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建模设计信息，以评估预制和预制设计解决方案，减少高层住宅建筑的建筑垃圾
A.N. Baldwin a[1],, L.Y. Shen b,1, C.S. Poon c,2, S.A. Austin d,3, I. Wong e,4
a香港红磡香港理工大学建筑及土地用途学院；
b香港红磡香港理工大学建筑及房地产系；
c香港红磡香港理工大学土木及结构工程系；
d英国拉夫堡大学土木与建筑工程系；
e香港红磡香港理工大学建筑及房地产系；
收纳于2007年5月11日
摘要：本文描述了在寻求减少高层住宅建筑中的建筑垃圾时，设计过程中的建模信息流如何用于评估设计解决方案。对实践设计师的调查确定了一些减少建筑垃圾的可能方法。最有利的解决方案基于预铸和预制。使用信息建模技术审查其中三个解决方案，可以看出适应不同设计解决方案所需的设计过程中的变化。该方法为审查设计决策对设计过程的影响提供了有效的基础。要减少建筑垃圾，需要了解决策对产生的废物水平的影响，充分了解整个“废物链”的影响，考虑生命周期影响，生命周期成本和设计的影响对整个施工过程的决定。需要额外的工具和技术才能完全满足设计人员的需求。
copy;2007 Elsevier B.V.保留所有权利。
关键词：建模; 设计管理; 设计工具; 建设环境
1.简介
建筑业是主要的废料生产活动。例如，英国每年产生超过4.35亿吨废物[1]。其中，大约17％，相当于7000万吨，由建筑和拆除行业产生。在香港，建筑垃圾也存在类似的环境问题。香港建筑业每天产生大量建筑及拆卸废物37,690公吨（2000年数字）。在这些废物中，约80％目前被运往公共填土区进行填海，其余20％在垃圾填埋场和公共填土区进行处理[2]。垃圾填埋场的可用性正在迅速减少，最近已引入垃圾填埋场，以鼓励工业减少施工过程中产生的废料的产生。
建筑业检讨委员会的卓越建筑报告[3]建议在施工过程中尽量减少施工废料，即在整个设计过程中应考虑减少建筑废料。如果要实现这一目标，我们的研究探索了设计师的需求。该研究的重点是高层住宅建筑。这些类型的建筑物被认为是因为它们对香港等城市居民的住房具有重要意义。这些建筑类型的特点是基于混凝土结构的标准化建筑设计。地板布局是重复的，新建和谐大楼的建筑细节和服务是标准化的。建筑平面图，剖面图和立面图在适当的位置进行了相似的标准化，以最大限度地减少设计要求[4]。
之前的研究表明，这些建筑物中的物理废物的主要原因是“制备和处理不当，材料滥用和材料加工不正确”。[5]本文介绍了在评估旨在减少浪费的不同设计方案时，通过分析设计过程扩展以前工作的研究。选择用于研究的这些选项（预制和预制设计）通过与实践设计师的访谈确定为减少废物的优先领域，并通过对建筑师和承包商的更广泛调查得到确认。
为了评估不同设计决策的影响，采用了信息建模方法，以便可以从设计过程中必要变更的角度考虑这些单独或组合的决策，以确保设计过程的优化和及时生产和发布设计信息。（错误或迟到信息的问题是建设阶段补救工作的常见原因。）可以得出结论，建模设计师的信息需求可以帮助设计团队检查减少建筑垃圾的机会，但是其他新的工具和技术是需要使这更有效。
2.方法
通过文献综述和案例研究回顾了目前高层住宅建筑的设计和施工过程。以前的研究是为了找出建筑垃圾问题的原因和解决方案。通过与经验丰富的建筑专业人士讨论减少废物的潜在机会，考虑了减少高层住宅建筑垃圾的潜力。考虑了不同解决方案的有效性以及实施此类解决方案的难度及其成本效益。采访的结果得到了建筑师和承包商的调查。如果要减少建筑垃圾的确定，这就可以审查优先领域。
分析设计规划技术（ADePT）[6]用于模拟和分析设计师的信息需求。ADePT技术通过开发每个设计任务的信息需求的IDEF模型，然后使用设计结构矩阵技术（DSM）分析该模型来优化设计任务的顺序，从而模拟设计团队的信息需求[7]。用于此类评估的DSM技术的使用得到了其他行业和其他研究人员的认可[8,9]。
ADePT使用通用建筑设计模型作为信息建模方法的基础。在我们的研究中，对这种通用模型进行了修改，以纳入典型高层住宅建筑的信息要求。由于香港房屋协会的共同使用，选择了被称为新和谐的建筑类型。所生产的模型（基础模型）通过经验丰富的设计专业人员的审查以及与实际建筑的设计和建造的直接比较来验证。从这个基础模型中可以评估信息要求和设计任务的顺序，当考虑减少建筑垃圾的不同设计方案时[10,11]。DSM方法用于优化设计过程并评估设计和施工过程中变化的影响。然后评估了该技术的使用以及与减少高层住宅建筑中的建筑垃圾有关的其他潜在问题和其他类型的建筑物被考虑。.
3.高层住宅建筑垃圾
Skoyles[12]将建筑材料废弃物分类为天然废弃物（招标中允许不可避免的废弃物），间接废弃物（用于除订购之外的其他用途的材料）和直接废弃物（遇到的材料）因为并且可以测量）。作者进行的研究和本文所述的研究涉及减少由构成主要建筑材料的永久性和临时性材料所产生的物理建筑废物。（这些不包括拆除材料和有毒物质）直接和间接建筑垃圾的问题已引起许多研究人员越来越多的关注。一些研究通过预防和/或减少源头废物的产生，并鼓励废物的再利用，再循环和回收，研究废物最小化。（参见例如Ferguson等人[13];Guthrie等人[14]）。
Poon等人 [2,5,15]审查了建筑垃圾的水平和原因，以及减少和减少住宅建筑垃圾的机会。表1改编自[2]，显示香港高层公共住宅项目各行业的典型废物百分比。（高层私人住宅项目的类似数字表明废物水平较高。）“减少和减少建筑废物的机会来自建筑方法选择，材料选择和设计过程”。[5]减少建筑垃圾的最有效方法是改变设计方法。“设计决策和方法可以显着影响施工期间的废物最小化以及建筑材料的再利用和再循环。”[15]
确定最适合的设计决策
减少高层住宅楼的废物，寻求从业者的意见。对一小组设计专业人员的初步采访表明，除非是特定的客户要求，否则很少或根本没有考虑设计过程中的建筑垃圾问题。所有与会者都同意，建筑垃圾的控制应在设计和施工阶段实施。这方面的障碍包括客户缺乏兴趣以及施工团队缺乏主动性。通过访谈确定的减少建筑垃圾的潜在解决方案包括：平衡切割和填土挖掘;模块化设计系统;预制外墙板;预制楼
表1
公共住房和住宅建筑的材料，各种行业的浪费百分比（改编自[2]）
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商品 |
材料 |
损失百分比公共住房项目 |
私人住宅楼损失百分比 |
|
混凝土 |
混凝土 |
3-5％ |
4-5％ |
|
模板 |
木材版 |
5％ |
15％ |
|
钢筋 |
钢筋 |
3-5％ |
1-8％ |
|
砖石 |
砖块 |
6％ |
4-8％ 干墙精细骨 |
|
干墙 |
细骨料 |
5％ |
6-10％ |
|
墙面抹面 |
预拌水泥 |
7％ |
4-20％ |
|
地面抹面 |
预拌水泥 |
1％ |
4-20％ |
|
墙面抹灰 |
石膏 |
2％ |
4-20％ |
|
天花板抹灰 |
石膏 |
2％ |
4-20％ |
|
地砖 |
瓷砖 |
6％ |
4-10％ |
|
墙铺面 |
瓷砖 |
8％ |
4-10％ |
|
浴室配件 |
安装卫浴配件 |
2％ |
1-5％ |
|
厨房用品的安装 |
厨房细木工 |
1% |
1-5％ |
板：外墙板;预制楼梯和坡道;预制厨房和浴室;预制内墙系统;预制门套;预制玻璃纤维水箱;预制假天花板;预制金属巴鲁斯贸易;适当的完成;厨房和浴室的位置;和UPVC水管。
为了了解优先项目，向38个建筑组织，138个建筑承包商和100个建筑师发送了调查文件。答复总数仅为25，没有统计意义，但充分证实了受访设计专业人员的观点，以保证进一步研究这些潜在节约机会以及实施此类解决方案的难度。总体结果如表2所示。
从该表可以看出，除了“平衡切割和填充”和“模块化”之外，具有最高节约浪费潜力的区域都基于预铸和预制。
4.信息建模
来自ADePT系统的通用建筑设计模型[6,7]经过修改，以生成新和谐建筑详细设计的信息要求模型。这些变更需要修改设计任务和信息要求，例如，堆放基础的提供和使用（在香港所有类似建筑类型中都很常见），以及删除与地下室规定有关的设计信息;自动扶梯;热水系统;这些修订的完整清单见附录I.这个新模型NHB（0）包括大约106个设计活动和126个信息流，并成为研究的基本模型。
NHB（0）模型通过房屋管理局内经验丰富的设计师的审查以及对实际建筑项目的完整设计进行检查来验证。不同设计学科的代表不仅确认了设计活动和信息需求，而且通过在三个等级类别中分配评级来表明每个设计信息项的重要性：A;B;或C.（评级A表示对设计的最重要性，B表示中等影响，而C表示最低重要性。该评级使得能够从ADePT方法的DSM部分生成优化过程。）
图1显示了NHB（0）碱基模型的表格形式的提取物。所示的设计任务涉及建筑立面布置，窗户和百叶窗，外墙细节，内墙布局和内墙设计。在建筑设计，土木工程设计，结构工程设计，机械工程设计和电气工程设计等学科中确定了其他设计任务，提供了涵盖详细设计任务所有方面的完整模型。图2显示了优化设计结构矩阵模型的一部分。该模型根据设计过程的逻辑和信息要求的重要性对设计任务进行了排序。这是使用ADePT技术的常用方法，考虑到设计元素的重要性，并考虑这些信息要求，它们对现场生产的建筑废物的贡献为该技术的使用增加了新的维度。现在描述这一点。
该模型用于分析和比较不同设计方案下设计师信息需求的变化，浪费是一个重要的设计考虑因素。详细描述了三种典型场景：预制外墙板的使用;使用预制玻璃纤维水箱;以及预制内墙板的使用。
4.1。预制外墙板
之所以选择这个例子，是因为设计师认为它具有高重要性和高难度，见表2.传统上，高层住宅建筑中的外墙板已在现场建造，混凝土板采用马赛克完成瓷砖。预制外墙板使得面板可以预先完成，马赛克瓷砖连接在一
表2
设计师确定的潜在废物区域[2]
起，并安装了窗户和百叶窗。还可以包括建筑服务。工厂固定完成，生产不受天气影响，更清洁，更安全的生产环境导致更强的粘合和更少的瓷砖浪费。由于工艺质量的差异，保证了单元的质量，没有差异。
图1示出了用于构造外墙的传统方法的优化设计过程的摘要。图3显示了采用预制外墙时修改后的设计结构矩阵模型的剖面图。对两种优化设计模型的分析和比较表明，使用预制外墙的决定对布局设计没有影响。对建筑部分一般布置的设计任务影响很小;建筑物立面总体安排;屋顶部分和细节以及底层协调和天花板计划。
然而，在以下设计任务中会产生相当大的影响：窗户和百叶窗的细节需要根据预制外墙板的模块进行设计;外墙细节取决于外墙的预制和固定细节的设计;悬挂式底板设计和预制楼板设计需要考虑预制外墙的相邻细节;结构楼梯设计和承重板设计必须考虑预制外墙的固定细节：结构载荷计算，结构载荷图，混凝土框架计算和混凝土框架布局和截面必须设计成支撑预制外墙板。其他设计考虑因素必须考虑现场安装过程，例如预制外墙设计应包括包层支撑设计;起重机设计应适合处理预制外墙板;起重机设计应适合处理预制外墙板。
对设计任务的分析强调了公司承担预制和主要承包商参与设计阶段的必要性。设计人员和承包商的反馈
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