from 01.01.1989 to 01.01.2023
Moscow, Russian Federation
During the process of new construction and demolition of old buildings, a huge amount of waste is generated. In some regions, the construction industry is responsible for more than half of the solid waste generated. From a technical point of view, it is impossible to completely eliminate construction waste, but it must be managed to minimize the negative impact on the environment. The goal of all participants in the project work program should not only be to complete the construction of the building as soon as possible, but also to comply with environmental requirements. In developed countries, for several decades, the rules for handling such waste have been introduced at the legislative level, and they are constantly being improved. At the state level, laws are passed regarding the recycling and reuse of building materials in order to reduce waste. Scientists are also developing waste management strategies and models for construction and demolition. As a result, up to 90% of such waste "gets a second life", i.e. reused in the manufacturing process. In Russia, this problem has not yet been given enough attention, which is why no more than 30% of construction waste is reused. This article analyzes the causes of waste generation in the construction sector, highlights their main categories. To solve the problem, recommendations are proposed on some promising areas for the development of the construction industry. The need to amend the legal framework governing the process of construction and demolition (C&D) was noted. As an innovative vector of development, the potential of building information modeling (BIM) technology for managing the design and construction of buildings, including waste management, is being explored. It is noted that BIM allows you to effectively manage construction and demolition waste, avoiding problems at all stages of the building life cycle. As a result of the study, recommendations were developed for the implementation of specific measures for the construction waste management strategy using BIM.
construction and demolition waste, construction waste recycling, construction waste management, BIM technologies, waste minimization strategies
Введение
Понятие отходы включает в себя все типы веществ (твердые, жидкие или газообразные), образующихся в результате деятельности человечества в процессе производства и потребления продукции. Отходы, как правило, в большинстве случаев несут в себе потенциал прямого или косвенного нанесения вреда здоровью человека или природной среде. Отходы обычно подразделяют на следующие виды: минеральные, промышленные, строительные, сельскохозяйственные, бытовые и медицинские. Различные виды отходов по-разному влияют на окружающую природную среду. Это может быть чисто «визуальное загрязнение ландшафта», а может приводить и к серьезным заболеваниям, даже мутациям за счет биологического или экологического воздействия на живые организмы, включая организм человека. К тому же, кроме экологического вреда, причиняемого данными потоками отходов, их образование влечет за собой ещё и значительные экономические потери. Поэтому минимизация экологических и экономических последствий потребления природных ресурсов с постоянно увеличивающимся из года в год производством отходов является одной из наиболее важных задач современного мира. Стратегическое управление, основанное на разработанных эффективных моделях управления отходами, имеющих целью предотвращение их образования или сокращения объёмов отходов у источника является наиболее выгодным подходом, обеспечивающим самый экономичный и экологически устойчивый вектор развития [1].
Отходы строительства и сноса зданий в мире и в России
Одним из основных источников отходов является строительство [2, 3].
В качестве доказательства можно привести данные исследования ЕВРОСТАТА по статистике отходов в Европейском Союзе. В 2016 году общее количество отходов, образующихся в ЕС-28 по всем видам экономической деятельности и функционирования домохозяйств, составили 2,538 млн. тонн. На долю строительства приходится более 36% от общего объема произведенных отходов, т.е. около 1 млрд. тонн [4]. (Рисунок 1).
Рис. 1. Образование отходов по видам экономической деятельности и домохозяйствам, ЕС-28, 2016. Источник данных: Евростат (env_wasgen).
Надо отметить, что доля отходов от строительных и демонтажных работ в общем объеме образования отходов значительно различаются по странам внутри ЕС (Таблица. 1).
Таблица 1.
Доля отходов от строительных и демонтажных работ в общем объеме образования отходов в ряде стра–членах ЕС в 2018 году
|
Страна |
Болгария |
Литва |
Бельгия |
Италия |
Дания |
Великобритания |
Нидерланды |
|
Доля отходов |
0,1% |
8,8% |
33,5% |
35,3% |
56% |
62% |
70% |
При этом также сильно различается уровень переработки и утилизации отходов строительства и сноса внутри ЕС, этот уровень составляет от менее чем 10% до более чем 90%.
Согласно информационным бюллетеням Агентства по охране окружающей среды США «Продвижение рационального использования материалов: факты и цифры» за 2018 год и «Лучшие практики обращения с твердыми отходами: руководство для лиц, принимающих решения в развивающихся странах» [5, 6, 7]:
- В 2018 году в Соединенных Штатах было образовано 600 миллионов тонн строительного мусора, что более чем в два раза превышает количество твердых бытовых отходов.
- На снос приходится более 90 процентов от общего объема образования мусора, в то время как на строительство приходится менее 10 процентов.
- Чуть более 455 миллионов тонн строительного мусора было направлено на вторичную переработку и последующее использование, и чуть менее 145 миллионов тонн было отправлено на свалки.
В Российской Федерации, учитывая структуру промышленного производства страны, статистика образования отходов производства и потребления значительно отличается от ЕС и США. По данным Министерства природных ресурсов и экологии Российской Федерации, приведенным в Государственном докладе «О состоянии и об охране окружающей среды Российской Федерации в 2021 году» [8] около 87% от общего количества отходов, составляют отходы от добывающей промышленности (Таблица 2).
Таблица 2.
Динамика образования отходов производства и потребления в РФ по основным видам экономической деятельности в 2016-2021 гг., млн. т
|
Вид деятельности |
2016 |
2017 |
2018 |
2019 |
2020 |
2021 |
|
Добыча полезных ископаемых |
4 724 |
5 786 |
6 850 |
7 257 |
6 367 |
7 691 |
|
Обрабатывающие производства |
549 |
275 |
244 |
296 |
240 |
346 |
|
Сельское, лесное хозяйство, охота, рыболовство и рыбоводство |
49 |
41 |
43 |
48 |
45 |
51 |
|
Строительство |
21 |
28 |
36 |
42 |
32 |
57 |
|
Обеспечение электрической энергией, газом и паром |
21 |
21 |
20 |
20 |
17 |
19 |
|
Водоснабжение; водоотведение, организация сбора и утилизации отходов, деятельность по ликвидации загрязнений |
7 |
10 |
11 |
11 |
8 |
12 |
|
Прочие виды экономической деятельности |
70 |
88 |
62 |
77 |
245 |
274 |
|
Всего |
5 441 |
6 249 |
7 266 |
7 751 |
6 956 |
8 449 |
Данные цифры коррелируют с «географией» образования отходов по федеральным округам (Рисунок 2).
Рис. 2. Образование отходов по федеральным округам, %.
Если исключить из общих данных доминирующую позицию – «Добыча полезных ископаемых», то показатели образования отходов в РФ будут выглядеть следующим образом (Рисунок 3).
Рис. 3. Образование отходов в РФ по типам, %.
Отмечу, надо иметь в виду, что в абсолютном выражении в 2021 году в РФ объем образовавшихся отходов в строительной отрасли превышает объем вывезенных твердых коммунальных отходов (57 млн. тонн и 47,4 млн. тонн, соответственно) [9]. Поэтому решение проблемы строительных отходов стоит по значимости в одном ряду с отходами ТКО.
Целью работы является — проведение анализа образования отходов строительства и сноса зданий в мире и в России, разработка методики управления процессом строительства в целях минимизации образования отходов строительства и сноса зданий с помощью применения информационных технологий.
Объект исследования — отходы строительства и сноса зданий. Предмет исследования – управление процессом образования отходов строительства и сноса зданий с помощью применения технологии информационного моделирования.
Материалы и методы
В нашей стране порядок обращения с отходами в стране регламентируется рядом нормативно-правовых актов: Федеральными законами: № 7-ФЗ от 10.01.2002г. «Об охране окружающей среды»; № 89-ФЗ от 24.06.1998г. «Об отходах производства и потребления»; № 96-ФЗ от 04.05.1999г. «Об охране атмосферного воздуха»; № 52-ФЗ от 30.03.1999г. «О санитарно-эпидемиологическом благополучии населения», Санитарными нормами и правилами, а также рядом Постановлений Правительства РФ.
Отмечу, что в указанных выше документах, хотя и изложены правила, даны требования к подрядчикам, оказывающим услуги, определены методы и технологии переработки строительных отходов, но, тем не менее, отдельной концепции по работе со строительными отходами до сих пор нет.
Всем известно, что строительные отходы по своим источникам образования укрупненно подразделяют на следующие категории:
- бой кирпича и бетона;
- металлические конструкции и арматура;
- деревянные балки, перекрытия, рамы, двери и дверные проемы;
- куски штукатурки;
- тара от лакокрасочных материалов;
- остатки обоев;
- стекла;
- демонтированное напольное покрытие;
- старые провода;
- пластик и прочие отходы.
По своему размеру строительные отходы со стройки делятся на 3 класса:
- крупногабаритный, который образуется во время первого этапа работ при демонтаже строений: бетонные блоки, арматура, бой кирпича;
- среднегабаритный, как правило, это остатки использованных материалов и упаковки;
- мелкогабаритный, это мусор, образовавшийся в результате проведения в помещениях отделочных работ.
Как уже отмечалось выше, количество отходов, образующихся при строительстве и сносе (СиС), огромно. Естественно, что основные отходы образуются при сносе зданий. Так, например, при сносе стандартной панельной пятиэтажки образуется около 8,5 тыс. тонн отходов. Примерный состав данных отходов представлен в Таблице 3.
Таблица 3.
Состав отходов стандартной панельной пятиэтажки
|
Состав отходов |
Вес отходов, тонн |
Доля данной категории отходов в общем составе, % |
|
Лом железобетона |
5 900 |
69,90% |
|
Лом бетона |
2 300 |
27,50% |
|
Черные металлы |
53,4 |
0,63% |
|
Дерево |
38,2 |
0,45% |
|
Асфальт |
24,3 |
0,29% |
|
Стекло |
21,4 |
0,25% |
|
Керамзит |
19,2 |
0,23% |
|
Линолеум |
7,4 |
0,09% |
|
Рубероид |
6,5 |
0,08% |
Большинство этих отходов относятся к пятому (8,4 тыс. тонн, 99,1%) и четвертому (76,5 тонны, 0,9%) классам опасности. В связи с тем, что на сегодняшний день затраты подрядчика на «аккуратный» снос, при котором идет поэтапный демонтаж строительных конструкций, не могут быть включены в сводный сметный расчет, снос происходит с применением «грубой силы», при которой все отходы сваливаются в одну кучу. Практика показывает, что в этом случае к повторному применению пригодно не более 30% отходов, когда как при продуманном сносе можно использовать более 80%, хотя в этом случае сам процесс более затратный. Очевидно, что, если подрядчику за это не платят и не накладывают никаких штрафных санкций, он пойдет по пути наименьшего сопротивления, и не будет прикладывать дополнительных усилий для поэлементного демонтажа и сноса разбираемого здания.
Отходы в ходе строительства новых объектов в основном образуются из-за неправильных расчётов, ошибок проектирования, непродуманных закупок и нерационального планирования, неэффективной обработки материалов, образующихся остатков сырья и неожиданных изменений в конструкции здания [10]. Если проанализировать основные причины образования отходов на строительных площадках [11, 12], то укрупненно их можно свести к следующим группам (Рисунок 4).
Рис. 4. Основные причины образования отходов на строительных площадках (составлено автором)
Для эффективного управления процессом строительства зданий, в том числе в целях минимизации образования отходов СиС, во всем мире получило широкое распространение применения информационного моделирования зданий (BIM – Building information modeling).
BIM это сочетание инновационных инструментов и инклюзивного процесса реализации проекта, используемого для улучшения проектных закупок и направленного на развитие сотрудничества между экспертами в строительной отрасли [13, 14, 15]. Фактически BIM можно рассматривать как концепцию управления проектами, которая позволяет участникам моделировать все аспекты строительного проекта в цифровой среде и обмениваться данными на основе единой модели.
Основная задача BIM состоит в создании цифрового двойника здания, который даёт полное представление об объекте задолго до начала строительства [16, 17, 18]. Таким образом, команды разработчиков могут предотвращать ошибки, обнаруживать нестыковки, конфликты и устранять большинство негативных последствий проектирования. Одним из основных принципов функционирования BIM является то, что данные по объекту собираются, накапливаются и хранятся на всех этапах его жизненного цикла, от этапа проектирования до сноса здания [19]. Обычно, когда изображают передачу информации при представлении этапов жизненного цикла здания, делают это с помощью односторонних стрелок. На мой взгляд, это не совсем правильно, т.к. результаты, получаемые при реализации большинства этапов, позволяют корректировать общую модель здания (рисунки 5, 6).
|
Рис. 5. Этапы жизненного цикла здания |
Рис. 6. Потребители информации BIM-модели объекта |
Собранная информация об объекте может в любой момент быть востребована достаточно широким кругом ее потребителей (рисунок 6). При этом часть пользователей являются «пассивными потребителями», т.е. используют BIM как обыкновенную карту, пусть и высокоточную (ремонтники, правоохранители и т.д.), а большая часть является «активными пользователями», которые не просто получают информацию по объекту, а занимаются ее обработкой, а после полученного результата работ, загружают его в систему (архитекторы, проектировщики, дизайнеры, строители) [20, 21]. Есть еще группа, которая, получив информацию об объекте, помимо загрузки своих данных, может, на основании своего опыта и профессиональных знаний, предоставить рекомендации по внесению изменений в проект (строители, производители стройматериалов и оборудования и т.д.).
Результаты и обсуждение
Большинство развитых стран активно внедряют BIM [6, 7]. Норвегия, Дания, Финляндия и Швеция были первыми, кто ввёл обязательное применение BIM-технологий в новом строительстве. Во Франции еще в 2014 году началась разработка проектов полумиллиона домов с использованием BIM. В ОАЭ применение BIM обязательно для всех проектов зданий, имеющих более 40 этажей. Внедрение BIM в Китае значительно увеличилось с 2016 года. Правительство Китая еще не утвердило обязательность BIM, но его использование положительно поощряется. В Австралии в 2016 году создана целевая группа по интеллектуальной инфраструктуре для успешной реализации BIM во всех государственных проектах стоимостью свыше 50 миллионов долларов. В Германии в 2015 году была создана целевая группа BIM - Digital Building Platform для разработки национальной стратегии BIM. В Индии строительная отрасль является одной из самых быстрорастущих в мире. Согласно исследованию RICS India, около 68% жилищных проектов использовали BIM.
Проведя анализ группировок причин возникновения строительных отходов и мирового опыта применения BIM-технологий для решения данных проблем, автором статьи выработаны рекомендации по реализации конкретных мероприятий по различным направлениям работы с отходами (рисунок 7).
Рис. 7. Рекомендации по реализации мероприятий управления строительными отходами с использованием BIM (составлено автором)
Внедрение данных блоков в структуру BIM позволит оптимизировать строительный процесс с точки зрения минимизации отходов, сократить издержки и улучшить экологическую ситуацию.
Ценность любой BIM-системы зависит от полноты и достоверности, интегрированных в нее данных, и возможности построения с ее помощью единого информационного пространства, охватывающего все этапы жизненного цикла здания.
Выводы
Растущая глобальная урбанизация привела к высокому уровню отходов. Строительный сектор является одним из наиболее загрязняющих промышленных секторов, что вызывает необходимость сокращения производства отходов и переход на экологически устойчивые процессы. Необходимо и на государственном и на корпоративном уровне прикладывать усилия, чтобы отходы больше не рассматривались как бремя, а воспринимались как ресурс и выгода для всех участников и заинтересованных сторон, участвующих во всем процессе строительства.
BIM помогает участникам проекта совершенствовать технологии на этапах реализации проекта от начала его планирования до окончания жизненного цикла здания и сноса, тем самым эффективно управляя и процессом образования строительных отходов. Если не считать снос здания, то наибольшее количество отходов естественно образуется на этапе строительства здания, чем до начала стройки и после ее завершения на этапе эксплуатации. Однако стратегия минимизации отходов должна быть в большей степени реализована на этапе проектирования, чтобы способствовать эффективному сокращению накопления отходов на этапе строительства. Поэтому разработка эффективных механизмов принятия решений на этапах проектирования, позволит значительно уменьшить влияние изменений в проекте на потери материалов. Необходимо внедрять в процесс проектирования разделы по работе с отходами, чтобы достичь оптимизации использования материалов, решения для восстановления и/или повторного использования, а при неизбежности образования отходов, предусмотреть эффективные методы их сбора, транспортировки и утилизации.
Кроме того, при проектировании надо не забывать, что «строящееся сегодня здание — это строительные отходы завтра» (при завершении жизненного цикла здания), в связи с чем разрабатываемый проект должен учитывать способы сноса строения и использования образующихся при этом отходов.
В качестве первоочередного действия необходимо разработать механизм, чтобы во всех крупных государственных строительных проектах могли принять участие только компании, применяющие BIM-технологии. Это должно привлечь участников рынка к внедрению подобных технологий, что обязательно приведет к расширению их применения, так как они значительно повышают конкурентоспособность. Подобная практика в странах ЕС привела к тому, что большинство участников государственных контрактов предлагают стратегию строительства, при которой не менее 80% отходов повторно используются, а не утилизируются. Ведь за счет взаимодействия всех сторон-участников проектной деятельности, начиная с первоначальных этапов реализации проектов в строительстве и заканчивая сносом здания, предлагаемый подход позволит комплексно и заблаговременно решать многие проблемы, в том числе связанные с сокращением строительных отходов.
1. Jack C. P. Cheng, Jongsung Won, Moumita Das. Construction and demolition waste management using BIM technology, Conference: the 23rd Annual Conference of the International Group for Lean Construction. (IGLC), July 2015 https://www.researchgate.net/publication/298790263_Construction_and_demolition_waste_management_using_BIM_technology
2. I. Saidu, and W. Shakantu, A Study of the Relationship Between Material Waste and Cost Overrun in the Construction Industry. Proceedings of the 9th CIDB Postgraduate Conference: Emerging Trends in Construction Organisational Practices and Project Management Knowledge Area, February 2-4, 2016, Cape Town, South Africa, pp. 124-134.
3. T. O. Adewuyi, and I. A. Odesola, "Factors Affecting Material Waste on Construction Sites in Nigeria," Journal of Engineering and Technology, vol. 6, issue 1, pp. 82-99. https://journal.utem.edu.my/index.php/jet/article/view/237
4. Laura Pellegrini, Stefano Campi, Mirko Locatelli, Giulia Pattini, Giuseppe Martino Di Giuda1 and Lavinia Chiara Tagliabue. Digital Transition and Waste Management in Architecture, Engineering, Construction, and Operations Industry // ORIGINAL RESEARCH published: 20 November 2020 doi:https://doi.org/10.3389/fenrg.2020.576462 https://www.researchgate.net/publication/347075852_Digital_Transition_and_Waste_Management_in_Architecture_Engineering_Construction_and_Operations_Industry
5. U.S. Environmental Protection Agency. Each year EPA releases the Advancing Sustainable Materials Management: Facts and Figures Fact Sheet, formerly called Municipal Solid Waste in the United States: Facts and Figures. https://www.epa.gov/facts-and-figures-about-materials-waste-and-recycling/advancing-sustainable-materials-management
6. United States Environmental Protection Agency Office of Resource Conservation and Recovery // Best Practices for Solid Waste Management: A Guide for Decision-Makers in Developing Countries, October 2020.
7. United-BIM Inc. Leading Countries With BIM Adoption // https://www.united-bim.com/leading-countries-with-bim-adoption/
8. Ohrana okruzhayuschey sredy v Rossii. 2022: Stat. cb./Rosstat. - 0-92 M., 2022. - 115 s.
9. O sostoyanii i ob ohrane okruzhayuschey sredy Rossiyskoy Federacii v 2021 godu. Gosudarstvennyy doklad. - M.: Minprirody Rossii; MGU imeni M.V. Lomonosova, 2022. - 684 s.
10. OO. Akinade, L.O. Oyedele, K. Munir, M. Bilal, S. O. Ajayi, H. A. Owolabi, H. A. Alaka, and S. A. Bello, "Evaluation Criteria for Construction Waste Management Tools: Towards A Holistic BIM," International Journal of Sustainable Building Technology and Urban Development, vol. 7, issue 1, 2016, pp. 3-21.https://doi.org/10.1080/2093761X.2016.1152203
11. A. A. Najafpoor, A. Zarei, F. Jamali-Behnam, M., Vahedian-Shahroudi and A. Zarei, “A Study Identifying Causes of Construction Waste Production and Applying Safety Management on Construction Site”, Iranian Journal of Health Sciences, Vol. 2(3), pp. 49-54, 2014.
12. Burcu Salgın, Atacan Akgün, Nilay Coşgun, Kofi Agyekum. Construction Waste Reduction Through BIM-Based Site Management Approach // International Journal of Engineering Technologies IJET · August 2017 DOI:https://doi.org/10.19072/ijet.315180
13. Rane, S. B., and Thakker, S. V. (2019). Green procurement process model based on blockchain-IoT integrated architecture for a sustainable business. Manag. Environ. Qual. Int. J. 31 (3), 741-763. doihttps://doi.org/10.1108/MEQ-06-2019-0136
14. C. M. Eastman, C. Eastman, P. Teicholz, R. Sacks, and K. Liston, BIM Handbook: A Guide to Building Information Modelling for Owners, Managers, Designers, Engineers, and Contractors. Canada: John Wiley and Sons, 2011.
15. Timothy Olubanwo Adewuyi, Etorobong Kenneth Umoren. Managing Construction Material Waste on Building Sites with Building Information Modelling // International Research Journal of Engineering and Technology (IRJET) e-ISSN: 2395-0056, p-ISSN: 2395-0072, Volume: 07 Issue: 07 | July 2020 www.irjet.net
16. Designing Buildings Ltd. Building information modelling BIM // https://www.designingbuildings.co.uk/wiki/Building_information_modelling_BIM
17. Steven Arthur, Haijiang Li, and Robert Lark. “The Emulation and Simulation of Internet of Things Devices for Building Information Modelling (BIM)”. In: Workshop of the European Group for Intelligent Computing in Engineering. Springer. 2018, pp. 325-338.
18. Rafael Barea, Carlos Pyrez, Luis M Bergasa, Elena Lupez-Guillyn, Eduardo Romera, Eduardo Molinos, Manuel Ocana, and Joaquın Lupez. “Vehicle detection and localization using 3d lidar point cloud and image semantic segmentation”. In: 2018 21st International Conference on Intelligent Transportation Systems (ITSC). IEEE. 2018, pp. 3481-3486.
19. Daniel Baeder, Eric Christensen, Anhvinh Doanvo, Sara Lindsay Grove, Andrew Han, Ben FM Intoy, Steven Hardy, Zachary Humayun, Melissa Kain, Kevin Liberman, et al. Creating Digital Twins of Cities with FutureScape™. Deloitte Consulting LLP, 2019.
20. Shilkina, S.:Construction project management with the implementation of information modeling technology. In the book: Ginzburg A., Galina K. (ed.) Life cycle management of buildings. Information systems and technologies. Lecture Notes on Civil Engineering, volume 231. Springer, Cham. https://doi.org/10.1007/978-3-030-96206-7_24 APRIL, 10, 2022 ISBN 978-3-030-96205-0
21. Ignatova E.V., Predeina V.P. Informacionnoe modelirovanie i additivnye tehnologii v stroitel'stve // Stroitel'stvo i arhitektura. - 2021. T.9, № 3 (32). - S. 41-45. DOI: https://doi.org/10.29039/2308-0191-2021-9-3-41-45
