基于系统动力学的建筑废弃物可持续管理及实证研究

毛 鹏， 孙小宇， 顾素素， 戴兆华

(南京林业大学 土木工程学院， 江苏 南京 210037)

据统计，我国建筑废弃物年产生量超过35亿t，占城市垃圾排放量的70%[1]。虽然我国相继颁布了一系列法律法规对建筑废弃物处理进行规范[2,3]，但大多数建筑废弃物仍被随意处置，造成大量土地和建筑资源的浪费[4]，由此引发了一系列社会和环境问题[5,6]。因此，学者们对如何处理建筑废弃物展开了大量研究。袁红平等[7]运用系统动力学对废弃物现场管理进行研究，研究表明减少设计变更、在施工现场对建筑废弃物进行分类分拣、提高减量化意识等操作可以有效减少废弃物的产生。刘华等[8]运用因子分析法，提取物流管理、现场分类与回收利用、人员管理和合同管理4个主因子，并以此为基础运用Logistic回归分析，结果表明，4个主因子对建筑废弃物减量化管理都有显著影响。迂晓轩等[9]为建筑工程垃圾的减量化提出了评价标准。然而，这些研究都集中在减量化管理，对建筑废弃物的可持续管理研究尚显不足。本文在识别建筑废弃物管理影响因素，构建建筑废弃物可持续管理流动链后，引入环境效益指标，运用系统动力学，从减量化、资源化与无害化三个维度综合考虑，对建筑废弃物流动的全过程进行环境效益分析，为建筑废弃物管理者选择最优方案提供参考，实现建筑废弃物可持续管理。

1 模型构建

本文根据系统动力学建模方法和步骤，通过对大量文献分析，识别出影响建筑废弃物管理的主要因素，同时分析出这些因素作用于减量化、资源化、无害化的效果。在此基础上，建立废弃物管理、废弃物产生与处置、废弃物管理环境效益三个子系统。这三个子系统共同构成了建筑废弃物可持续管理综合分析模型。

1.1 模型总体结构

在施工阶段实施建筑废弃物可持续管理。首先进行减量化管理，在废弃物分类分拣后，实施资源化与无害化管理，回收废弃物或将废弃物转换成新物质或将废弃物用于能量转换。当废弃物环境效益产生后，又会进一步激励建筑废弃物的管理，形成反馈。因此，三个子系统之间互相影响，共同构成一个完整的建筑废弃物可持续管理综合分析模型，如图1所示。

图1 建筑废弃物可持续管理综合分析模型

1.2 子系统构建

1.2.1 建筑废弃物管理子系统

在国家法律法规及规章制度的要求下，政府等相关利益者会对建筑废弃物管理进行投资；施工企业会培养内部的建筑废弃物减排文化，做到对建筑废弃物现场分类分拣等最基本的管理。建筑废弃物经过分类分拣后，还需进行资源化、无害化处理。基于以上分析，本文筛选出29个影响因素，构建了建筑废弃物管理子系统，如图2所示。

图2 建筑废弃物管理子系统因果循环图

从图2可以看出，建筑废弃物管理规章制度的逐步完善，会促使政府对建筑废弃物管理进行投资。这些投资可以直接用于对施工企业人员的废弃物管理培训，提高施工人员环保意识，提升企业内部减排文化。在具有管理主动性后，企业会采取减废措施。当施工企业进行减量化管理时，可进行源头减量化和过程减量化。在源头减量化中，可以使用低废弃物率的金属模板、金属脚手架、预制构件，从而有效减少建筑废弃物的产生，获得良好的环境效益。反馈回路主要经过减量化管理、资源化管理、无害化管理三个变量，经过这三个变量反馈回路的情况如表1所示。

表1 建筑废弃物管理子系统反馈回路情况汇总

1.2.2 建筑废弃物产生与处置子系统

目前，国外的建筑废弃物管理机制较为成熟，如德国建筑施工废弃物利用率达到近90%[10]。而国内建筑废弃物处理大多还停留在“建筑原料—建筑物—建筑废弃物—填埋”的传统处理模式上。通过借鉴国外废弃物处置方法，本文选择了23个影响因素构成产生与处置子系统，如图3所示。

图3 建筑废弃物产生与处置子系统因果循环图

从图3可以看出，当在施工阶段采用建筑废弃物管理措施时，建筑废弃物的管理促进作用逐渐增加，通过源头减量化使得在现场分类分拣的废弃物减少，按照资源化与无害化管理要求，将建筑废弃物分类分拣。砂浆、砖和砌块、金属可进行直接回收利用，如砂浆、砖和砌块可用于公路地基填充、填海造地等，金属可进行直接加工利用。混凝土进行物质转换即二次加工，改变其性质做成其他材料，如骨料、再生砖。木材可以能量转换，进行焚烧发电。塑料若直接埋入土中会对土地造成污染，所以需要进行无害化处理。这样就避免了废弃物的非法倾倒或者直接运往填埋场填埋，从而带来环境效益。反馈回路主要经过物质回收、物质转换、能量转换、无害化处理四个变量，经过这四个变量反馈回路的情况如表2所示。

1.2.3 建筑废弃物管理环境效益子系统

环境效益是指在施工阶段对建筑废弃物进行减量化、资源化、无害化管理后， 环境负荷减少而产生的效益。目前对于环境效益的量化，主要指标为全球变暖、资源消耗、能源消耗、占用土地空间等[11]。建筑废弃物减少的环境效益可用资源、能源消耗以及二氧化碳指标来量化[12]。废弃物产生后一部分需要进行填埋，填埋不可避免会占用土地空间，因此用土地空间指标来量化废弃物填埋的环境影响。由此，本文筛选了21个影响因子构建环境效益子系统，如图4所示。

表2 建筑废弃物产生与处置子系统反馈回路情况汇总

图4 建筑废弃物管理环境效益子系统因果循环图

从图4可以看出，当在施工阶段采用建筑废弃物管理措施时，建筑废弃物管理的促进作用逐渐增加，通过减量化使得在现场分类分拣的废弃物减少。砖和砌块、砂浆、金属、混凝土、木材、塑料废弃物的减少意味着节约了相应的原材料。在生产这些原材料时需要消耗资源、能源，并排放二氧化碳，同时这些材料运输到施工现场也需要消耗资源、能源，排放二氧化碳，因此材料的节省意味着资源消耗减少、能源消耗减少以及二氧化碳排放减少。传统废弃物处理方式是进行填埋，而填埋会占用大量的土地空间。当废弃物减少，相应地占有的填埋空间也会减少，节约大量土地。除此以外，运往填埋场的废弃物减少，在运输方面消耗的资源能源以及排放的二氧化碳也会减少。这些构成了废弃物管理的环境效益，进一步促进废弃物管理措施的实施。反馈回路主要经过节省的材料量、废弃物运输减少量、废弃物减少总量三个变量，经过这三个变量反馈回路的情况如表3所示。

2 实证研究

2.1 案例概况

本文选取南京市某住宅项目进行案例分析。

表3 建筑废弃物管理环境效益子系统反馈回路情况汇总

该项目结构类型为框架剪力墙结构，工期为700 d，大约24个月。建筑面积为69212.9 m2，其中地下室面积19293.1 m2。建筑层数为28层，高度为84.15 m。

2.2 模型参数确定

本模型部分参数需要通过实际项目访谈来确定，受访对象在项目建设过程中均全程参与，有一定的工程经验，其中15年以上经验的占23%，9～15年的占17%，工龄超过3年的占80%。主要访谈内容是对建筑废弃物管理规章制度、施工现场分类分拣和金属模板等建筑废弃物管理措施的采用情况进行了解。这些建筑废弃物管理措施分为完全不采用、极少采用、部分采用、大量采用、完全采用五种情况。应用加权平均法对五种情况进行赋值，将定性因素转换为定量因素Di，得到如下计算公式[13]。

(1)

式中：Sj为五种情况中第j种情况的赋值；Mij为采用第i种措施时，选择第j种情况的人数。根据式(1)得到的模型中各措施参数值如表4所示。

表4 模型各措施参数值

2.3 模型检验及模拟结果

本文对建筑废弃物可持续管理综合分析模型主要进行结构适合性检验以及行为适合性检验，即系统边界检验、极端条件检验、敏感性检验。其中，系统边界检验在构建因果回路图时已贯穿其中，构建的模型基本符合建筑废弃物管理的规律。极端性检验以公众填埋率为例，进行极端性检验。公众填埋率的取值范围在[0,1]区间内，将公众填埋率分别取值0，0.5，1，结果表明在公众填埋率为0.5，1的情况下，建筑废弃物公众填埋量的曲线变化趋势是一致的。敏感性检验以非法倾倒废弃物为例，分别将废弃物非法倾倒率变量取值0，0.25，0.5，0.75，1这5个数值，结果表明随着非法倾倒率的数值增大，建筑废弃物的非法倾倒量也随之升高，这与事实相符。其他关键变量进行极端性检验与敏感性检验后，均有较好效果。综上，本文模型通过了检验，可以用来对建筑废弃物的可持续管理进行综合分析。

实证模型模拟期为24个月，本文分别对建筑废弃物的产生、建筑废弃物的处置、建筑废弃物管理的环境效益进行模拟分析，至模拟期结束共减少废弃物2635.36 t，二氧化碳排放减少1.43×106kg，能源消耗节省361071 kgce，大大降低了能源的消耗并减少了二氧化碳的排放。

2.4 情景分析

2.4.1 单因素情景分析

本文在建筑废弃物管理子系统的关键变量中选取主回路的建筑废弃物管理规章制度变量，其他回路的承接减量化与资源化、无害化的施工现场分类分拣变量以及低废弃物率的金属模板变量，分别进行单因素情景分析。

情景1：建筑废弃物管理规章制度

在建筑废弃物管理系统中，积极遵守建筑废弃物管理规章制度会促进建筑废弃物管理措施能够进行有效实施。因此，为研究不同强度的建筑废弃物管理规章制度对建筑废弃物减少量的影响，以模型的初始值0.207(初始情景)代表较低强度的管理规章制度为基础，设置了情景1-1、情景1-2两种不同情况，分别代表中等强度和较高强度的管理制度，不妨令两种情景的建筑废弃物管理规章制度值分别为0.5和0.8，该取值不影响分析结论。从表5可以看出，建筑废弃物管理规章制度的初始值越大，各类建筑废弃物的减少量越多。当继续提高其初始值，即达到0.8时，建筑废弃物减少的改善指数变化趋缓，表明规章制度增强到一定程度时，建筑废弃物的管理力度会趋于稳定。

表5 建筑垃圾管理规定模拟结果

情景2：施工现场分类分拣

施工现场分类分拣是建筑废弃物减量化管理的关键因素，在建筑废弃物管理系统中现场施工人员进行分类分拣会对建筑废弃物资源化、无害化管理产生影响。以模型的初始值0.31(初始情景)代表较低强度的施工分类分拣，设置情景2-1，2-2两种情况分别代表中等强度和较高强度的分类分拣，研究对建筑废弃物减少量的影响。同样可以令两种情景的施工现场分类分拣值分别为0.5和0.8。通过模型中建筑废弃物分类分拣值的改变，观察建筑废弃物分类分拣对建筑废弃物处置结果的影响。由表6可知，通过加强分类分拣可以实现建筑废弃物的资源化和无害化处理，从而使被填埋和非法倾倒的建筑废弃物减少，进一步能够减少土地空间的占用量。

表6 建筑废弃物分类分拣情景模拟结果

情景3：金属模板

金属模板可以重复使用，因此使用金属模板可以有效减少建筑废弃物的产生。为研究金属模板对建筑废弃物减少量的影响，同样以模型的初始值0.156(初始情景)代表较低强度的金属模板利用，设置情景3-1、情景3-2两种情况，分别将金属模板值设为0.5和0.8，代表中等强度和较高强度的金属模板利用。通过模型中建筑废弃物金属模板值的改变，观察金属模板对环境效益的影响(表7)。采用金属模板替代传统的木模板能够大量节约森林资源，保护环境。因此相比较于土地空间、二氧化碳排放以及能源消耗等方面的改善，加大金属模板的使用对资源消耗的改善效果更加显著。

表7 建筑废弃物使用金属模板情景模拟结果

2.4.2 多因素情景分析

情景1至情景3只是对单一因素进行情景分析，但在实际情况中建筑废弃物管理不可能只是进行一项管理措施。限于篇幅，本文仅讨论3个因素共同作用的情景。由此将情景1至情景3中的变量结合，以0.5为任一因素的定值，改变另外两种因素的值，生成情景4(如表8)，进行3个因素的情景模拟，观察建筑废弃物减少量、处置减少量以及环境效益的变化，结果如表9所示。

表8 各种因素在不同情景下的取值

表9 三因素共同作用的情景模拟

从表9中可以看出，除木材废弃物以外，各类建筑废弃物在4-3情景下改善指数最大，在4-2情景下改善指数次之，最小的为4-1情景下的改善指数。由此得知建筑废弃物管理规章制度在三种因素中最为重要。当建筑废弃物管理规章制度开始制定并逐渐加强完善时，建筑废弃物管理在施工阶段将会得到重视，并按照规章制度的要求去实施，从而促进建筑废弃物在管理过程中分类分拣、物质转换、物质回收等一系列管理措施的实施。分类分拣因素是三个因素中重要程度仅次于建筑废弃物管理规章制度的因素。当进行源头减量化后建筑废弃物需要进行分类分拣，才能将建筑废弃物一部分资源化，一部分无害化。表9中木材废弃物受金属模板的影响较大，金属模板是源头减量化措施中的一部分，将金属模板代替木模板能够大量减少木材废弃物的产生，但也仅仅影响木材废弃物，因此在三个因素中影响力较小。但在环境效益中，木材在资源消耗节省方面占较大比重，在4-2情景中即在建筑废弃物规章制度和金属模板双重因素的作用下，资源消耗节省量改善指数最大。情景分析结果表明，在建筑废弃物管理中单一管理达到的效果有限，当三种因素共同作用于建筑废弃物管理时，建筑废弃物可持续管理的效果极大提升。

3 结 语

随着我国城镇化进程的加快，建筑废弃物所带来的各种问题也逐渐引起社会各方面的重视。本文通过将减量化、资源化、无害化三者相结合，确定了三者之间的关系，构建了一条建筑废弃物可持续管理流动链；另外，结合系统动力学，建立了建筑废物可持续管理综合分析模型；并将该模型应用于实际案例进行仿真模拟，探究出了建筑废弃物可持续管理对环境所造成的影响，进而验证了建筑废弃物可持续综合管理的必要性；最后，本文通过对单因素及多因素进行情景分析，总结出了建筑废弃物具体管理措施之间相互协调，实现建筑废弃物管理的最优方法，对实现碳达峰、碳中和，全面迈向低碳社会、实现建筑业的高质量发展具有重要意义。同时，也为政府相关部门进一步制定建筑废弃物管理的相关法律法规提供了参考。