基于系統(tǒng)動力學(xué)的建筑廢棄物可持續(xù)管理及實證研究

毛 鵬， 孫小宇， 顧素素， 戴兆華

(南京林業(yè)大學(xué) 土木工程學(xué)院， 江蘇 南京 210037)

據(jù)統(tǒng)計，我國建筑廢棄物年產(chǎn)生量超過35億t，占城市垃圾排放量的70%[1]。雖然我國相繼頒布了一系列法律法規(guī)對建筑廢棄物處理進行規(guī)范[2,3]，但大多數(shù)建筑廢棄物仍被隨意處置，造成大量土地和建筑資源的浪費[4]，由此引發(fā)了一系列社會和環(huán)境問題[5,6]。因此，學(xué)者們對如何處理建筑廢棄物展開了大量研究。袁紅平等[7]運用系統(tǒng)動力學(xué)對廢棄物現(xiàn)場管理進行研究，研究表明減少設(shè)計變更、在施工現(xiàn)場對建筑廢棄物進行分類分揀、提高減量化意識等操作可以有效減少廢棄物的產(chǎn)生。劉華等[8]運用因子分析法，提取物流管理、現(xiàn)場分類與回收利用、人員管理和合同管理4個主因子，并以此為基礎(chǔ)運用Logistic回歸分析，結(jié)果表明，4個主因子對建筑廢棄物減量化管理都有顯著影響。迂曉軒等[9]為建筑工程垃圾的減量化提出了評價標(biāo)準(zhǔn)。然而，這些研究都集中在減量化管理，對建筑廢棄物的可持續(xù)管理研究尚顯不足。本文在識別建筑廢棄物管理影響因素，構(gòu)建建筑廢棄物可持續(xù)管理流動鏈后，引入環(huán)境效益指標(biāo)，運用系統(tǒng)動力學(xué)，從減量化、資源化與無害化三個維度綜合考慮，對建筑廢棄物流動的全過程進行環(huán)境效益分析，為建筑廢棄物管理者選擇最優(yōu)方案提供參考，實現(xiàn)建筑廢棄物可持續(xù)管理。

1 模型構(gòu)建

本文根據(jù)系統(tǒng)動力學(xué)建模方法和步驟，通過對大量文獻分析，識別出影響建筑廢棄物管理的主要因素，同時分析出這些因素作用于減量化、資源化、無害化的效果。在此基礎(chǔ)上，建立廢棄物管理、廢棄物產(chǎn)生與處置、廢棄物管理環(huán)境效益三個子系統(tǒng)。這三個子系統(tǒng)共同構(gòu)成了建筑廢棄物可持續(xù)管理綜合分析模型。

1.1 模型總體結(jié)構(gòu)

在施工階段實施建筑廢棄物可持續(xù)管理。首先進行減量化管理，在廢棄物分類分揀后，實施資源化與無害化管理，回收廢棄物或?qū)U棄物轉(zhuǎn)換成新物質(zhì)或?qū)U棄物用于能量轉(zhuǎn)換。當(dāng)廢棄物環(huán)境效益產(chǎn)生后，又會進一步激勵建筑廢棄物的管理，形成反饋。因此，三個子系統(tǒng)之間互相影響，共同構(gòu)成一個完整的建筑廢棄物可持續(xù)管理綜合分析模型，如圖1所示。

圖1 建筑廢棄物可持續(xù)管理綜合分析模型

1.2 子系統(tǒng)構(gòu)建

1.2.1 建筑廢棄物管理子系統(tǒng)

在國家法律法規(guī)及規(guī)章制度的要求下，政府等相關(guān)利益者會對建筑廢棄物管理進行投資；施工企業(yè)會培養(yǎng)內(nèi)部的建筑廢棄物減排文化，做到對建筑廢棄物現(xiàn)場分類分揀等最基本的管理。建筑廢棄物經(jīng)過分類分揀后，還需進行資源化、無害化處理?；谝陨戏治觯疚暮Y選出29個影響因素，構(gòu)建了建筑廢棄物管理子系統(tǒng)，如圖2所示。

圖2 建筑廢棄物管理子系統(tǒng)因果循環(huán)圖

從圖2可以看出，建筑廢棄物管理規(guī)章制度的逐步完善，會促使政府對建筑廢棄物管理進行投資。這些投資可以直接用于對施工企業(yè)人員的廢棄物管理培訓(xùn)，提高施工人員環(huán)保意識，提升企業(yè)內(nèi)部減排文化。在具有管理主動性后，企業(yè)會采取減廢措施。當(dāng)施工企業(yè)進行減量化管理時，可進行源頭減量化和過程減量化。在源頭減量化中，可以使用低廢棄物率的金屬模板、金屬腳手架、預(yù)制構(gòu)件，從而有效減少建筑廢棄物的產(chǎn)生，獲得良好的環(huán)境效益。反饋回路主要經(jīng)過減量化管理、資源化管理、無害化管理三個變量，經(jīng)過這三個變量反饋回路的情況如表1所示。

表1 建筑廢棄物管理子系統(tǒng)反饋回路情況匯總

1.2.2 建筑廢棄物產(chǎn)生與處置子系統(tǒng)

目前，國外的建筑廢棄物管理機制較為成熟，如德國建筑施工廢棄物利用率達到近90%[10]。而國內(nèi)建筑廢棄物處理大多還停留在“建筑原料—建筑物—建筑廢棄物—填埋”的傳統(tǒng)處理模式上。通過借鑒國外廢棄物處置方法，本文選擇了23個影響因素構(gòu)成產(chǎn)生與處置子系統(tǒng)，如圖3所示。

圖3 建筑廢棄物產(chǎn)生與處置子系統(tǒng)因果循環(huán)圖

從圖3可以看出，當(dāng)在施工階段采用建筑廢棄物管理措施時，建筑廢棄物的管理促進作用逐漸增加，通過源頭減量化使得在現(xiàn)場分類分揀的廢棄物減少，按照資源化與無害化管理要求，將建筑廢棄物分類分揀。砂漿、磚和砌塊、金屬可進行直接回收利用，如砂漿、磚和砌塊可用于公路地基填充、填海造地等，金屬可進行直接加工利用?；炷吝M行物質(zhì)轉(zhuǎn)換即二次加工，改變其性質(zhì)做成其他材料，如骨料、再生磚。木材可以能量轉(zhuǎn)換，進行焚燒發(fā)電。塑料若直接埋入土中會對土地造成污染，所以需要進行無害化處理。這樣就避免了廢棄物的非法傾倒或者直接運往填埋場填埋，從而帶來環(huán)境效益。反饋回路主要經(jīng)過物質(zhì)回收、物質(zhì)轉(zhuǎn)換、能量轉(zhuǎn)換、無害化處理四個變量，經(jīng)過這四個變量反饋回路的情況如表2所示。

1.2.3 建筑廢棄物管理環(huán)境效益子系統(tǒng)

環(huán)境效益是指在施工階段對建筑廢棄物進行減量化、資源化、無害化管理后， 環(huán)境負(fù)荷減少而產(chǎn)生的效益。目前對于環(huán)境效益的量化，主要指標(biāo)為全球變暖、資源消耗、能源消耗、占用土地空間等[11]。建筑廢棄物減少的環(huán)境效益可用資源、能源消耗以及二氧化碳指標(biāo)來量化[12]。廢棄物產(chǎn)生后一部分需要進行填埋，填埋不可避免會占用土地空間，因此用土地空間指標(biāo)來量化廢棄物填埋的環(huán)境影響。由此，本文篩選了21個影響因子構(gòu)建環(huán)境效益子系統(tǒng)，如圖4所示。

表2 建筑廢棄物產(chǎn)生與處置子系統(tǒng)反饋回路情況匯總

圖4 建筑廢棄物管理環(huán)境效益子系統(tǒng)因果循環(huán)圖

從圖4可以看出，當(dāng)在施工階段采用建筑廢棄物管理措施時，建筑廢棄物管理的促進作用逐漸增加，通過減量化使得在現(xiàn)場分類分揀的廢棄物減少。磚和砌塊、砂漿、金屬、混凝土、木材、塑料廢棄物的減少意味著節(jié)約了相應(yīng)的原材料。在生產(chǎn)這些原材料時需要消耗資源、能源，并排放二氧化碳，同時這些材料運輸?shù)绞┕がF(xiàn)場也需要消耗資源、能源，排放二氧化碳，因此材料的節(jié)省意味著資源消耗減少、能源消耗減少以及二氧化碳排放減少。傳統(tǒng)廢棄物處理方式是進行填埋，而填埋會占用大量的土地空間。當(dāng)廢棄物減少，相應(yīng)地占有的填埋空間也會減少，節(jié)約大量土地。除此以外，運往填埋場的廢棄物減少，在運輸方面消耗的資源能源以及排放的二氧化碳也會減少。這些構(gòu)成了廢棄物管理的環(huán)境效益，進一步促進廢棄物管理措施的實施。反饋回路主要經(jīng)過節(jié)省的材料量、廢棄物運輸減少量、廢棄物減少總量三個變量，經(jīng)過這三個變量反饋回路的情況如表3所示。

2 實證研究

2.1 案例概況

本文選取南京市某住宅項目進行案例分析。

表3 建筑廢棄物管理環(huán)境效益子系統(tǒng)反饋回路情況匯總

該項目結(jié)構(gòu)類型為框架剪力墻結(jié)構(gòu)，工期為700 d，大約24個月。建筑面積為69212.9 m2，其中地下室面積19293.1 m2。建筑層數(shù)為28層，高度為84.15 m。

2.2 模型參數(shù)確定

本模型部分參數(shù)需要通過實際項目訪談來確定，受訪對象在項目建設(shè)過程中均全程參與，有一定的工程經(jīng)驗，其中15年以上經(jīng)驗的占23%，9～15年的占17%，工齡超過3年的占80%。主要訪談內(nèi)容是對建筑廢棄物管理規(guī)章制度、施工現(xiàn)場分類分揀和金屬模板等建筑廢棄物管理措施的采用情況進行了解。這些建筑廢棄物管理措施分為完全不采用、極少采用、部分采用、大量采用、完全采用五種情況。應(yīng)用加權(quán)平均法對五種情況進行賦值，將定性因素轉(zhuǎn)換為定量因素Di，得到如下計算公式[13]。

(1)

式中：Sj為五種情況中第j種情況的賦值；Mij為采用第i種措施時，選擇第j種情況的人數(shù)。根據(jù)式(1)得到的模型中各措施參數(shù)值如表4所示。

表4 模型各措施參數(shù)值

2.3 模型檢驗及模擬結(jié)果

本文對建筑廢棄物可持續(xù)管理綜合分析模型主要進行結(jié)構(gòu)適合性檢驗以及行為適合性檢驗，即系統(tǒng)邊界檢驗、極端條件檢驗、敏感性檢驗。其中，系統(tǒng)邊界檢驗在構(gòu)建因果回路圖時已貫穿其中，構(gòu)建的模型基本符合建筑廢棄物管理的規(guī)律。極端性檢驗以公眾填埋率為例，進行極端性檢驗。公眾填埋率的取值范圍在[0,1]區(qū)間內(nèi)，將公眾填埋率分別取值0，0.5，1，結(jié)果表明在公眾填埋率為0.5，1的情況下，建筑廢棄物公眾填埋量的曲線變化趨勢是一致的。敏感性檢驗以非法傾倒廢棄物為例，分別將廢棄物非法傾倒率變量取值0，0.25，0.5，0.75，1這5個數(shù)值，結(jié)果表明隨著非法傾倒率的數(shù)值增大，建筑廢棄物的非法傾倒量也隨之升高，這與事實相符。其他關(guān)鍵變量進行極端性檢驗與敏感性檢驗后，均有較好效果。綜上，本文模型通過了檢驗，可以用來對建筑廢棄物的可持續(xù)管理進行綜合分析。

實證模型模擬期為24個月，本文分別對建筑廢棄物的產(chǎn)生、建筑廢棄物的處置、建筑廢棄物管理的環(huán)境效益進行模擬分析，至模擬期結(jié)束共減少廢棄物2635.36 t，二氧化碳排放減少1.43×106kg，能源消耗節(jié)省361071 kgce，大大降低了能源的消耗并減少了二氧化碳的排放。

2.4 情景分析

2.4.1 單因素情景分析

本文在建筑廢棄物管理子系統(tǒng)的關(guān)鍵變量中選取主回路的建筑廢棄物管理規(guī)章制度變量，其他回路的承接減量化與資源化、無害化的施工現(xiàn)場分類分揀變量以及低廢棄物率的金屬模板變量，分別進行單因素情景分析。

情景1：建筑廢棄物管理規(guī)章制度

在建筑廢棄物管理系統(tǒng)中，積極遵守建筑廢棄物管理規(guī)章制度會促進建筑廢棄物管理措施能夠進行有效實施。因此，為研究不同強度的建筑廢棄物管理規(guī)章制度對建筑廢棄物減少量的影響，以模型的初始值0.207(初始情景)代表較低強度的管理規(guī)章制度為基礎(chǔ)，設(shè)置了情景1-1、情景1-2兩種不同情況，分別代表中等強度和較高強度的管理制度，不妨令兩種情景的建筑廢棄物管理規(guī)章制度值分別為0.5和0.8，該取值不影響分析結(jié)論。從表5可以看出，建筑廢棄物管理規(guī)章制度的初始值越大，各類建筑廢棄物的減少量越多。當(dāng)繼續(xù)提高其初始值，即達到0.8時，建筑廢棄物減少的改善指數(shù)變化趨緩，表明規(guī)章制度增強到一定程度時，建筑廢棄物的管理力度會趨于穩(wěn)定。

表5 建筑垃圾管理規(guī)定模擬結(jié)果

情景2：施工現(xiàn)場分類分揀

施工現(xiàn)場分類分揀是建筑廢棄物減量化管理的關(guān)鍵因素，在建筑廢棄物管理系統(tǒng)中現(xiàn)場施工人員進行分類分揀會對建筑廢棄物資源化、無害化管理產(chǎn)生影響。以模型的初始值0.31(初始情景)代表較低強度的施工分類分揀，設(shè)置情景2-1，2-2兩種情況分別代表中等強度和較高強度的分類分揀，研究對建筑廢棄物減少量的影響。同樣可以令兩種情景的施工現(xiàn)場分類分揀值分別為0.5和0.8。通過模型中建筑廢棄物分類分揀值的改變，觀察建筑廢棄物分類分揀對建筑廢棄物處置結(jié)果的影響。由表6可知，通過加強分類分揀可以實現(xiàn)建筑廢棄物的資源化和無害化處理，從而使被填埋和非法傾倒的建筑廢棄物減少，進一步能夠減少土地空間的占用量。

表6 建筑廢棄物分類分揀情景模擬結(jié)果

情景3：金屬模板

金屬模板可以重復(fù)使用，因此使用金屬模板可以有效減少建筑廢棄物的產(chǎn)生。為研究金屬模板對建筑廢棄物減少量的影響，同樣以模型的初始值0.156(初始情景)代表較低強度的金屬模板利用，設(shè)置情景3-1、情景3-2兩種情況，分別將金屬模板值設(shè)為0.5和0.8，代表中等強度和較高強度的金屬模板利用。通過模型中建筑廢棄物金屬模板值的改變，觀察金屬模板對環(huán)境效益的影響(表7)。采用金屬模板替代傳統(tǒng)的木模板能夠大量節(jié)約森林資源，保護環(huán)境。因此相比較于土地空間、二氧化碳排放以及能源消耗等方面的改善，加大金屬模板的使用對資源消耗的改善效果更加顯著。

表7 建筑廢棄物使用金屬模板情景模擬結(jié)果

2.4.2 多因素情景分析

情景1至情景3只是對單一因素進行情景分析，但在實際情況中建筑廢棄物管理不可能只是進行一項管理措施。限于篇幅，本文僅討論3個因素共同作用的情景。由此將情景1至情景3中的變量結(jié)合，以0.5為任一因素的定值，改變另外兩種因素的值，生成情景4(如表8)，進行3個因素的情景模擬，觀察建筑廢棄物減少量、處置減少量以及環(huán)境效益的變化，結(jié)果如表9所示。

表8 各種因素在不同情景下的取值

表9 三因素共同作用的情景模擬

從表9中可以看出，除木材廢棄物以外，各類建筑廢棄物在4-3情景下改善指數(shù)最大，在4-2情景下改善指數(shù)次之，最小的為4-1情景下的改善指數(shù)。由此得知建筑廢棄物管理規(guī)章制度在三種因素中最為重要。當(dāng)建筑廢棄物管理規(guī)章制度開始制定并逐漸加強完善時，建筑廢棄物管理在施工階段將會得到重視，并按照規(guī)章制度的要求去實施，從而促進建筑廢棄物在管理過程中分類分揀、物質(zhì)轉(zhuǎn)換、物質(zhì)回收等一系列管理措施的實施。分類分揀因素是三個因素中重要程度僅次于建筑廢棄物管理規(guī)章制度的因素。當(dāng)進行源頭減量化后建筑廢棄物需要進行分類分揀，才能將建筑廢棄物一部分資源化，一部分無害化。表9中木材廢棄物受金屬模板的影響較大，金屬模板是源頭減量化措施中的一部分，將金屬模板代替木模板能夠大量減少木材廢棄物的產(chǎn)生，但也僅僅影響木材廢棄物，因此在三個因素中影響力較小。但在環(huán)境效益中，木材在資源消耗節(jié)省方面占較大比重，在4-2情景中即在建筑廢棄物規(guī)章制度和金屬模板雙重因素的作用下，資源消耗節(jié)省量改善指數(shù)最大。情景分析結(jié)果表明，在建筑廢棄物管理中單一管理達到的效果有限，當(dāng)三種因素共同作用于建筑廢棄物管理時，建筑廢棄物可持續(xù)管理的效果極大提升。

3 結(jié) 語

隨著我國城鎮(zhèn)化進程的加快，建筑廢棄物所帶來的各種問題也逐漸引起社會各方面的重視。本文通過將減量化、資源化、無害化三者相結(jié)合，確定了三者之間的關(guān)系，構(gòu)建了一條建筑廢棄物可持續(xù)管理流動鏈；另外，結(jié)合系統(tǒng)動力學(xué)，建立了建筑廢物可持續(xù)管理綜合分析模型；并將該模型應(yīng)用于實際案例進行仿真模擬，探究出了建筑廢棄物可持續(xù)管理對環(huán)境所造成的影響，進而驗證了建筑廢棄物可持續(xù)綜合管理的必要性；最后，本文通過對單因素及多因素進行情景分析，總結(jié)出了建筑廢棄物具體管理措施之間相互協(xié)調(diào)，實現(xiàn)建筑廢棄物管理的最優(yōu)方法，對實現(xiàn)碳達峰、碳中和，全面邁向低碳社會、實現(xiàn)建筑業(yè)的高質(zhì)量發(fā)展具有重要意義。同時，也為政府相關(guān)部門進一步制定建筑廢棄物管理的相關(guān)法律法規(guī)提供了參考。