基于物質流分析的建筑垃圾產生量預測

張敏，董莉，劉景洋*，畢瑩瑩，張建強，杜明輝

1.西南交通大學地球科學與環境工程學院 2.國家環境保護生態工業重點實驗室，中國環境科學研究院清潔生產與循環經濟研究中心 3.華北理工大學建筑與工程學院

建筑垃圾是城市化進程必須面對的問題，因而備受關注。研究表明，我國建筑垃圾年均產生量為15.5億～24億t，約占城市垃圾的30%～40%[1-2]。由于建筑垃圾資源化水平不高，我國多個城市面臨建筑垃圾難以處理的窘境。建筑垃圾產生量的精確預測是有效應對建筑垃圾問題的先決條件[3]，而我國缺少相關統計數據，增加了對建筑垃圾實施綜合管理的難度。

建筑垃圾產生量預測方法有多元回歸[4-5]、時間序列[6]、灰色預測[7-8]和物質流分析[9-12]等。左浩坤等[5]選取GDP、商品房銷售面積和建筑施工面積3個主要影響因素建立多元回歸分析模型，預測北京市2011—2015年的建筑垃圾產生量，修正后的決定系數達到0.973，擬合程度較好。向維等[6]利用SPSS時間序列預測模型對重慶市未來10年的施工垃圾、裝修垃圾、拆除垃圾產生量以及建筑垃圾總產生量進行預測，相對誤差均在10%左右，預測精度較高。王秋菲等[13]通過灰色預測模型預測沈陽市2005—2014年建筑垃圾產生量，預測精度為優。由此可見，上述模型的預測結果都具有較高的可信度，能夠比較準確地預測建筑垃圾產生量。但上述方法均只能進行5～10 a的短期預測，不能從大時間尺度上為管理提供數據支撐。

物質流分析模型通過物質守恒原理可以預測未來20～100 a內物質存量和流量，近年來，被越來越多的學者應用于房屋建筑及基礎設施中的物質存量[14]和建筑材料需求預測[15]，金屬材料在人類社會圈中的流動[16]和循環經濟發展評估[17]等研究，但關于建筑垃圾產生量的研究卻鮮有報道。因此，筆者針對建筑垃圾產生量缺少統計數據問題，利用材料消耗強度來估算建筑物的長期物質流量，并結合不同建筑結構及其壽命預測未來建筑垃圾產生量及其成分的變化規律。

1 研究方法與數據來源

1.1 模型構建

以全國城鎮居民住宅和非住宅建筑為系統邊界，基于1stOpt擬合平臺和Visual Basic編程軟件，構建城市房屋建筑系統的系統動力學模型(圖1)，擬合時段為1978—2100年，擬合初始值設定于1978年。模型包括3個子模塊。

圖1 物質流分析Fig.1 Material flow analysis diagram

模塊Ⅰ是住宅和非住宅建筑需求模塊。住宅和非住宅建筑流量主要受城市人口以及建筑需求驅動，當年城鎮建筑需求存量(S)為城鎮常住人口(P)和人均建筑面積(A)的乘積〔式(1)〕。根據《國家人口發展規劃(2016—2030年)》[18]、聯合國經濟和社會事務部(DESA)發布的《世界人口展望2019》[19]中的中等生育率指標，到2100年，我國人口只有10.65億人；參照《世界城市化展望2018》[20]中的城市化率，到2050年我國城市化率將達到80%，用Logistic增長函數擬合2051—2100年的城市化率，我國2100年城市化率將達到86.5%(圖2)。根據人均住宅建筑面積統計數據，假設其變化趨勢符合Logistic函數，最高可達61.6 m2。依據1985年全國城鎮房屋普查[21]和2005年“城市住房統計公報”[22]公布的城市房屋建筑面積，結合人均建筑面積可計算出當年人均非住宅建筑面積。在歐洲一些發達國家的人均非住宅建筑面積約占人均住宅建筑面積的80%[23]，假設該比例遵循Logistic函數，我國城鎮非住宅建筑和住宅建筑的比例在2050年達到80%，2100年達到90%(圖3)。

圖2 我國城鎮化率Fig.2 Urbanization rate of China

圖3 城鎮人均住宅和非住宅建筑面積Fig.3 Urban per capita residential and non-residential building area

模塊Ⅱ為流量-存量模塊，用來模擬新建面積、存量面積、拆除面積間的動態變化。模型中每年新建面積等于新增城市住宅需求面積與拆除面積之和〔式(2)〕，物質流分析模型中房屋拆除面積的計算方法是利用壽命分布函數建立拆除曲線〔式(3)〕。關于壽命分布函數，不同研究提出了不同的觀點[24-31]。但哪類分布函數最符合建筑壽命，目前還沒有統一說法。筆者選取正態分布函數擬合建筑壽命曲線〔式(4)〕，建立房屋建筑的拆除曲線，從而獲得拆除面積。為提高模型的精細化程度，考慮全國城鎮房屋建筑結構主要分為磚混和鋼混2種，構建2種建筑結構子系統。自1949年之后，我國幾乎所有的城市房屋建筑都是磚混結構，第一批鋼筋混凝土建筑建造于20世紀70年代中期[12]。根據全國第五次和第六次人口普查結果[32-33]，我國城市房屋鋼混結構比例從2000年的25.78%快速增至2010年的48.19%，假設建筑結構比例變化符合Logistic增長函數，則2100年，鋼混結構的建筑比例達到90%(圖4)。

圖4 城鎮房屋建筑結構比例Fig.4 Proportion of urban buildings structure

模塊Ⅲ為環境模塊，主要考慮住宅和非住宅建筑的施工垃圾產生量〔式(5)〕和拆除垃圾產生量〔式(6)〕。

各模塊中參數計算公式如下：

(1)

(2)

(3)

(4)

(5)

(6)

1.2 數據來源

數據來源主要是《中國統計年鑒》[34]、《新中國六十年統計資料匯編》[35]、《改革開放40年經濟社會發展成就》[36]、《世界人口展望2019》[19]、《世界城市化展望2018》[20]等統計數據以及其他文獻調研數據。將Yang等[37]對全國不同省份和不同建設時期的城市建筑物質強度調研結果作為本研究單位拆除建筑物質強度(表1)。我國目前未引進房屋建筑改進技術，假設2015年后的物質強度不再產生變化。據Shi等[38]的調查，施工過程中物質材料的有效利用率只有95%～98%，也就是說施工過程中物質材料損耗率為2%～5%，假設滿足倒S型曲線，從5%逐漸減至2%。1978—2016年城市房屋建筑竣工面積即新建量數據統計口徑一致且相對準確，作為本模型前期新建量數據和模型驗證。

表1 單位拆除建筑物質強度Table 1 Material intensity of per unit demolished building kg/m2

1.3 情景設置

本研究模型構建的主要參數有人口、城鎮化率、人均建筑面積、建筑結構比例、物質強度、建筑平均壽命。通過改變建筑平均壽命參數，其他參數按照目前的發展趨勢保持不變設置3種情景。我國一般建筑的設計使用年限為50 a[39]，政府規定建筑用地年限為70 a[40]，但調查顯示現有城市建筑平均實際壽命僅為30～40 a[41]。在此基礎上，設定短、中、長建筑壽命3種情景，設置參數如表2所示。

表2 不同情景下的建筑壽命設置Table 2 Setting of the lifespan of buildings under different scenarios a

1.4 模型驗證

模型運算可得到全國城鎮住宅房屋和非住宅房屋建筑垃圾的動態變化結果。但建筑垃圾產生量無統計值，而該模型的建筑垃圾產生量是通過建筑存量和流量進行計算。因此，利用全國城鎮住宅和非住宅竣工面積的歷史統計數據進行驗證。采用相對誤差作為模型精確度檢驗指標，根據目前建筑垃圾管控現狀，檢驗指標小于0.3[42]，即認為該模型的預測結果有效。

2 結果與討論

2.1 模型精確度檢驗

根據我國城鎮人口、人均建筑面積和每年新建房屋建筑面積，利用物質流分析法預測我國城鎮房屋存量和流量。將預測數據與每年新建房屋建筑面積的統計值進行對比，得到預測值與統計值之間的相對誤差(圖5)。

圖5 住宅和非住宅新建面積預測檢驗Fig.5 Checking of prediction of residential and non-residential newly built buildings

由圖5可見，住宅建筑新建面積的預測值與統計值的增長趨勢相吻合，2002年之前的預測值與統計值之間的相對誤差比較小，而2002年之后的預測值往往高于統計值，這可能是壽命低估的結果，或者是人口、住房存量和建筑活動的官方統計數據中存在統計口徑不一致所致。但總體來看，住宅建筑新建面積的預測值與統計值之間的平均誤差為0.24，小于檢驗指標，預測結果可信。而非住宅建筑新建面積的預測值與統計值之間的相對誤差都比較小，平均相對誤差為0.18，小于0.3，預測結果有效。綜上所述，利用動態物質流分析模型和上述數據進行的建筑垃圾產生量預測結果有效。

2.2 房屋建筑存量-流量

由圖6可知，城鎮住宅存量和非住宅存量分別在2058年和2064年達到飽和(657.35億和569.41億m2)，之后逐漸減小，至2100年減至567.55億和509.63億m2，分別是1978年的49.12和82.79倍。

圖6 城鎮房屋建筑存量-流量動態變化Fig.6 Urban residential building and non-residential building stock-flow dynamic change

在短壽命情景下，城鎮住宅和非住宅新建面積分別在2020年和2031年達到峰值(20.74億和17.38億m2)，到2100年降至14.50億和12.80億m2。與短壽命情景相比，中、長壽命情景下的新建面積峰值略有減小，住宅建筑新建面積均在2020年達到峰值(20.67億和20.64億m2)，非住宅建筑新建面積均在2028年達到飽和(16.69億和16.57億m2)，達到飽和后新建面積下降速度更為顯著，在2060年左右將出現一段新建面積低谷期。這是因為新建建筑的首次增長由存量需求增長引起，存量出現飽和時，對新建面積的需求將僅由更換原因引起[9]。使用壽命越長，建筑更換需求時間間隔越長，需求量越小。

拆除活動比新建活動晚一個壽命周期，從2000年直到21世紀末的很長一段時間內，建筑存量都將對拆除活動產生相當大的影響。在短壽命情景下，城鎮住宅和非住宅拆除面積分別于2072年和2065年達到飽和(18.84億和16.04億m2)，到2100年降至17.14億和15.05億m2。在中壽命情景下，住宅建筑拆除面積在2037年有一個小高峰(7.01億m2)，隨后在2081年達到一個大高峰(14.68億m2)。非住宅建筑拆除面積在研究范圍內只有一個峰值(12.60億m2)。長壽命情景下，拆除面積的峰值出現更晚、波動更大，住宅建筑和非住宅建筑拆除面積小高峰均在2035年出現(6.45億和3.94億m2)，大高峰在研究范圍內尚未出現，拆除面積持續增長至2100年，分別為11.28億和9.73億m2。

2.3 房屋建筑垃圾產生量

圖7顯示了城鎮住宅和非住宅建筑在3種壽命情景下1978—2100年的建筑垃圾總產生量。

由圖7可見，在短壽命情景下，住宅建筑垃圾產生量在2072年達到峰值(28.69億t)，非住宅建筑垃圾產生量在2077年達到峰值(26.25億t)。在中壽命情景下，住宅建筑垃圾產生量在2035年達到一個小峰值(13.02億t)后略有下降，然后快速增長，至2081年達到大峰值(21.71億t)；非住宅建筑垃圾產生量與住宅建筑垃圾產生量變化趨勢極為相似，在2036年達到小峰值(8.99億t)后略有下降，然后迅速增長，至2084年達到大峰值(20.29億t)。在長壽命情景下，住宅建筑和非住宅建筑垃圾產生量均在2033年達到一個小高峰(12.46億和8.43億t)，再逐漸增至2100年的16.50億和15.48億t。這意味著目前我國城市建筑垃圾產生量遠未達到峰值，且在未來幾十年里，將面臨建筑垃圾產生量迅速增長的壓力。

圖7 城鎮住宅、非住宅建筑垃圾產生量Fig.7 Construction and demolition waste of urban residential building and non-residential buildings

2.4 房屋建筑垃圾組成

城鎮房屋建筑垃圾組分如圖8所示。由圖8可見：2000年之前，建筑垃圾主要由施工垃圾組成，這是由于20世紀70—80年代建造的建筑還未大面積拆除；2000年之后，由于城市快速擴張、建筑物更替和不合理規劃，大量建筑物被拆除，拆除垃圾成為建筑垃圾的主要組成部分；至2100年，拆除垃圾約占總建筑垃圾的98%。隨著我國城市房屋建筑結構的變化，不同時期的施工垃圾和拆除垃圾成分及其比例也在發生變化。不同情景下，住宅建筑施工垃圾產生量峰值均在2020年產生，約為1.3億t；非住宅施工垃圾和所有建筑拆除垃圾產生量峰值及其發生時間會有較大差異。短、中、長壽命情景下產生的非住宅施工垃圾分別在2028年、2025年和2020年達到峰值，約為1.1億t。短壽命情景下，住宅和非住宅拆除垃圾產生量只有一個峰值，分別在2072年和2065年出現(27.99億、25.96億t)；中壽命情景下，住宅和非住宅拆除垃圾的第一個峰值在2034年和2035年出現(13.45億、8.99億t)；第二個峰值在2082年和2084年出現(21.23億、19.87億t)；長壽命情景下，住宅和非住宅建筑的第一個峰值均在2033年出現(12.94億、8.54億t)，在研究范圍內，第二峰值尚未出現，但增長持續至2100年，當年拆除垃圾產生量分別為16.25億和15.25億t。建筑使用壽命對建筑垃圾產生量的波動有極顯著的影響，使用壽命越長，波動越強烈。因此，更好地了解建筑物的使用壽命對預測未來的建筑垃圾產生量至關重要。

圖8 城鎮住宅、非住宅建筑垃圾組分Fig.8 Compositions of construction and demolition waste of urban residential building and non-residential buildings

不同來源的建筑垃圾，水泥、磚塊、沙和礫石都是其中占比較大的組分，總占比為90%～96%。水泥、沙和礫石是混凝土的組成材料，因此也可以認為建筑垃圾中最大組分是混凝土，占比為44%～71%；其次是磚塊，占比為22%～51%；然后是鋼鐵，占比為0.50%～2.89%；最后是石灰和木材，分別占1.57%～2.62%、0.90%～2.19%；其他占比為0.30%～0.82%。從長遠看，建筑垃圾是一種穩定的二次資源，建筑垃圾再生利用可生產再生骨料、再生活性微粉、混凝土制品、再生混凝土復合料、再生混凝土、垃圾土陶粒等產品[43]。因此應努力提高建筑垃圾的循環利用率，不僅可以減少自然資源開采量，節約資源，還能減輕建筑垃圾占地和污染造成的壓力。

3 結論與展望

(1)我國城鎮住宅和非住宅建筑存量分別在2058年和2064年達到峰值(657.35億和569.41億m2)。在3種壽命情景下，住宅建筑新建面積均于2020年達到峰值，短、中、長壽命情景下對應的峰值分別為20.74億、20.67億和20.64億m2；非住宅建筑的新建面積在短、中、長壽命情景下分別于2028年、2025年和2020年達到峰值(17.38億、16.69億和16.57億m2)。住宅建筑的拆除面積分別于2072年、2081年和2100年達到峰值(18.84億、14.68億和11.28億m2)；非住宅建筑的拆除面積分別于2065年、2084年和2100年達到峰值(16.04億、12.60億和9.73億m2)。

(2)住宅建筑垃圾總產量在短、中、長壽命3種情景下分別于2072年、2081年和2100年達到峰值(28.69億、21.71億和16.50億t)；非住宅建筑垃圾總產量在3種情景下分別于2077年、2084年和2100年達到峰值(26.25億、20.29億、15.48億t)。

(3)建筑垃圾由施工垃圾和拆除垃圾組成，2000年之前，建筑垃圾主要由施工垃圾組成；2000年之后，主要由拆除垃圾組成；至2100年，建筑垃圾主要組成部分為拆除垃圾，占比為98%。其中，混凝土占比為44%～71%，磚塊占比為22%～51%，鋼鐵占比為0.50%～2.89%，其他成分占比為2.76%～4.68%。在3種情景下，住宅施工垃圾產生量均于2020年達到峰值(約1.3億t)，拆除垃圾產生量分別于2072年、2082年和2100年達到峰值(27.99億、21.23億、16.25億t)；而非住宅建筑的施工垃圾產生量分別于2028年、2025年和2020年達到峰值(約為1.1億t)，拆除垃圾產生量分別于2065年、2084年和2100年達到峰值(25.96億、19.87億和15.25億t)。

(4)建筑壽命對建筑垃圾總產生量的變化趨勢影響效果顯著。延長建筑使用壽命，可有效減少建筑垃圾產生量，推遲建筑垃圾產生量達到峰值的時間點。因此，相關政府管理部門應提高城市總體規劃的精準性，優化城市建筑存量使用效率，不斷延長建筑壽命，從源頭上減少建筑垃圾產生量。其次，建筑存量作為新建流量和拆除流量的驅動力，可通過政府宏觀調控措施減緩人均建筑面積的增長速度，預計近期峰值會更低，隨后建筑需求將進一步下降，給城市建筑管理和垃圾處理處置提供一個緩沖時間。另外，在建筑垃圾產生量峰值到來前，做好預警措施，進一步提高建筑垃圾循環利用的比例，提高二次建材原料的市場消納量，從而減輕建筑垃圾處理的壓力。