浅谈建筑钢材再利用的可行性研究

（北京建筑大学城市经济与管理学院，北京市，100044） 王英杰

建设部《“十四五”建筑业发展规划》明确了建筑业要形成绿色低碳的生产方式，绿色建造方式加快推行。如今中国力争在2030 年前二氧化碳排放达到峰值，努力争取在2060年前实现碳中和的可持续发展目标。根据《2022中国建筑能耗与碳排放研究报告》全国建筑与建造能耗占全国能源消费总量的45.5%；全国建筑与建造碳排放总量占全国碳排放的50.9%；全国建筑运行碳排放总量占全国碳排放的21.7%。由此可见，建筑行业的建设阶段为碳排放的主要阶段，因此要想有效降低碳排放量，除了需要研发绿色低碳的新型建造方式，尽可能的循环利用建筑材料是更直接有效的方式。钢材具有比其他建筑材料更稳定耐用的材料属性，更适合循环再利用，建筑钢材的回收再利用如果能推广应用，将会对建筑业的节能减排做出巨大贡献。

1 建筑钢材再利用设计方法

钢铁行业英国和欧盟制定了促进钢铁再利用的标准协议，同时指出再利用应限于未经受疲劳破坏、腐蚀、火灾、撞击损坏或大地震情况下的钢材[1]。Philipp Keller[2]等通过无线传感器网络对典型建筑物进行施工阶段、投入使用阶段以及冲击荷载和静力荷载等作用下进行建筑钢材应力监测，验证了钢结构投入使用后重复使用结构钢的可能性。苑绍东等[3]对结构构件的直接再利用展开研究，具体包括构件的重新设计和重新使用，使建筑钢材再利用的设计满足技术上可行。

1.1 减少材料屈服工作

目前我国钢结构设计普遍采用塑性设计的方法，以充分发挥钢材的塑性性能，达到节约钢材的目的。但针对再利用设计的钢结构应在使用期间保持弹性，以保持钢材不进入塑性工作而直至破坏，可以最大化可再利用建筑钢材的比例。损伤控制抗震设计和地震失效模式优化[4]可以辅助实现这个目标。

1.2 拆解设计

可拆卸设计对于使构件回收和钢材再利用成为可能。最重要的是，成员之间应该建立联系便于拆卸和回收。防火应用防火板材包裹，相对于防火涂料更容易拆卸和清理。减少使用钢管混凝土或型钢混凝土的结构形式，因剥离混凝土困难导致建筑钢材无法回收使用。

1.3 标准化设计

楼层净高、柱网以及主要建筑钢材，如钢梁、钢柱、斜撑等应尽可能尺寸标准化，增加不同项目之间构件互换的可行性，降低建筑钢材重复利用的难度。

1.4 确保构件信息可追溯性

位置数据，几何尺寸，强度等级，力学性能，受力环境、化学成分等主要信息利用BIM等信息化技术形成数据库，以方便存储和快速查找，为建筑钢材再利用提供技术参数。

1.5 构件参数鉴定

在钢结构服役期间，地质灾害、荷载变化、电化学腐蚀等都对材料有损伤。为保障钢结构能可靠的投入再次使用中，应对结构构件的材料性能进行检测。采用回收建筑钢材的建筑设计，设计参数应参考建筑钢材的检测结果。

2 建筑钢材循环再利用管理流程

建筑钢材的循环再利用过程如图1 所示,钢铁冶炼目前分为以铁矿石为主要原料的长流程炼钢以及以废钢为主要原料的短流程炼钢。未来二三十年中国钢铁生产主要流程依然是长流程和短流程并存，长流程节能减排空间有限，提升全废钢短流程炼钢比例的是降低碳排放的主要措施[5]。在建筑物使用寿命结束时，对钢材是否可重复使用进行性能评估，回收再用或者作废钢用以生产新制造的钢材。

图1 建筑钢材回收再利用流程图

2.1 钢材再利用评估

应进行高效且无损坏的拆解以获得可重复利用建筑钢材。回收材料应重新评估其性能是否与设计之初相符。重新评估应基于彻底的视觉检查并在对使用年限较长的钢结构必要时进行无损检测，不适合再利用、可降低性能再利用、可再利用的建筑钢材分类回收。检测内容包括材料缺损检测与鉴定、钢结构疲劳度检测与鉴定、连接与节点的缺陷等方面。常采用无损检测的方法对构件进行检查，有目测法、声波检测、电测技术、超声波探伤[6]。

2.2 绿色拆除技术

钢结构拆除在维持结构体系安全的前提下，拆除前需对钢结构建筑的构件信息结合设计图纸或信息模型进行库存数据管理，拆除过程中充分利用可拆卸设计逐步拆除，并注重对拆除单元构件进行成品保护，最终提高拆除后钢材的比例及周转效率。钢结构拆除时部分构件会发生变形，对产生微小变形的构件进行回正修复时要避免钢结构内部出现残余应力。各个建筑钢材经过性能检测后进行寿命评估以及性能减量折减，为后续新建或改造项目设计提供材料设计参数，进而能应用于新建工程中，尽量避免对构件长度和截面进行修，如需修改界面应避免钢材损伤，高强螺栓拆除后不能再利用，构件连接形式的修改主要是连接孔洞大小位置的修改或重新制孔，如不重新制孔应根据受力情况在构件上增加摩擦面来提高抗滑移系数；建筑钢材再利用时，应根据实际情况重新考虑使用年限，清除旧涂装，重新涂刷防腐防火涂料[7]。资源化评价实例的结果揭示了钢结构建筑绿色拆除技术与资源化再利用之间的关联，从简单拆除到可拆装，宏观把握精细化、将拆除理论融入设计、创意源自于拆除的循环理念，对可持续性发展具有重要意义[8]。

2.3 建立仓储数据管理平台

为确保建筑钢材的可追溯性，建立仓储数据管理平台，全面的记录建筑构件信息数据，包括材料强度等级、构件尺寸、投入使用年限、火灾地震或超载使用情况、使用环境、可拆卸设计情况、完整施工记录等。仓储数据管理平台要求：构件入库时相关信息录入，数据调整，出入库和盘点过程中钢材数量变更实时对库存数据进行更新，能随时对仓库存储的钢材信息进行查询、统计、分析、出库运输。标准化的、安全可信的科学数据仓储平台，除了可以帮助科研人员满足政府、项目资助方、采购方以及供应商等对数据管理与数据共享的要求，更重要的是在确保数据共享生态可持续发展等关键问题上发挥效用[9]。

3 建筑钢材再利用实践

建筑钢材再利用分为充分利用原有结构进行适当加固扩建以及完全拆解移植于其他项目两种情况。卡塔尔世界杯的“974体育场”的钢结构为完全标准模块化和可拆卸设计。由于其标准化的连接以及已经考虑到全球体育场模块化的几何形状，钢结构的各个子部分可以用作独立支架或组合形成圆形的体育场，赛后其建筑钢材被全部拆卸进行回收用于其他项目。上海体育场2021 年世俱杯改建结构设计在充分利用原有结构并对原结构约有120 根杆件及430 个相贯节点承载力不足进行加固后完成改造[10]，实现了对原有建筑钢材的再利用，遵循了绿色建筑的理念。

4 建筑钢材再利用的未来发展方向

4.1 建立高效可靠的钢材性能评估体系

人工对钢材进行目测检查需要花费大量的时间,检测的准确率也比较低。采用深度学习和计算机视觉结合的方法来检测瑕疵,这些方法能够取得一些比较好的效果。

采用可靠的检测方法验证旧建筑物中回收的钢材是否能达到具有与新建建筑相匹配的机械性能。如果经检测达不到设计之初的材料性能，需探寻使用减量系数的概念解决强度和延性等参数的下降问题。

4.2 建立易于拆卸、标准化模块化的设计方法

未来的建筑鼓励采用新型易拆卸结构体系。设计时尽量采用高强螺栓连接，节点连接尽可能通过螺栓连接来代替焊接。围护系统、楼板系统均采用钢结构与混凝土结构可无损拆卸的连接方式，以保证钢材和混凝土板的再利用并尽可能保护材料不受破坏。标准化的设计为材料移植于新项目提供了更广阔的适用范围。

4.3 出台政策奖励钢材再利用

目前钢材再利用尚无上下游配套的完整产业链，没有再利用钢材的供应商，也无相关建造商。钢铁再利用的成功案例我国目前仅限于改造工程以及完全移植工程。需出台炼钢再利用及性能检测的相关标准，明确回收钢的检查和储存以备最终分销的流程，对相关企业从税收、政府项目扶持、绿色建筑评价加分项等方面鼓励相关企业发展。利用政策的干预来开拓新的市场是最有效的方式。

4.4 建立钢材再利用仓储及物流体系

建立有效的存储和物流体系，使再利用钢材的采购与新制造的钢材一样快速、经济。能使建筑商能快速找到适合自己项目参数、尺寸的再利用建筑钢材，掌握库存情况，以便能提前计划新建工程的再生构件及新建构件的情况。

5 结语

尽管对建筑钢材再利用有广阔的前景且更贴合建筑业可持续绿色发展的理念，但建筑业和学术界，迄今为止很少有钢结构再利用的应用实例。但国内外目前在不断探索，使钢结构再利用成为广泛接受的现实。本文为建筑钢材重新投入使用提出了设计思路以及应用流程，需要政策支持，结构工程师积极参与规划，材料参数及使用记录的可追溯性，性能评估确保此类项目的成功，通过量化可再生的建筑钢材性能，建立专为拆卸而设计的连接，并开发标准化、模块化的结构体系，从而提高建筑钢材的再利用率。