基于物質(zhì)流分析的建筑垃圾產(chǎn)生量預(yù)測

張敏，董莉，劉景洋*，畢瑩瑩，張建強(qiáng)，杜明輝

1.西南交通大學(xué)地球科學(xué)與環(huán)境工程學(xué)院 2.國家環(huán)境保護(hù)生態(tài)工業(yè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，中國環(huán)境科學(xué)研究院清潔生產(chǎn)與循環(huán)經(jīng)濟(jì)研究中心 3.華北理工大學(xué)建筑與工程學(xué)院

建筑垃圾是城市化進(jìn)程必須面對(duì)的問題，因而備受關(guān)注。研究表明，我國建筑垃圾年均產(chǎn)生量為15.5億～24億t，約占城市垃圾的30%～40%[1-2]。由于建筑垃圾資源化水平不高，我國多個(gè)城市面臨建筑垃圾難以處理的窘境。建筑垃圾產(chǎn)生量的精確預(yù)測是有效應(yīng)對(duì)建筑垃圾問題的先決條件[3]，而我國缺少相關(guān)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，增加了對(duì)建筑垃圾實(shí)施綜合管理的難度。

建筑垃圾產(chǎn)生量預(yù)測方法有多元回歸[4-5]、時(shí)間序列[6]、灰色預(yù)測[7-8]和物質(zhì)流分析[9-12]等。左浩坤等[5]選取GDP、商品房銷售面積和建筑施工面積3個(gè)主要影響因素建立多元回歸分析模型，預(yù)測北京市2011—2015年的建筑垃圾產(chǎn)生量，修正后的決定系數(shù)達(dá)到0.973，擬合程度較好。向維等[6]利用SPSS時(shí)間序列預(yù)測模型對(duì)重慶市未來10年的施工垃圾、裝修垃圾、拆除垃圾產(chǎn)生量以及建筑垃圾總產(chǎn)生量進(jìn)行預(yù)測，相對(duì)誤差均在10%左右，預(yù)測精度較高。王秋菲等[13]通過灰色預(yù)測模型預(yù)測沈陽市2005—2014年建筑垃圾產(chǎn)生量，預(yù)測精度為優(yōu)。由此可見，上述模型的預(yù)測結(jié)果都具有較高的可信度，能夠比較準(zhǔn)確地預(yù)測建筑垃圾產(chǎn)生量。但上述方法均只能進(jìn)行5～10 a的短期預(yù)測，不能從大時(shí)間尺度上為管理提供數(shù)據(jù)支撐。

物質(zhì)流分析模型通過物質(zhì)守恒原理可以預(yù)測未來20～100 a內(nèi)物質(zhì)存量和流量，近年來，被越來越多的學(xué)者應(yīng)用于房屋建筑及基礎(chǔ)設(shè)施中的物質(zhì)存量[14]和建筑材料需求預(yù)測[15]，金屬材料在人類社會(huì)圈中的流動(dòng)[16]和循環(huán)經(jīng)濟(jì)發(fā)展評(píng)估[17]等研究，但關(guān)于建筑垃圾產(chǎn)生量的研究卻鮮有報(bào)道。因此，筆者針對(duì)建筑垃圾產(chǎn)生量缺少統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)問題，利用材料消耗強(qiáng)度來估算建筑物的長期物質(zhì)流量，并結(jié)合不同建筑結(jié)構(gòu)及其壽命預(yù)測未來建筑垃圾產(chǎn)生量及其成分的變化規(guī)律。

1 研究方法與數(shù)據(jù)來源

1.1 模型構(gòu)建

以全國城鎮(zhèn)居民住宅和非住宅建筑為系統(tǒng)邊界，基于1stOpt擬合平臺(tái)和Visual Basic編程軟件，構(gòu)建城市房屋建筑系統(tǒng)的系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型(圖1)，擬合時(shí)段為1978—2100年，擬合初始值設(shè)定于1978年。模型包括3個(gè)子模塊。

圖1 物質(zhì)流分析Fig.1 Material flow analysis diagram

模塊Ⅰ是住宅和非住宅建筑需求模塊。住宅和非住宅建筑流量主要受城市人口以及建筑需求驅(qū)動(dòng)，當(dāng)年城鎮(zhèn)建筑需求存量(S)為城鎮(zhèn)常住人口(P)和人均建筑面積(A)的乘積〔式(1)〕。根據(jù)《國家人口發(fā)展規(guī)劃(2016—2030年)》[18]、聯(lián)合國經(jīng)濟(jì)和社會(huì)事務(wù)部(DESA)發(fā)布的《世界人口展望2019》[19]中的中等生育率指標(biāo)，到2100年，我國人口只有10.65億人；參照《世界城市化展望2018》[20]中的城市化率，到2050年我國城市化率將達(dá)到80%，用Logistic增長函數(shù)擬合2051—2100年的城市化率，我國2100年城市化率將達(dá)到86.5%(圖2)。根據(jù)人均住宅建筑面積統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，假設(shè)其變化趨勢符合Logistic函數(shù)，最高可達(dá)61.6 m2。依據(jù)1985年全國城鎮(zhèn)房屋普查[21]和2005年“城市住房統(tǒng)計(jì)公報(bào)”[22]公布的城市房屋建筑面積，結(jié)合人均建筑面積可計(jì)算出當(dāng)年人均非住宅建筑面積。在歐洲一些發(fā)達(dá)國家的人均非住宅建筑面積約占人均住宅建筑面積的80%[23]，假設(shè)該比例遵循Logistic函數(shù)，我國城鎮(zhèn)非住宅建筑和住宅建筑的比例在2050年達(dá)到80%，2100年達(dá)到90%(圖3)。

圖2 我國城鎮(zhèn)化率Fig.2 Urbanization rate of China

圖3 城鎮(zhèn)人均住宅和非住宅建筑面積Fig.3 Urban per capita residential and non-residential building area

模塊Ⅱ?yàn)榱髁?存量模塊，用來模擬新建面積、存量面積、拆除面積間的動(dòng)態(tài)變化。模型中每年新建面積等于新增城市住宅需求面積與拆除面積之和〔式(2)〕，物質(zhì)流分析模型中房屋拆除面積的計(jì)算方法是利用壽命分布函數(shù)建立拆除曲線〔式(3)〕。關(guān)于壽命分布函數(shù)，不同研究提出了不同的觀點(diǎn)[24-31]。但哪類分布函數(shù)最符合建筑壽命，目前還沒有統(tǒng)一說法。筆者選取正態(tài)分布函數(shù)擬合建筑壽命曲線〔式(4)〕，建立房屋建筑的拆除曲線，從而獲得拆除面積。為提高模型的精細(xì)化程度，考慮全國城鎮(zhèn)房屋建筑結(jié)構(gòu)主要分為磚混和鋼混2種，構(gòu)建2種建筑結(jié)構(gòu)子系統(tǒng)。自1949年之后，我國幾乎所有的城市房屋建筑都是磚混結(jié)構(gòu)，第一批鋼筋混凝土建筑建造于20世紀(jì)70年代中期[12]。根據(jù)全國第五次和第六次人口普查結(jié)果[32-33]，我國城市房屋鋼混結(jié)構(gòu)比例從2000年的25.78%快速增至2010年的48.19%，假設(shè)建筑結(jié)構(gòu)比例變化符合Logistic增長函數(shù)，則2100年，鋼混結(jié)構(gòu)的建筑比例達(dá)到90%(圖4)。

圖4 城鎮(zhèn)房屋建筑結(jié)構(gòu)比例Fig.4 Proportion of urban buildings structure

模塊Ⅲ為環(huán)境模塊，主要考慮住宅和非住宅建筑的施工垃圾產(chǎn)生量〔式(5)〕和拆除垃圾產(chǎn)生量〔式(6)〕。

各模塊中參數(shù)計(jì)算公式如下：

(1)

(2)

(3)

(4)

(5)

(6)

1.2 數(shù)據(jù)來源

數(shù)據(jù)來源主要是《中國統(tǒng)計(jì)年鑒》[34]、《新中國六十年統(tǒng)計(jì)資料匯編》[35]、《改革開放40年經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展成就》[36]、《世界人口展望2019》[19]、《世界城市化展望2018》[20]等統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)以及其他文獻(xiàn)調(diào)研數(shù)據(jù)。將Yang等[37]對(duì)全國不同省份和不同建設(shè)時(shí)期的城市建筑物質(zhì)強(qiáng)度調(diào)研結(jié)果作為本研究單位拆除建筑物質(zhì)強(qiáng)度(表1)。我國目前未引進(jìn)房屋建筑改進(jìn)技術(shù)，假設(shè)2015年后的物質(zhì)強(qiáng)度不再產(chǎn)生變化。據(jù)Shi等[38]的調(diào)查，施工過程中物質(zhì)材料的有效利用率只有95%～98%，也就是說施工過程中物質(zhì)材料損耗率為2%～5%，假設(shè)滿足倒S型曲線，從5%逐漸減至2%。1978—2016年城市房屋建筑竣工面積即新建量數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)口徑一致且相對(duì)準(zhǔn)確，作為本模型前期新建量數(shù)據(jù)和模型驗(yàn)證。

表1 單位拆除建筑物質(zhì)強(qiáng)度Table 1 Material intensity of per unit demolished building kg/m2

1.3 情景設(shè)置

本研究模型構(gòu)建的主要參數(shù)有人口、城鎮(zhèn)化率、人均建筑面積、建筑結(jié)構(gòu)比例、物質(zhì)強(qiáng)度、建筑平均壽命。通過改變建筑平均壽命參數(shù)，其他參數(shù)按照目前的發(fā)展趨勢保持不變?cè)O(shè)置3種情景。我國一般建筑的設(shè)計(jì)使用年限為50 a[39]，政府規(guī)定建筑用地年限為70 a[40]，但調(diào)查顯示現(xiàn)有城市建筑平均實(shí)際壽命僅為30～40 a[41]。在此基礎(chǔ)上，設(shè)定短、中、長建筑壽命3種情景，設(shè)置參數(shù)如表2所示。

表2 不同情景下的建筑壽命設(shè)置Table 2 Setting of the lifespan of buildings under different scenarios a

1.4 模型驗(yàn)證

模型運(yùn)算可得到全國城鎮(zhèn)住宅房屋和非住宅房屋建筑垃圾的動(dòng)態(tài)變化結(jié)果。但建筑垃圾產(chǎn)生量無統(tǒng)計(jì)值，而該模型的建筑垃圾產(chǎn)生量是通過建筑存量和流量進(jìn)行計(jì)算。因此，利用全國城鎮(zhèn)住宅和非住宅竣工面積的歷史統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)進(jìn)行驗(yàn)證。采用相對(duì)誤差作為模型精確度檢驗(yàn)指標(biāo)，根據(jù)目前建筑垃圾管控現(xiàn)狀，檢驗(yàn)指標(biāo)小于0.3[42]，即認(rèn)為該模型的預(yù)測結(jié)果有效。

2 結(jié)果與討論

2.1 模型精確度檢驗(yàn)

根據(jù)我國城鎮(zhèn)人口、人均建筑面積和每年新建房屋建筑面積，利用物質(zhì)流分析法預(yù)測我國城鎮(zhèn)房屋存量和流量。將預(yù)測數(shù)據(jù)與每年新建房屋建筑面積的統(tǒng)計(jì)值進(jìn)行對(duì)比，得到預(yù)測值與統(tǒng)計(jì)值之間的相對(duì)誤差(圖5)。

圖5 住宅和非住宅新建面積預(yù)測檢驗(yàn)Fig.5 Checking of prediction of residential and non-residential newly built buildings

由圖5可見，住宅建筑新建面積的預(yù)測值與統(tǒng)計(jì)值的增長趨勢相吻合，2002年之前的預(yù)測值與統(tǒng)計(jì)值之間的相對(duì)誤差比較小，而2002年之后的預(yù)測值往往高于統(tǒng)計(jì)值，這可能是壽命低估的結(jié)果，或者是人口、住房存量和建筑活動(dòng)的官方統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)中存在統(tǒng)計(jì)口徑不一致所致。但總體來看，住宅建筑新建面積的預(yù)測值與統(tǒng)計(jì)值之間的平均誤差為0.24，小于檢驗(yàn)指標(biāo)，預(yù)測結(jié)果可信。而非住宅建筑新建面積的預(yù)測值與統(tǒng)計(jì)值之間的相對(duì)誤差都比較小，平均相對(duì)誤差為0.18，小于0.3，預(yù)測結(jié)果有效。綜上所述，利用動(dòng)態(tài)物質(zhì)流分析模型和上述數(shù)據(jù)進(jìn)行的建筑垃圾產(chǎn)生量預(yù)測結(jié)果有效。

2.2 房屋建筑存量-流量

由圖6可知，城鎮(zhèn)住宅存量和非住宅存量分別在2058年和2064年達(dá)到飽和(657.35億和569.41億m2)，之后逐漸減小，至2100年減至567.55億和509.63億m2，分別是1978年的49.12和82.79倍。

圖6 城鎮(zhèn)房屋建筑存量-流量動(dòng)態(tài)變化Fig.6 Urban residential building and non-residential building stock-flow dynamic change

在短壽命情景下，城鎮(zhèn)住宅和非住宅新建面積分別在2020年和2031年達(dá)到峰值(20.74億和17.38億m2)，到2100年降至14.50億和12.80億m2。與短壽命情景相比，中、長壽命情景下的新建面積峰值略有減小，住宅建筑新建面積均在2020年達(dá)到峰值(20.67億和20.64億m2)，非住宅建筑新建面積均在2028年達(dá)到飽和(16.69億和16.57億m2)，達(dá)到飽和后新建面積下降速度更為顯著，在2060年左右將出現(xiàn)一段新建面積低谷期。這是因?yàn)樾陆ńㄖ氖状卧鲩L由存量需求增長引起，存量出現(xiàn)飽和時(shí)，對(duì)新建面積的需求將僅由更換原因引起[9]。使用壽命越長，建筑更換需求時(shí)間間隔越長，需求量越小。

拆除活動(dòng)比新建活動(dòng)晚一個(gè)壽命周期，從2000年直到21世紀(jì)末的很長一段時(shí)間內(nèi)，建筑存量都將對(duì)拆除活動(dòng)產(chǎn)生相當(dāng)大的影響。在短壽命情景下，城鎮(zhèn)住宅和非住宅拆除面積分別于2072年和2065年達(dá)到飽和(18.84億和16.04億m2)，到2100年降至17.14億和15.05億m2。在中壽命情景下，住宅建筑拆除面積在2037年有一個(gè)小高峰(7.01億m2)，隨后在2081年達(dá)到一個(gè)大高峰(14.68億m2)。非住宅建筑拆除面積在研究范圍內(nèi)只有一個(gè)峰值(12.60億m2)。長壽命情景下，拆除面積的峰值出現(xiàn)更晚、波動(dòng)更大，住宅建筑和非住宅建筑拆除面積小高峰均在2035年出現(xiàn)(6.45億和3.94億m2)，大高峰在研究范圍內(nèi)尚未出現(xiàn)，拆除面積持續(xù)增長至2100年，分別為11.28億和9.73億m2。

2.3 房屋建筑垃圾產(chǎn)生量

圖7顯示了城鎮(zhèn)住宅和非住宅建筑在3種壽命情景下1978—2100年的建筑垃圾總產(chǎn)生量。

由圖7可見，在短壽命情景下，住宅建筑垃圾產(chǎn)生量在2072年達(dá)到峰值(28.69億t)，非住宅建筑垃圾產(chǎn)生量在2077年達(dá)到峰值(26.25億t)。在中壽命情景下，住宅建筑垃圾產(chǎn)生量在2035年達(dá)到一個(gè)小峰值(13.02億t)后略有下降，然后快速增長，至2081年達(dá)到大峰值(21.71億t)；非住宅建筑垃圾產(chǎn)生量與住宅建筑垃圾產(chǎn)生量變化趨勢極為相似，在2036年達(dá)到小峰值(8.99億t)后略有下降，然后迅速增長，至2084年達(dá)到大峰值(20.29億t)。在長壽命情景下，住宅建筑和非住宅建筑垃圾產(chǎn)生量均在2033年達(dá)到一個(gè)小高峰(12.46億和8.43億t)，再逐漸增至2100年的16.50億和15.48億t。這意味著目前我國城市建筑垃圾產(chǎn)生量遠(yuǎn)未達(dá)到峰值，且在未來幾十年里，將面臨建筑垃圾產(chǎn)生量迅速增長的壓力。

圖7 城鎮(zhèn)住宅、非住宅建筑垃圾產(chǎn)生量Fig.7 Construction and demolition waste of urban residential building and non-residential buildings

2.4 房屋建筑垃圾組成

城鎮(zhèn)房屋建筑垃圾組分如圖8所示。由圖8可見：2000年之前，建筑垃圾主要由施工垃圾組成，這是由于20世紀(jì)70—80年代建造的建筑還未大面積拆除；2000年之后，由于城市快速擴(kuò)張、建筑物更替和不合理規(guī)劃，大量建筑物被拆除，拆除垃圾成為建筑垃圾的主要組成部分；至2100年，拆除垃圾約占總建筑垃圾的98%。隨著我國城市房屋建筑結(jié)構(gòu)的變化，不同時(shí)期的施工垃圾和拆除垃圾成分及其比例也在發(fā)生變化。不同情景下，住宅建筑施工垃圾產(chǎn)生量峰值均在2020年產(chǎn)生，約為1.3億t；非住宅施工垃圾和所有建筑拆除垃圾產(chǎn)生量峰值及其發(fā)生時(shí)間會(huì)有較大差異。短、中、長壽命情景下產(chǎn)生的非住宅施工垃圾分別在2028年、2025年和2020年達(dá)到峰值，約為1.1億t。短壽命情景下，住宅和非住宅拆除垃圾產(chǎn)生量只有一個(gè)峰值，分別在2072年和2065年出現(xiàn)(27.99億、25.96億t)；中壽命情景下，住宅和非住宅拆除垃圾的第一個(gè)峰值在2034年和2035年出現(xiàn)(13.45億、8.99億t)；第二個(gè)峰值在2082年和2084年出現(xiàn)(21.23億、19.87億t)；長壽命情景下，住宅和非住宅建筑的第一個(gè)峰值均在2033年出現(xiàn)(12.94億、8.54億t)，在研究范圍內(nèi)，第二峰值尚未出現(xiàn)，但增長持續(xù)至2100年，當(dāng)年拆除垃圾產(chǎn)生量分別為16.25億和15.25億t。建筑使用壽命對(duì)建筑垃圾產(chǎn)生量的波動(dòng)有極顯著的影響，使用壽命越長，波動(dòng)越強(qiáng)烈。因此，更好地了解建筑物的使用壽命對(duì)預(yù)測未來的建筑垃圾產(chǎn)生量至關(guān)重要。

圖8 城鎮(zhèn)住宅、非住宅建筑垃圾組分Fig.8 Compositions of construction and demolition waste of urban residential building and non-residential buildings

不同來源的建筑垃圾，水泥、磚塊、沙和礫石都是其中占比較大的組分，總占比為90%～96%。水泥、沙和礫石是混凝土的組成材料，因此也可以認(rèn)為建筑垃圾中最大組分是混凝土，占比為44%～71%；其次是磚塊，占比為22%～51%；然后是鋼鐵，占比為0.50%～2.89%；最后是石灰和木材，分別占1.57%～2.62%、0.90%～2.19%；其他占比為0.30%～0.82%。從長遠(yuǎn)看，建筑垃圾是一種穩(wěn)定的二次資源，建筑垃圾再生利用可生產(chǎn)再生骨料、再生活性微粉、混凝土制品、再生混凝土復(fù)合料、再生混凝土、垃圾土陶粒等產(chǎn)品[43]。因此應(yīng)努力提高建筑垃圾的循環(huán)利用率，不僅可以減少自然資源開采量，節(jié)約資源，還能減輕建筑垃圾占地和污染造成的壓力。

3 結(jié)論與展望

(1)我國城鎮(zhèn)住宅和非住宅建筑存量分別在2058年和2064年達(dá)到峰值(657.35億和569.41億m2)。在3種壽命情景下，住宅建筑新建面積均于2020年達(dá)到峰值，短、中、長壽命情景下對(duì)應(yīng)的峰值分別為20.74億、20.67億和20.64億m2；非住宅建筑的新建面積在短、中、長壽命情景下分別于2028年、2025年和2020年達(dá)到峰值(17.38億、16.69億和16.57億m2)。住宅建筑的拆除面積分別于2072年、2081年和2100年達(dá)到峰值(18.84億、14.68億和11.28億m2)；非住宅建筑的拆除面積分別于2065年、2084年和2100年達(dá)到峰值(16.04億、12.60億和9.73億m2)。

(2)住宅建筑垃圾總產(chǎn)量在短、中、長壽命3種情景下分別于2072年、2081年和2100年達(dá)到峰值(28.69億、21.71億和16.50億t)；非住宅建筑垃圾總產(chǎn)量在3種情景下分別于2077年、2084年和2100年達(dá)到峰值(26.25億、20.29億、15.48億t)。

(3)建筑垃圾由施工垃圾和拆除垃圾組成，2000年之前，建筑垃圾主要由施工垃圾組成；2000年之后，主要由拆除垃圾組成；至2100年，建筑垃圾主要組成部分為拆除垃圾，占比為98%。其中，混凝土占比為44%～71%，磚塊占比為22%～51%，鋼鐵占比為0.50%～2.89%，其他成分占比為2.76%～4.68%。在3種情景下，住宅施工垃圾產(chǎn)生量均于2020年達(dá)到峰值(約1.3億t)，拆除垃圾產(chǎn)生量分別于2072年、2082年和2100年達(dá)到峰值(27.99億、21.23億、16.25億t)；而非住宅建筑的施工垃圾產(chǎn)生量分別于2028年、2025年和2020年達(dá)到峰值(約為1.1億t)，拆除垃圾產(chǎn)生量分別于2065年、2084年和2100年達(dá)到峰值(25.96億、19.87億和15.25億t)。

(4)建筑壽命對(duì)建筑垃圾總產(chǎn)生量的變化趨勢影響效果顯著。延長建筑使用壽命，可有效減少建筑垃圾產(chǎn)生量，推遲建筑垃圾產(chǎn)生量達(dá)到峰值的時(shí)間點(diǎn)。因此，相關(guān)政府管理部門應(yīng)提高城市總體規(guī)劃的精準(zhǔn)性，優(yōu)化城市建筑存量使用效率，不斷延長建筑壽命，從源頭上減少建筑垃圾產(chǎn)生量。其次，建筑存量作為新建流量和拆除流量的驅(qū)動(dòng)力，可通過政府宏觀調(diào)控措施減緩人均建筑面積的增長速度，預(yù)計(jì)近期峰值會(huì)更低，隨后建筑需求將進(jìn)一步下降，給城市建筑管理和垃圾處理處置提供一個(gè)緩沖時(shí)間。另外，在建筑垃圾產(chǎn)生量峰值到來前，做好預(yù)警措施，進(jìn)一步提高建筑垃圾循環(huán)利用的比例，提高二次建材原料的市場消納量，從而減輕建筑垃圾處理的壓力。