基于系統(tǒng)動力學的建筑廢料回收管理*

馮玉龍 王憲芳 藍志鵬 馮群

(1.水發(fā)數字科技有限公司，山東 青島 266100；2.濟南大學，山東 濟南 250002)

0 引言

在我國城市化進程中，建筑拆除、改建以及新建產生了堆積如山的廢料，這些廢料或被簡單填埋或被隨意丟棄，對市容市貌和城市生態(tài)環(huán)境造成巨大破壞，違背了綠色發(fā)展理念。有關研究報告表明，目前我國每年產生的建筑廢料為15億～24億t[1]，占居民城市廢料總量的40%。如果不能有效處理這些建筑廢料，不僅浪費土地資源、建筑材料和能源，還會造成事故和災難，危害公共安全。

在國外，建筑廢料是重要的回收再利用資源。反觀我國，很多建筑廢料并沒有得到很好的回收利用，建筑廢料的回收利用率遠低于各發(fā)達國家。造成我國建筑廢料處理不當的原因有很多，諸如相關法律法規(guī)不健全、監(jiān)管體系不完善、執(zhí)法力度不夠、建筑廢料回收處理基礎設施投入不足、建筑廢料處理技術不成熟、回收管理產業(yè)鏈落后、公眾回收再利用觀念淡薄等。做好建筑廢料的回收利用是踐行“美麗中國”的重要環(huán)節(jié)，是我國解決建筑廢料圍城的有效途徑，既可以化解消耗大量建筑廢料，又能在一定程度上“變廢為寶”循環(huán)利用。在此背景下，建筑廢料的回收管理顯得極為重要。

1 文獻綜述

Bizcocho[2]等(2019)研究了生命周期評價(LCA)在固體廢物管理環(huán)境評價中的應用，對西班牙的新建筑進行了案例研究，提出了優(yōu)化和替代預防措施，并利用通用模型對4種建筑廢料管理方案進行了比較。Ouda等[3](2018)研究了沙特阿拉伯的建筑廢料管理，調查了沙特阿拉伯東部省份KSA的81家建筑公司，以確定哪些因素嚴重影響該國建筑廢料的可持續(xù)管理，結果發(fā)現大部分建筑廢料都是有潛力的可回收建筑材料的來源，如碎石、金屬和沙子。這不僅可以滿足KSA砂石和金屬生產的需要，而且可以解決廢料處理問題，產生巨大的經濟效益。Galvez-Martos等[4](2018)綜合了建筑和拆除廢物管理的核心原則和貫穿整個建筑價值鏈的最佳實踐，并系統(tǒng)地推行這些做法，可大大提高資源利用效率和減少對環(huán)境的影響，方法包括：減少廢物的產生,盡量減少運輸的影響,盡量提高二次物料的質素，以及優(yōu)化處理方法的環(huán)保表現，從而達到重用和循環(huán)再造的目的。我國固廢行業(yè)起步晚，目前處于發(fā)展初期，建筑廢料的回收管理實踐水平較低。對于建筑廢料的管理體系，袁紅平等[5]建立建筑廢料現場管理模型，同時借助Vensim軟件進行模擬評估，有助于管理人員對管理效果進行預測。陳起俊等[6]基于循環(huán)經濟理論，以建筑廢棄物處理的利益相關方為研究對象，建立不同階段的演化博弈模型，對不同階段的主體行為進行策略分析，提出建筑廢料循環(huán)產業(yè)鏈資源化的實踐性建議。對于建筑廢料回收體系，陳建國等[7]提出，政府進行適當的補助能夠有效促進承包商對建筑廢料的分揀回收。在低碳觀念深入人心的大環(huán)境下，徐勇戈等[8]認為在建筑廢料回收網絡中不僅要考慮經濟成本最小化，還要考慮環(huán)境成本。

本文針對建筑廢料回收管理中存在的問題，運用系統(tǒng)動力學的原理和方法，將建筑廢料回收管理模型分成4個子系統(tǒng)，通過系統(tǒng)動力學仿真輸出模型主要變量的演化趨勢，并對輸出結果加以分析，為建筑廢料循環(huán)利用提供參考。

2 模型構建

2.1 模型系統(tǒng)構成

在參考相關研究文獻[9]和理論后，本文將建筑廢料管理模型分為4個子系統(tǒng)，分別為：建筑廢料生成子系統(tǒng)，建筑廢料分類子系統(tǒng)，建筑廢料堆填子系統(tǒng)，建筑廢料處理子系統(tǒng)。

2.1.1 建筑廢料生成子系統(tǒng)

建筑廢料的生成是建筑廢料產生的源頭，建筑廢料生成子系統(tǒng)是整個系統(tǒng)的開端。該系統(tǒng)產生多少建筑廢料、產生什么樣的建筑廢料，將會對整個系統(tǒng)產生較大影響。本研究在建筑廢料生成子系統(tǒng)中選取建筑廢料產生量、待處理建筑廢料總量、用于分類分揀的量和直接用于填埋的建筑廢料作為建筑廢料生成子系統(tǒng)的變量。

2.1.2 建筑廢料分類子系統(tǒng)

不同的分類模式對建筑廢料分類回收利用具有較大影響。目前較常用的分類方式是按照是否有回收利用價值分類，只回收具有循環(huán)利用價值的建筑廢料，對于沒有回收利用價值的建筑廢料采取填埋的方式處理。這一分類方式具有其合理性，易于推廣，是目前效果較好的一種建筑廢料分類處理方式。本研究在建筑廢料分類子系統(tǒng)中選取用于分類分揀的量、待分揀的廢料總量、分類分揀單位成本作為建筑廢料分類子系統(tǒng)的變量。

2.1.3 建筑廢料堆填子系統(tǒng)

建筑廢料可分為惰性廢料和非惰性廢料，惰性廢料主要是指廢混凝土、廢磚瓦、廢石材以及廢玻璃等。這些惰性廢料的處理方式以填埋為主。很多沿海城市進行的填海造地工程對于這些惰性廢料的需求特別大。本研究將直接用于填埋的建筑廢料、用于填埋的量、運至填埋場單位成本、運至填埋場的總量、填埋場總容量和剩余填埋場容量作為建筑廢料堆填子系統(tǒng)的變量。

2.1.4 建筑廢料處理子系統(tǒng)

建筑廢料處理子系統(tǒng)主要處理建筑廢料中的可回收資源，如金屬、木材和紙張等。本研究選取再回收單位支出、再回收單位收益、用于回收利用的量、回收利用總量、廢料處理收益和政府補貼作為建筑廢料處理子系統(tǒng)的變量。

2.2 變量

本文將運至填埋場單位成本、分類分揀單位成本、再回收單位成本、廢料處理支出、總成本、廢料處理收益、再回收單位收益、政府補貼、減廢積極性、建筑廢料產生量、待處理建筑廢料總量、用于分類分揀的量、剩余待分類分揀總量、用于回收利用的量、回收利用總量、用于填埋的量、運至填埋場的總量、填埋場總容量、剩余填埋場容量、直接用于填埋的建筑廢料作為模型的主要變量，這些變量分為存量、流量和輔助變量三種類型。本文所構建的建筑廢料管理模型對今后10年的變化過程進行了模擬，各變量的初始賦值和變量關系見表1。

表1 變量賦值和變量關系

(續(xù))

3 結果與分析

3.1 主要變量模擬結果

相關費用和收益模擬結果如圖1所示。

圖1 相關費用和收益模擬結果(截圖)

3.1.1 減廢積極性

減廢積極性作為模型的一個反饋變量在模型中起著至關重要的作用，由減廢積極性這個變量對總成本的變化做出反應，進而反饋給建筑廢料產生量。本文認為減廢積極性對總成本的變化是曲率減小的一條曲線，所以在選取減廢積極性計算方式的時候選擇了開平方根函數(SQRT函數)，理由如下：一是開平方根函數的走向可以很好模擬減廢積極性對總成本變化的走向；二是開平方根函數在減廢積極性為0時有意義，這一點是對數函數沒有的優(yōu)點。

3.1.2 建筑廢料產生量

建筑廢料產生量在本模型中是一個很重要的變量，本文認為隨著建筑廢料處理總成本的增加使得施工單位的減廢積極性提高，減廢積極性的提高會促使施工方采取減少建筑廢料產生的措施，進而使得每年產生的建筑廢料減少。由模擬曲線可知建筑廢料產生量是一條斜率逐漸減小的下降曲線，建筑廢料產生量從模擬時間為0年的200t/年減少到10年后的140t/年。這是因為建筑廢料產生量隨著減廢積極性的增加而減少，而減廢積極性是一條隨著總成本的增加而增加的斜率逐漸減小的曲線。

3.1.3 相關費用與收益

廢料處理支出在本模型的含義是在處理建筑廢料的各個過程中發(fā)生的支出，包含分類分揀成本、運至填埋場成本、再回收成本三大部分，這三大部分之和即廢料支出。廢料處理收益在本模型的含義是建筑廢料處理過程中有一部分可以回收再利用，這一部分可以創(chuàng)造收益，此外政府對建筑廢料的回收處理還有一部分補貼。廢料處理收益這一變量包含再回收單位收益和政府補貼兩部分。由模擬結果可知廢料支出和廢料處理收益都是一條斜率逐漸減小的下降曲線，產生這一曲線的原因在于建筑廢料產生量也是斜率逐漸減小的下降曲線，而廢料處理支出和廢料處理收益與所處理的建筑廢料量都成正比，所以廢料支出和廢料處理收益會產生如圖1所示的結果?？偝杀臼且粋€累積量，當前年份的總成本是當前年份的成本與之前所有年份的成本加和，所以它的整體走向是增加的，又因為廢料處理支出和廢料處理收益的變化是同步的，所以總成本的斜率大概為1。

3.2 建筑廢料各種流向模擬結果及分析

建筑廢料各種流向的模擬結果如圖2所示。

圖2 建筑廢料各種流向走勢圖(截圖)

在本模型中，剩余填埋場容量的含義是：填埋場的總容量減去運至填埋場的總量。填埋場的總容量在本模型中的初值是1000t，即剩余填埋場在第0年的取值也是1000t。由于每年都有運至填埋場填埋的建筑廢料，剩余填埋場的容量會越來越少，在第7年左右容量為1000t的填埋場被全部耗盡。

4 結語

本文以建筑廢料回收的現狀、存在的問題為出發(fā)點，對建筑廢料回收相關理論和方法進行總結，通過建模進行仿真分析后得出以下結論：建筑廢料的回收管理是一個系統(tǒng)工程，是許多因數共同作用的結果。要處理好建筑廢料回收管理問題，應做好施工單位、建筑廢料處理單位、填埋場和環(huán)保等部門的協(xié)調工作。針對建筑廢料源頭，基于BIM技術在設計階段提前發(fā)現問題，避免后期的拆除整改，減少建筑廢料的產量。提高再生建材的使用率以及施工管理水平，保證施工質量，以免因質量不達標帶來更多返工重建的建筑廢料。在國家層面，應加大政府補貼力度和政府對廢料行業(yè)的投資能力，完善相關法律法規(guī)，加強新環(huán)保法的監(jiān)管執(zhí)法力度，為建筑廢料處理行業(yè)創(chuàng)造良好的發(fā)展環(huán)境。在行業(yè)發(fā)展層面，應加強不同部門間的協(xié)作，并逐步實現跨領域合作，形成由單一產業(yè)鏈向全產業(yè)鏈的轉變。同時，借鑒國外先進的資源化技術和工藝，探索符合我國建筑廢料特點的技術和工藝，推動建筑廢料資源化利用的發(fā)展。充分利用市場經濟，推動建筑廢料回收的市場化，調動相關企業(yè)廢料回收的積極性。在社會公眾層面，環(huán)境保護、資源回收需要公眾廣泛參與。鑒于公眾對建筑廢料再生產的產品認可度不高，政府和各大媒體應宣傳建筑廢料再生產品的相關知識，打消公眾使用產品的顧慮，提高公眾的環(huán)保意識，并創(chuàng)造經濟價值。