面向城市管理的城市建筑存量研究綜述

楊 東，劉晶茹，李 玉，賈永飛，石 峰＊

（1.齊魯工業(yè)大學（山東省科學院）山東省科技發(fā)展戰(zhàn)略研究所，山東濟南 250014;2.中國科學院生態(tài)環(huán)境研究中心城市與區(qū)域生態(tài)國家重點實驗室，北京 100085）

引言

我國是全球城市化進程最快的地區(qū)之一，2017 年我國城市化率已達58.52%[1]，經(jīng)估算，2020 年有望達到60%，屆時將大約有8 億人居住在城市之中[2]。在城市化進程取得矚目成就的同時，大氣污染、交通擁堵、城市內(nèi)澇、垃圾圍城等一系列“城市病”開始集中涌現(xiàn)[3,4]。黨的十九大報告明確提出“綠色發(fā)展已經(jīng)成為時代的主題，是引領未來國家經(jīng)濟和社會發(fā)展的方向”，城市可持續(xù)管理作為解決城市綜合問題的必要手段在社會綠色發(fā)展過程中起著至關重要的作用[5]。

建筑系統(tǒng)是城市系統(tǒng)最主要的組成部分，是為滿足城市社會生產(chǎn)和居民生活活動而建設的基礎設施[6]，城市擴張直接導致城市建筑面積和密度的增加。建筑在建材生產(chǎn)、施工、裝修、使用維護以及最終拆除的整個生命周期過程中都與周圍環(huán)境有著大量的物質(zhì)和能量交換[7]，建設過程匯聚了城市大量的資源、能源和資金[8]，運行過程維護了城市系統(tǒng)的正常運轉和發(fā)展，拆除產(chǎn)生了大量的城市建筑固廢，建筑系統(tǒng)是城市資源消耗和環(huán)境問題產(chǎn)生的主要根源之一。從產(chǎn)業(yè)生態(tài)學角度來看，城市資源環(huán)境問題可以概括為城市物質(zhì)代謝過程產(chǎn)生的錯位或者失調(diào)[9,10]。

經(jīng)過多年的理論發(fā)展和實踐應用，城市建筑存量可持續(xù)管理已經(jīng)逐漸成為城市物質(zhì)代謝研究的重要內(nèi)容和研究熱點。大量研究表明，城市建筑存量與城市可持續(xù)管理諸多領域如城市資源管理、城市循環(huán)經(jīng)濟、城市規(guī)劃等問題密切相關，由此深入開展城市建筑存量研究對于解析城市資源時空演替規(guī)律和輔助城市可持續(xù)管理決策具有重大的意義。

目前國內(nèi)城市建筑存量研究還未形成體系，本文擬通過對相關研究進行歸納和分析，總結城市建筑存量研究進展，提出建筑存量研究的系統(tǒng)框架，意在解析城市建筑存量的動態(tài)演替規(guī)律，以使其更好地服務城市可持續(xù)管理決策。

1 城市建筑存量的科學內(nèi)涵

1.1 城市建筑存量的概念

存量研究具有多學科交叉解析城市生態(tài)問題的特點，其概念的產(chǎn)生和發(fā)展也受到了多學科的共同影響。經(jīng)濟學中，“存量”（stock）被定義為某一時間點上過去生產(chǎn)與積累起來的產(chǎn)品、貨物、人力、資本以及負債等經(jīng)濟變量的結存數(shù)量。與之相對的概念即為流量，流量是指一定時間內(nèi)發(fā)生的某種經(jīng)濟變量變動的數(shù)值。流量來自存量，存量又歸于流量之中，存量分析和流量分析是現(xiàn)代西方經(jīng)濟學中廣泛使用的分析方法[11]。在地球科學中，存量一般指一定時間內(nèi)某種元素或者物質(zhì)在某種庫中的留存數(shù)量。存量概念后來被引入社會經(jīng)濟代謝研究分析當中，存量在空間上和物理上聯(lián)系了社會系統(tǒng)對于資源量的需求（輸入端）和廢物量的產(chǎn)生（輸出端），社會系統(tǒng)中的存量被系統(tǒng)外的流量所影響，同時存量也是社會系統(tǒng)和自然系統(tǒng)之間流量變化的驅(qū)動因素[12]。

20 世紀50 年代美國政府首次把存量分析應用于社會經(jīng)濟代謝分析，用于評估和預測美國未來25 年社會經(jīng)濟發(fā)展的資源需求，隨后全球各國政府和學者紛紛開展了諸多社會經(jīng)濟系統(tǒng)存量的研究和實踐[13-17]。伴隨著全球城市化水平的不斷提升，研究者逐漸將目光轉向城市系統(tǒng)邊界內(nèi)部的物質(zhì)存量分析，研究對象涉及住宅[18]、道路[19]、基礎設施[20]以及家庭耐用消費品[21]等。

城市物質(zhì)存量是指城市系統(tǒng)邊界內(nèi)某一時點測度的任意物質(zhì)量、能量和信息量的積累量[22-24]。相應的“城市建筑存量”被定義為“城市系統(tǒng)邊界內(nèi)，某一時間點測算的構筑物的積累量”，廣義的建筑包含住宅建筑、非住宅建筑、道路、橋梁以及其他公共基礎設施。城市建筑存量研究的邊界主要包括城市建筑的建造、維修改造和拆除以及最終處置的全生命周期過程，涉及建筑過程的能耗核算、建筑材料存量核算、資源需求預測、建筑廢棄物產(chǎn)生及資源化等多個領域[25]。城市建筑存量研究可以直觀描述能量和物質(zhì)在自然界與城市建筑系統(tǒng)之間的交換、存儲和轉換過程，可以確定城市建筑系統(tǒng)資源和能源的有效累積量和動態(tài)變化趨勢，為城市發(fā)展、產(chǎn)業(yè)政策和資源環(huán)境政策的制定和實施提供科學依據(jù)[26]。

1.2 城市建筑存量研究的框架

基于國內(nèi)外城市建筑存量研究，本文提出了城市建筑存量研究的系統(tǒng)框架（圖1），該框架主要包含城市建筑存量核算、存量特征分析、存量演替及優(yōu)化評估、城市建筑可持續(xù)管理決策服務等幾個方面。

城市建筑存量核算是城市建筑存量研究的基礎。根據(jù)研究對象和研究目的需要，城市建筑存量的研究對象并不局限于城市中的建筑物本身，還可以包含城市道路、橋梁、管道等其他城市常見的建筑基礎設施。城市建筑存量核算的指標不僅包含建筑面積、建筑質(zhì)量等建筑物本身的存量指標，而且包含建筑之中金屬（鋼鐵、銅、鋁等）和非金屬（混凝土、木材、塑料等）的存量指標。城市建筑存量研究主要以社會調(diào)查獲取的數(shù)據(jù)、空間遙感數(shù)據(jù)和社會經(jīng)濟統(tǒng)計數(shù)據(jù)等作為基礎數(shù)據(jù)源開展核算。

圖1 城市建筑存量研究框架

開展城市建筑存量的時空特征演替分析是城市建筑存量研究的主要內(nèi)容?；贕IS 技術和存量核算的結果，識別城市建筑存量演替的時空變化特征，揭示城市區(qū)域內(nèi)部以建筑系統(tǒng)為代表城市化規(guī)律，分析影響城市存量演替特征的諸多內(nèi)外因素和影響機制。

優(yōu)化評估城市建筑存量時空特征是城市建筑存量研究的主要目的。基于城市建筑存量特征優(yōu)化評估的結果，結合情景分析和多維評估方法，開展城市建筑存量時空特征的評估優(yōu)化模擬，揭示城市建筑存量演替的最優(yōu)結果。

服務城市建筑存量的可持續(xù)管理決策是城市建筑存量研究的最終目標。基于城市建筑存量研究的主要結果，結合城市資源管理、城市環(huán)境問題分析、城市礦產(chǎn)開發(fā)、城市規(guī)劃等城市可持續(xù)發(fā)展研究，開發(fā)科學的定量化決策服務工具，為城市可持續(xù)發(fā)展提供科學決策工具和參考依據(jù)。

2 城市建筑存量核算方法

建筑物質(zhì)存量核算主要基于質(zhì)量守恒定律，以物質(zhì)質(zhì)量為基礎單位，對進入城市建筑系統(tǒng)的資源的累積量進行核算。根據(jù)數(shù)據(jù)的來源，城市建筑存量核算方法大致可以分為“自上而下”（Top-down）[27]和“自下而上”（Bottomup）[28]兩種方法。

2.1 “自上而下”的核算方法

“自上而下”的核算方法是根據(jù)質(zhì)量守恒原理，把研究對象看作一個“黑箱”，通過計算新投入研究對象內(nèi)的物質(zhì)流和由于物質(zhì)報廢而流出的廢物流之間的差值，來核算某一特定時間累計在研究對象內(nèi)的物質(zhì)存量，再通過逐年相加，得到特定時間點內(nèi)研究對象內(nèi)的物質(zhì)存量。“自上而下”的核算方法主要基于各種宏觀經(jīng)濟社會統(tǒng)計數(shù)據(jù)開展研究。Fishman[29]等基于美國和日本1930—2005 年的經(jīng)濟社會統(tǒng)計數(shù)據(jù)，分析了美、日兩國近75 年來的物質(zhì)存量和流量的變化關系，研究發(fā)現(xiàn)，日本工業(yè)化末期人均物質(zhì)強度和美國社會的人均物質(zhì)強度較為接近，為310～375t，這表明社會發(fā)展程度與社會人均物質(zhì)存量強度呈現(xiàn)一定正相關性。Kapur[30]等基于統(tǒng)計數(shù)據(jù)核算的美國目前建筑系統(tǒng)中的在用水泥存量為42 億～44 億t。Tanikawa[31]采用自上而下的核算方法調(diào)查研究了2010 年日本主要城市的建筑存量，結果發(fā)現(xiàn)，礦物、木材和鋼分別占到存量的94%、2%和3%。

“自上而下”的核算方法可以相對快速、準確地測算全球[32]、國家[33]等大區(qū)域尺度的建筑物質(zhì)存量，但是該方法采用的數(shù)據(jù)主要依賴于經(jīng)濟社會統(tǒng)計數(shù)據(jù)，因此不可避免地受到統(tǒng)計數(shù)據(jù)口徑和時滯性的影響，很難得到實時、全面的建筑存量數(shù)據(jù)。同時大量整體宏觀經(jīng)濟社會統(tǒng)計數(shù)據(jù)的應用，又使得研究結果無法直接用于分析建筑系統(tǒng)內(nèi)部存量的動態(tài)演替過程，導致建筑系統(tǒng)存量研究的“黑箱化”，嚴重影響存量研究結果的實踐指導意義。同時，城市作為中觀尺度的研究系統(tǒng)，常常缺乏系統(tǒng)的城市統(tǒng)計數(shù)據(jù)，這些局限嚴重限制了“自上而下”的核算方法在城市建筑系統(tǒng)的物質(zhì)存量核算中的應用。

2.2 “自下而上”的核算方法

“自下而上”的核算方法，采用基于城市建筑系統(tǒng)內(nèi)部包含物質(zhì)的不同服務單元（建筑物、道路系統(tǒng)或者管道系統(tǒng)）的數(shù)量和這些服務單元中物質(zhì)的使用強度數(shù)據(jù)，核算研究對象的物質(zhì)存量。與“自上而下”的核算方法相比，“自下而上”的核算方法可以得到較為精確的城市建筑存量的實時數(shù)據(jù)，同時也可以打開城市建筑系統(tǒng)的“黑箱”，準確識別城市建筑系統(tǒng)內(nèi)部建筑存量的時空動態(tài)規(guī)律。董磊[34]基于實地調(diào)研數(shù)據(jù)，開展了天津市鞍山道、鞍山西道地塊存量研究，分析了天津中心城區(qū)典型地塊的動態(tài)規(guī)律?！白韵露稀钡暮怂惴椒ㄒ蕾囉诖罅繉崟r、詳細的底層單元數(shù)據(jù)，一般需要依靠實地調(diào)研獲取，因此主要適用于社區(qū)、工業(yè)園區(qū)等中小尺度的建筑物質(zhì)存量分析[35]。如果單純依靠實地調(diào)研獲取底層單元數(shù)據(jù)核算城市等中宏觀尺度的建筑存量則常常需要耗費大量的人力和物力。

伴隨著新技術的發(fā)展，國內(nèi)外大量研究者逐漸嘗試依托地理信息系統(tǒng)、遙感影像、夜間燈光、雷達、無人機以及人工智能等新技術實現(xiàn)城市建筑系統(tǒng)底層單元（建筑物、道路、管網(wǎng)等基礎設施）信息的快速獲取，在此基礎上開發(fā)了一系列融合新技術的基于自下而上的空間物質(zhì)存量核算方法。Liang[36]等使用時間序列的DMSP/OLS 夜間燈光影像數(shù)據(jù)評估了中國公用市政建筑中的鋼鐵資源存量；Hattori[37]等用夜間燈光數(shù)據(jù)計算得出2010 年世界土木工程建筑鋼鐵的存量；Giannetti[38]則采用無人機航拍數(shù)據(jù)評估了森林資源的存量；郭振[39]使用高分遙感影像作為數(shù)據(jù)源定量研究了山東廟島的基礎設施存量。這一系列空間物質(zhì)存量核算方法在很大程度上解決了城市建筑存量研究所需數(shù)據(jù)龐大、耗時耗力的問題，對于快速開展城市尺度的存量研究有著積極的意義。

3 城市建筑存量的主要研究內(nèi)容

3.1 城市建筑存量時空演替及影響因素研究

城市建筑系統(tǒng)是城市最重要的系統(tǒng)，也是城市可持續(xù)管理的重要領域。開展城市建筑存量時空演替及影響因素研究，有助于解析城市資源消耗和環(huán)境問題的根源和關鍵過程，識別城市建筑系統(tǒng)發(fā)展的關鍵性限制因素，總結城市建筑系統(tǒng)的時空變化規(guī)律，優(yōu)化城市建筑系統(tǒng)的分析和評估模式，從而改進城市建筑的管理水平，提升城市可持續(xù)管理的社會經(jīng)濟環(huán)境綜合效益。

近年來，一系列學者對此開展了相應研究。研究內(nèi)容主要集中在以下幾個方面：①建筑物質(zhì)存量時空動態(tài)的影響因素研究，如Fishman[40]等核算了日本1960—2010 年的建筑存量變化，分析了人口、經(jīng)濟增長等因素與建筑存量動態(tài)演替的關系；Cao[41]等分析了中國住宅建筑的壽命周期，基于此估算了中國1950—2015 年建筑存量的變化特征，分析了建筑壽命周期參數(shù)對于建筑存量研究的影響；Sing[42]等以中國香港為案例，分析了建筑年限、存量規(guī)模、建筑的維護狀況以及建筑維修工人的數(shù)量等因素對中國香港私人建筑存量變化的影響。②城市發(fā)展過程中建筑系統(tǒng)對于資源和物質(zhì)需求分析，如Muller[43]等基于瑞士地區(qū)1900—1997 年建筑木材的消耗量，預測了2100 年本地區(qū)城市建筑系統(tǒng)的木材需求量，并結合相應情景分析，針對本地區(qū)木材資源的現(xiàn)狀提出了相應的措施和建議；Hou[44]等基于物質(zhì)存量和情景分析方法，預測了中國2015—2050 年為了滿足城市污水處理設施的發(fā)展需要的物質(zhì)和資源需求。

開展城市建筑存量時空演替及影響因素研究可以對城市管理決策的制定提供有效的科學和數(shù)據(jù)支撐，另外城市管理政策可對城市建筑物質(zhì)存量的變化產(chǎn)生顯著影響。例如，延長現(xiàn)有建筑的實際使用壽命，可以大幅度降低城市建筑鋼的代謝效率和需求量，同時也可以降低建筑垃圾和溫室氣體排放的產(chǎn)生[45]。優(yōu)化城市建筑的空間結構、提高原材料的生產(chǎn)制備的品質(zhì)和回收效率、強化廢棄物回收利用環(huán)節(jié)的管理，均可對城市物質(zhì)存量變化產(chǎn)生直接影響[46]。

3.2 城市建筑廢棄物資源化開發(fā)潛力研究

城市建筑系統(tǒng)蘊含了大量的鋼鐵、銅、混凝土等資源，是城市礦產(chǎn)資源最主要的潛在來源。城市建筑廢棄物開發(fā)潛力分析是城市廢棄物資源化管理的前提和基礎，是定量測度和評價城市建筑廢棄物的社會蓄積量、明確城市建筑廢棄物的存量及其時空分布的系統(tǒng)解析過程。國內(nèi)外研究人員利用城市建筑存量研究開展了諸多重要金屬與建筑固廢在城市中的存量核算，以及未來可資源化利用的潛力研究。Tanikawa[47]等利用自下而上的存量分析方法估算了日本福島地震之后產(chǎn)生的建筑垃圾量和相應的資源化潛力。Wang[48]測算了中國2000—2010 年的鋼鐵社會存量，為中國鋼鐵產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃和未來社會廢鋼資源再利用提供了相應的決策參考。唐守娟[49]等學者以北京為案例，結合系統(tǒng)動力學和存量分析方法，模擬了北京1949—2100 年歷年的建筑垃圾的產(chǎn)生量，研究發(fā)現(xiàn)，2057 年和2096 年左右北京將迎來建筑垃圾產(chǎn)生量的高峰。Liu[50]等分析了中國大城市產(chǎn)品和建筑系統(tǒng)的金屬存量，研究發(fā)現(xiàn)，2016 年我國大城市人均金屬存量為2.6～6.3t。城市建筑廢棄物資源化的開發(fā)潛力分析可以為城市廢棄物資源開發(fā)及產(chǎn)業(yè)決策提供有效的科學依據(jù)。

3.3 城市可持續(xù)管理決策系統(tǒng)研究

近年來，城市發(fā)展已經(jīng)開始從注重數(shù)量增長向注重質(zhì)量發(fā)展過渡，城市管理逐漸走向?qū)I(yè)化，有效的定量工具和數(shù)據(jù)支撐是實現(xiàn)城市管理專業(yè)化的關鍵要素[51]。城市管理者如果單純借助傳統(tǒng)經(jīng)驗來制定城市發(fā)展相關決策，在實施過程中，難免會影響決策的專業(yè)化和決策精度。發(fā)達國家得益于強大的科研力量支撐，在城市管理中已經(jīng)普遍依靠穩(wěn)健的科學工具來進行項目的立項、規(guī)劃建設以及管理維護等[52]。

輔助城市可持續(xù)管理決策是城市建筑存量研究的最終服務目標，即通過把握城市建筑存量的時空演替和環(huán)境問題產(chǎn)生的本質(zhì)規(guī)律，建立城市建筑存量的可持續(xù)管理決策支持系統(tǒng)，進而實現(xiàn)整個城市建筑存量的科學、有序管理。近年來，伴隨著空間技術和地理信息技術的發(fā)展，以城市為實體研究單位的城市可持續(xù)管理決策支持系統(tǒng)也得到了一定的發(fā)展。如Tanikawa[53]以日本的和歌山、名古屋、東京等地為案例，開發(fā)了四維地理信息系統(tǒng)（4D-GIS），該系統(tǒng)可以輔助當?shù)爻鞘泄芾聿块T開展城市物質(zhì)存量的核算、再生資源開發(fā)潛力分析、城市拆遷及重大自然災害廢棄物產(chǎn)生評估等工作。Chen[54]利用同樣的方法，基于中國鄂州市中心區(qū)的情況，開發(fā)了鄂州市的四維地理信息系統(tǒng)，用以輔助鄂州的城市規(guī)劃研究。歐盟支持的FP7 項目——可持續(xù)城市規(guī)劃決策支持系統(tǒng)（BRIDGE）也從能量、水、碳、廢棄物等組成元素出發(fā)進行了城市存量代謝研究，為城市規(guī)劃和建設的終端使用者（如城市規(guī)劃師、建筑師和工程師）提供了新的城市管理和發(fā)展理念，有效輔助了城市可持續(xù)發(fā)展的科學決策[55]。

4 結論與展望

本文就上述城市建筑存量相關研究進行了梳理和分析，現(xiàn)有城市建筑存量研究雖然在方法和工具創(chuàng)新等領域有所突破，但在理論研究、方法工具和決策支持服務等領域還存在較多的不足，城市建筑存量研究亟需在以下領域加強研究：

理論研究方面，目前城市建筑存量的定義已經(jīng)較為清楚，但是城市建筑存量時空動態(tài)演替的關鍵過程、城市資源環(huán)境問題的具體節(jié)點及根源仍不明確。傳統(tǒng)研究多采用“黑箱”理論，把城市看作整體進行分析，但是這些研究并未對城市內(nèi)部的存量特征和組成進行探索，因此也無法描繪出城市內(nèi)部的物質(zhì)存量演替的關鍵過程與環(huán)境問題產(chǎn)生的機理，難以突破“黑箱”模型的限制[56]?！白韵露稀暗暮怂惴椒ò押暧^城市建筑系統(tǒng)分解成多個子系統(tǒng)，分析物質(zhì)在各個子系統(tǒng)內(nèi)部流動、代謝及變化的相關情況，這有助于辨識建筑物質(zhì)存量變化過程中環(huán)境問題產(chǎn)生的根源。另外，現(xiàn)有建筑存量研究局限于物質(zhì)存量時空演替模式的分析，忽視了物質(zhì)存量變化所引發(fā)的城市環(huán)境問題，因此城市建筑存量的時空演替特征及其帶來的環(huán)境影響的研究有待加強。

方法工具方面，成熟的定量方法與完備的數(shù)據(jù)支撐是成功開展城市建筑存量研究的關鍵因素。目前的研究一直受到估算模型和數(shù)據(jù)收集的制約，模型核算依賴于大量的假設參數(shù)估算，不僅增加了研究的工作量，也降低了結果的可信度和深度，限制了存量研究的廣泛應用。因此，在開展城市建筑存量研究的過程中要注重多學科方法的交叉融合以及高新技術的應用，利用傳統(tǒng)的存量核算方法結合生命周期評價、情景分析、地理信息技術、高分遙感影像解析、無人機、智慧城市以及人工智能等技術，突破現(xiàn)有建筑存量分析的模型和數(shù)據(jù)獲取方法與工具的瓶頸。

決策支持服務方面，城市建筑存量分析歸根結底是為城市可持續(xù)管理服務的。但是現(xiàn)有城市建筑存量研究很少考慮城市經(jīng)濟發(fā)展和社會管理因素，因而研究所得出的大多數(shù)結論只能為城市管理決策提供一種導向而無法直接應用。因此未來的研究應增強研究結果的直接指導意義，結合環(huán)境、社會和經(jīng)濟因素探索城市可持續(xù)管理服務的科學模式。

總之，我國城市建筑存量研究剛剛起步，本地化基礎數(shù)據(jù)尚未得到有效積累，科學決策工具也相對匱乏，并且難以簡單照搬國外研究成果與成功管理模式，亟需開展城市建筑存量研究，開發(fā)相應定量工具，這有助于探尋解決城市生態(tài)和環(huán)境問題的有效途徑，為城市相關決策者提供建設的科學支撐，促進城市可持續(xù)管理的專業(yè)化。