大型体育场馆拆除建筑垃圾零排放技术研究_王猛.pdf

第 53 卷 第 6 期2023 年 3 月下建 筑 结 构Building StructureVol.53 No.6Mar.2023DOI:10.19701/j.jzjg.ZJ220113 第一作者:第一作者:王猛,学士,高级工程师,主要从事大型体育场馆施工工作,Email:13693637969 。通信作者:通信作者:庄宝潼,博士,高级工程师,主要从事机械连接、材料加工研究,Email:zbt115 。大型体育场馆拆除建筑垃圾零排放技术研究王 猛1,李 欣1,庄宝潼2,3,王文婷1(1 北京建工集团有限责任公司,北京 100055;2 河北省土木工程灾变控制与灾害应急重点实验室,廊坊 065201;3 华北科技学院建筑工程学院,廊坊 065201)摘要:对以北京工人体育场为代表的大型体育场馆拆除施工方案进行研究,浅谈了关于我国现阶段体育场馆拆除的方案选型及施工工艺;基于待拆除主体结构各部位混凝土强度与配楼结构形式分析,提出了基于分类处置与再利用的建筑垃圾零排放技术路线,基于砖瓦类垃圾高混杂特性采用了精细化分选功能化利用技术,针对不同强度混凝土类垃圾采用分级处置高值化利用技术,实现分类处置的经济效益最优化;对建筑垃圾分类再利用技术进行了研究,包括砖瓦类再生骨料技术、流态回填材料的技术、再生混凝土制品的产品开发技术、再生道路材料的开发技术等,其中预拌流态固化应用于工体肥槽回填,再生混凝土用于工体预制构件看台板、市政砖等,实现了建筑垃圾循环利用。关键词:建筑垃圾;绿色建筑;海绵城市;零排放;分类再利用 中图分类号:TU746,X799.1 文献标志码:A文章编号:1002-848X(2023)06-0012-06引用本文 王猛,李欣,庄宝潼,等.大型体育场馆拆除建筑垃圾零排放技术研究J.建筑结构,2023,53(6):12-17,11.WANG Meng,LI Xin,ZHUANG Baotong,et al.Research on zero emission technology of demolition construction waste of large stadiumJ.Building Structure,2022,53(6):12-17,11.Research on zero emission technology of demolition construction waste of large stadium WANG Meng1,LI Xin1,ZHUANG Baotong2,3,WANG Wenting1(1 Beijing Construction Engineering Group Co.,Ltd.,Beijing 100055,China;2 Hebei Key Laboratory of Civil Engineering Catastrophe Control and Disaster Emergency Response,Langfang 065201,China;3 Architectural Engineering College,North China Institute of Science and Technology,Langfang 065201,China)Abstract:The demolition construction scheme of large stadium represented by Beijing Workers Stadium was studied.The selection and construction technology of the demolition of stadium in China at the present stage were discussed.Based on the analysis of the concrete strength of each part of main structure to be dismantled and the structure form of annex building,the zero emission technology route of construction waste was proposed based on classified disposal and reuse.Fine separation and functional utilization technology was adopted based on high hybrid characteristics of brick and tile waste.According to concrete garbage of different strengths,the high value utilization technology of classification disposal was used to optimize the economic benefit of classified disposal.The construction waste classification and reuse technologies such as brick and tile recycled aggregate technology,flow backfill material technology,recycled concrete products development technology,recycled road materials development technology were studied.The construction waste recycling was realized by using the pre-mixed flow curing in fertilizer trough backfilling of stadium and using recycled concrete in statium table board of prefabricated components and municipal bricks.Keywords:construction waste;green building;sponge city;zero emission;classification and reuse 0引言 建筑垃圾指人们在从事拆迁、建设、装修等建筑业的生产活动中产生的渣土、废旧混凝土、废旧砖石及其他废弃物的统称。国外对建筑垃圾的定义大致相似,都是指建设、整改、拆除、扩建而形成的废弃物料1,德国将其定义为建造、拆除建筑物时出现的被污染的、较大的废物,日本将其定义为建筑物拆卸时产生的废弃物,并称其为副产物2。据统计,截止到 2020 年,我国每年产生的建筑垃圾总量已超过 15 亿 t,占城市垃圾总量的 30%40%3。随着国家对建筑拆除环境指标的制定,绿色拆除的理念应运而生,即建筑拆除“零排放”,以最大限度减少建筑物拆除整个过程对环境的污染4。第 53 卷 第 6 期王 猛,等.大型体育场馆拆除建筑垃圾零排放技术研究我国建筑垃圾资源化起步较晚,在管理和技术上还存在很多问题,建筑垃圾的资源化率尚不足5%5,在美国、英国、日本等一些发达国家,建筑垃圾的循环利用率大多都在 85%以上,有些国家甚至接近 100%6。国内外已有研究人员在研究建筑垃圾资源化利用,并对节约建筑材料以及建筑全寿命周期内建筑材料的减量和循环利用等内容进行了较为深入的研究。但是,将建筑材料资源循环过程作为一个完整系统进行构建的研究较少7。随着国家经济和发展进入新阶段,一批早期建设的城市核心区标志性建筑物也逐步接近或已经超过设计使用年限,这些建筑建于二十世纪五六十年代,大都未进行过抗震设计或者虽进行了抗震设计,但 不 符 合 现 行 建 筑 抗 震 设 计 规 范(GB 500112010)的要求8;尤其是北上广深等一线城市的大型体育场已经进行了多次加固整修,完成了多次重大体育及文艺盛事。同时钢结构作为主流建筑结构类型之一,建筑用钢量接近总体量的三分之一,现已逐步面临大量拆除9。北京工人体育场(图 1)于 1959 年 8 月正式竣工,被评为 1959 年第一届“北京十大建筑”10;北京工人体育场原设计未考虑抗震设防,结构材料的强度也相对较低,基础为木桩加毛石基础;原北京工人体育场于 1990 年亚运会前进行了全面加固,后来又在 2001 年大运会期间进行过局部结构加固,后作为 2008 年奥运会重要的比赛场馆,再一次加固改造,以满足抗震设计的要求11;考虑其作为已使用超过 60 年的标志性建筑,已经不能满足现代化足球场的需求,需对其进行改造12。图 1 北京工人体育场为保证工期计划,传统拆除方式多为大型机械整体或分批次推平,使得产生的建筑垃圾组分极其复杂,资源化处置与再生利用困难。随着工业化、城市化进程的加速,建筑业也同时快速发展,相伴产生的建筑垃圾日益增多,建筑垃圾的处理与利用已刻不容缓。建筑垃圾按组成成分可分为:渣土、混凝土块、碎石块、砖瓦碎块、废砂浆、泥浆、沥青块、废塑料、废金属、废竹木等。建筑垃圾产量巨大,在世界许多地区,最普遍的做法是回填13。Yazdanbakhsh A14认为使用填埋等传统的处理手段,不仅是对资源的浪费,还使得建筑垃圾对社会自然、人文环境造成严重的危害。大量的建筑垃圾最直观的影响就是需要占用大量的土地,而且其中含有建筑用胶、油漆、塑料等这些有害化学物质的建筑垃圾,如果直接埋入地下,会对土壤、地下水造成严重的污染,甚至危害人们的健康15。本文对以北京工人体育场为代表的大型体育场馆拆除施工方案进行研究16,基于待拆除主体结构各部位混凝土强度与配楼结构形式的分析,提出了基于分类处置与再利用的建筑垃圾零排放技术路线,基于砖瓦类垃圾高混杂的特性采用了精细化分选功能化利用技术,针对不同强度混凝土类垃圾采用了分级处置高值化利用技术,实现分类处置的经济效益最优化。图 2 爆破拆除体育场1拆除大型体育场的可靠技术方案及施工1.1 拆除方案的确定 (1)爆破拆除施工利用爆破技术,只破坏关键的承重结构,让建筑可控制地倒塌,在重力的作用下尽可能地破碎成小块儿,如图 2 所示。拆除前,应对爆破对象进行勘测,对爆区影响范围内地上、地下建筑物、构筑物、管线等进行核实确认。爆破拆除可以降低建筑物高度,工期进程快,但需要严格繁琐的审批手续,周期长、扬尘大,同时还要考虑爆破引起的振动危害17。此方案适用于临近郊区的高大建筑物拆除,当周圈是商业综合体及附属居民楼时,会产生一定的影响,尤其是在一线城市。(2)静力拆除施工31建 筑 结 构2023 年静力拆除主要是通过一些专业设备(例如液压墙锯机、电动绳锯机、水钻或者马路切割机等)对混凝土构件、墙体、路面等进行切割的施工技术,它具有切割能力强、静力无损、对结构无影响、效率高、采用水冷却、无施工粉尘等特点18,但吊卸作业多、工期长、造价高。对建筑物、构筑物的整体拆除或承重构件拆除,均不得采用静力破碎的方法拆除,此方案适合局部拆除的建筑物,例如天津市某高层框架结构、密肋楼板结构写字楼外立面改造项目,将由斜梁、水平次梁、面板组成的局部斜坡面通过静力拆除后改造为阶梯面19。(3)机械拆除施工机械拆除顾名思义就是使用机械设备进行的拆除,原理是利用拆除机械对建筑物做功,破坏建筑物的结构体系,以实现对建筑物的拆除20;机械拆除中使用的机械设备应符合施工组织设计要求,严禁超载作业或任意扩大使用范围。供机械设备停放、作业的场地应具有足够的承载力。施工中机械作业多、施工人员少、工期快、造价低,但施工过程中需采取洒水降尘等措施,安全文明施工需重点加强。此方案在房屋拆除领域得到了广泛地应用,尤其是在一些繁华的闹市区。考虑到北京工人体育场位于市中心繁华地段,周围不仅有大型商业综合体,同时有多个居民小区。因此在拆除施工中既要充分考虑防尘降噪,保证周围商业综合体及附近生活区的日常秩序,又要满足施工期限要求以及拆除社会影响力等要求。综合考虑工期要求,拆除工序复杂程度,且破碎、分拣、消纳均需要一定周期,采用机械拆除施工,在保证周边商业、居民正常有序的前提下,采用隔音屏与中水降尘的方式配合机械拆除进行施工。1.2 建筑拆除主要施工机械设备 (1)液压剪普通液压剪(图 3)为国内大型、先进的拆除机械设备,最适合在医院、学校、居民集中及对噪音要求严格的区域拆除施工,作业时操作灵活、易于操作,其前部剪头装置犹如一把剪刀,在任何角度,利用前部反转装置可自由转动剪头开口方向,均可把砖墙、混凝土及钢筋剪断拆除,不留任何大块混凝土及墙体。在剪口后端镶有 200mm 长的刀口,可直接切断钢筋和钢板。拆除操作中的安全、快捷、高效等多项优点,避免了建筑拆除时人工拆除的危险性及保证拆除的可操作性。(2)液压破碎锤液压破碎锤的动力来源是挖掘机、装载机或泵图 3 液压剪站提供的压力,它能在工程施工中能更有效地破碎石块和岩石,提高工作效率。选用液压破碎锤的原则是根据挖掘机型号、作业的环境来选择最适合的液压破碎锤。本工程中主要用于二次翻倒、破碎。(3)汽车吊本工程钢结构构件较多,单构件钢结构重量可达 18t,因此在钢结构拆除过程中需使用 300t 双汽车吊共同吊装。采用非常规起重设备,危险性较大且单件起吊重量在 10t 及以上的起重吊装工程,需进行专家论证。2针对大型体育场馆分类拆除场景的建筑垃圾零排放技术路线 对待拆除主体结构各部位混凝土强度与配楼结构形式进行分析,利用多项建筑垃圾资源化处置技术,提出基于建筑垃圾零排放的分类处置与再利用技术路线,如图 4 所示。针对主体结构内大体积的砖砌体部分,对其产出的砖瓦类低含杂垃圾进行粗分选处置;以满足工期计划和经济性为前提,对框架结构、剪力墙结构等小规模配楼产出的砖瓦类高混杂垃圾进行精分选处置;钢材、玻璃、塑料等其他分类拆除可回收物纳入既有资源化回收体系。通过构建多维度的建筑垃圾分类资源化处置模式,为实现建筑垃圾零排放奠定基础。2.1 砖瓦类垃圾精细化分选功能化利用技术 针对场馆主体结构及配楼短期大量集中产出且成分复杂的砖瓦类建筑垃圾,采用原料适应性强、处置能力大、资源化水平高、产品含杂率低的建筑垃圾原位处置成套技术,通过既有综合处置设施进行异位处置。应用主体结构砖砌体低含杂垃圾与配楼高混杂垃圾分质分流生产模式,以低含杂垃圾粗分选与高混杂垃圾精分选的差异化处置,实现41第 53 卷 第 6 期王 猛,等.大型体育场馆拆除建筑垃圾零排放技术研究图 4 北京工人体育场分类拆除路线图经济效益的最优化。2.2 混凝土类垃圾分级处置高值化利用技术 基于主体结构产生混凝土类建筑垃圾成分较为单一、杂物含量较少的特征,采用机动灵活、安装达产迅速、处置成本低、占地面积小、场地适应性强的模块化处置技术,通过模块化成套装备进行现场和异位处置,部分低强度混凝土实现了现场快速制备再生骨料并直接用于临时道路和场地填垫,其余部分通过异位分类分时处置,实现了高、低强度再生骨料的分批制备与高值化利用。建筑垃圾先经过一级破碎处理,主要设备一般为颚式破碎机,破碎后进入一级筛分阶段,此阶段主要是分离还原土,并得到 040mm 的建筑垃圾颗粒;进入人工分选平台,挑选出轻质物和其他一些生活杂物,送入磁选机初步处理,除去铁质物,然后进行二次破碎和二次磁选机处理,再进行二级筛分,分离出大于 25mm 的建筑垃圾颗粒;小于 25mm的再生骨料进行三级筛分得到 0 5mm 的再生骨料,剩余再生骨料进行风力分选和四级筛分可分别得到 510mm 和 1025mm 的再生骨料;在二级筛分后的大于 25mm 的建筑垃圾颗粒经过风力分选、磁选机和三级筛分后得到大于 25mm 的再生骨料,筛选流程如图 5 所示。3面向大型体育场馆建设需求的建筑垃圾分类再利用技术研究 对上述资源化处置生产的混凝土类、砖瓦类、混杂类再生骨料及冗余土等开展性能分析,探究了再生骨料的强度和吸水率等性能演化规律与冗余土特性,并基于大型体育场馆建设需求,分层次开展多类别再生产品的再利用技术研究,实现基于各类别再生材料特点的高附加值再利用。3.1 砖瓦类再生骨料作为功能性材料的研究与利用 从砖瓦类再生骨料孔隙率高、比表面积大等特图 5 建筑垃圾分类筛选流程示意图征入手,利用其与火山岩性能相近的特点,采用多种技术手段分析研究了其在水环境中对有害物质的过滤效果和微生物负载水平,进行了砖瓦类再生骨料作为净水滤料的再利用。经资源化处置后的建筑垃圾会生产各种粒径的再生产品。在大量试验研究的基础上,发展出多种应用途径,如:级配再生骨料、再生道路无机混合料、再生水泥制品等。再生产品相较于天然砂石,具有性能相当、成本低等优势,而且响应目前国内的环境保护、资源循环利用等政策。(1)级配再生骨料资源化处置后再生产品杂质和有机质含量低,稳定性好,具有较好的力学性能,承载力能达到160kPa,经试验与市场检验说明,级配再生骨料的回填效果明显优于天然素土,可以用于地基或者路基处理,如图 6 所示。(2)再生道路无机混合料资源化处置产品主要用于生产再生道路材料,包括水泥稳定再生无机混合料及石灰粉煤灰稳定再生无机混合料等,工艺流程如图 7 所示。再生道路材料具有优良的力学性能、板结性、水稳定性和抗冻性能。产品可用于城镇道路路面的底基层以及次干路(二级公路)、支路及以下道路的路面基层。51建 筑 结 构2023 年图 6 级配再生骨料应用图 7 再生道路无机混合料生产线工艺流程3.2 流态回填材料的技术研究与利用 通过对大型体育场馆拆除产生建筑垃圾中筛除的冗余土特性研究,完成了针对性的固化剂研发及专用搅拌装备的优化改造,实现了多规格流态回填材料的规模化制备,开展了以流态回填材料替代二八灰土的应用技术研究,并结合该再生产品特点,进行了流态回填材料与桩锚体系复合受力分析,为后续类似项目的实施积累了实践经验。预拌流态固化土是以拆除的建筑垃圾还原土(冗余土)和再生细骨料为原材料加工形成的新型生态环保材料。预拌流态固化土早期强度高、固化时间短、工期快,24h 即可达到下一步施工强度;且具有极强的流动性和自密性,可用天泵或地泵直接进行浇筑,可将狭窄空间和异形结构的所有空隙填满,不用采用大型夯实和碾压设备。在北京工人体育场项目中广泛应用于肥槽回填,如图 8所示,做到自产建筑垃圾,自行消化,符合绿色建筑理念。3.3 再生混凝土制品的产品开发及生产技术研究 以建筑垃圾再生骨料为原料生产的再生水泥制品如再生步道砖可用于人行道、广场铺设,再生实心砖可用于非承重墙体填充、砌筑和装饰,再生混凝土空心砌块(图 9)可用于非承重墙体、围墙、基础砖胎膜等部位,还可以外运销售至其他市政工程中。建筑垃圾的就地处理、就地转化和就地利用,不仅实现了建筑垃圾的资源化利用,还减少了建筑垃圾外运所产生的二次污染,大大地节约了运输成本。图 8 预拌流态固化土应用于肥槽回填图 9 再生混凝土空心砌块海绵城市,是新一代城市雨洪管理概念,是指城市能够像海绵一样,在适应环境变化和应对雨水带来的自然灾害等方面具有良好的弹性。下雨时吸水、蓄水、渗水、净水,需要时将蓄存的水释放并加以利用,实现雨水在城市中自由迁移。海绵城市的实现首先需要对材料进行实质性的更新,采用表现优秀的渗水、抗压、耐磨、防滑以及环保美观多彩、舒适易维护和吸音减噪等特点的材料。北京工人体育场项目自产的建筑垃圾通过“两级破碎+多级筛分+振动风选+磁选”的工艺流程,再生成的骨料杂质含量低、粒形规则、针片状含量低、吸水能力和蓄水能力强,是构建海绵城市原材料的61第 53 卷 第 6 期王 猛,等.大型体育场馆拆除建筑垃圾零排放技术研究不二之选。改造后的北京工人体育场项目充分利用其特性,制作成预制构件,主要体现为预制看台板(图 10)和市政砖(图 11),符合海绵城市的建设理念。图 10 再生混凝土用于预制构件看台板图 11 再生混凝土砖3.4 再生道路材料的开发及生产应用 基于对混凝土砖瓦混杂类再生骨料与冗余土的性能分析,突破其压碎值高、吸水率大等再利用难点,进行了此类再生骨料制备再生道路材料及其生产应用技术研究,并开展了多路段的再利用示范与评价,图 12 为改造后的北京工人体育场再生道路的具体应用。图 12 再生道路无机混合料应用再生道路无机混合料流程:1)再生骨料分为05mm、5 10mm、10 25mm、25 31.5mm 四种粒径规格,将四种骨料和粉煤灰分别经装载机运至相对应的骨料仓和粉煤灰仓堆存;骨料和粉煤灰经过定量给料机给入相应带式输送机转运至搅拌机,同时散装的水泥或石灰经螺旋输送机运至中间存储仓存储,经调速定量给料机给入搅拌机中。2)搅拌机中按照计量添加生产用水,四种骨料、散装水泥或石灰等原料在搅拌机中充分搅拌混合均匀后产品经带式输送机运至拌合料仓存储,可直接装车运出。4结论 (1)基于砖瓦类垃圾高混杂特性采用了精细化分选功能化利用技术,针对不同强度混凝土类垃圾采用了分级处置高值化利用技术,实现了分类处置的经济效益最优化。(2)对建筑垃圾分类再利用技术研究,分别介绍了砖瓦类再生骨料技术、流态回填材料的技术、再生混凝土制品的产品开发技术、再生道路材料的开发技术等。(3)流态固化土应用于工体肥槽回填,再生混凝土用于工体预制构件看台板、市政砖等,实现了建筑垃圾循环利用。参考文献 1 方帅,邹桂莲,王华新,等.国外建筑垃圾资源再利用调查与启示J.公路工程,2017,42(5):154-158,167.2 高强,李翰弘,孙飞,等.建筑垃圾的研究应用与发展状况J.四川建材,2021,47(10):32-34.3 杨静,刘燕丽.我国城市建筑垃圾资源化现状及对策研究J.中小企业管理与科技(中旬刊),2021(2):95-97.4 杨婷婷.城市建筑绿色拆除管理与研究J.山西建筑,2012,38(25):237-239.5 柯永建.中国 PPP 项目风险公平分担D.北京:清华大学,2010.6 周学胜,张树友,尚德磊.科学构架建筑垃圾全链条闭合管理体系 北京市建筑垃圾治理经验介绍J.城市管理与科技,2018,20(5):44-47.7 任韬.建筑拆除中建筑材料资源可持续利用技术策略研究D.西安:西安建筑科技大学,2015.8 王亚勇.奥运场馆加固改造关键技术研究成果简介J.四川建筑科学研究,2007,33(S1):153-160.9 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