鋼結(jié)構(gòu)建筑拆除鋼材資源回收逆向物流研究

王夢涵，王 淋，黃 月，董樹修

0 引 言

近些年來，我國城市化進(jìn)程發(fā)展迅猛，鋼結(jié)構(gòu)建筑由于其工期短、方便安裝的優(yōu)點(diǎn)被廣泛使用，但建筑鋼材在達(dá)到其使用壽命后的回收較少，容易造成資源浪費(fèi)和環(huán)境污染等問題。而且我國人均礦產(chǎn)資源占有量很低，按照傳統(tǒng)的發(fā)展模式，必將導(dǎo)致資源枯竭，所以大力發(fā)展循環(huán)經(jīng)濟(jì)，促進(jìn)資源的循環(huán)利用是解決鋼鐵資源短缺的必然之路。建立建筑鋼材的逆向回收網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行合理回收，可以實(shí)現(xiàn)鋼鐵資源的再生[1]。

循環(huán)經(jīng)濟(jì)是物資閉環(huán)流動(dòng)型經(jīng)濟(jì)的簡稱，本質(zhì)上是一種生態(tài)經(jīng)濟(jì)，根據(jù)生態(tài)學(xué)規(guī)律的要求，將人類的經(jīng)濟(jì)活動(dòng)從傳統(tǒng)工業(yè)社會以“資源—產(chǎn)品—廢棄物”的物質(zhì)單向流動(dòng)為基本特征的線性經(jīng)濟(jì)模式，轉(zhuǎn)變?yōu)椤百Y源—產(chǎn)品—再生資源”的物質(zhì)反饋式或閉環(huán)流動(dòng)為基本特征的循環(huán)型經(jīng)濟(jì)增長模式，使物質(zhì)在反復(fù)的循環(huán)流動(dòng)過程中，資源得到充分合理的利用，從而提高經(jīng)濟(jì)運(yùn)行的質(zhì)量和效益[2]。建筑鋼材資源回收逆向物流是指將建筑鋼材經(jīng)過回收、分類、加工使其再利用的過程，提高資源的利用率，從而減少對自然資源的消耗，發(fā)展循環(huán)經(jīng)濟(jì)。

建筑鋼材通?？煞譃殇摻Y(jié)構(gòu)用鋼和鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)用鋼。鋼結(jié)構(gòu)用鋼主要有普通碳素結(jié)構(gòu)鋼和低合金結(jié)構(gòu)鋼。品種有型鋼、鋼管和鋼筋。型鋼中有角鋼、工字鋼和槽鋼。建筑鋼材在建筑物拆除或達(dá)到其最高使用年限后成為建筑廢鋼。鐵礦石和廢鋼是鋼鐵冶煉工業(yè)的兩種主要原料。采用廢鋼鐵煉鋼比采用鐵礦石具有更高的有效回收率，廢鋼可直接入爐煉鋼，其生產(chǎn)流程更短，可以認(rèn)為廢鋼鐵相較于鐵礦石是一種成本低廉、環(huán)保友好、支撐鋼鐵行業(yè)可持續(xù)發(fā)展的再生資源，而且電爐煉鋼廠占地面積小、投資少，因此，以廢鋼鐵為主要原料煉鋼，很有吸引力[3]。此外，不同于再生集料混凝土的性能會劣于新混凝土，采用建筑廢鋼冶煉而成鋼鐵的力學(xué)性能同鐵礦石冶煉而成鋼鐵的力學(xué)性能無差異，因此建筑廢鋼資源化利用更為有效。

1 建筑鋼材資源回收逆向物流網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)規(guī)劃與網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

1.1 建筑鋼材回收節(jié)點(diǎn)規(guī)劃

1.1.1 產(chǎn)生點(diǎn)

由于建筑鋼材具有排放量大，排放集中的特點(diǎn)，在建筑垃圾產(chǎn)生地之外另外設(shè)置收集點(diǎn)不僅增加不必要的周轉(zhuǎn)程序，徒增人工和運(yùn)輸費(fèi)用，而且對城市的環(huán)境市容都可能造成諸多不利影響，考慮到建筑鋼材這種可再生資源的實(shí)際情況和我國可能實(shí)施的現(xiàn)狀，現(xiàn)將建筑垃圾的產(chǎn)生點(diǎn)確定在每個(gè)建筑鋼材產(chǎn)生點(diǎn)的中心。

1.1.2 建筑鋼材回收處理中心

建筑鋼材回收再生中心主要負(fù)責(zé)廢棄物的篩選，清理分類，鋼鐵重?zé)?。重新煉成的鋼鐵達(dá)到國家建筑再生資源利用標(biāo)準(zhǔn)的進(jìn)入鋼鐵再銷售市場，煉鋼前后產(chǎn)生的廢渣等一些不能再繼續(xù)利用的垃圾送到廢棄物掩埋場進(jìn)行掩埋處理。建筑鋼材回收再生中心可以是新建的，也可以是在某些大的回收站基礎(chǔ)上擴(kuò)建而成的，建筑鋼材回收再生中心建設(shè)規(guī)模應(yīng)根據(jù)服務(wù)區(qū)域內(nèi)裝配式鋼結(jié)構(gòu)建筑廢棄物產(chǎn)生量、廠址自然條件、地形地貌特征、服務(wù)年限及技術(shù)、經(jīng)濟(jì)合理性等因素綜合確定。既要保證覆蓋設(shè)定的全部回收區(qū)域，又要考慮現(xiàn)有及短期未來可能的裝配式鋼結(jié)構(gòu)建筑分布情況，在兼顧裝配式鋼結(jié)構(gòu)建筑集群的同時(shí)保證網(wǎng)點(diǎn)均勻分布。

1.2 建筑鋼材資源回收逆向物流網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

建筑鋼材資源回收逆向物流網(wǎng)絡(luò)是指在建筑鋼材回收利用過程中各個(gè)不同類型的節(jié)點(diǎn)分工合作所形成的組合網(wǎng)絡(luò)，它使建筑鋼材經(jīng)過建筑鋼材資源回收逆向物流網(wǎng)絡(luò)的各個(gè)環(huán)節(jié)，從而實(shí)現(xiàn)部分甚至全部的建筑鋼材的回收再利用。建筑鋼材資源回收逆向物流網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)示意圖如圖1 所示。

圖1 建筑鋼材資源回收逆向物流網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)示意圖

2 建筑鋼材資源回收逆向物流線性規(guī)劃模型構(gòu)建

2.1 目標(biāo)函數(shù)

由于影響建筑鋼材處理行為的因素主要是經(jīng)濟(jì)成本，故目標(biāo)函數(shù)即成本最小化。模型構(gòu)建中只考慮從建筑鋼材產(chǎn)生點(diǎn)往建筑鋼材回收再生中心運(yùn)輸過程。目標(biāo)函數(shù)如下：

式中：Xi代表建筑鋼材物流流量，i=1,2,3,…,n；dj代表運(yùn)輸距離；CT代表單位運(yùn)輸費(fèi)用（元/噸·公里）；CD代表單位處理費(fèi)用（元/噸）。

2.2 模型假設(shè)

通過調(diào)研得知各個(gè)建筑鋼材回收再生中心的單位處理成本和運(yùn)輸成本基本一致，為了便于建立數(shù)學(xué)模型，在本模型研究中，假定各個(gè)廢鋼回收再生中心對建筑鋼材的回收處理費(fèi)用都是相同的。

2.3 約束條件

（1） 供應(yīng)約束

建筑鋼材的產(chǎn)生量不大于建筑鋼材回收再生中心的處理量。

式中：Xij代表建筑鋼材產(chǎn)生量，ai代表建筑鋼材回收再生中心的處理量。

（2） 需求約束

建筑鋼材回收再生中心的需求量不大于建筑鋼材的產(chǎn)生量。

式中：Xij代表建筑鋼材產(chǎn)生量，bj代表建筑鋼材回收回收再生中心的需求量。

（3） 供需平衡約束建筑鋼材回收再生中心接收的建筑鋼材數(shù)量應(yīng)小于等于此建筑鋼材回收中心可承受的最大處理量。

式中：Xi代表建筑鋼材回收再生中心接收的建筑廢鋼材的數(shù)量；Vi代表此建筑鋼材回收中心可回收的最大建筑鋼材量。

（4） 所有決策變量都為非負(fù)條件

3 實(shí)例分析—H 市建筑鋼材資源回收逆向物流網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化

3.1 問題描述與基礎(chǔ)數(shù)據(jù)

H 市共有F1、F2個(gè)建筑鋼材回收再生中心，現(xiàn)以H 市9 城區(qū)為例，構(gòu)建H 市建筑鋼材資源回收逆向物流網(wǎng)絡(luò)體系，以2030 年建筑鋼材的產(chǎn)生量為例，確定最優(yōu)的建筑鋼材流通量。

H 市兩個(gè)建筑鋼材回收再生中心的年處理能力分別為2 000 000 噸。

H 市9 城區(qū)建筑鋼材的產(chǎn)生量如表1 所示。

表1 2030 年H 市建筑鋼材產(chǎn)生點(diǎn)及其產(chǎn)量統(tǒng)計(jì)表單位：噸

H 市9 城區(qū)建筑鋼材產(chǎn)生點(diǎn)與建筑鋼材回收再生中心之間的距離如表2 所示。

表2 H 市各建筑鋼材產(chǎn)生點(diǎn)與各建筑鋼材回收再生中心之間的距離統(tǒng)計(jì)表單位：千米

H 市建筑鋼材的回收處理費(fèi)用為2 600 元/車，車的載重量為25 000 千克，故處理費(fèi)約為100 元/噸。建筑鋼材的運(yùn)輸費(fèi)用為2 元/噸·千米。H 市9 城區(qū)建筑鋼材到F1、F2個(gè)建筑鋼材回收再生中心每噸的運(yùn)輸回收處理價(jià)格如表3 所示。

表3 建筑鋼材收集點(diǎn)到建筑鋼材回收再生中心的運(yùn)輸和回收處理價(jià)格單位：元/噸

3.2 建立模型

目標(biāo)函數(shù)：

將相關(guān)數(shù)據(jù)代入模型，線性規(guī)劃方程如下：

a. 產(chǎn)量約束

建筑鋼材產(chǎn)生點(diǎn)E1到兩個(gè)建筑鋼材回收再生中心X11+X12=400 000

建筑鋼材產(chǎn)生點(diǎn)E2到兩個(gè)建筑鋼材回收再生中心X21+X22=200 000

建筑鋼材產(chǎn)生點(diǎn)E3到兩個(gè)建筑鋼材回收再生中心X31+X32=500 000

建筑鋼材產(chǎn)生點(diǎn)E4到兩個(gè)建筑鋼材回收再生中心X41+X42=400 000

建筑鋼材產(chǎn)生點(diǎn)E5到兩個(gè)建筑鋼材回收再生中心X51+X52=600 000

建筑鋼材產(chǎn)生點(diǎn)E6到兩個(gè)建筑鋼材回收再生中心X61+X62=600 000

建筑鋼材產(chǎn)生點(diǎn)E7到兩個(gè)建筑鋼材回收再生中心X71+X72=300 000

建筑鋼材產(chǎn)生點(diǎn)E8到兩個(gè)建筑鋼材回收再生中心X81+X82=300 000

建筑鋼材產(chǎn)生點(diǎn)E9到兩個(gè)建筑鋼材回收再生中心X91+X92=700 000

b. 需求約束

X11+X21+X31+X41+X51+X61+X71+X81+X91=2 000 000

X12+X22+X32+X42+X52+X62+X72+X82+X92=2 000 000

3.3 模型求解與結(jié)果分析

在Lingo 中輸入以下代碼：

Min=22X11+26X21+33X31+21X41+26X51+27X61+40X71+39X81+29X91+24X12+29X22+14X32+24X42+22X52+38X62+24X72+32X82+34X92；X11+X12=400 000；X21+X22=200 000；X31+X32=500 000；X41+X42=400 000；X51+X52=600 000；X61+X62=600 000；X71+X72=300 000；X81+X82=300 000；X91+X92=700 000；X11+X21+X31+X41+X51+X61+X71+X81+X91=2 000 000；X12+X22+X32+X42+X52+X62+X72+X82+X92=2 000 000。

單擊菜單中的Solve 命令，得到結(jié)果如下：E1、E2、E3、E4、E5、E6、E7、E8、E9往F1的運(yùn)量分別為：100 000、200 000、0、400 000、0、600 000、0、0、700 000。E1、E2、E3、E4、E5、E6、E7、E8、E9往F2的運(yùn)量分別為：300 000、0、500 000、0、600 000、0、300 000、300 000、0。

4 總結(jié)與展望

構(gòu)建了建筑鋼材資源回收逆向物流模型，在建筑鋼材物流的規(guī)劃上，運(yùn)用了數(shù)學(xué)優(yōu)化方法，使得能夠科學(xué)有效的對建筑鋼材的收運(yùn)線路進(jìn)行調(diào)度，有計(jì)劃的調(diào)整建筑鋼材的運(yùn)送計(jì)劃，得到最優(yōu)的回收路線，節(jié)約了人力物力。隨著建筑鋼材回收循環(huán)利用在低碳經(jīng)濟(jì)、循環(huán)經(jīng)濟(jì)中的地位越來越重要，未來深入研究逆向物流系統(tǒng)構(gòu)建及優(yōu)化中的實(shí)際問題，對我國鋼鐵工業(yè)的持續(xù)健康發(fā)展，對環(huán)境問題的解決都有積極的意義。