基于系統(tǒng)動力學(xué)的建筑垃圾產(chǎn)量影響因素研究

（吉林建筑大學(xué)經(jīng)濟與管理學(xué)院 吉林長春 130118）

0 引言

建筑垃圾指的是人們在從事拆遷、建設(shè)、裝修等建筑業(yè)的生產(chǎn)活動中產(chǎn)生垃圾的統(tǒng)稱，主要包括渣土、廢舊混凝土、廢舊磚石及其他廢棄物等［1］。建筑垃圾源于眾多方面，比如建筑施工方面，建筑物管理人員的專業(yè)素質(zhì)不同、工人的操作技能等都會對建筑垃圾產(chǎn)量有影響；建筑裝潢過程中，垃圾源于裝修過程的剩余料；建筑物拆遷過程中，垃圾的產(chǎn)生主要是與建筑物自身的功能作用以及建筑物自身結(jié)構(gòu)相關(guān)，例如鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)和鋼結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的建筑垃圾就不相同。建筑業(yè)與工業(yè)化和城市化進(jìn)程的發(fā)展密切關(guān)聯(lián)。近年來，工業(yè)化和城市化發(fā)展迅速，因此，相伴而生的建筑垃圾逐漸增多。我國目前建筑垃圾的數(shù)量在城市垃圾總量中已超過1/3［2］。確定建筑垃圾產(chǎn)量的主要影響因素，妥善處理建筑垃圾已成為一個具有重要意義的研究課題。

建筑垃圾產(chǎn)量受諸多因素的影響，近些年，國內(nèi)學(xué)者對建筑垃圾產(chǎn)量的影響因素進(jìn)行了廣泛研究。符曉［3］通過文獻(xiàn)綜述、問卷調(diào)查、數(shù)據(jù)分析的方法，分析建筑垃圾產(chǎn)量的影響因素，主要包括管理系統(tǒng)、建筑材料、施工設(shè)計、成本等；周鮮華［4］等分析了我國建筑垃圾的增長趨勢，指出建筑垃圾產(chǎn)量主要受城市化發(fā)展、建筑項目過多等因素的影響；賀艷萍［5］使用文獻(xiàn)調(diào)查法、博弈論等方法，建立博弈論模型，認(rèn)為建筑垃圾產(chǎn)量主要受建筑設(shè)計階段、施工階段、拆除階段等方面的影響。本文的研究就是以這些現(xiàn)有的研究成果為基礎(chǔ)。

無論是基于灰色關(guān)聯(lián)度的模型分析還是文獻(xiàn)調(diào)查法所得出的結(jié)論，這些現(xiàn)有構(gòu)建模型的方法側(cè)重在靜態(tài)學(xué)的角度對建筑垃圾產(chǎn)量的影響因素進(jìn)行研究。然而這些類似的方法還不足以系統(tǒng)地顯示建筑垃圾產(chǎn)量與影響因素間的復(fù)雜關(guān)聯(lián)性。這些方法得到的結(jié)果階段性較強，易忽略建筑垃圾產(chǎn)量影響因素的復(fù)雜多變性和長期性。相比之下，系統(tǒng)動力學(xué)具有模擬復(fù)雜系統(tǒng)及其內(nèi)部關(guān)聯(lián)的優(yōu)勢，能有效反映出建筑垃圾產(chǎn)量與影響因素之間復(fù)雜的參數(shù)關(guān)系［6］。國內(nèi)學(xué)者 H.P.Yuan［7］運用系統(tǒng)動力學(xué)的方法，在收集深圳某建設(shè)項目的混凝土和骨料相關(guān)數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，構(gòu)建成本-效益分析模型，突出表現(xiàn)了建筑垃圾管理成本和效益的動態(tài)和復(fù)雜的關(guān)聯(lián)關(guān)系，分析了建筑垃圾管理實踐及其成本效益。本文以系統(tǒng)動力學(xué)方法為切入點，旨在研究建筑垃圾產(chǎn)量及其影響因素之間的動態(tài)關(guān)系［8］。構(gòu)建建筑垃圾產(chǎn)量及其影響因素的模型，使用Vensim軟件建立仿真系統(tǒng)模擬城市建筑垃圾現(xiàn)狀，最后得出建筑垃圾產(chǎn)量與影響因素之間的關(guān)系曲線，根據(jù)曲線分析控制建筑垃圾產(chǎn)量的關(guān)鍵。

1 關(guān)鍵變量及行為關(guān)系模型構(gòu)建

Vensim是一個可觀念化、可文件化、可模擬、分析及最佳化動態(tài)系統(tǒng)模型的圖形接口軟件，可用來建立因果循環(huán)流程圖（casual loop）、存貨（stock）與流出量流程圖等相關(guān)模型［10］?；赩ensim軟件，建立模型，能夠充分展現(xiàn)系統(tǒng)變量（影響因素）之間的因果關(guān)系，明確各變量的輸入與輸出間的關(guān)系，便于使用者獲取模型架構(gòu)、明確關(guān)鍵影響因素等。

（1）變量選取。影響建筑垃圾產(chǎn)量的因素眾多，本文選取了10個關(guān)鍵影響因素來進(jìn)行仿真模擬，包括建筑施工產(chǎn)生的建筑垃圾量、建筑拆除產(chǎn)生的建筑垃圾量、建筑施工面積增長率、建筑拆除面積增長率、環(huán)保意識、政策因素、環(huán)境污染、建筑垃圾循環(huán)利用量、建筑垃圾填埋量、建筑垃圾循環(huán)利用率。其中：

建筑施工過程中會產(chǎn)生渣土、棄土以及棄料、余泥等廢棄物；建筑拆除過程中因拆除方法不當(dāng)，垃圾利用效率低，或者尚未達(dá)到使用壽命即被拆除，勢必會造成建筑垃圾產(chǎn)量的增加。建筑施工面積增長率和建筑拆除面積增長率反映了我國建筑面積的發(fā)展變化，因此對建筑垃圾產(chǎn)量也有影響。一些建筑物尚未達(dá)到使用壽命即被拆除，不僅造成建筑垃圾產(chǎn)量的增加，而且會造成大氣污染，增加環(huán)境治理成本。

環(huán)保意識影響著建筑參與方的垃圾管控行為，提高環(huán)保意識對減少建筑垃圾產(chǎn)量有重要的作用。

政策因素有助于正確引導(dǎo)參建各方的行為，政府扶持力度影響參建各方是否愿意去進(jìn)行綠色施工。因此，政府因素也是影響建筑垃圾產(chǎn)量的關(guān)鍵因素之一。

目前采用的建筑垃圾處理方式主要是填埋處理。建筑垃圾隨意填埋不僅占用土地資源，還會降低土壤質(zhì)量。合理有效的建筑垃圾處理方法直接影響建筑垃圾產(chǎn)量。因此選取建筑垃圾填埋量、建筑垃圾循環(huán)利用量等因素作為建筑垃圾產(chǎn)量的關(guān)鍵因素。

（2）模型的系統(tǒng)行為關(guān)系圖（圖1）。以明確的影響因素為基礎(chǔ)，構(gòu)建建筑垃圾產(chǎn)量的系統(tǒng)行為關(guān)系圖，見圖1。

（3）模型的基本假設(shè)。模型建立，主要做了以下幾方面的假設(shè)［11］：①政策因素和環(huán)保意識影響著參與主體對建筑垃圾的行為方式。②政策因素和環(huán)保意識被認(rèn)為對建筑垃圾產(chǎn)量的影響是正關(guān)系。以上假設(shè)的原理是：近幾年國家發(fā)布一系列的政策法規(guī)。如，2014年2月，工程和信息化部、科技部發(fā)布了《2014-2015年節(jié)能減排科技專項行動方案》，將“建筑垃圾處理和再生利用技術(shù)設(shè)備”列為“節(jié)能減排先進(jìn)適用技術(shù)推廣應(yīng)用”重點任務(wù)；2016年8月，國家發(fā)展改革委發(fā)布的《循環(huán)發(fā)展引領(lǐng)計劃》（征求意見稿），發(fā)布加強建筑垃圾管理及資源化利用工作的指導(dǎo)意見，制定建筑垃圾資源化利用行業(yè)規(guī)范條件等。因此，在本模型中，政策因素和環(huán)保意識對于對建筑垃圾產(chǎn)量的影響被認(rèn)為是正關(guān)系。本文通過表函數(shù)來估計政策因素、環(huán)保意識與建筑垃圾產(chǎn)量之間的量化關(guān)系。

2010年，我國建筑垃圾資源化利用率不足5%［12］。相對應(yīng)建筑垃圾問題的政策和細(xì)化辦法近幾年才不斷出現(xiàn)，因此，本文選擇2012～2017年這6年的建筑垃圾相關(guān)數(shù)據(jù)作為模型建立的基礎(chǔ)，并以此對未來幾年建筑垃圾產(chǎn)量進(jìn)行預(yù)測。

2 系統(tǒng)行為模型量化及驗證

2.1 參數(shù)估計

系統(tǒng)動力學(xué)模型有常數(shù)值、初始值、表函數(shù)等函數(shù)類型，本文中參數(shù)估計主要采用調(diào)查數(shù)據(jù)法和常見的數(shù)學(xué)方法等。

量化圖各因素值如下：

（1）建筑施工面積的確定由國家統(tǒng)計局的數(shù)據(jù)得到，如圖2所示。從圖2可知，房屋施工面積在2014～2017年變化幅度基本趨于緩和，故采用這4年的平均值作為建筑施工的初始值，即 1268139.12萬 m2。

（2）2012～2017 年建筑拆除面積的變化如表1所示。將2012～2016年的建筑拆除面積數(shù)據(jù)及其對數(shù)值作為基礎(chǔ)，得到數(shù)學(xué)方程為：

Y=0.12X-239.3（其中X指年份，Y指建筑拆除面積的對數(shù)）。

以此方程為依據(jù)建立表函數(shù)，得到建筑拆除面積的增長率，并將2012年的建筑拆除面積作為初始值。

表1 2012年～2016年我國建筑拆除面積統(tǒng)計

（3）由統(tǒng)計得，建筑拆除單位面積產(chǎn)生的建筑垃圾產(chǎn)出系數(shù)906.7～1335.5kg/m2，前瞻保守取值為1.0t/m2。建筑施工單位面積的產(chǎn)出系數(shù)相對較低。因此，本模型綜合考慮建筑施工和建筑拆除，將建筑垃圾單位面積產(chǎn)出系數(shù)定位0.64t/m2［13］。本模型取2012年的建筑垃圾產(chǎn)量作為初始值，即84600萬t。

（4）建筑垃圾具有極大的可回收利用價值，目前我國建筑垃圾資源化回收再利用程度較低，利用率僅為5%左右。

（5）就目前來看，填埋處理在我國是建筑垃圾的主要處理方式，填埋所占比重約為0.47.

2.2 表函數(shù)的確定

本模型采用Vensim軟件構(gòu)建的表函數(shù)的函數(shù)形式如下：

Y=withloopup （X，（［（Xmin，Ymin）-（Xmax，Ymax）］（X1，Y1），（X2，Y2）......（Xn，Yn）））

2.3 模型有效性檢驗

直觀檢驗、運行檢驗、歷史檢驗以及靈敏度分析是系統(tǒng)動力學(xué)模型的4種有效性檢驗方法［14］。有效檢驗方法的目的是為驗證模型與實際情況的符合度，驗證模型是否反映了實際系統(tǒng)的特征和變化規(guī)律。本文首先采用直觀檢驗和運行檢驗2種檢驗方法來驗證模型的合理性。

（1）直觀檢驗。主要是用來檢驗?zāi)Ｐ偷囊蚬P(guān)系是否合理，每個變量之間的關(guān)系是否恰當(dāng)，變量公式表述是否合理，量綱是否一致。本文是以大量文獻(xiàn)資料為基礎(chǔ)的，力求使模型結(jié)構(gòu)與實際系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)盡量一致。

（2）運行檢驗。為驗證建筑垃圾增加量模型的穩(wěn)定性，選擇DT=1、DT=0.5、DT=0.25進(jìn)行仿真，即選取3個不同的仿真步長 （也就是不同的仿真時間間隔）進(jìn)行模擬仿真并加以分析，得出如圖3所示仿真比較結(jié)果。通過比較，顯示系統(tǒng)的行為基本穩(wěn)定。（系列1、系列2、系列3分別代表DT=1、DT=0.5、DT=0.25，是建筑垃圾增加量的變化趨勢）

3 模型仿真模擬及結(jié)果分析

系統(tǒng)模型利用2012～2017年的數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，對模型中的水平變量（即建筑垃圾增加量）進(jìn)行模擬仿真，得到結(jié)果如圖4所示。

由圖4可知建筑施工產(chǎn)生的建筑垃圾量在2015年逐漸趨于穩(wěn)定，表明我國推行的綠色建筑已經(jīng)取得了一定成效。由圖5可以得出，建筑拆除導(dǎo)致的垃圾產(chǎn)量隨年份大致呈正比例增長關(guān)系。但建筑拆除和建筑施工2者的結(jié)合導(dǎo)致建筑垃圾產(chǎn)量的上升速率逐漸變緩。而且，由圖4可以看出，建筑垃圾產(chǎn)量的變化趨勢與建筑施工產(chǎn)生建筑垃圾量的曲線變化形式基本一致。這是因為我國城市化發(fā)展速度較快，每年新增建筑施工面積大，導(dǎo)致大量建筑垃圾的產(chǎn)生。

圖6顯示的是建筑垃圾增加量和建筑垃圾產(chǎn)量的變化趨勢圖。可以看出，2012～2017年建筑垃圾產(chǎn)量仍呈上升趨勢，2017年之后逐漸趨于穩(wěn)定。

圖7顯示建筑垃圾處理量的變化趨勢圖，可以得出結(jié)論：建筑垃圾處理量逐年上升，建筑垃圾資源化利用率在逐步提高。

對于圖6、圖7變化趨勢，歸結(jié)原因如下：

（1）與我國近年來對建筑垃圾采取的相關(guān)政策有關(guān)。例如，2013年6月成立的中國環(huán)境衛(wèi)生協(xié)會建筑垃圾管理與資源化工作委員會，建立專門的建筑垃圾處理的法律監(jiān)管部門。監(jiān)管體系的完善對于減少建筑垃圾產(chǎn)量有很大的作用；2014年2月，科技部、工業(yè)和信息化部組織制定的 《2014～2015年節(jié)能減排科技專項行動方案》，將“建筑垃圾處理和再生利用技術(shù)設(shè)備”列為“節(jié)能減排先進(jìn)適用技術(shù)推廣應(yīng)用”重點任務(wù)等。由建筑垃圾產(chǎn)量曲線的趨勢來看，相關(guān)政策的實施起到了很大作用。

（2）與我國近年來大力發(fā)展裝配式建筑有一定的關(guān)系?！笆濉逼陂g，我國裝配式建筑工程量將達(dá)到總工程量的30%以上。裝配式建筑就是由工廠做好的預(yù)制構(gòu)件在工地上直接裝配而成的建筑。其優(yōu)點之一就在于能夠減少工地現(xiàn)場作業(yè)量。因此，裝配式建筑的發(fā)展有利于從建筑施工和建筑拆除上減少建筑垃圾的產(chǎn)量。

（3）由建筑垃圾處理量的曲線走勢，可以看出，我國在建筑垃圾處理方面取得了一定成果。目前，我國建筑垃圾處理主要從填埋處理和循環(huán)利用2方面入手。因此，我國應(yīng)該繼續(xù)加大對建筑垃圾處理技術(shù)的研發(fā)和應(yīng)用，提高建筑垃圾循環(huán)利用率，同時嚴(yán)格管控建筑垃圾隨意傾倒現(xiàn)象，做好集中處理。

（4）建筑垃圾產(chǎn)量的增長速率小于建筑垃圾處理量的增長速率，但研究結(jié)果顯示建筑垃圾增加量仍在上升。這說明，相比于建筑垃圾產(chǎn)生量，目前建筑垃圾處理能力稍顯不足。因此，應(yīng)加強對建筑垃圾處理的進(jìn)一步研究，加強建筑垃圾循環(huán)利用等。

系統(tǒng)動力學(xué)模型在預(yù)測復(fù)雜事物的動態(tài)變化趨勢上有很大優(yōu)勢，本文利用模型，以近幾年數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，對未來建筑垃圾量變化趨勢進(jìn)行預(yù)測，得到結(jié)果如圖4、5、6、7所示。結(jié)果表明，建筑垃圾產(chǎn)量和建筑垃圾增加量的增長趨勢逐漸變慢，甚至有下降的趨勢。建筑垃圾處理量的增長速率會越來越大。

4 結(jié)語

本文選取10個關(guān)鍵影響因素展開建筑垃圾產(chǎn)量系統(tǒng)行為關(guān)系的研究，提出基于系統(tǒng)動力學(xué)的建筑垃圾產(chǎn)量系統(tǒng)行為關(guān)系圖，初步實現(xiàn)建筑垃圾產(chǎn)量現(xiàn)狀及預(yù)測仿真分析，為更好地研究建筑垃圾產(chǎn)量系統(tǒng)及其內(nèi)部各因素之間的動態(tài)關(guān)系提供了理論基礎(chǔ)和實踐依據(jù)。我國處在城市化迅速發(fā)展階段，不可避免的會有建筑施工和建筑拆除項目。本文研究成果顯示，建筑施工是建筑垃圾產(chǎn)生的主要來源。我國近年來發(fā)布的相關(guān)政策和綠色建筑的推廣已經(jīng)取得了一定的成效；我國建筑垃圾循環(huán)利用率發(fā)展空間很大。

在今后的研究中，將在本文研究的基礎(chǔ)上，通過增加建模方面的知識，進(jìn)一步加強模型結(jié)構(gòu)的復(fù)雜程度，如將國家宏觀GDP等因素考慮在內(nèi)，進(jìn)一步完善模型結(jié)構(gòu)。