循環再利用目標驅動下的鋼結構課程教學改革

摘要：在全社會奮力實現“碳達峰”“碳中和”背景下，鋼結構循環再利用是未來建筑的重要發展方向。文章分析鋼構件和鋼結構的再利用實現路徑，梳理鋼結構再利用所帶來的環境和經濟效益，據此建立鋼結構再利用知識體系，并選取鋼結構再利用典型案例，實現循環再利用目標驅動下的鋼結構課程教學改革，旨在優化鋼結構課程教學內容，培養基礎理論扎實的專業人才，助力鋼結構再利用的實現和推廣。

關鍵詞：循環利用；鋼結構；教學改革；土木工程

循環再利用有限資源是實現“碳達峰”“碳中和”宏偉目標的重要舉措，未來資源短缺是常態，發展循環再利用技術是社會發展的必然選擇。建筑業是高資源消耗、高碳排放的行業。據統計，我國約50%的碳排放來源于建筑業，亟需構建高效集約的新型建造模式。在此背景下，可循環再利用的可拆卸結構體系順勢而生。它是現有裝配式建筑結構的升級版本，既方便裝配，又能快速拆卸再利用的新型結構形式。鋼結構具有可循環再利用的天然優勢，在采用全螺栓連接構造情況下，即可實現結構的完全拆卸和再利用。相較于鋼材回爐冶煉的循環再利用過程，可拆卸結構具有更加顯著的環境效益。鋼結構因其獨特的循環再利用屬性，可以預見其應用在未來的工程建設中將會達到前所未有的廣度。

鋼結構是土木工程專業的主干課程，主要包含材料性能、連接方法、基本構件力學性能三大板塊教學內容。鋼結構課程強調學生實踐能力的培養，通過課程設計、畢業設計等環節，進一步提升學生的工程應用能力。國內開設土木工程專業的院校均設置有鋼結構課程，相應的課程教學團隊開展了豐富的鋼結構教學改革研究?，F有教研成果多集中于教學方法和內容的創新，以及鋼結構試驗教學、可視化教學、課程思政等教研領域的探索與實踐。然而，現有鋼結構課程教學缺乏鋼結構再利用方面知識的系統講授，僅在部分章節零星涉及鋼結構再利用的相關知識。因此，本文綜合分析鋼結構再利用的實現路徑與綜合效益，據此探究面向鋼結構再利用場景的課程教學改革，以期實現鋼結構教學的與時俱進，推動工程建設領域鋼結構建筑的循環利用。

一、鋼結構再利用是未來建筑的重要發展方向

（一）鋼結構再利用實現路徑

廢舊鋼材回收冶煉是以往鋼結構建筑消納的重要方式，相較于利用原生鐵礦石生產鋼鐵的方式，能夠減少50%甚至更多的碳排放。如果在新建建筑中直接使用回收鋼構件，將進一步降低碳排放。有研究表明，在拆除過程中合理規劃吊裝、運輸、存儲等環節，循環再利用鋼結構能降低超過80%的碳排放。理論上，無塑性發展鋼材的力學性能幾乎無衰減，在做好防銹蝕措施的前提下，鋼構件及鋼結構能實現無限次循環再利用。

目前，鋼結構再利用的實現路徑主要有兩種：一是將鋼構件稍加改造后用于新建建筑，二是鋼結構拆除后的異地重建。第一種實現路徑對擬拆除再利用建筑與新建建筑間的匹配度要求較高，既要求構件截面尺寸相近，又要求其長度、方向、尺寸基本一致。此外，構件之間的連接構造，如端板尺寸、螺栓孔間距和直徑等，均需要有一定的匹配度。在實際生產中，鋼構件的截面尺寸、長度及連接構造完全匹配的情況較少。當截面尺寸較大時，可采用以大代小的原則實現鋼構件再利用。而長度較長時，可通過截取的方式實現鋼構件的部分再利用。連接構造一般較難保留，基本都須進行重新設計和改造后用于新建建筑。為了避免增加工作量，同時盡可能提高再利用率，新建建筑的設計環節應考慮鋼構件的再利用因素。第二種實現路徑是最為高效的再利用方式，理想情況下能實現結構的完全再利用。整體結構再利用可避免重新設計和改造工作，實現難度相對較低。但是，只有在新建建筑與可拆卸結構完全一致的前提下才能實施。這一實現路徑的關鍵在于合理分區，減少拆除和裝配的工作量，同時減少可拆卸連接構造設置區域，降低工程造價。另外，分區時應考慮運輸和吊裝能力限制，且提前規劃好拆除和裝配工序。

（二）鋼結構再利用效益分析

鋼結構再利用不僅能帶來顯著的環境效益，而且能產生巨大的經濟效益?？刹鹦兜匿摻Y構在建設階段可實現全工廠預制、全干式連接，完全避免濕作業施工過程產生的揚塵、噪聲和建筑垃圾。拆除或消納階段，相較于裝配式建筑結構，可拆卸結構的優勢更加明顯?？刹鹦督Y構拆除無需混凝土破碎和鋼材切割，拆除難度相對較小。若在設計階段考慮了拆除因素的影響，提前規劃好拆除過程，結構拆除過程勢必會更加科學合理。更重要的是，因為增加了廢舊構件或結構的回收再利用環節，可拆卸結構從源頭上減少了建筑垃圾產生。目前，我國建筑垃圾的資源化率不足5%，建筑垃圾占用了大量的土地資源。最后，將回收的鋼構件或鋼結構重新應用于新建建筑，避免了重新制作結構構件所帶來的資源和能源消耗。因此，鋼結構再利用能在建筑的全生命周期帶來顯著的環境效益，優化傳統建造模式。

便于裝配、性能優越的鋼結構建筑一直以來推廣難度較大，主要原因是其工程造價略高于鋼筋混凝土結構。通過上述循環再利用過程，可拆卸的鋼結構可充分發揮其內在價值，進而助推鋼結構建筑的工程應用。一方面，拆除階段產生的廢舊鋼構件具有高于廢舊鋼材的經濟價值。另一方面，新建建筑部分或全部采用回收鋼構件能在一定程度上降低工程造價。汽車行業已有將配件從廢舊或事故車輛上拆卸后再利用的經驗，通過再利用基本完好的配件，進一步挖掘車輛的剩余價值。

二、鋼結構再利用場景的課程教學改革

（一）鋼結構再利用知識體系

土木工程專業教師應在現有鋼結構教學內容基礎上，從材料、連接、構件三個層面建立鋼結構再利用知識體系。整個知識體系穿插于現有教學內容中，一部分是既有知識點的拓展，另一部分是圍繞鋼結構再利用引入的新內容?？偟脑瓌t是在不過多增加學生學習負擔基礎上，使學生習得鋼結構再利用概念及實現方法，培養符合社會發展需要的土木工程專業人才。

在材料層面，再利用階段的結構設計須著重考慮材料性能隨時間變化的影響，故應增加與時間相關的材料力學性能內容，如應變時效、疲勞、銹蝕等。現有教材中僅對應變時效作了簡要說明，此部分可結合再利用場景展開講解，詳細說明應變硬化和時效硬化的誘發機理。現有疲勞內容的設置主要是考慮吊車梁設計教學的需要。對于鋼結構再利用而言，由于其首個服役期會經歷較長的荷載歷程，同時再利用階段還將承受多種荷載。因此，教師在吊車梁部分講授疲勞問題的同時，應補充說明鋼結構再利用過程中疲勞問題更加突出。鋼材銹蝕在現有教材中未涉及，此部分須在教材及課程中補充完善。

在連接層面，循環再利用目標下，緊固件連接及基于緊固件的各類連接構造學習至關重要?，F有課程中已有普通螺栓和高強螺栓連接的基本計算原理講授，以及梁柱連接、柱腳連接、柱柱連接設計的教學內容。在理想情況下，鋼結構應能實現完全拆卸和再利用，因此除上述連接設計以外，教師還應增加梁板連接、板板連接、墻體連接等教學內容?？刹鹦督Y構中的梁板連接研究在近十年關注度較高，國內外學者提出了諸多創新連接方式，在課程教學中可引入此部分研究的最新成果供學生參考學習。而板板連接和墻體連接的研究相對較少，亟待提出構造簡單、施工便捷的連接構造。隨著鋼結構再利用研究的快速發展，此部分教學內容將很快有據可依，實現科研反哺教學。

在構件層面，按照受力特點，鋼結構構件可劃分為三大類，分別是軸心受力構件、受彎構件和拉彎/壓彎構件。鋼結構構件的顯著特點是受壓易發生失穩破壞，因此在鋼結構構件教學中，穩定理論學習尤為重要。目前關于構件層面的穩定理論和教學內容較為成熟，引入鋼結構再利用概念后，教師應考慮材料時變效應影響，據此完善現有構件穩定理論教學。此部分教學內容，教師可以通過啟發式教學方式，結合材料層面的知識學習，指導學生查閱相關文獻，了解構件層面的鋼結構再利用知識。目前關于鋼結構再利用尚無規范可循，所以構件層面教學內容以了解為主，拓寬學生的知識面。

（二）鋼結構再利用典型案例

在教學過程中，教師應將理論與實際相結合，通過引入真實案例，使學生對鋼結構再利用有更加直觀的認識。目前通過可拆卸方式實現循環再利用目標的案例鮮有報道，特別是可拆卸鋼框架結構，因其研究尚處于起步階段，暫無工程案例。但是，一些特殊用途的鋼結構建筑已實現了循環再利用，如大型公共建筑拆除后的循環利用、臨時性鋼結構工棚的轉場使用、工業廠房廢舊型鋼的再利用以及模塊化房屋的整體再利用等。以體育場館為代表的大型公共建筑社會關注度高，故教師可將其作為鋼結構再利用的典型案例供教學使用。

2012年英國倫敦奧運會的奧林匹克體育場，在設計之初就考慮了環保和循環再利用。體育場大量使用回收材料，其中屋頂環梁由回收的天然氣管道建造，實現資源的高效利用。體育場總計設置了8萬個座椅，其中包含5.5萬個臨時座椅，奧運會結束后將會連同底部鋼結構看臺一起拆卸并循環再利用。拆除座椅后體育場將縮小三分之二，降低后期維護費用。

2022年卡塔爾世界杯的拉斯阿布阿巴迪球場，由974個集裝箱組成，是首個可以完全拆解的世界杯足球場，拆解后可根據需要在異地重建多個小型球場，這一設計充分體現可拆卸結構的節能環保優勢。值得注意的是，該球場的集裝箱均為中國制造，在中國工廠完成建造后海運至卡塔爾，在現場通過多種方式組合連接、快速建造。

三、結語

鋼結構再利用任重道遠，培養這一領域的專業人才是開展各項工作的基礎。本文總結了鋼結構再利用的兩大實現路徑，即構件和整體結構兩個層次的再利用策略，而后梳理了鋼結構再利用所帶來的綜合效益，明確了環境和經濟效益的具體內涵?；诖耍處煈獜牟牧?、連接、構件三個層面建立鋼結構再利用知識體系，并選取鋼結構再利用典型案例，通過理論聯系實際，實現循環再利用目標驅動下的鋼結構課程教學改革。

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基金項目：安徽省自然科學基金“可拆卸鋼框架結構抗震性能退化機理及再利用設計對策”，項目編號：2408085QE167。

（作者單位：安徽建筑大學土木工程學院）