装配式生态卫生间模块拆解设计及再利用研究_张娟.pdf

绿色低碳建筑技术DOI:10 13719/j cnki 1009 6825 202315004装配式生态卫生间模块拆解设计及再利用研究收稿日期:2022 12 12基金项目:住房和城乡建设部 2021 年科学技术项目计划(项目批号:2021 K 159);国家自然科学基金青年基金项目(项目批号:51608008);北方工业大学“毓优人才培养计划”资助项目(项目批准号:107051360021XN083/035)作者简介:张娟(1979 )，女，博士，副教授，从事建筑材料资源保护与可持续设计研究;张勃(1970 )，男，教授，从事智能建造背景下建筑可持续设计研究;牟子怡(1996 )，女，在读硕士，从事装配式建筑材料可循环利用设计研究;姜培欣(1990 )，女，助理工程师，从事装配式建筑关键节点设计研究*通信作者:罗丹(1980 )，男，硕士，高级工程师，从事装配式建筑设计研究张娟1，罗丹2*，张勃1，牟子怡1，姜培欣2(1 北方工业大学建筑与艺术学院，北京100144;2 中国电子工程设计院有限公司，北京100142)摘要:在建设资源节约型社会理念指导下，根据目前我国装配式建筑设计仍存在标准化程度较低，项目之间部品构件通用性不足，材料再利用率极低的现状，以提高材料直接再利用率为目标，结合数字化设计模拟及项目实践，以无水智能生物降解马桶应用为背景，探讨基于可拆解再利用的装配卫生间模块部品构件通用化设计，及其在典型应急类和日常类场景中可循环利用模式。最大努力减少资源耗费，践行智慧城市“绿色协调”发展建设理念。关键词:装配式卫生间模块;生物降解马桶;部品构件;可循环利用模式中图分类号:TU201 5文献标识码:A文章编号:1009 6825(2023)15 0014 050引言我国正在大力推广装配式建筑应用，并在“十四五”建筑业发展规划 中明确提出:到 2025 年，装配式建筑占新建建筑的比例达 30%以上;新建建筑施工现场建筑垃圾排放量控制在每万平方米 300 t 以下。但另一方面，装配式建筑设计仍存在标准化程度较低、项目之间部品构件通用性不足、材料再利用率极低的现状1 3。为此，本文以无水智能生物降解马桶应用为背景，以提高材料直接再利用率为目标，以使用周期短、材料再利用问题尤为严重。1应用生物降解马桶的装配式卫生间生态性特征目前，由光大生态技术有限公司研发的生物降解马桶主要有 3 种:无水智能生物降解马桶、干湿分离式生物降解马桶、节水型负压马桶。本文以最新产品“无水智能生物降解马桶”应用为例，其工作原理是在 20 60 的使用环境温度下，利用智能控制系统和生物菌群，经过 3 h 5 h 将马桶内的排泄物全部分解为水、二氧化碳。实现免水冲、无排污管、无臭味、无污染、无需清掏。3 人 5 人使用情况下，半年至一年添加一次生物菌即可。每台生物降解马桶一年可节水约 40 t，减少碳排放约 36 kg。结合两者的技术优势，基于生物降解马桶技术的装配式卫生间模块在节水、节材、低碳、低成本方面更具优势，主要体现为:1)易于拆解、移动及重组再用;2)因地制宜，增强不同营建场景中环境适应性及使用灵活度;3)无污水排放，减少城市水体污染源，更有效阻断疾病交叉传染4 5。2可拆解再利用的装配式生态卫生间模块部品构件通用化设计21模块单元体结构体系及选材卫生间模块单元体由框架系统、外围护系统、内装饰系统、洁具部品系统组成。框架系统采用 80 mm 80 mm 4 mm 方钢管轻钢龙骨作为柱、梁构件材料;外围护系统、内装饰系统主要选用防腐、隔热的预制轻质板材，主要以龙骨、螺栓连接固定方式安装于框架系统;洁具部品系统选用相应成品，其尺寸模数与墙体相统一，通过可增减功能模块的灵活组构设计，满足不同使用需求。各系统相对独立并遵循一定模数，由工厂进行预制加工，现场组装。利于建筑全生命周期内部品构件的可更换、可维修及可拆解再利用6 8。22基本模块单元体尺寸通用化设计基于相关建筑设计规范及普通运货车运载尺寸要求，结合无水智能生物降解马桶产品尺寸(长 宽 高:780 mm 480 mm 630 mm)及使用特征，形成通用型卫生间和无障碍卫生间模块单元体尺寸设计。同时，可满足应急类及典型日常类建筑空间使用。具体如下:1)男女通用型卫生间模块。男女通用型卫生间模块设计中，平面外轮廓尺寸为 1 400 mm 1 400 mm，高为2 450 mm;门宽为 740 mm，门高为 2 000 mm。无水智能生物降解马桶居中布置。模块单元体左右两侧的顶部及41第 49 卷 第 15 期2 0 2 3 年 8 月山西建筑SHANXIACHITECTUEVol 49 No 15Aug2023门底部均设置有通风百叶;在模块单元体背立面马桶相应位置(距地面高约 550 mm)处预留有排风管孔(见图1，图 2)。图 1男女通用型卫生间模块平面示意图1 4005208305050 设备排风管（选用成品）管径中心线标高+0.39 m光大生态卫生间设备居中安装选用成品650650502807401 4002805050501 3001 400单位：mm（a）正立面（b）背立面（c）侧立面图 2通用型生态卫生间模块示意图200702221 710200502002 200502 4501 400 7402802805050502 2002002 4501 400 83052050502 2002002 450502 1602402 450广告位展板侧通风百叶1 400单位：mm2)无障碍卫生间模块。无障碍卫生间模块设计中，在满足无障碍设计要求前提下，平面外轮廓尺寸为2 800 mm 2 100 mm，高为 2 450 mm;门宽为 900 mm，门高为 2 000 mm。马桶非居中布置，并在其一侧增设安全扶手及护理台。同样，在模块单元体相应位置有通风百叶和预留排风管孔设计(见图 3，图 4)。图 3无障碍生态卫生间模块平面示意图如厕区1 7006506502 100920830350 50 设备排风管（选用成品）管径中心线标高+0.39 m光大生态卫生间设备选用成品护理台502 700502 8002 1005050550550900单位：mm23部品构件通用化设计基于如上两种基本模块单元体尺寸和模数，采用多个小尺寸构件组构连接替代较大尺寸构件方式，最少化部品构件类型，并提高其在不同项目中通用性。如表 1所示，根据通用性设计原则选出:男女通用型卫生间模块中 3 种典型墙板类型尺寸均为 1 400 mm 2 450 mm 50 mm(宽 高 厚);无障碍卫生间模块中纯墙板和门洞型墙板两种典型墙板类型尺寸为2 100 mm 2 450 mm 50 mm(宽 高 厚)，而 对 于 尺 寸 为 2 800 mm 2 450 mm 50 mm 百叶窗型墙板的宽度较大，为提高其通用性，将采用 2 个 1 400 mm 2 450 mm 50 mm 板材构件组合方式进行替代设计。（b）背立面（c）侧立面（a）正立面图 4无障碍生态卫生间模块示意图200702221 710200502002 200502 4502 1009005505505050502 2002002 4502 10083087050350502 2002002 450502 1602402 450广告位展板侧通风百叶2 8002 7005050单位：mm表 1两种基本卫生间模块墙体构件类型列表男女通用型生态卫生间模块构件类型纯墙板门洞型墙板百叶窗型墙板示意图构件尺寸/mm1 400 2 450 50通用性选择无障碍生态卫生间模块构件类型纯墙板门洞型墙板百叶窗型墙板示意图构件尺寸/mm2 100 2 450 502 800 2 450 50通用性选择同时，将墙体面板、龙骨等主要部品构件按模数预制孔位，满足纵横向部品构件之间的连接加固。24连接节点可拆解设计研究中，主要采用凹凸插扣式和螺栓连接方式，实现部品构件之间的无损、可独立拆卸式节点连接。为装配式生态卫生间模块使用中局部改造、替换，或使用后再利用于其他建筑提供可行性。1)围护结构连接节点。两种围护结构节点连接方式如图 5 所示。其一，将墙板侧边设置滑动内凹槽，与设置有凸出插扣件的丁字形固定柱相组装;其二，将墙板侧边设置挂钩槽，与设置有相应挂钩件的丁字形固定柱相组装。同时，可在墙板外侧预留安装孔，用于悬挂 LED 广告屏等定制化产品。2)底座结构连接节点。如图 6 所示，将底座四周边框外侧的四角处，采用膨胀螺栓连接方式形成整体连接固定;并在底座边框上沿四周设置龙骨，用于与其上方围51第 49 卷 第 15 期2 0 2 3 年 8 月张娟，等:装配式生态卫生间模块拆解设计及再利用研究护结构相连接固定。图 5围护结构墙体构件连接示意图侧墙广告板为外侧悬挂，预留安装孔方法一：采用中心丁字形固定柱和滑动凹槽滑动组装方法二：采用中心丁字形固定柱和挂钩槽快速挂装图 6底盘结构构件组成及连接示意图设置于底盘边框上方的龙骨用以连接围护结构底盘边框设置于整体底盘的四周预设卡扣连接25可适性调节设计本研究主要通过屋顶、围护结构、底座结构的可调节设计，满足装配式生态卫生间模块在不同应用场景中的可变通性应用。1)屋顶结构设计。如图 7 所示，在太阳能采光板下方设置由折叠式支撑金属杆连接组成的可折叠伸缩装置，满足太阳能采光板的定向自由调节及通风需求，且丰富立面设计;屋顶通风百叶模块两侧顶边分别设置插扣式连接装置，与太阳能采光板相连接，并在通风百叶模块前后顶边及太阳能采光板相应位置安装凹凸插扣槽，作为辅助连接结构。图 7屋顶结构可调节设计示意图屋顶采用可折叠太阳能采光板两侧顶边设置插扣连接装置通风百叶前后顶边设置凹凸插扣槽装置2)围护结构可调节设计。如图 8 所示，通过墙面龙骨连接方式形成小尺寸通用性墙板构件多种组合，以满足不同墙体尺寸或不同门窗开设形式需要。在连接龙骨和组合墙板下方可嵌入底边龙骨支撑构件。3)底座结构可调节设计。如图9 所示，通过采用底部螺旋基础设计，或是将底座结构与多螺栓孔可调节支撑柱搭配，可调整四角相对于地面的距离，以满足应急类和日常类场景中不平整地面等不同地势及环境条件使用。3装配式生态卫生间模块可循环利用模式及应用31可循环利用模式根据生态卫生间模块作为可再利用建筑材料的方式图 8墙板连接组构设计示意图墙板通过墙面连接龙骨固定根据实际尺寸需求组合面板墙板下方落于底边龙骨支撑部图 9底座支撑柱可调节设计示意图底座螺旋基础多螺栓孔可调节支撑柱不同，其循环利用模式主要分为 3 种:1)模块单元整体再利用。根据使用功能及空间需要，以模块单元单体、多个模块单元组合、模块单元体与其他建筑结构体相连接或置入已有建筑空间等直接再利用模式。2)保留结构框架+围护系统可变通设计再利用。保留卫生间模块钢结构框架基础上，通过增减外围护系统部品构件方式，应对不同场地环境及气候条件下营造使用。3)部品构件拆解再利用。将拆解后部品构件以重组或置入方式，直接再利用于其他装配式建筑、特定结构体系及功能类型建筑、市政景观设施等。32典型场景应用基于以上 3 种典型可循环利用模式，装配式生态卫生间模块主要应用于新建或改扩建应急类和日常类使用场景。1)应急类场景应用。采用数量不等的模块单元体应用或循环利用于传染类应急医疗建筑、灾后救助等非传染类应急医疗建筑、居住安置类临时用房等应急场景。并可结合围护墙板或门窗部品构件的拆解、替换、重构等可变通性设计，应对不同自然通风、采光、空间开敞度等建筑环境要求。此外，可将模块单元体置入已有观演类等大空间建筑，作为一种快速、经济的应急设施补充方式。2)日常类场景应用。其一，采用结合可变通性设计的模块单元体应用或循环利用于文娱空间、交通空间、居住空间等日常场景。如:庙会等临时性聚集活动场所、户外场地分布零散型体育场馆(冬奥会场馆)、校园户外活动区及校园门卫区等文娱类空间;公交站点人流量较大61第 49 卷 第 15 期2 0 2 3 年 8 月山西建筑的交通空间;城市中老城区居住厕所入户改造、农村地区“厕所革命”、建筑工地宿舍等居住类空间。其二，将拆解后典型部品构件，以建筑结构体、非承重构件、装饰元素等形式，适应性再利用于新建或改扩建办公、居住等日常建筑场景9 11。33设计模拟1)非传染类应急医疗建筑应用 海安市体育中心改造设计。原体育中心建筑位于长江下游黄海中强地震活动区。改造为应急避难场所设计中，首先将原建筑 A区体育中心改造为“城市级应急功能”，B 区规划待建的体育公园建设为避难功能场所，C 区职教园区改造为“应急篷宿区”。由此，将多个通用型生态卫生间模块组合设施分别设置于 A，C 区，通用型+无障碍卫生间模块组合设施分别设置于 A，B 区(见图 10)。并可根据实际使用需求进行模块数量增减、移动及重组。快速有效地解决应急类建筑中卫生间用水及排污问题。图 10生态卫生间模块在应急避难所改造中置入式设计分布图男女通用型卫生间模块组合男女通用型和无障碍卫生间模块组合A 区B 区C 区9 6001 6001 6002 4001 6008 8003 200室内宿住区室内宿住区应急医疗卫生帐篷 216 顶特定人群宿住帐篷 281 顶单位：mm2)交通空间应用 公交站配套设施设计。为解决人流量较大的公交站点、枢纽站等交通空间卫生间设施不足问题，尝试将生态卫生间模块与等候长椅、站台信息屏、广告牌等配套设施相组合设计。如图 11 所示，根据实地条件及使用需求，可选择 2 个通用型卫生间模块、2 个通用型+1 个无障碍卫生间模块、1 个无障碍卫生间模块等多种适应性组合模式。3)居住空间应用 兰考地区传统院落“厕所革命”实践。冲水式马桶的使用为部分农村地区实现“厕所革命”的同时，也带来水资源浪费、地下水污染、清掏成本增加等问题。为此，本项目研究组已在兰考地区投入使用 2 000 个 3 000 个入户式无水智能生物降解马桶，以及设计建成 3 个生态卫生间模块，以置入方式应用于传统院落。4结语本文在讨论当前热点话题预制装配式建筑设计中，探寻和提出一种在设计之初即以提高部品构件再利用率为目标的可拆解、通用性设计模式，解决建筑拆解后材料资源回收再利用问题。具体研究中，以无水智能生物降解马桶应用为背景，结合预制装配式建筑优点，主要以卫生间模块及（a）生态卫生间模块与公交站设施结合设计模拟示意图（b）模块单元典型平面组合示意图图 11生态卫生间模块与公交站设施结合设计模拟及模块单元典型平面组合示意图LED 显示屏遮阳棚2 个卫生间模块组合广告牌休息座椅aaaabb2 8001 4001 4001 4002 1002 8001 4001 4001 4002 8002 100a通用型卫生间模块；b无障碍卫生间模块。单位：mm其部品构件尺寸、形态通用性设计，提高材料资源在典型建筑场景中的应用可适性;通过连接节点可拆解设计，为卫生间模块拆解及其部品构件循环利用提供技术条件。特别地，以更为生态方式满足缺水、无生活污水管网的生活区域、日常临建设施、应急类建筑等使用场景需求，为建筑业长期以来的资源材料浪费问题提出一种可行性解决方案。参考文献:1 王涛，吴平，秦晓梅，等 方舱医院污水收集处理系统现状及对策分析J 给水排水，2020，46(5):22 26 2 庄善相，陈戎 可快速拆装改造的装配式技术体系在医院平疫结合建设中的应用 J 中国医院建筑与装备，2021，22(5):24 26 3 刘书伶，黄春华，王奕文，等 重大疫情下应急装配式模块化医院的设计与思考 J 山西建筑，2022，48(8):19 22 4 刘洪娥，刘美霞 装配式卫生间发展瓶颈和对策研究 J 住宅产业，2021(6):55 58 5 刘长安，宋开鹏，高晓明 基于超级利用理念的可持续建筑设计应用解析 J 山东建筑大学学报，2019(2):10 16，21 6 郝赤彪，铁瑛 建筑拆解与建筑资源再利用 J 工业建筑，2012(12):13 16，52 7 李久太 可持续性视角下模块化策略在建筑设计中的应用 J 建筑技艺，2016(2):116 118 8 荆可歆 建筑拆解及材料再利用技术的研究J 中国建材科技，2016(2):12 13 9 张琨 火神山医院、雷神山医院建设纪实 M 北京:中国建筑工业出版社，2020(下转第 21 页)71第 49 卷 第 15 期2 0 2 3 年 8 月张娟，等:装配式生态卫生间模块拆解设计及再利用研究4结语文章通过探索郴州碳排放主要来源，在新一轮的国土空间规划中，强化碳达峰、碳中和战略目标，从碳减排、碳增汇、碳管控角度着手，提出相应的规划策略，为郴州低碳国土空间规划助力。低碳郴州建设应重点加强矿业绿色转型发展，推动绿色矿山建设;持续推进产业转型升级，淘汰落后产能、落后工艺、落后产品，全面优化能源结构，大力发展绿色清洁能源，在国土空间规划的编制审批、实施监督、检测预警与修改调整加强碳管控。“双碳”目标作为国家的重大战略决策，是一项长期、系统而复杂的工程，任重而道远，需要各行各业齐心协力、齐头并进。国土空间是碳汇和碳源的空间载体，应借助低碳国土空间规划，构建低碳国土空间格局，推动实现“双碳”目标。参考文献:1 崔金丽，朱德宝“双碳”目标下的国土空间规划施策:逻辑关系与实现路径J 规划师，2021，38(1):5 11 2 李春慧，胡林，王晓宁，等 基于“双碳”目标的城乡规划策略 J 规划师，2022，38(1):12 16 3 邱恂 城市老社区的可持续更新改造探讨J 城市建筑，2021(35):40 43 4 杨解君，方路锦 面向碳中和的行政法治保障 J 南京工业大学学报(社会科学版)，2021(5):1 16 5 林坚，赵晔“双碳”目标下的国土空间规划及用途管控 J 科技导报，2021，40(6):12 19Exploration of low-carbon national space planningin Chenzhou under the goal of“carbon peaking and carbon neutrality”Duan Limei(Chenzhou Planning Survey Design and esearch Institute Co，Ltd，Chenzhou Hunan 423000，China)Abstract:“Carbon peaking and carbon neutrality”goals is an important strategy to lead our country to achieve sustainable de-velopment in the future，national space is the active carrier and important carbon source of all carbon sinks，exploring low carbonnational space planning，building a low-carbon national spatial pattern，build a low-carbon city，it is an important way to achievethe goal of“Carbon peaking and carbon neutrality”。This paper analyzes the carbon emission data of Chenzhou city over theyears，analyzing the main sources of urban carbon emissions，take Chenzhou City s territorial space planning as an opportunity，fully integrate the concept of low-carbon land and space planning，explore the construction of low-carbon Chenzhou，propose cor-responding planning strategies from the perspectives of carbon emission reduction，carbon sink enhancement and carbon con-trol，to form a low-carbon national space planning implementation path in line with the reality of ChenzhouKey words:carbon peaking and carbon neutrality;carbon emission reduction;carbon sink enhancement;carbon control;na-tional space planning(上接第 17 页)10 中国建筑工业出版社 装配式建筑标准汇编 M 北京:中国建筑工业出版社，2017 11 刘云鹤 基于建筑拆解设计的建筑工业化体系研究 D 济南:山东建筑大学，2016Study on disassembly design and recycling of assembly ecological toilet modulZhang Juan1，Luo Dan2*，Zhang Bo1，Mu Ziyi1，Jiang Peixin2(1 College of Architecture and Art，North China University of Technology，Beijing 100144，China;2 China Electronics Engineering Design Institute Co，Ltd，Beijing 100142，China)Abstract:Under the guidance of the concept of resource-saving society in construction，there are still some problems in the de-sign of assembled building in China，such as low standardization degree，insufficient component commonality among differentprojects and extremely low material reuse rate In this paper，in order to improve the utilization rate of materials directly as thegoal，based on digital design simulation and project practice，biodegradation toilet with anhydrous intelligence application asthe background，study on dismantling recycled toilet module assembly of product components are generalized design method，and the typical emergency and daily class can be recycled in the scene mode With a view to minimizing resource consumptionand practicing the concept of“green and coordinated”development and construction of smart citiesKey words:prefabricated toilet module;biodegradable toilet;universal design of components;recyclable mode12第 49 卷 第 15 期2 0 2 3 年 8 月段利梅:“双碳”目标下郴州市低碳国土空间规划探索