陳小瑾 華南農(nóng)業(yè)大學水利與土木工程學院講師

吳志珊 華南農(nóng)業(yè)大學水利與土木工程學院

本文項目為華南農(nóng)業(yè)大學水利與土木工程學院建筑系樓廁所加建實驗項目（圖1）。院系師生從2016 年開始設計并展開籌建工作，運用建筑學理論知識，整合生物、材料等多學科成果，采用“預制件拼裝技術結合免水生物制肥技術”這一策略展開廁所設計與加建。2019 年1 月開始建設，2019 年9 投入使用，2020 年1 月因新冠疫情暫停實驗，2020 年11 月重新投入使用。暫停實驗期間，整合之前的實踐數(shù)據(jù)與成果，針對亞熱帶地區(qū)鄉(xiāng)村民居普遍存在的“因排污管道鋪設不經(jīng)濟而難以加建廁所”這一問題，提出解決方案模型。

圖1 華南農(nóng)業(yè)大學建筑系樓廁所加建實驗項目

1 設計策略及實踐運用

1.1 項目背景

建筑系樓建于20 世紀80 年代，內(nèi)部沒有設置廁所?，F(xiàn)因使用需要，計劃在系樓北面建造免下水道的生態(tài)廁所。設計原則如下。

系統(tǒng)設計。設計為建筑、能量、經(jīng)濟運行一體化循環(huán)系統(tǒng)設計?？臻g相融，處理好與周邊建筑和環(huán)境的銜接關系；能量循環(huán)，將排泄物納入周邊環(huán)境生態(tài)循環(huán)系統(tǒng)中；運行可續(xù)，簡單便利的運營操作模式。

功能合理。兼顧生理和心理需求，保證必要的如廁功能空間和設施的同時，重視人性化設施配置，融入建筑模型、圖紙展示空間。

技術適當。建筑材料選擇與設計考慮減量化、無害化與循環(huán)利用原則，排泄物處理根據(jù)環(huán)境調(diào)節(jié)與建設成本選擇免水生物制肥技術。

1.2 項目方案設計策略

1.2.1 循環(huán)可再生

可循環(huán)再生的建筑材料。使用鋼材、板材、青磚及竹子4 種主建筑材料，如圖2所示，體現(xiàn)“REDUCE 減排、REUSE 可重復、RECYCLE 可循環(huán)”的原則。其中，青磚是從建材廢棄場回收的，表面打磨處理后用于砌筑圍護墻體、入口臺階及休閑步道等；板材是可回收的水泥纖維預制板，模數(shù)化切割后現(xiàn)場直接釘裝；竹子作為有機材料，經(jīng)防腐處理后用于圍護和裝飾；可重復使用的鋼材代替鋼筋混凝土作為建筑結構材料，模數(shù)化切割后現(xiàn)場焊接成型。

圖2 可循環(huán)再生的建筑材料

能量的微循環(huán)。在坐便器下方安裝生化反應器，反應器中填充木屑等微生物菌種，并輔以動力攪拌，滑入反應器的糞便與木屑混合，通過微生物作用降解成為氨基酸、熱量及水分，6 h 內(nèi)減化量達95%以上，實現(xiàn)對糞便的分解、脫臭、凈化一體化處理，最終反應物可作為生物有機肥回收利用。使用過程無需水沖，不必鋪設排污管道與污水處理設施，產(chǎn)生的有機肥直接用于附近綠化[1]。

1.2.2 可操作性

建筑預制標準化設計與拼裝技術降低了建造時間、人工、材料損耗，達到整體建造過程便捷與成本降低的效果。此外，產(chǎn)生的有機肥可轉(zhuǎn)化為文創(chuàng)商品、植物肥料，產(chǎn)生經(jīng)濟價值以達到廁所使用過程的收支平衡。

1.3 在地建造過程

1.3.1 材料預制與設備鋪設

材料預制與現(xiàn)場安裝。選擇有利于模數(shù)加工與現(xiàn)場搭建的鋼材與水泥纖維板，輔以電腦三維建模與模塊化設計，利用可視化、可拆解的模型，確定鋼材、板材的類型、尺寸與搭接方式，將尺寸與圖樣提供給工廠完成材料預制生產(chǎn)與制作，預制件送達現(xiàn)場直接組裝完成，實現(xiàn)零誤差高效率的建筑主體施工工作。

設備鋪設。項目需要鋪設滿足洗手池用水、清潔用水、植物澆灌用水的供水管道，以及滿足基本照明和生化反應器用電的供電管道。因場地限制，取消了太陽能板供電系統(tǒng)，其余建設可考慮結合該技術形成電力的自循環(huán)系統(tǒng)。

1.3.2 現(xiàn)場施工

混凝土基礎澆筑。該場地原是閑置綠地，凹凸不平，且環(huán)境中原有生態(tài)體系已經(jīng)穩(wěn)定形成。本著可持續(xù)發(fā)展原則，未對場地硬化處理。據(jù)結構計算，開挖16 個容積500 mm×500 mm×800 mm的獨立基坑，預埋鋼結構連接件，澆灌混凝土，同時開挖2 000 mm×2 000 mm×400 mm 的長方形土坑放置生化反應器。

鋼骨架拼裝及生化反應器放置。得益于預制件拼裝技術的便利性，對照可視化的三維模型，鋼材在現(xiàn)場快速焊接。首層蹲廁結構焊接前先放置生化反應器，生化反應器為半徑800 mm 的圓形容器，內(nèi)部安裝旋轉(zhuǎn)攪拌器用于翻攪木屑，反應器半邊明置于半室外以便通風與清掏。

水電安裝。使用適用于室外的PVC 給水管，安裝滿足洗手池用水、清潔用水、植物澆灌用水的給水管道。在用電設計方面，除滿足基本照明需求外，著重考慮建筑美學設計和展品燈光照明，預留用電插口，滿足空間后續(xù)多種用電場景的需求。

圍護結構安裝。預制板材在工廠切割和養(yǎng)護制作，運輸至施工現(xiàn)場后通過人工搬運、扶板就位、臨時固定等準備工作后用“六角尾鉆式自攻螺釘”直接釘裝，部分切割余料回收用于后期場地圍護設計。對從建材廢棄場回收的青磚表面進行打磨處理后砌筑清水磚墻作為建筑主要展示面，竹子刷漆后釘裝于方鋼上對建筑做半圍合處理。三種材料構成完整的圍護結構。

建筑附屬部件制作與場地圍護。本著“REDUCE 減 排、REUSE 可 重 復、RECYCLE 可循環(huán)”的原則，項目組對青磚、竹子、鋼材、板材等建造過程中的剩余材料進行再利用，用青磚砌筑場地圍墻、踏步；對竹子余料進行切割捆綁，再創(chuàng)造為具有特色的場地圍護部件；將板材余料拼裝捆綁為種植池。

2 實踐總結

建筑于2019 年9 月1 日進入內(nèi)部試用階段，每日使用次數(shù)約為20 人次，于11月11 日正式投入使用，并且安裝了客流量記錄工具，記錄了2019 年11 月11 日至2020 年1 月9 日共60 天的使用數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)顯示建筑的日均使用次數(shù)為40 次，產(chǎn)生的有機肥達到可以直接清掏使用的標準。

由于校園規(guī)律性的上課與生活模式，廁所的使用和有機肥的轉(zhuǎn)化過程呈現(xiàn)良好的周期循環(huán)，但是在寒暑假時間，學校放假，廁所基本停用，后由于新冠疫情影響，長達8 個月處于停止使用的狀態(tài)，使得處于戶外環(huán)境的生物反應器銹化，造成反應器運轉(zhuǎn)障礙。這引發(fā)了筆者對“如何應對廁所長期停用這一特殊情況”的思考。實踐成果證明，該項目對于整合生物、建筑、生態(tài)學等多學科的知識用于舊建筑加建廁所的問題處理上有正面作用。

3 建筑預制件拼裝技術結合免水生物制肥技術應用于鄉(xiāng)村人居的可適性

在鄉(xiāng)村規(guī)劃項目的研究過程中，項目組發(fā)現(xiàn)亞熱帶地區(qū)鄉(xiāng)村民居衛(wèi)生間建設由于人口居住密度較小、排污管道系統(tǒng)鋪設不經(jīng)濟等原因，存在較為嚴重的排污問題。借由本項目的成功實踐經(jīng)歷，證明了該項目的技術可行性，項目組提出“建筑預制件拼裝技術結合免水生物制肥技術應用于鄉(xiāng)村居住建筑”的想法，主要有如下特點。

資金投入。免水生物制肥型廁所對比傳統(tǒng)廁所增加了生化反應器設備，節(jié)省了糞污處理和開挖下水道的費用，在污水管道鋪設困難、供水不足的地區(qū)有非常突出的優(yōu)勢。項目中兩個廁所的初步建造費用約為3 萬元，如若建造材料與設備得以批量生產(chǎn)，造價預期可減半。

微生物原種的國產(chǎn)化。二十世紀初，隨著我國各大科研機構、高校如華南理工大學等對降解菌原種的篩選、馴化、強化、純化方面的關鍵技術的發(fā)展，優(yōu)質(zhì)的國產(chǎn)免水生物降解型生態(tài)廁所專用菌劑已投入批量生產(chǎn)與應用。

安裝輕便。預制件拼裝技術的應用大大提高了建造的便捷性，后期優(yōu)化后的設計模型預計一個廁所可由2 ～3 個成年人在3 ～5 天內(nèi)完成組裝。

結合農(nóng)村養(yǎng)殖業(yè)。亞熱帶地區(qū)仍有一定數(shù)量的鄉(xiāng)村地區(qū)家庭從事傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)工作，家庭蓄養(yǎng)牛羊、雞鴨，其糞便處理仍是一個問題。運用免水生物制肥型廁所的家庭，可直接將動物糞便倒入生化反應器，降解后轉(zhuǎn)化為有機肥，用于農(nóng)作物種植或家庭綠化景觀施肥。

在地理條件特殊地區(qū)的使用。山岳型鄉(xiāng)村由于山勢險峻，且民居分散范圍廣，建設完整的排污管道系統(tǒng)不太經(jīng)濟[2]。新技術的免水生物制肥型廁所具備占地小和免下水道的優(yōu)勢，對地理條件沒有要求，可以更好地發(fā)揮作用。

在實踐過程中發(fā)現(xiàn)如下問題仍需解決。造價方面，需要有相關廠家實現(xiàn)規(guī)?；O計與生產(chǎn)，方可達到預期成本。目前項目適合在首層使用，二層及以上建筑需要考慮更多的結構、防水、技術的處理。廁所長時間停用時，設備的維護問題尚待解決。

4 結語

實踐證明，“預制件拼裝技術結合免水生物制肥技術”應用于農(nóng)村地區(qū)舊建筑加建廁所，作為農(nóng)村核心家庭衛(wèi)生間使用是可行的。該廁所可增加太陽能發(fā)電系統(tǒng)，由結構系統(tǒng)、墻面系統(tǒng)、水電系統(tǒng)、生化反應器系統(tǒng)、屋面種植系統(tǒng)、太陽能發(fā)電系統(tǒng)等部分組成，構建一個相互聯(lián)系、物質(zhì)能量相互轉(zhuǎn)化的生態(tài)循環(huán)系統(tǒng)。