旧建筑加建厕所的项目实践及预期运用

陈小瑾 华南农业大学水利与土木工程学院讲师

吴志珊 华南农业大学水利与土木工程学院

本文项目为华南农业大学水利与土木工程学院建筑系楼厕所加建实验项目（图1）。院系师生从2016 年开始设计并展开筹建工作，运用建筑学理论知识，整合生物、材料等多学科成果，采用“预制件拼装技术结合免水生物制肥技术”这一策略展开厕所设计与加建。2019 年1 月开始建设，2019 年9 投入使用，2020 年1 月因新冠疫情暂停实验，2020 年11 月重新投入使用。暂停实验期间，整合之前的实践数据与成果，针对亚热带地区乡村民居普遍存在的“因排污管道铺设不经济而难以加建厕所”这一问题，提出解决方案模型。

图1 华南农业大学建筑系楼厕所加建实验项目

1 设计策略及实践运用

1.1 项目背景

建筑系楼建于20 世纪80 年代，内部没有设置厕所。现因使用需要，计划在系楼北面建造免下水道的生态厕所。设计原则如下。

系统设计。设计为建筑、能量、经济运行一体化循环系统设计。空间相融，处理好与周边建筑和环境的衔接关系；能量循环，将排泄物纳入周边环境生态循环系统中；运行可续，简单便利的运营操作模式。

功能合理。兼顾生理和心理需求，保证必要的如厕功能空间和设施的同时，重视人性化设施配置，融入建筑模型、图纸展示空间。

技术适当。建筑材料选择与设计考虑减量化、无害化与循环利用原则，排泄物处理根据环境调节与建设成本选择免水生物制肥技术。

1.2 项目方案设计策略

1.2.1 循环可再生

可循环再生的建筑材料。使用钢材、板材、青砖及竹子4 种主建筑材料，如图2所示，体现“REDUCE 减排、REUSE 可重复、RECYCLE 可循环”的原则。其中，青砖是从建材废弃场回收的，表面打磨处理后用于砌筑围护墙体、入口台阶及休闲步道等；板材是可回收的水泥纤维预制板，模数化切割后现场直接钉装；竹子作为有机材料，经防腐处理后用于围护和装饰；可重复使用的钢材代替钢筋混凝土作为建筑结构材料，模数化切割后现场焊接成型。

图2 可循环再生的建筑材料

能量的微循环。在坐便器下方安装生化反应器，反应器中填充木屑等微生物菌种，并辅以动力搅拌，滑入反应器的粪便与木屑混合，通过微生物作用降解成为氨基酸、热量及水分，6 h 内减化量达95%以上，实现对粪便的分解、脱臭、净化一体化处理，最终反应物可作为生物有机肥回收利用。使用过程无需水冲，不必铺设排污管道与污水处理设施，产生的有机肥直接用于附近绿化[1]。

1.2.2 可操作性

建筑预制标准化设计与拼装技术降低了建造时间、人工、材料损耗，达到整体建造过程便捷与成本降低的效果。此外，产生的有机肥可转化为文创商品、植物肥料，产生经济价值以达到厕所使用过程的收支平衡。

1.3 在地建造过程

1.3.1 材料预制与设备铺设

材料预制与现场安装。选择有利于模数加工与现场搭建的钢材与水泥纤维板，辅以电脑三维建模与模块化设计，利用可视化、可拆解的模型，确定钢材、板材的类型、尺寸与搭接方式，将尺寸与图样提供给工厂完成材料预制生产与制作，预制件送达现场直接组装完成，实现零误差高效率的建筑主体施工工作。

设备铺设。项目需要铺设满足洗手池用水、清洁用水、植物浇灌用水的供水管道，以及满足基本照明和生化反应器用电的供电管道。因场地限制，取消了太阳能板供电系统，其余建设可考虑结合该技术形成电力的自循环系统。

1.3.2 现场施工

混凝土基础浇筑。该场地原是闲置绿地，凹凸不平，且环境中原有生态体系已经稳定形成。本着可持续发展原则，未对场地硬化处理。据结构计算，开挖16 个容积500 mm×500 mm×800 mm的独立基坑，预埋钢结构连接件，浇灌混凝土，同时开挖2 000 mm×2 000 mm×400 mm 的长方形土坑放置生化反应器。

钢骨架拼装及生化反应器放置。得益于预制件拼装技术的便利性，对照可视化的三维模型，钢材在现场快速焊接。首层蹲厕结构焊接前先放置生化反应器，生化反应器为半径800 mm 的圆形容器，内部安装旋转搅拌器用于翻搅木屑，反应器半边明置于半室外以便通风与清掏。

水电安装。使用适用于室外的PVC 给水管，安装满足洗手池用水、清洁用水、植物浇灌用水的给水管道。在用电设计方面，除满足基本照明需求外，着重考虑建筑美学设计和展品灯光照明，预留用电插口，满足空间后续多种用电场景的需求。

围护结构安装。预制板材在工厂切割和养护制作，运输至施工现场后通过人工搬运、扶板就位、临时固定等准备工作后用“六角尾钻式自攻螺钉”直接钉装，部分切割余料回收用于后期场地围护设计。对从建材废弃场回收的青砖表面进行打磨处理后砌筑清水砖墙作为建筑主要展示面，竹子刷漆后钉装于方钢上对建筑做半围合处理。三种材料构成完整的围护结构。

建筑附属部件制作与场地围护。本着“REDUCE 减 排、REUSE 可 重 复、RECYCLE 可循环”的原则，项目组对青砖、竹子、钢材、板材等建造过程中的剩余材料进行再利用，用青砖砌筑场地围墙、踏步；对竹子余料进行切割捆绑，再创造为具有特色的场地围护部件；将板材余料拼装捆绑为种植池。

2 实践总结

建筑于2019 年9 月1 日进入内部试用阶段，每日使用次数约为20 人次，于11月11 日正式投入使用，并且安装了客流量记录工具，记录了2019 年11 月11 日至2020 年1 月9 日共60 天的使用数据。数据显示建筑的日均使用次数为40 次，产生的有机肥达到可以直接清掏使用的标准。

由于校园规律性的上课与生活模式，厕所的使用和有机肥的转化过程呈现良好的周期循环，但是在寒暑假时间，学校放假，厕所基本停用，后由于新冠疫情影响，长达8 个月处于停止使用的状态，使得处于户外环境的生物反应器锈化，造成反应器运转障碍。这引发了笔者对“如何应对厕所长期停用这一特殊情况”的思考。实践成果证明，该项目对于整合生物、建筑、生态学等多学科的知识用于旧建筑加建厕所的问题处理上有正面作用。

3 建筑预制件拼装技术结合免水生物制肥技术应用于乡村人居的可适性

在乡村规划项目的研究过程中，项目组发现亚热带地区乡村民居卫生间建设由于人口居住密度较小、排污管道系统铺设不经济等原因，存在较为严重的排污问题。借由本项目的成功实践经历，证明了该项目的技术可行性，项目组提出“建筑预制件拼装技术结合免水生物制肥技术应用于乡村居住建筑”的想法，主要有如下特点。

资金投入。免水生物制肥型厕所对比传统厕所增加了生化反应器设备，节省了粪污处理和开挖下水道的费用，在污水管道铺设困难、供水不足的地区有非常突出的优势。项目中两个厕所的初步建造费用约为3 万元，如若建造材料与设备得以批量生产，造价预期可减半。

微生物原种的国产化。二十世纪初，随着我国各大科研机构、高校如华南理工大学等对降解菌原种的筛选、驯化、强化、纯化方面的关键技术的发展，优质的国产免水生物降解型生态厕所专用菌剂已投入批量生产与应用。

安装轻便。预制件拼装技术的应用大大提高了建造的便捷性，后期优化后的设计模型预计一个厕所可由2 ～3 个成年人在3 ～5 天内完成组装。

结合农村养殖业。亚热带地区仍有一定数量的乡村地区家庭从事传统农业工作，家庭蓄养牛羊、鸡鸭，其粪便处理仍是一个问题。运用免水生物制肥型厕所的家庭，可直接将动物粪便倒入生化反应器，降解后转化为有机肥，用于农作物种植或家庭绿化景观施肥。

在地理条件特殊地区的使用。山岳型乡村由于山势险峻，且民居分散范围广，建设完整的排污管道系统不太经济[2]。新技术的免水生物制肥型厕所具备占地小和免下水道的优势，对地理条件没有要求，可以更好地发挥作用。

在实践过程中发现如下问题仍需解决。造价方面，需要有相关厂家实现规模化设计与生产，方可达到预期成本。目前项目适合在首层使用，二层及以上建筑需要考虑更多的结构、防水、技术的处理。厕所长时间停用时，设备的维护问题尚待解决。

4 结语

实践证明，“预制件拼装技术结合免水生物制肥技术”应用于农村地区旧建筑加建厕所，作为农村核心家庭卫生间使用是可行的。该厕所可增加太阳能发电系统，由结构系统、墙面系统、水电系统、生化反应器系统、屋面种植系统、太阳能发电系统等部分组成，构建一个相互联系、物质能量相互转化的生态循环系统。