钢结构建筑拆除钢材资源回收逆向物流研究

王梦涵，王 淋，黄 月，董树修

0 引 言

近些年来，我国城市化进程发展迅猛，钢结构建筑由于其工期短、方便安装的优点被广泛使用，但建筑钢材在达到其使用寿命后的回收较少，容易造成资源浪费和环境污染等问题。而且我国人均矿产资源占有量很低，按照传统的发展模式，必将导致资源枯竭，所以大力发展循环经济，促进资源的循环利用是解决钢铁资源短缺的必然之路。建立建筑钢材的逆向回收网络进行合理回收，可以实现钢铁资源的再生[1]。

循环经济是物资闭环流动型经济的简称，本质上是一种生态经济，根据生态学规律的要求，将人类的经济活动从传统工业社会以“资源—产品—废弃物”的物质单向流动为基本特征的线性经济模式，转变为“资源—产品—再生资源”的物质反馈式或闭环流动为基本特征的循环型经济增长模式，使物质在反复的循环流动过程中，资源得到充分合理的利用，从而提高经济运行的质量和效益[2]。建筑钢材资源回收逆向物流是指将建筑钢材经过回收、分类、加工使其再利用的过程，提高资源的利用率，从而减少对自然资源的消耗，发展循环经济。

建筑钢材通常可分为钢结构用钢和钢筋混凝土结构用钢。钢结构用钢主要有普通碳素结构钢和低合金结构钢。品种有型钢、钢管和钢筋。型钢中有角钢、工字钢和槽钢。建筑钢材在建筑物拆除或达到其最高使用年限后成为建筑废钢。铁矿石和废钢是钢铁冶炼工业的两种主要原料。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[3]。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。

1 建筑钢材资源回收逆向物流网络节点规划与网络结构

1.1 建筑钢材回收节点规划

1.1.1 产生点

由于建筑钢材具有排放量大，排放集中的特点，在建筑垃圾产生地之外另外设置收集点不仅增加不必要的周转程序，徒增人工和运输费用，而且对城市的环境市容都可能造成诸多不利影响，考虑到建筑钢材这种可再生资源的实际情况和我国可能实施的现状，现将建筑垃圾的产生点确定在每个建筑钢材产生点的中心。

1.1.2 建筑钢材回收处理中心

建筑钢材回收再生中心主要负责废弃物的筛选，清理分类，钢铁重炼。重新炼成的钢铁达到国家建筑再生资源利用标准的进入钢铁再销售市场，炼钢前后产生的废渣等一些不能再继续利用的垃圾送到废弃物掩埋场进行掩埋处理。建筑钢材回收再生中心可以是新建的，也可以是在某些大的回收站基础上扩建而成的，建筑钢材回收再生中心建设规模应根据服务区域内装配式钢结构建筑废弃物产生量、厂址自然条件、地形地貌特征、服务年限及技术、经济合理性等因素综合确定。既要保证覆盖设定的全部回收区域，又要考虑现有及短期未来可能的装配式钢结构建筑分布情况，在兼顾装配式钢结构建筑集群的同时保证网点均匀分布。

1.2 建筑钢材资源回收逆向物流网络结构

建筑钢材资源回收逆向物流网络是指在建筑钢材回收利用过程中各个不同类型的节点分工合作所形成的组合网络，它使建筑钢材经过建筑钢材资源回收逆向物流网络的各个环节，从而实现部分甚至全部的建筑钢材的回收再利用。建筑钢材资源回收逆向物流网络结构示意图如图1 所示。

图1 建筑钢材资源回收逆向物流网络结构示意图

2 建筑钢材资源回收逆向物流线性规划模型构建

2.1 目标函数

由于影响建筑钢材处理行为的因素主要是经济成本，故目标函数即成本最小化。模型构建中只考虑从建筑钢材产生点往建筑钢材回收再生中心运输过程。目标函数如下：

式中：Xi代表建筑钢材物流流量，i=1,2,3,…,n；dj代表运输距离；CT代表单位运输费用（元/吨·公里）；CD代表单位处理费用（元/吨）。

2.2 模型假设

通过调研得知各个建筑钢材回收再生中心的单位处理成本和运输成本基本一致，为了便于建立数学模型，在本模型研究中，假定各个废钢回收再生中心对建筑钢材的回收处理费用都是相同的。

2.3 约束条件

（1） 供应约束

建筑钢材的产生量不大于建筑钢材回收再生中心的处理量。

式中：Xij代表建筑钢材产生量，ai代表建筑钢材回收再生中心的处理量。

（2） 需求约束

建筑钢材回收再生中心的需求量不大于建筑钢材的产生量。

式中：Xij代表建筑钢材产生量，bj代表建筑钢材回收回收再生中心的需求量。

（3） 供需平衡约束建筑钢材回收再生中心接收的建筑钢材数量应小于等于此建筑钢材回收中心可承受的最大处理量。

式中：Xi代表建筑钢材回收再生中心接收的建筑废钢材的数量；Vi代表此建筑钢材回收中心可回收的最大建筑钢材量。

（4） 所有决策变量都为非负条件

3 实例分析—H 市建筑钢材资源回收逆向物流网络优化

3.1 问题描述与基础数据

H 市共有F1、F2个建筑钢材回收再生中心，现以H 市9 城区为例，构建H 市建筑钢材资源回收逆向物流网络体系，以2030 年建筑钢材的产生量为例，确定最优的建筑钢材流通量。

H 市两个建筑钢材回收再生中心的年处理能力分别为2 000 000 吨。

H 市9 城区建筑钢材的产生量如表1 所示。

表1 2030 年H 市建筑钢材产生点及其产量统计表单位：吨

H 市9 城区建筑钢材产生点与建筑钢材回收再生中心之间的距离如表2 所示。

表2 H 市各建筑钢材产生点与各建筑钢材回收再生中心之间的距离统计表单位：千米

H 市建筑钢材的回收处理费用为2 600 元/车，车的载重量为25 000 千克，故处理费约为100 元/吨。建筑钢材的运输费用为2 元/吨·千米。H 市9 城区建筑钢材到F1、F2个建筑钢材回收再生中心每吨的运输回收处理价格如表3 所示。

表3 建筑钢材收集点到建筑钢材回收再生中心的运输和回收处理价格单位：元/吨

3.2 建立模型

目标函数：

将相关数据代入模型，线性规划方程如下：

a. 产量约束

建筑钢材产生点E1到两个建筑钢材回收再生中心X11+X12=400 000

建筑钢材产生点E2到两个建筑钢材回收再生中心X21+X22=200 000

建筑钢材产生点E3到两个建筑钢材回收再生中心X31+X32=500 000

建筑钢材产生点E4到两个建筑钢材回收再生中心X41+X42=400 000

建筑钢材产生点E5到两个建筑钢材回收再生中心X51+X52=600 000

建筑钢材产生点E6到两个建筑钢材回收再生中心X61+X62=600 000

建筑钢材产生点E7到两个建筑钢材回收再生中心X71+X72=300 000

建筑钢材产生点E8到两个建筑钢材回收再生中心X81+X82=300 000

建筑钢材产生点E9到两个建筑钢材回收再生中心X91+X92=700 000

b. 需求约束

X11+X21+X31+X41+X51+X61+X71+X81+X91=2 000 000

X12+X22+X32+X42+X52+X62+X72+X82+X92=2 000 000

3.3 模型求解与结果分析

在Lingo 中输入以下代码：

Min=22X11+26X21+33X31+21X41+26X51+27X61+40X71+39X81+29X91+24X12+29X22+14X32+24X42+22X52+38X62+24X72+32X82+34X92；X11+X12=400 000；X21+X22=200 000；X31+X32=500 000；X41+X42=400 000；X51+X52=600 000；X61+X62=600 000；X71+X72=300 000；X81+X82=300 000；X91+X92=700 000；X11+X21+X31+X41+X51+X61+X71+X81+X91=2 000 000；X12+X22+X32+X42+X52+X62+X72+X82+X92=2 000 000。

单击菜单中的Solve 命令，得到结果如下：E1、E2、E3、E4、E5、E6、E7、E8、E9往F1的运量分别为：100 000、200 000、0、400 000、0、600 000、0、0、700 000。E1、E2、E3、E4、E5、E6、E7、E8、E9往F2的运量分别为：300 000、0、500 000、0、600 000、0、300 000、300 000、0。

4 总结与展望

构建了建筑钢材资源回收逆向物流模型，在建筑钢材物流的规划上，运用了数学优化方法，使得能够科学有效的对建筑钢材的收运线路进行调度，有计划的调整建筑钢材的运送计划，得到最优的回收路线，节约了人力物力。随着建筑钢材回收循环利用在低碳经济、循环经济中的地位越来越重要，未来深入研究逆向物流系统构建及优化中的实际问题，对我国钢铁工业的持续健康发展，对环境问题的解决都有积极的意义。