京津冀地區房屋建筑中鋼鐵存量研究及驅動力分析

韓中奎，文博杰，代 濤，李強鋒，王 歡

(1.中國地質科學院礦產資源研究所，北京 100037；2.中國地質大學(北京)地球科學與資源學院，北京 100083；3.中國地質科學院全球礦產資源戰略研究中心，北京 100037)

鋼鐵是國家經濟發展和社會進步的重要物質基礎，是人類進行各種生產活動的保障[1]。

目前，中國是世界上最大的鋼鐵消費國，建筑及基礎設施消費占中國鋼鐵消費結構的比例一直大于50%，房屋建筑用鋼占建筑及基礎設施鋼鐵消費量的65%以上[2]。近年來，中國經濟的快速發展，工業化和城鎮化也在不斷推進，致使大量的鋼鐵資源存儲在房屋建筑中。未來，隨著房屋建筑的不斷代謝，如何預測房屋建筑中廢舊鋼鐵產量及評測其環境影響程度，是鋼鐵資源循環利用政策制定所面臨的難題。

物質流分析(MFA)是對系統內物質(鐵、銅、鋁等)流量和存量研究的有效方法[3-6]。近年來，國內外學者利用物質流分析方法對中國鐵資源的社會存量進行了一系列的研究。Wang等[7]采用“自下而上”的方法，對中國鋼鐵存量進行估算，并選取2000年、2010年中國城市和鄉村的鋼鐵存量進行對比，結果顯示地域間鋼鐵使用強度的差異明顯。Hu等[8]基于物質流方法分析了中國房屋建筑中的鋼鐵需求及廢鋼回收潛力，并通過數值分析模擬了中國房屋建筑竣工量與鋼鐵需求量之間的變化。樓俞等[9]采用自“自下而上”的方法對邯鄲市鋼鐵存量進行了調查研究，計算了邯鄲市鋼鐵的總存量及其分布情況。康柳明[10]依據物質流分析并結合哈爾濱市區域工業化進程，運用“自下而上”的方法得出了哈爾濱市2009～2013年動態鋼鐵存量及鋼鐵存量結構變化。目前，國內外對鋼鐵存量的研究主要集中在國家或者城市尺度的鋼鐵消費全行業研究，對以區域經濟帶為系統邊界的鋼鐵存量研究較少，且忽略了驅動區域鋼鐵存量變化背后的因素。京津冀地區是國家經濟發展的重要核心區域之一，區域總人口已超過1億人。研究該地區的房屋建筑中鋼鐵存量，識別京津冀地區房屋建筑中鋼鐵存量變化的主要驅動力，為進一步準確把握未來中國房屋建筑中鋼鐵存量發展趨勢、實現中國鋼鐵產業的科學管理與可持續發展具有重要的示范意義。

1 研究方法

1.1 研究方法和系統邊界

本研究采用“自下而上”的方法以2016年底的京津冀地區社會現存各類房屋建筑為研究對象，統計區域內房屋建筑的規模，引入單位建筑面積鋼鐵使用強度，計算不同時期各類房屋建筑的鋼鐵存量，從而得出京津冀地區社會現役房屋建筑中的鋼鐵存量。

本研究結合京津冀地區實際情況及建筑特點，將房屋建筑按照使用類別不同，劃分為4個種類，分別是農村住宅房屋建筑、農村其他房屋建筑、城鎮住宅房屋建筑和城鎮其他房屋建筑。

1.2 鋼鐵存量測算模型

1.2.1 房屋建筑生命周期函數確定

根據產品生命周期理論，不同類別的金屬產品，有不同的壽命[11-12]。金屬產品在達到其最大壽命年限后將退出社會，經過相關處理后，進入冶煉環節，進而成為二次金屬資源[5,13]。本研究選取韋伯分布函數作為房屋建筑壽命概率密度函數。對各個時期內不同用途的房屋建筑，采用不同參數的韋伯分布函數對其拆除面積進行估算。房屋建筑壽命概率密度分布的表達式見式(1)。

(1)

式中：φ(t)為房屋建筑生命周期分布函數(φ>0)；t為測算房房建筑生命周期內的任意一年；α為尺度參數；β為形狀參數。

1.2.2 鋼鐵存量測算模型

房屋建筑經過一定居住或使用年限將會被拆除，其中的廢舊鋼鐵經回收后，進入電爐冶煉，成為二次鋼鐵資源。由于房屋建筑生命周期符合韋伯分布函數，因此，房屋建筑中的廢舊鋼鐵應為竣工房屋建筑中的鋼鐵總存量乘以當年的報廢率。

假定，某類型房屋建筑第n年的報廢率為φ(n),則第n年該類型房屋建筑報廢率為從φ(n)到φ(n-1)的單位變化，即φ′(n),見式(2)。

(2)

設第n-1年第i種使用類型竣工房屋建筑面積為Pi(n-1),單位面積房屋建筑的鋼鐵強度為Mi(t)；第n年房屋建筑中鋼鐵報廢量為C(n),表達式見式(3)；第n年的該使用類型房屋建筑中鋼鐵存量為Si(n),表達式見式(4)。

(3)

(4)

綜上，可以得出第n年京津冀地區房屋建筑中的鋼鐵存量S(n),見式(5)。

(5)

1.3 驅動力分析模型

IPAT模型(即I=P×A×T，I為環境負荷；P為人口數量；A為人均GDP；T為單位GDP的環境負荷)是定量描述人文驅動力與環境壓力之間的關系，有助于理解人類和自然系統的動態耦合，是分析因社會經濟發展而產生的環境負荷的有效工具[14-15]。

由于IPAT模型可以較好地顯示各個因素的作用，已被廣泛用于分析物質流動驅動因素的研究中[16-17]。因此，本研究采用IPAT模型分析京津冀地區房屋建筑中鋼鐵存量變化的驅動因素。經過改進后的IPAT模型中，I為房屋建筑中的鋼鐵存量變化；P為常住人口數；A為經濟水平，用人均GDP(GDP/P)表示；T為鋼鐵服務效率，用單位GDP的房屋建筑中鋼鐵存量(S(n)/GDP)表示。其中，P值(ΔP)、A值(ΔA)上升，反映了存量增加的促進作用增大，反之對存量增加的促進減弱；T值(ΔT)下降反映當前鋼鐵的服務效率提高，鋼鐵需求減小，對存量增加的促進作用減小，反之，鋼鐵需求增加，對存量增加的促進作用增大[16]。

由于LMDI分解法中各個部門效應加總與總效應保持一致，且能克服了用其他方法分解后存在殘差項的缺點，使IPAT模型更具說服力[18-19]。鑒于此，本研究采用LMDI分解法對IPAT模型進行分解變形得出單位時間內的變化率，見式(6)。

ΔI=ΔP+ΔA+ΔT

(6)

2 數據分析

2.1 數據來源

京津冀地區的房屋建筑面積、人口、GDP數據來源于《中國統計年鑒》[20]，其中，1949～1980年，該地區各類型房屋建筑是通過MATLAB軟件擬合得到；1949～2016年，該地區內各個時期房屋建筑單位面積鋼鐵使用強度是通過調研、參考相關文獻[11,21-23]，以及咨詢行業專家所得；房屋建筑生命周期函數相關參數由參考相關文獻[24-27]和咨詢行業內專家得到。

2.2 數據處理

2.2.1 房屋建筑單位面積鋼鐵使用強度

本研究通過區域城市實地調研、農村建筑樣本調查和咨詢相關建筑公司，發現京津冀地區現存房屋建筑大部分是在20世紀90年代末至21世紀初建成。其中，城鎮房屋建筑多為鋼筋混凝土結構和磚混結構，農村建筑則以磚混結構為主流。本研究根據京津冀地區房屋建筑發展歷程特點，將該區域房屋建筑發展階段劃分為5個時期，分別為：1949～1957年、1958～1978年、1979～1990年、1991～2005年和2006～2016年。通過對城市實地調研、農村建筑樣本調查和咨詢相關建筑公司獲得的數據分析，京津冀地區不同時期各類型房屋建筑單位面積鋼鐵強度具體見表1。

表1 京津冀地區房屋建筑單位面積鋼鐵強度

2.2.2 韋伯分布函數圖

針對不同時期不同使用類型房屋建筑生命周期的確定，根據建筑物的使用年限和平均生命周期，結合相關文獻資料、咨詢行業專家，然后運用MATLAB軟件得出京津冀地區不同使用類型房屋建筑韋伯分布圖(圖1)。

圖1 京津冀地區房屋建筑壽命韋伯分布圖

3 結果與討論

3.1 京津冀地區房屋建筑中鋼鐵存量歷史變化

本研究以1949年為計算起點，不考慮1949年之前鋼存量的影響，通過存量模型得到本研究的初始存量。根據京津冀地區房屋建筑中鋼鐵存量變化趨勢，分為3個階段來討論(圖2)。

第一階段：緩慢增長期(1949～1978年)。1949～1978年，京津冀地區房屋建筑中鋼鐵存量較低。1960年，京津冀地區房屋建筑中鋼鐵存量首次超過1 Mt，其中，北京市房屋建筑中鋼鐵存量最大，為0.8 Mt，占整個地區的72%。1978年，京津冀地區房屋建筑中鋼鐵存量為4.3 Mt，北京市房屋建筑中鋼鐵存量依然最大，為1.8 Mt，天津市為0.8 Mt，河北省為1.7 Mt，占比依次為42.1%、19.4%、38.5%。

第二階段：穩定增長期(1979～2000年)。1979～2000年，京津冀地區房屋建筑中鋼鐵存量從4.9 Mt增加到61.9 Mt，年均變化量接近13%。2000年，河北省房屋建筑中鋼鐵存量達40.2 Mt，占京津冀地區的房屋建筑中鋼鐵存量65%；北京市房屋建筑中鋼鐵存量為13.2 Mt，占比已下降到21.4%，天津市房屋建筑中鋼鐵存量為8.4 Mt，占比為13.6%。

第三階段：快速增長期(2001～2016年)。2001～2016年，京津冀地區房屋建筑中鋼鐵存量從68 Mt增加到242 Mt，增加了174 Mt。2016年，北京市房屋建筑中鋼鐵存量為52.9 Mt，占比變化不大，為21.9%；天津市房屋建筑中鋼鐵存量為46.3 Mt，與北京市的差距在逐步減小，占比為19.1%；河北省房屋建筑中鋼鐵存量為142.8 Mt，占比為59%。

圖2 1949～2016年京津冀地區房屋建筑中鋼鐵存量歷史變化

3.2 京津冀地區房屋建筑中人均鋼鐵存量變化

本研究選取6次全國性人口普查時間點和2016年為研究節點，分析房屋建筑中人均鋼鐵存量的變化。結果顯示，京津冀地區各省(市)房屋建筑中人均鋼鐵存量不斷增大(圖3)。北京市房屋建筑中人均鋼鐵存量從1953年的53.8 kg/人增加到2016年的2 434 kg/人，天津市房屋建筑中人均鋼鐵存量從1953年的11.8 kg/人增加到2016年的2 961.8 kg/人，河北省房屋建筑中人均鋼鐵存量從1953年的0.8 kg/人增加到2016年的1 911.8kg/人。

圖3 京津冀地區人均鋼鐵存量變化

1953年，京津冀地區房屋建筑中人均鋼鐵存量差異明顯，北京市房屋建筑中的人均鋼鐵存量明顯大于其他地區，這主要是建國時期，北京作為首都地區，各類大型房屋建筑項目優先發展，使北京市房屋建筑中人均鋼鐵存量較大。1964年，京津冀地區房屋建筑中人均鋼鐵存量增加明顯，北京市人均達到138.3 kg/人，天津市為32.6 kg/人，河北省為8.3 kg/人。到1982年，北京市房屋建筑中人均鋼鐵存量達到306 kg/人，天津市達到209.6 kg/人，河北省為91.8 kg/人。從1953年“一五”開始到1982年改革開放前期，國家政策、產業布局，以及投資重點明顯傾向北京地區，致使北京市房屋建筑中人均鋼鐵存量顯著高于其他兩個地區人均鋼鐵存量。1990年，京津冀區域各省市房屋建筑中人均鋼鐵存量繼續增加，分別為：北京市527.1 kg/人、天津市384.6 kg/人、河北省263.3 kg/人。2000年，北京市和天津市的房屋建筑中人均鋼鐵存量差值繼續保持在較小的范圍內，分別達到958 kg/人、838.1 kg/人，河北省房屋建筑中人均鋼鐵存量仍是最低，為596.8 kg/人。在此時期，中國實行改革開放，優先發展沿海地區經濟，使得天津市房屋建筑中人均鋼鐵存量快速增加。到2010年，京津冀地區房屋建筑中人均鋼鐵存量均較2000年時期均翻一番，人均鋼鐵存量分別為： 北京市1 902.7 kg/人、天津市1 898.8 kg/人、河北省1 232.6 kg/人。2010～2016年期間，京津冀地區房屋建筑中的人均鋼鐵存量繼續增加。2016年，天津市房屋建筑中人均鋼鐵存量超越北京市成為京津冀地區最大的省(市)，主要是改革開放程度不斷加深，與此同時國家實施一系列區域發展戰略，而北京市、天津市城市化進程高于河北省地區，使得北京市、天津市的房屋建筑中人均鋼鐵存量高于河北省。未來京津冀地區房屋建筑中人均鋼鐵存量還有一定的上升空間。

3.3 驅動力分析

由于受到部分數據獲取困難的限制，本研究僅選取了2000～2005年、2006～2010年和2011～2016年3個階段，對京津冀地區IPAT模型進行分解(表2)。結果顯示，2000～2016年，在人口、經濟和鋼鐵服務效率影響下，北京市房屋建筑中鋼鐵存量驅動力隨時間逐漸放緩，而天津市和河北省則是隨時間逐漸增強。在三個不同時段中，經濟水平一直是驅動京津冀地區房屋建筑中的鋼鐵存量增長的最大因素，但是經濟水平影響強度在逐步減弱。人口因素也在驅動京津冀地區房屋建筑中的鋼鐵存量增長。人口對北京市房屋建筑中鋼鐵存量增加影響力在逐步降低，但是，對于天津市和河北省來說，人口則對房屋建筑中鋼鐵存量的增加具有積極作用。2000～2016年，北京市ΔT為負值，數值大小變化不大，天津市ΔT為負值，但是數值在增大，河北省在2000～2005年、2006～2010年兩個階段ΔT為負值，在2011～2016年ΔT為正值。通過ΔT值表明，2000～2016年，鋼鐵服務效率因素對促進北京市和天津市房屋建筑中鋼鐵存量增加的驅動強度在減弱，而對河北省房屋建筑中鋼鐵存量增加起到積極促進作用。

表2 京津冀地區IPAT模型分解結果

4 結 論

1) 1949～2016年，京津冀地區房屋建筑中鋼鐵存量持續增加，經過緩慢增長期、穩定增長期和快速增長期三個階段后，2016年，北京市房屋建筑中鋼鐵存量為52.9 Mt，人均達到2 434 kg/人；天津市房屋建筑中鋼鐵存量為46.3 Mt，人均為2 961.8 kg/人；河北省房屋建筑中鋼鐵存量為142.8 Mt，人均為1 911.8 kg/人。

2) 2016年，天津市房屋建筑中人均鋼鐵存量超越北京市成為京津冀地區最大的省(市)，未來京津冀地區房屋建筑中人均鋼鐵存量還有一定的上升空間。

3) 2000～2016年，人口和經濟始終對京津冀地區房屋建筑中鋼鐵存量的增長起積極促進作用，其中經濟因素是最大驅動力，鋼鐵服務效率因素對促進北京市和天津市房屋建筑中鋼鐵存量增加的驅動強度在減弱，而對河北省房屋建筑中鋼鐵存量增加的驅動強度在逐漸增強。