建筑鋼結構資源化利用研究

李 陽（上海市建筑建材業市場管理總站，上海 200032）

1 建筑鋼結構產業發展

我國 2018 年建筑鋼結構產量超過 6 800 萬 t，同比增長了約 11.7%。2012—2018 年的增速基本上在 10% 以上，處于高速發展階段，詳見圖 1。我國建筑鋼結構的產量 2018—2020 年間的復合增速可達到 20.6%，并可持續較快增長。預計到 2023 年之后，我國建筑鋼結構的產量可望達到 14 000 萬 t。在鋼結構建筑的應用端，僅以上海為例，2016 年以來開工的 5 000 m2以上的公共建筑中，鋼結構建筑的應用總體超過三成，其中在較大規模商辦建筑和醫療建筑中應用比例已達半數。鋼結構行業產量的持續發展，為我國金屬積蓄量的提升起到了極大的推動作用，金屬積蓄量的增加為我國提供了潛在的鋼材原材料供給。

圖1 2012—2018 年鋼結構行業產量及其增速變化趨勢圖

2 鋼結構拆除技術

我國目前正處于城市化的高速發展階段，城市更新和城鎮化持續高速推進，在此過程中一些建筑物由于不符合城市的功能定位或者需要進行功能提升，因此就需要進行局部或整體拆除。由于國家建設發展過程中的存量建筑絕大多數為磚混結構和鋼筋混凝土結構，該類建筑結構受力體系較為簡單，建造工藝復雜程度不高，因此，此類結構形式的拆除技術已經得到了較為充分的研究。存量建筑中，雖然鋼結構總量較少，但是早期鋼結構往往建于城市中心區域，因此鋼結構也還是存在一定的拆除量的。其中，最為典型的是 2010 年上海世博會后，世博園區內除了“一軸四館”永久保留以外，其他絕大多數自建館、租賃館以及高架步道，超過數十萬立方米體量的鋼結構建筑物，全部拆除騰空。由原上鋼三廠特鋼車間改造而成的世博大舞臺，曾在世博會期間大放異彩，2018 年也進行了鋼結構的拆除改造作業，僅保留了鋼立柱。由于結構體系的差異，混凝土拆除技術不適用于鋼結構的拆除，大型鋼結構拆除的理論體系等方面還需要進一步的研究。鋼結構拆除施工方法可分為機械拆除或爆破拆除兩類，具體要根據現場的情況確定采用何種拆除方法。

2.1 機械拆除施工

機械拆除的施工方法非常適用于市中心對場地要求嚴格的拆除作業。該方法基本上按照結構的受力體系對構件進行拆分，然后進行構件的拆除作業，拆除過程中要使用氣割設備和起重設備，消耗較多的人工和機械。

當構件自重較大，現場吊裝設備不能滿足吊裝負荷時，可以先對構件瘦身減重，然后拆除主體。例如濰坊市市中心某鋼結構人行天橋采用機械化拆除方法，由于其單根箱梁重量為 81 t，超過汽車吊的吊裝能力，而現場只能使用汽車吊，因此施工單位先將箱梁側邊的邊箱割掉以減輕梁身重量，再切割剩余箱梁主體，使用汽車吊將其放至地面[1]。

大連市某球形網架結構的拆除作業，先將其分為 3 個區域，然后采用氣割的方法利用人工氣焊將鋼網架分片分塊切割成小段，工人從防護架邊側將切割后的小段運至屋面[2]。

在拆除首都鋼鐵某大跨度廠房屋面時，為了減少腳手架的搭設量，項目組充分利用了廠房內部的結構梁，利用腳手架在上面搭設可移動施工平臺，分片拆除了屋面結構。該拆除作業充分利用了廠房縱向長度的結構特點。

哈爾濱某商業廣場中庭頂部鋼網架在拆除時，同樣沒有搭設滿堂腳手架，施工單位采用了支座拆除－網架平移－分段切割的方式完成了網架結構的拆除工作。該施工工藝有效利用了場地特點和結構特點，縮短了工期，提高了工效[3]。

人工機械進行鋼結構拆除，施工工藝簡單、施工方便快捷、施工工期較短、施工空間需求小，因此成本較低，是目前較多使用的一種建筑鋼結構拆除方法。較為復雜、特別是預應力鋼結構屋蓋，由于其在建造過程中經歷了復雜的結構非線性成型過程，因此在拆除過程中，對拆除結構的施工流程進行力學分析，對于拆除結構影響到的保留區域應做好安全防護措施，做到“先加固，后拆除”，以增加結構的安全性[4]。

目前，隨著城市更新項目的增加，既有建筑改造工程也日益增多，建筑鋼結構拆除過程中風險點較多。如建造時間較早，無法查詢原始設計資料；結構拆除前如何進行安全性評估，需進行施工過程仿真，以制定合適的施工組織方案等。目前可以采用的技術有：使用三維激光掃描儀，建立建筑鋼結構的實體模型；采用結構分析軟件進行拆除過程的計算分析，確保安全性；在現場施工前還可以結合混合現實技術進行可視化交底，保證施工安全，有效控制工期和成本[5]。

2.2 爆破拆除

爆破拆除技術是傳統建筑物拆除時常采用的技術，但該方法無法直接滿足鋼結構建筑物拆除的需要。近年來，線性聚能切割技術成為拆除大型建筑鋼結構時的技術方案[6]。

在 2002 年，解放軍理工大學在上鋼一廠第二煉鋼車間拆除作業時，成功進行了國內首次大型鋼結構廠房爆炸切割拆除，這是我國第一次將線性聚能切割器真正應用于大型鋼結構建筑物的切割拆除。此外，寶武集團某煉鋼廠房和沈陽某室內體育場特大型鋼結構的拆除作業均采用了聚能爆破拆除的方法。這兩個爆破拆除項目充分說明了聚能爆破對于規模大、結構形式復雜的大型建筑鋼結構拆除項目的適用性[7]。

采用聚能爆破拆除作業時，為了確保整個作業過程的安全性，要先進行必要的拆除設計，必須綜合考慮切割器的切割效果和設置方式、預處理方式、建筑物倒塌方向和距離、定向完全傾倒的可靠性、觸地震動、爆炸沖擊波以及其他有害效應等多方面的因素，還需要考慮特大型鋼結構建筑物一次性爆炸切割拆除技術、大量裸露炸藥爆炸沖擊波防護技術、聚能切割器參數設計、試驗和數值模擬融合技術等，與此相關的理論體系可借助有限元分析方法開展進一步的分析和積累。

3 建筑廢鋼資源化應用

鐵礦石和廢鋼是鋼鐵冶煉工業的兩種主要原料。鐵礦石采自地下，而廢鋼屬于回收的再生資源。從綠色經濟的角度考慮，鋼鐵工業盡可能減少鐵礦石的使用，多用廢鋼，這不僅有利于保存自然資源，而且還有利于節約能源，減少環境污染[8]。據測算，煉鋼每使用 1.0 t 廢鋼可以減少 1.7 t 精礦的消耗，比使用生鐵長流程煉鋼可以節省 60% 的能源、40% 的新水，同時減少 86% 的廢氣排放、76% 的廢水排放、72% 的廢渣排放、97% 的固體排放物（含礦山部分的廢石和尾礦）[9]。采用廢鋼鐵煉鋼比采用鐵礦石具有更高的有效回收率，廢鋼可直接入爐煉鋼，其生產流程更短，可以認為廢鋼鐵相較于鐵礦石是一種成本低廉、環保友好、支撐鋼鐵行業可持續發展的再生資源，而且電爐煉鋼廠占地面積小、投資少，因此，以廢鋼鐵為主要原料煉鋼，很有吸引力[10]。此外，不同于再生集料混凝土的性能會劣于新混凝土，采用建筑廢鋼冶煉而成鋼鐵的力學性能同鐵礦石冶煉而成鋼鐵的力學性能無差異，因此建筑廢鋼資源化利用更為有效。建筑廢鋼是一種非常重要的戰略儲備金屬資源，也是真正可以循環再生利用的建筑材料。

建筑物中拆除的鋼材，成分復雜，需要進行處理之后，才可用于電爐煉鋼，實現建筑鋼結構的資源化利用。對于混在鋼材中的非磁性顆粒，可以采用磁選的方法進行篩選。磁選是基于各種物質存在磁性差異的前提，在不均勻磁聲中進行固體廢棄物分選的一種處理方法。進行固體廢棄物磁選時，先將固體廢物輸入磁選機，磁性顆粒在不均勻的磁聲作用下將被磁化，被磁化的顆粒在受到磁場吸引力的作用時會被吸進圓筒，并隨圓筒進入排料端而排出；不能被磁化的固體顆粒由于所受的磁場作用力很小，會存留在廢物中[11]。鋼材表面的油污和面漆，可使用清洗的方法去除，即使用各種不同的化學溶劑或熱的表面活性劑，以達到清除鋼件表面的油污、鐵銹、面漆等附著物的目的。目前廢鋼材處理方面，來自傳統的工業廢鋼處理方法，尚未針對建筑鋼結構的特點進行有針對性的研發，因此處理的效果不理想，但是建筑廢鋼處理過程中的噪聲和粉塵污染相較于再生集料混凝土，程度輕很多，環保壓力較小。

4 政策指導

廢鋼鐵資源化利用的相關財稅政策配套措施目前日趨完善。2015 年 6 月，財政部、國家稅務總局聯合發布了《資源綜合利用產品和勞務增值稅優惠目錄》，采用廢鋼鐵作為煉鋼爐料的企業，自 2015 年 7 月 1 日起可享受 30% 的退稅比例。可以預見，今后隨著市場的競爭，廢鋼鐵行業發展所需的資源向大中型廢鋼加工企業集中將成為行業發展的必然趨勢[12]。

5 結 語

大力發展建筑鋼結構資源化利用是解決煉鋼行業資源消耗高、浪費大、環境污染嚴重、資源不足等問題的有效手段。目前，我國建筑鋼結構的資源化利用在政策引導、市場發展和技術研究方面都有了一定的積累，但是還存在以下的不足。

(1) 建筑鋼結構拆除方面。建筑鋼結構拆除從業企業，往往來自拆除傳統建筑的企業，缺乏對鋼結構體系和破壞模式的充分認識，拆除前也未對整個拆除過程進行基本的力學分析和補強工作，這導致鋼結構拆除過程中存在隱患，鋼結構拆除過程中屢有倒塌事件發生，給社會帶來極大的危害。針對該問題，建議建筑行業主管部門從行業企業和人員資質資格管理、規范制定等方面開展前置性工作，引導拆除企業良性發展。

(2) 廢鋼回收管理方面。建筑鋼結構目前的拆除量有限，廢鋼供應量有限，廢鋼的其他來源也相對不足，廢鋼供應量不穩定，會在一定程度上影響廢鋼鐵加工企業，使其產能較少，經濟效益下滑，最終導致廢鋼鐵回收加工量的減少，對廢鋼鐵行業的健康發展帶來不利影響。針對該問題，建議政府進一步加大政策扶持，加強鋼鐵冶煉過程中的環境監督和治理，突顯廢鋼鐵資源化利用所具備的節能減排優勢，踐行“綠色發展”理念，切實保護廢鋼鐵行業的發展。

(3) 廢鋼鐵行業競爭方面。國內建筑行業主管部門雖然已經在廢棄混凝土回收利用方面嘗試建立了從工地拆除到回收再利用的監管體系，但是在建筑鋼結構回收再利用方面仍處空白，基本仍是由經信或商務管理部門主管的廢品回收體系開展有關工作。廢鋼鐵行業準入門檻較低，從業人員素質普遍不高，因此存在大量小型企業，其廢鋼加工回收資源占比總量的 30% 以上。這進一步導致全國的廢鋼鐵回收網點無序分布，部分企業不受行業監管，無法杜絕廢鋼中夾雜摻假的現象，給國家工程帶來重大隱患，浪費大量廢鋼鐵資源，破壞了鋼材市場的經營秩序以及建筑行業的生產秩序。針對該問題，建議政府聯合相關主管部門，建立廢鋼回收數據庫，利用大數據分析和人工智能等方法，做到智能監管、精準執法。

(4) 建筑鋼結構拆解方面。國家在大力推廣裝配式建筑鋼結構，前文已經提到，鋼結構中規格較好的型材拆除后可以直接用于新的建筑物。這可進一步提高建筑廢鋼的利用效率，增加建筑鋼結構全生命周期的利用價值。這需要我們從建筑工業化的角度，以建筑可拆解利用為目標進行建筑結構設計，提高構件的規格化程度，并充分利用建筑信息化的手段，建立建筑鋼結構構件的全生命周期檔案，有效提升建筑工業化和建筑鋼結構拆解的管理效率。