塑料垃圾再生用于建筑设计前瞻性研究——以塑料生态塔设计为例

陈俊宇， 黄更

（东华大学）

1 引言

塑料再生是指废弃塑料经过预处理、熔融造粒、改性等物理或化学方法加工后得到的塑料原料，是塑料的再利用。而3D打印即增材制造技术，是一种以数字模型文件为基础，运用粉末状金属或塑料等可粘合材料，通过逐层打印的方式来构造物体的技术。论文通过考察上海部分垃圾回收厂的点位和规模，确定适合塑料生态落脚的点位。以废弃塑料为原料进行3D 打印，通过反复的对比，结合环境场地和使用方式的便利性、可行性，选取了FDM 熔融沉积的方式，将其融合入生态塔中，运用多变的设计手段将理论科学性与现实相结合，以建筑的形式去探索完成塑料垃圾再生材料应用。

2 传统塑料再生方式及3D打印机

塑料垃圾被回收后的再生方法有：熔融再生技术，能量回收技术，热裂解技术，回收化工原料技术及其他等[1]。熔融再生是将塑料垃圾加入新的塑料块进行混炼处理后，加热使其融化混合后形成二次料。当然二次料使用完成后也可以进行再次的熔融再生，只不过越往后，塑料的品质也就越差，性能也会减弱。熔融再生还有另一种形式就是回收塑料厂生成出的多余边角料进行回收，这种产生的塑料性能更好[2]。熔融沉积快速成型，使用热塑性塑材料被加热后熔化，随着喷嘴沿着零件的截面轮廓和填充轨迹运动，材料在熔化后能快速凝固形成层层堆叠[3]。传统3D 建筑打印机的设计原理比较简单，但是施工程序相对复杂。由于打印混凝土要考虑到材料的快速凝固能力和快速附着能力，以及在外界不同环境因素的干扰，因此一般来说其打印出的建筑体态较小，且建筑外表皮有些粗糙[4]。

3 塑料生态塔方案设计

3.1 塑料生态塔基本策略原则

塑料生态塔的概念从四个方面入手：

①对目前的塑料垃圾的回收政策做出理性的思考，根据需求制定属于塑料生态塔的回收流程。

②通过对塑料材料的研究，在满足符合建筑要求的前提下，从材料的处理手段入手，优选合理的塑料再生手段，来形成设计基础。

③研读3D打印机的打印方式，分析目前技术水准，设计3D 打印机的运作模式和选用材料，材料须具有较高的强度、韧性和防火性。在满足基础条件的成立之后，确定建筑的生长形式、功能发布、动线规划等。

④多元化、包容性的技术运用，使得大部分的塑料垃圾都能够进行另一种方式的再利用。最后再对照相应的处理装置进行废弃物的处理，形成环保排放。

3.2 塑料生态塔设计意义

塑料垃圾的处理仍是困扰中国乃至世界的一大问题，回收处理技术的进步和政策的改进都促成了一个良好的大背景。因此笔者试探性地将塑料再生技术和3D打印自生长技术相融合，汲取国内外优秀案例，大胆合理地做出设计探索。对于塑料生态塔来说，首先是一个解决塑料垃圾回收的地方，通过指定的垃圾分类方式，能够有条理、目的性的解决城区中塑料垃圾的回收；其次生态塔将塑料垃圾进行分类处理，提取部分难利用的垃圾进行发电，其余的使用红外分离器筛选，经过热熔再生和改性处理，形成所需的二次塑料原料；一部分塑料被输送到城市的各个工厂进行再加工；另一部分通过3D打印技术进行自生长，且利用塑料发电带来的能源自给自足。连成区域的生态塔能够形成集群效应，使得整个区域形成一个良好的内循环。

3.3 3D打印机应用策略

由于3D 打印机是架在中间的核心筒进行向上生长，因此核心筒的结构和与打印机的交界处要有专门合理的设计。对于核心筒的结构将参考吊塔的结构，使用模块化的单元件进行重复向上的组装。3D打印机在完成一定高差的打印任务后，由底部的千斤顶装置，将其上抬到一个单元的高度，填入单元件，进行下一高度的打印。

4 塑料生态塔方案设计分析

4.1 塑料生态塔的项目选址

项目选址在有着很好指导政策和技术条件的上海市。上海市对塑料的生产排在全国中游位置，但是对于塑料的消费和塑料垃圾的排放却是排在前列，因此中国上海有着很好的条件去完成此次设计。由于塑料生态塔并不是一个孤立的存在，因此预计将在上海建造四座生态塔。选择地址为：上海老港生活垃圾处置厂（浦东新区）、叶榭镇垃圾和渣土处理厂（松江）、江桥镇残渣垃圾处理厂（嘉定）、浦东东道园综合养护公司作业场高桥垃圾压缩站（浦东新区）附近。

4.2 设计构思

此次实验性的塑料生态塔的主要目的是创造一个能够自生长并且能够再生输出的环保建筑，因此整个建筑可以总结分成三个部分：第一部分：回收利用中心，第二部分：3D 打印中心，第三部分：观测休闲中心。整个建筑的核心部分是回收利用中心，围绕着塑料再生和塑料发电的流程工序，为整个建筑打印提供基础，因此中心的内核应该有着严谨、稳定的钢架结构和地基。其次设计过程中建筑造型和内部构造在科学合理的前提下能够具有一定的美感和环境、社会价值。对于建筑周围的场地设计，力求满足动线和建筑其他功能的需求（废水处理，景观绿化等），并能够和建筑形式形成相互呼应之态。

4.3 设计方案分析

4.3.1 建筑的生成方式

建筑的生成的第一步就是中心核心区域的运转，因为上海地区属于软土层地区，因此使用摩擦桩来进行桩基础的构成，中间核心筒的基础是筑在30m深的钢筋混凝土桩上面，以保证稳固性[5]。其次配合塔吊和工人施工搭建出基本的钢结构框架，完成核心区域的搭建。第二部分，将塑料垃圾的处理功能安装至核心筒中，实现塔功能的基本运作，能够进行小部分的塑料再生和垃圾发电，逐渐形成材料生态化。第三部分，在中间核心筒和周围一圈的钢架结构上安装3D 打印机，开始塑料塔的打印生长。第四部分，建筑的整体向上旋转生长，同时也伴随着内部功能体块和建筑表皮的打印完成。第五部分，将通过工人安装表皮的塑料薄膜，使用无人机将苔藓溶液注射进单元内进行光合作用，实现环境生态化。第六部分，根据建筑的功能的需要和动线的合理性需求，规划道路，整体设计和建筑形式对应。打印生长形成的建筑像一棵树扎根在大地上，旋转向上的造型充满了科技感和艺术感（见图1）。

图1 建筑生成方式

4.3.2 建筑功能分析

打印完成的塑料生态塔功能一共可以划分为三个部分，最底层的是塑料回收利用再生区域；中间是观测休闲区域；最顶部是3D 打印机，三个区域由下到上加密相连，形成一个完整的建筑。内部细分后设供电室、废水处理室、地下水抽吸室、烟气处理室等。

4.3.3 建筑内核分析

建筑的生长主要依靠着下部分塑料回收再生区域，根据回收和利用的流程表，将用作再生处理的塑料垃圾和用于发电的塑料垃圾堆放在两片分开的储存池中。使用巨大的旋转传送装置，将它们分别送到指定工序，进行相应的生产处理。

4.3.4 建筑动线分析

建筑的动线主要分为四条，运输ASA、PC 塑料垃圾的运输路线；运输其他热熔性塑料垃圾的运输路线；产出再生颗粒的运输路线；行人路线。根据建筑的形式和功能要求来将他们合理的分开，保证输入和生产输出逻辑的合理性。

4.3.5 其他

1）“黏附细胞”的设计

在整个建筑的第二片区域，“黏附细胞”有观测和休闲的功能。整个空间由喷头内的塑料材质依次堆叠形成，内部没有装饰，力求能够将人们的注意点放置在建筑本身(见图2）。

图2 “黏附细胞”的样式与功能

2）3D打印机的细节特点

一个巨大的3D打印机安装在中央核心筒上，随着建筑物的打印而上升，带有一个伸缩装置和一个旋转轴，可以让打印机在x轴上自由打印，灵活的机械臂也能满足y，z方向的打印。3D打印机使用熔融沉积来进行数字打印。伸缩装置和旋转轴允许打印区域覆盖其自身大小的三倍，能够满足建筑横截面由宽到窄的打印需求。每个机械臂底端都装有旋转轴，形成全方位的打印覆盖面。

3）具有生态价值的建筑表皮和结构

由于苔藓喜欢潮湿和阴凉的地方，因此模块前端的开口从下端到上端逐渐变小，前方微微闭合的开口避免顶端的苔藓受到阳光的暴晒而衰败。由下而上扭动变化的表皮也带来了美感。参数化结构将每个单元连接起来，使建筑和表皮形成一个整体。单元内的苔藓经过光合作用后，通过后面的小孔输入到建筑内部，使观光厅内的人们可以呼吸到新鲜空气，预计一座生态塔的建筑表皮预计一年能产生100万斤的氧气。

5 结语

近几年随着碳达峰、碳中和绿色工业革命的到来，新型能源和可再生资源的开发与发展也成为了目标之一。目前煤炭、石油资源正日益减少，大家应当居安思危，寻找新型能源。本文通过发散性的思维将塑料垃圾再生和建筑联系在一起，对于塑料生态塔的研究不仅是对建筑的研究，更是对一种回收模式的探索和思考。