。

施工现场建筑垃圾排放量的预测是机器学习中的回归问题，由于建筑垃圾产量预测的特点是影响建筑垃圾产量的因素众多，建筑垃圾排放量预测不仅与已分析的影响因素有关，而且受很多不确定性因素的影响，因此，如何反映建筑垃圾影响因素及不确定性因素与建筑垃圾排放量之间的非线性映射关系，是施工现场建筑垃圾量化预测模型构件中需要解决的重要问题。其中，逆向误差神经网络(back propagation neural network，BPNN)作为机器学习应用最广泛的算法之一，不仅具有很强的非线性映射能力，而且具有良好的泛化能力、自学习能力和高容错性，这些性能都较好地满足了进行建筑垃圾排放量预测影响因素多、不确定因素干扰、样本量较少的特点。由于工程建设耗费时间长，国内所能采集的项目数据有限，所以在对预测模型进行训练时，会出现样本量少的情况，而BP神经网络能够较好地满足现有施工现场建筑垃圾排放量数据收集项目样本容量不够大、排放量与特征因素映射关系复杂的情况。

2.2 存在问题及研究方向

结合上文所述，短期内，持续开展基于直接测量法的量化数据积累，并借助人工智能发展契机，通过机器学习逐步优化预测模型，将对施工现场建筑垃圾排放总量控制起到重大支撑作用。但如何以国家大力推行智能建造为契机，基于AI及物联网技术，通过开发建筑垃圾场内处置、再生材料利用、场外排放数据联动的建筑垃圾监测成套设备，更为客观真实地获取大体量建筑垃圾产生及排放数据，是下一步值得探索的方向。不仅如此，从中长期来看，还要考虑进一步研究特征因素对建筑垃圾产生量的敏感性。即基于间接测量法，结合施工现场各项特征影响因素及建筑垃圾减量化措施，深入探索两者对施工现场建筑材料垃圾产生及排放的作用关系，继而研究提出施工现场投、余、废料闭环智能管理体系，开发施工全过程建筑垃圾监测、管控、决策平台。

Part 03

施工现场建筑垃圾减量化技术

3.1 目前的减量化方法

施工现场建筑垃圾减量化是建筑垃圾源头治理的有效手段，能够从根本上解决建筑垃圾产量大的问题。源头减量模式不同于传统的末端处理模式，是一种以预防为主的减量模式，开展施工现场建筑垃圾源头减量化工作，也可以认为是避免或者减少施工现场建筑垃圾产生过程的方法。目前，建筑行业由于信息化发展缓慢，施工现场管理粗放，施工过程数据尤其是材料量统计的不确定性，直接影响并阻碍了施工现场建筑垃圾源头减量的实现，而施工现场建筑垃圾产生量来自施工建造过程中参与的不同种类建筑材料，而施工现场建筑材料的变化贯穿施工全寿命周期，并在量变过程始终遵循质量守恒定律。因此，通过提高建筑施工材料的测算能力、施工过程的管理水平，逐步实现施工现场建筑垃圾产生量的间接测量，也是从源头有效减少或避免建筑垃圾产生的重要理论基础。

综上，建筑垃圾源头减量化关键技术可以归纳为: 从设计图纸绘制、施工方案编制、材料量计算、施工管理等材料转化相关阶段入手，通过对材料转化全过程的精准测算及管控，避免或减少由于过量冗余、余料浪费等行为对施工现场建筑垃圾减量化造成的间接影响。

为了全面分析固废减量化的影响因素，根据理论分析和现场实地勘察，得出基于“人员－材料－设备－工法－环境－管理”6 要素的减量化影响因素体系，并就此开展了问卷调查，得出普遍认知中工法要素对施工现场建筑垃圾减量化效果影响最大，其次是管理要素，两者在所有影响因素中比重远高于其他要素。因此，引进更加先进的技术理念或提升管理水平是有效提升施工现场建筑垃圾减量化效果的关键支撑。

因此，结合施工现场建筑垃圾减量化内涵，以目前施工现场建筑垃圾源头减量化关键技术和管理方法为主要类别，总结梳理了包含节材式设计、减废化工艺、政策面支持、精细化管理几个方面的建筑垃圾源头减量化方法内容，主要框架如图1所示。

图1 建筑垃圾源头减量化方法主要框架

针对施工现场建筑垃圾源头减量，相较于方法框架中的其他方法，政策层面的引导仍只能起到间接影响的作用。因此，梳理了可直接作用施工现场建筑垃圾源头减量的其他3种方法，即节材式设计、减废化工艺、精细化管理，以下为方法主要内容及作用机制。

3.1.1 节材式设计

1) 设计优化

施工单位在工程进场后，在原有设计方案的基础上，遵循合理、经济、可行为基本原则，通过设计优化，缩减、循环和高效利用建筑主体及施工措施材料，以优先避免施工现场建筑垃圾产生和排放的关键措施。

2) 设计深化

建筑深化设计是指根据施工验收标准规范及施工工艺，以降低施工难度、提升施工效率为目标，进行的图纸深化工作，其主要工作包括了专业梳理、设计协调、深化图纸出图等方面内容。目前，随着建筑施工技术的不断发展，深化设计逐步开始向“正向设计－施工”偏移，逐步延伸形成了以精准投料、可视化设计协同等以“近零变更、一次成型”绿色施工理念的主要内容，其实际目的为源头避免工程建造粗放管理提供依据保障。通过减少工程变更及加工材料损耗的深化设计措施，是支撑施工现场建筑垃圾减量化工作的重要内容。

3.1.2 减废化工艺

针对两个或两个以上施工组织设计或方案，通过经济技术对比分析，以“经济高效，环保减排”为目标，梳理优势内容，对方案的组合、顺序、周期、生产要素调配等内容进行协调整合，形成可高效指导现场施工，且以施工现场建筑垃圾产生量最小化为目标的方案或施工组织设计。

3.1.3 精细化管理

1) 永临结合

永临结合作为绿色建造模式下施工体系的重要组成部分，部分措施在工程实践中已充分完善，并根据其适用性，成为典型建筑常态建设施工动作。其主要内容为施工单位在满足相关标准规范要求，并且征得建设单位同意的前提下，对条件具备的施工现场，水、电、消防、道路等临时设施工程实施“永临结合”，并通过合理的维护措施，确保交付时满足使用功能需要，也可从源头大幅降低施工现场建筑垃圾的产生。

2) 信息化管理

由于管理手段落后，施工材料耗用时，常出现限额领料不到位的情况，项目施工管理人员只关注施工质量及进度，对劳务队伍材料使用规范性的管理不严，施工材料在二次运输及安装过程中，会产生一定的边角余料，特别是对周转材料及易产生施工现场建筑垃圾的材料等，目前缺乏有效的回收管控，造成现场余料的浪费，也直接导致了施工现场建筑垃圾的产生。

通过对近年来相关建筑工程智能及数字建造技术应用案例的总结分析，以对象模型为工程制图单元的BIM技术，不仅从几何参数上更为直观且形象地表达了工程建造实体，也为 4M1E(人、机、料、法、环) 等各类工程建造生产要素相关信息融入提供了载体，极大改进以传统二维制图为基础的工程建造模式，加快推进了建筑行业信息化进程，也为建筑垃圾源头减量提供了新思路，极大优化了传统建筑垃圾源头减量手段。

3.2 尚存在的问题及今后的研究方向

在施工现场建筑垃圾减量化技术方面，减量化措施的优化只解决了影响建筑垃圾产生的部分主要因素，并没有建立起与全部影响因素一一对应的关系。另一方面，优化后的减量化措施究竟能对建筑垃圾减排起到多大的作用，并没有进行定量的评价。

因此，未来研究方向仍需针对设计图纸、施工工艺、管理水平等因素，进一步分析形成各项因素对建筑垃圾产生排放的影响机制，继而以实现节材设计、减废工艺、精细化管理为目标，梳理形成施工现场建筑垃圾源头减量化关键技术集成体系。在此基础上，研发数字化节材设计工具，优化形成成套减废工艺工法，探讨以建筑垃圾源头产生量最小的资源优化配置机理，逐步形成工序智能管控策略。

Part 04

施工现场资源化利用技术

4.1 目前的减量化方法

根据住房和城乡建设部建筑垃圾减量化指导意见，施工现场建筑垃圾的就地处置和资源化利用根据其种类因地制宜、分类利用，提高资源化利用水平。因此，针对不同种类建筑垃圾的特性和可利用方式，形成如图2所示的施工现场建筑垃圾资源化技术应用方法。

图2 施工现场建筑垃圾资源化技术应用

其中，施工现场的金属类建筑垃圾，可通过简单分选、现场加工，作为施工材料或制成施工工具，直接回收应用于施工现场。废钢筋可通过切割焊接，加工成马凳筋、预制地坪配筋、临时道路配筋、模板限位钢筋等小工具进行场内周转利用; 可通过机械接长，加工成较长钢筋用于场地洗车槽、工具式厕所、防护门、排水沟的钢筋网片等。其他难以现场加工利用的金属类建筑垃圾，根据金属或合金的材料成分，按照钢铁类及有色金属类进行分类存放，避免发生电化学腐蚀，并交由专业公司进行回收再利用。

而无机非金属类建筑垃圾是施工现场产量最大的建筑垃圾，根据场地条件，一般以设置场内综合处理设备，制备再生产品分别利用为主。

现有施工现场建筑垃圾的处理设备，其工艺流程大多还停留在简单破碎和筛分的水平上，大量产出的再生骨料产品品质因天然骨料与水泥砂浆的包裹无法实现有效分离，导致再生骨料的性能低下，难以达到拌制高品质混凝土的水平，其再生利用价值长期处于较低水平，与产业化应用的需求差距巨大。因此研发了针对无机非金属类建筑垃圾的综合处理设备，使其满足能够现场处理的要求并生成高品质再生骨料。施工现场无机非金属类建筑垃圾综合处理设备总装( 国家课题研究成果) 如图3所示。

图3 施工现场无机非金属类建筑垃圾综合处理设备总装

整套综合处理设备具备将施工现场产生的无机非金属类建筑垃圾( 混凝土、瓷砖、砂石、砂浆等)现场破碎、筛分后，生成再生粗骨料、细骨料、再生中砂、细砂粉料等再生产品，满足现场资源化再利用，并能提高再生利用附加值。

有机类建筑垃圾中，木方、模板等可在施工现场通过相应的资源化设备实现回收利用，部分木材类建筑垃圾可通过木方接长，模板通过模板覆膜机进行翻新再利用。其他难以在施工现场进行就地处置的有机类建筑垃圾，如塑料包装、保温板等，严禁就地焚烧或直接掩埋，需制定合理的消防、防腐措施，进行无害化处置，统一收集后进行场外处理。

4.2 尚存在的问题及今后的研究方向

目前，全国已建和在建的资源化利用生产线年处置能力在100万t以上的约70条，小规模资源化利用企业约600家，年资源化利用能力为5. 5亿t。但与发达国家相比，我国建筑垃圾循环利用率整体偏低，尚处于高耗能、弱监管、难保障的状态。造成这种现象的原因，首先从建筑业自身层面来看，建筑垃圾强制性源头分类不足，绝大多数施工现场分类水平低下，后端分类资源化利用难度大。其次，也缺乏全国统一的强制性资源化利用法律要求，建筑垃圾产业发展规划引导性不足，各环节市场主体的法律义务不明确，配套的管理、指标、监测、排放标准体系不健全，导致粗放处置和非法处置得不到有效监管。不仅如此，由于综合利用产品政策支持不足、配套规范标准欠缺、项目投资大、原料来源不稳定等原因，导致市场接受度低、生产成本不可控，成熟的规模化产业链难以孵化。

因此，可以在专业化的工艺技术领域，借鉴美国、德国、日本等发达国家经过长期的实践累积，以追求获得更高效、更优化的资源化为目标，梳理分析建筑垃圾再利用手段及再生材料施工现场可利用程度。在此基础上，根据施工现场典型建筑垃圾产量，梳理提出低碳消纳策略。通过开展施工现场建筑垃圾高效资源化处置、再生材料性能提升关键技术研究，分析提出建筑垃圾再生产品产业化利用策略，进而研制可产业化建筑垃圾新型再生利用产品，以期尽快形成施工现场建筑垃圾低碳消纳与内循环利用体系。

Part 05

前景展望

施工现场建筑垃圾作为建筑施工过程中的必然产物，是城市垃圾中体量最大的部分，占比达70%。建筑垃圾随意处置占用土地、污染环境，直接或间接影响空气质量，且易造成土壤、水资源的污染和安全隐患。在全社会倡导“可持续发展”“循环经济”和“低碳经济”等大背景下，全面贯彻国家绿色发展理念，实现资源节约、能源减量、发展方式可持续的绿色建筑产品供给，追求建造质量和效益的协调、功能和造价的统一以及社会利益和环境利益的最大化，推动施工现场建筑垃圾的源头治理，已成为推进生态文明建设、促进企业转型升级、提升企业形象及文化软实力的亟需。

因此，需要继续践行新发展理念，聚焦解决“卡脖子”问题，促进企业转型升级，推动中国建筑业高质量发展。通过对源头减量、资源化再生及产业化利用、建筑垃圾处置碳排放机理等关键技术开展系统研究，力争在绿色建造关键技术领域取得创新突破，继而凝练形成高效适用、经济合理的施工现场建筑垃圾低碳消纳与内循环利用体系，在实现施工现场建筑垃圾排放减量的同时，有效避免材料过量投入，大幅降低建筑垃圾处置成本，为建筑行业建筑垃圾处置提供重要的理论、实践与技术指导，尽快实现施工现场建筑垃圾的精益管理与科学处置。

Part 06

参考文献

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[2]ＲUMELHAＲT D,MCCLELLAND J. Learning and relearning in Boltzmann machines [M].Parallel distributed processing: explorations in the microstructure of cognition,1986.

[3]王乾坤，胡睿博，任志刚，等．施工现场固体废弃物产生量估算[J].中国环境科学,2019,39(4):1633-1638．