建筑钢结构资源化利用研究

李 阳（上海市建筑建材业市场管理总站，上海 200032）

1 建筑钢结构产业发展

我国 2018 年建筑钢结构产量超过 6 800 万 t，同比增长了约 11.7%。2012—2018 年的增速基本上在 10% 以上，处于高速发展阶段，详见图 1。我国建筑钢结构的产量 2018—2020 年间的复合增速可达到 20.6%，并可持续较快增长。预计到 2023 年之后，我国建筑钢结构的产量可望达到 14 000 万 t。在钢结构建筑的应用端，仅以上海为例，2016 年以来开工的 5 000 m2以上的公共建筑中，钢结构建筑的应用总体超过三成，其中在较大规模商办建筑和医疗建筑中应用比例已达半数。钢结构行业产量的持续发展，为我国金属积蓄量的提升起到了极大的推动作用，金属积蓄量的增加为我国提供了潜在的钢材原材料供给。

图1 2012—2018 年钢结构行业产量及其增速变化趋势图

2 钢结构拆除技术

我国目前正处于城市化的高速发展阶段，城市更新和城镇化持续高速推进，在此过程中一些建筑物由于不符合城市的功能定位或者需要进行功能提升，因此就需要进行局部或整体拆除。由于国家建设发展过程中的存量建筑绝大多数为砖混结构和钢筋混凝土结构，该类建筑结构受力体系较为简单，建造工艺复杂程度不高，因此，此类结构形式的拆除技术已经得到了较为充分的研究。存量建筑中，虽然钢结构总量较少，但是早期钢结构往往建于城市中心区域，因此钢结构也还是存在一定的拆除量的。其中，最为典型的是 2010 年上海世博会后，世博园区内除了“一轴四馆”永久保留以外，其他绝大多数自建馆、租赁馆以及高架步道，超过数十万立方米体量的钢结构建筑物，全部拆除腾空。由原上钢三厂特钢车间改造而成的世博大舞台，曾在世博会期间大放异彩，2018 年也进行了钢结构的拆除改造作业，仅保留了钢立柱。由于结构体系的差异，混凝土拆除技术不适用于钢结构的拆除，大型钢结构拆除的理论体系等方面还需要进一步的研究。钢结构拆除施工方法可分为机械拆除或爆破拆除两类，具体要根据现场的情况确定采用何种拆除方法。

2.1 机械拆除施工

机械拆除的施工方法非常适用于市中心对场地要求严格的拆除作业。该方法基本上按照结构的受力体系对构件进行拆分，然后进行构件的拆除作业，拆除过程中要使用气割设备和起重设备，消耗较多的人工和机械。

当构件自重较大，现场吊装设备不能满足吊装负荷时，可以先对构件瘦身减重，然后拆除主体。例如潍坊市市中心某钢结构人行天桥采用机械化拆除方法，由于其单根箱梁重量为 81 t，超过汽车吊的吊装能力，而现场只能使用汽车吊，因此施工单位先将箱梁侧边的边箱割掉以减轻梁身重量，再切割剩余箱梁主体，使用汽车吊将其放至地面[1]。

大连市某球形网架结构的拆除作业，先将其分为 3 个区域，然后采用气割的方法利用人工气焊将钢网架分片分块切割成小段，工人从防护架边侧将切割后的小段运至屋面[2]。

在拆除首都钢铁某大跨度厂房屋面时，为了减少脚手架的搭设量，项目组充分利用了厂房内部的结构梁，利用脚手架在上面搭设可移动施工平台，分片拆除了屋面结构。该拆除作业充分利用了厂房纵向长度的结构特点。

哈尔滨某商业广场中庭顶部钢网架在拆除时，同样没有搭设满堂脚手架，施工单位采用了支座拆除－网架平移－分段切割的方式完成了网架结构的拆除工作。该施工工艺有效利用了场地特点和结构特点，缩短了工期，提高了工效[3]。

人工机械进行钢结构拆除，施工工艺简单、施工方便快捷、施工工期较短、施工空间需求小，因此成本较低，是目前较多使用的一种建筑钢结构拆除方法。较为复杂、特别是预应力钢结构屋盖，由于其在建造过程中经历了复杂的结构非线性成型过程，因此在拆除过程中，对拆除结构的施工流程进行力学分析，对于拆除结构影响到的保留区域应做好安全防护措施，做到“先加固，后拆除”，以增加结构的安全性[4]。

目前，随着城市更新项目的增加，既有建筑改造工程也日益增多，建筑钢结构拆除过程中风险点较多。如建造时间较早，无法查询原始设计资料；结构拆除前如何进行安全性评估，需进行施工过程仿真，以制定合适的施工组织方案等。目前可以采用的技术有：使用三维激光扫描仪，建立建筑钢结构的实体模型；采用结构分析软件进行拆除过程的计算分析，确保安全性；在现场施工前还可以结合混合现实技术进行可视化交底，保证施工安全，有效控制工期和成本[5]。

2.2 爆破拆除

爆破拆除技术是传统建筑物拆除时常采用的技术，但该方法无法直接满足钢结构建筑物拆除的需要。近年来，线性聚能切割技术成为拆除大型建筑钢结构时的技术方案[6]。

在 2002 年，解放军理工大学在上钢一厂第二炼钢车间拆除作业时，成功进行了国内首次大型钢结构厂房爆炸切割拆除，这是我国第一次将线性聚能切割器真正应用于大型钢结构建筑物的切割拆除。此外，宝武集团某炼钢厂房和沈阳某室内体育场特大型钢结构的拆除作业均采用了聚能爆破拆除的方法。这两个爆破拆除项目充分说明了聚能爆破对于规模大、结构形式复杂的大型建筑钢结构拆除项目的适用性[7]。

采用聚能爆破拆除作业时，为了确保整个作业过程的安全性，要先进行必要的拆除设计，必须综合考虑切割器的切割效果和设置方式、预处理方式、建筑物倒塌方向和距离、定向完全倾倒的可靠性、触地震动、爆炸冲击波以及其他有害效应等多方面的因素，还需要考虑特大型钢结构建筑物一次性爆炸切割拆除技术、大量裸露炸药爆炸冲击波防护技术、聚能切割器参数设计、试验和数值模拟融合技术等，与此相关的理论体系可借助有限元分析方法开展进一步的分析和积累。

3 建筑废钢资源化应用

铁矿石和废钢是钢铁冶炼工业的两种主要原料。铁矿石采自地下，而废钢属于回收的再生资源。从绿色经济的角度考虑，钢铁工业尽可能减少铁矿石的使用，多用废钢，这不仅有利于保存自然资源，而且还有利于节约能源，减少环境污染[8]。据测算，炼钢每使用 1.0 t 废钢可以减少 1.7 t 精矿的消耗，比使用生铁长流程炼钢可以节省 60% 的能源、40% 的新水，同时减少 86% 的废气排放、76% 的废水排放、72% 的废渣排放、97% 的固体排放物（含矿山部分的废石和尾矿）[9]。采用废钢铁炼钢比采用铁矿石具有更高的有效回收率，废钢可直接入炉炼钢，其生产流程更短，可以认为废钢铁相较于铁矿石是一种成本低廉、环保友好、支撑钢铁行业可持续发展的再生资源，而且电炉炼钢厂占地面积小、投资少，因此，以废钢铁为主要原料炼钢，很有吸引力[10]。此外，不同于再生集料混凝土的性能会劣于新混凝土，采用建筑废钢冶炼而成钢铁的力学性能同铁矿石冶炼而成钢铁的力学性能无差异，因此建筑废钢资源化利用更为有效。建筑废钢是一种非常重要的战略储备金属资源，也是真正可以循环再生利用的建筑材料。

建筑物中拆除的钢材，成分复杂，需要进行处理之后，才可用于电炉炼钢，实现建筑钢结构的资源化利用。对于混在钢材中的非磁性颗粒，可以采用磁选的方法进行筛选。磁选是基于各种物质存在磁性差异的前提，在不均匀磁声中进行固体废弃物分选的一种处理方法。进行固体废弃物磁选时，先将固体废物输入磁选机，磁性颗粒在不均匀的磁声作用下将被磁化，被磁化的颗粒在受到磁场吸引力的作用时会被吸进圆筒，并随圆筒进入排料端而排出；不能被磁化的固体颗粒由于所受的磁场作用力很小，会存留在废物中[11]。钢材表面的油污和面漆，可使用清洗的方法去除，即使用各种不同的化学溶剂或热的表面活性剂，以达到清除钢件表面的油污、铁锈、面漆等附着物的目的。目前废钢材处理方面，来自传统的工业废钢处理方法，尚未针对建筑钢结构的特点进行有针对性的研发，因此处理的效果不理想，但是建筑废钢处理过程中的噪声和粉尘污染相较于再生集料混凝土，程度轻很多，环保压力较小。

4 政策指导

废钢铁资源化利用的相关财税政策配套措施目前日趋完善。2015 年 6 月，财政部、国家税务总局联合发布了《资源综合利用产品和劳务增值税优惠目录》，采用废钢铁作为炼钢炉料的企业，自 2015 年 7 月 1 日起可享受 30% 的退税比例。可以预见，今后随着市场的竞争，废钢铁行业发展所需的资源向大中型废钢加工企业集中将成为行业发展的必然趋势[12]。

5 结 语

大力发展建筑钢结构资源化利用是解决炼钢行业资源消耗高、浪费大、环境污染严重、资源不足等问题的有效手段。目前，我国建筑钢结构的资源化利用在政策引导、市场发展和技术研究方面都有了一定的积累，但是还存在以下的不足。

(1) 建筑钢结构拆除方面。建筑钢结构拆除从业企业，往往来自拆除传统建筑的企业，缺乏对钢结构体系和破坏模式的充分认识，拆除前也未对整个拆除过程进行基本的力学分析和补强工作，这导致钢结构拆除过程中存在隐患，钢结构拆除过程中屡有倒塌事件发生，给社会带来极大的危害。针对该问题，建议建筑行业主管部门从行业企业和人员资质资格管理、规范制定等方面开展前置性工作，引导拆除企业良性发展。

(2) 废钢回收管理方面。建筑钢结构目前的拆除量有限，废钢供应量有限，废钢的其他来源也相对不足，废钢供应量不稳定，会在一定程度上影响废钢铁加工企业，使其产能较少，经济效益下滑，最终导致废钢铁回收加工量的减少，对废钢铁行业的健康发展带来不利影响。针对该问题，建议政府进一步加大政策扶持，加强钢铁冶炼过程中的环境监督和治理，突显废钢铁资源化利用所具备的节能减排优势，践行“绿色发展”理念，切实保护废钢铁行业的发展。

(3) 废钢铁行业竞争方面。国内建筑行业主管部门虽然已经在废弃混凝土回收利用方面尝试建立了从工地拆除到回收再利用的监管体系，但是在建筑钢结构回收再利用方面仍处空白，基本仍是由经信或商务管理部门主管的废品回收体系开展有关工作。废钢铁行业准入门槛较低，从业人员素质普遍不高，因此存在大量小型企业，其废钢加工回收资源占比总量的 30% 以上。这进一步导致全国的废钢铁回收网点无序分布，部分企业不受行业监管，无法杜绝废钢中夹杂掺假的现象，给国家工程带来重大隐患，浪费大量废钢铁资源，破坏了钢材市场的经营秩序以及建筑行业的生产秩序。针对该问题，建议政府联合相关主管部门，建立废钢回收数据库，利用大数据分析和人工智能等方法，做到智能监管、精准执法。

(4) 建筑钢结构拆解方面。国家在大力推广装配式建筑钢结构，前文已经提到，钢结构中规格较好的型材拆除后可以直接用于新的建筑物。这可进一步提高建筑废钢的利用效率，增加建筑钢结构全生命周期的利用价值。这需要我们从建筑工业化的角度，以建筑可拆解利用为目标进行建筑结构设计，提高构件的规格化程度，并充分利用建筑信息化的手段，建立建筑钢结构构件的全生命周期档案，有效提升建筑工业化和建筑钢结构拆解的管理效率。