循環(huán)再利用目標驅(qū)動下的鋼結(jié)構(gòu)課程教學(xué)改革

摘要：在全社會奮力實現(xiàn)“碳達峰”“碳中和”背景下，鋼結(jié)構(gòu)循環(huán)再利用是未來建筑的重要發(fā)展方向。文章分析鋼構(gòu)件和鋼結(jié)構(gòu)的再利用實現(xiàn)路徑，梳理鋼結(jié)構(gòu)再利用所帶來的環(huán)境和經(jīng)濟效益，據(jù)此建立鋼結(jié)構(gòu)再利用知識體系，并選取鋼結(jié)構(gòu)再利用典型案例，實現(xiàn)循環(huán)再利用目標驅(qū)動下的鋼結(jié)構(gòu)課程教學(xué)改革，旨在優(yōu)化鋼結(jié)構(gòu)課程教學(xué)內(nèi)容，培養(yǎng)基礎(chǔ)理論扎實的專業(yè)人才，助力鋼結(jié)構(gòu)再利用的實現(xiàn)和推廣。

關(guān)鍵詞：循環(huán)利用；鋼結(jié)構(gòu)；教學(xué)改革；土木工程

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

鋼結(jié)構(gòu)是土木工程專業(yè)的主干課程，主要包含材料性能、連接方法、基本構(gòu)件力學(xué)性能三大板塊教學(xué)內(nèi)容。鋼結(jié)構(gòu)課程強調(diào)學(xué)生實踐能力的培養(yǎng)，通過課程設(shè)計、畢業(yè)設(shè)計等環(huán)節(jié)，進一步提升學(xué)生的工程應(yīng)用能力。國內(nèi)開設(shè)土木工程專業(yè)的院校均設(shè)置有鋼結(jié)構(gòu)課程，相應(yīng)的課程教學(xué)團隊開展了豐富的鋼結(jié)構(gòu)教學(xué)改革研究。現(xiàn)有教研成果多集中于教學(xué)方法和內(nèi)容的創(chuàng)新，以及鋼結(jié)構(gòu)試驗教學(xué)、可視化教學(xué)、課程思政等教研領(lǐng)域的探索與實踐。然而，現(xiàn)有鋼結(jié)構(gòu)課程教學(xué)缺乏鋼結(jié)構(gòu)再利用方面知識的系統(tǒng)講授，僅在部分章節(jié)零星涉及鋼結(jié)構(gòu)再利用的相關(guān)知識。因此，本文綜合分析鋼結(jié)構(gòu)再利用的實現(xiàn)路徑與綜合效益，據(jù)此探究面向鋼結(jié)構(gòu)再利用場景的課程教學(xué)改革，以期實現(xiàn)鋼結(jié)構(gòu)教學(xué)的與時俱進，推動工程建設(shè)領(lǐng)域鋼結(jié)構(gòu)建筑的循環(huán)利用。

一、鋼結(jié)構(gòu)再利用是未來建筑的重要發(fā)展方向

（一）鋼結(jié)構(gòu)再利用實現(xiàn)路徑

廢舊鋼材回收冶煉是以往鋼結(jié)構(gòu)建筑消納的重要方式，相較于利用原生鐵礦石生產(chǎn)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(gòu)件，將進一步降低碳排放。有研究表明，在拆除過程中合理規(guī)劃吊裝、運輸、存儲等環(huán)節(jié)，循環(huán)再利用鋼結(jié)構(gòu)能降低超過80%的碳排放。理論上，無塑性發(fā)展鋼材的力學(xué)性能幾乎無衰減，在做好防銹蝕措施的前提下，鋼構(gòu)件及鋼結(jié)構(gòu)能實現(xiàn)無限次循環(huán)再利用。

目前，鋼結(jié)構(gòu)再利用的實現(xiàn)路徑主要有兩種：一是將鋼構(gòu)件稍加改造后用于新建建筑，二是鋼結(jié)構(gòu)拆除后的異地重建。第一種實現(xiàn)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(gòu)件截面尺寸相近，又要求其長度、方向、尺寸基本一致。此外，構(gòu)件之間的連接構(gòu)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(chǎn)中，鋼構(gòu)件的截面尺寸、長度及連接構(gòu)造完全匹配的情況較少。當(dāng)截面尺寸較大時，可采用以大代小的原則實現(xiàn)鋼構(gòu)件再利用。而長度較長時，可通過截取的方式實現(xiàn)鋼構(gòu)件的部分再利用。連接構(gòu)造一般較難保留，基本都須進行重新設(shè)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(shè)計環(huán)節(jié)應(yīng)考慮鋼構(gòu)件的再利用因素。第二種實現(xiàn)路徑是最為高效的再利用方式，理想情況下能實現(xiàn)結(jié)構(gòu)的完全再利用。整體結(jié)構(gòu)再利用可避免重新設(shè)計和改造工作，實現(xiàn)難度相對較低。但是，只有在新建建筑與可拆卸結(jié)構(gòu)完全一致的前提下才能實施。這一實現(xiàn)路徑的關(guān)鍵在于合理分區(qū)，減少拆除和裝配的工作量，同時減少可拆卸連接構(gòu)造設(shè)置區(qū)域，降低工程造價。另外，分區(qū)時應(yīng)考慮運輸和吊裝能力限制，且提前規(guī)劃好拆除和裝配工序。

（二）鋼結(jié)構(gòu)再利用效益分析

鋼結(jié)構(gòu)再利用不僅能帶來顯著的環(huán)境效益，而且能產(chǎn)生巨大的經(jīng)濟效益。可拆卸的鋼結(jié)構(gòu)在建設(shè)階段可實現(xiàn)全工廠預(yù)制、全干式連接，完全避免濕作業(yè)施工過程產(chǎn)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(jié)構(gòu)，可拆卸結(jié)構(gòu)的優(yōu)勢更加明顯。可拆卸結(jié)構(gòu)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(shè)計階段考慮了拆除因素的影響，提前規(guī)劃好拆除過程，結(jié)構(gòu)拆除過程勢必會更加科學(xué)合理。更重要的是，因為增加了廢舊構(gòu)件或結(jié)構(gòu)的回收再利用環(huán)節(jié)，可拆卸結(jié)構(gòu)從源頭上減少了建筑垃圾產(chǎn)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(gòu)件或鋼結(jié)構(gòu)重新應(yīng)用于新建建筑，避免了重新制作結(jié)構(gòu)構(gòu)件所帶來的資源和能源消耗。因此，鋼結(jié)構(gòu)再利用能在建筑的全生命周期帶來顯著的環(huán)境效益，優(yōu)化傳統(tǒng)建造模式。

便于裝配、性能優(yōu)越的鋼結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)。通過上述循環(huán)再利用過程，可拆卸的鋼結(jié)構(gòu)可充分發(fā)揮其內(nèi)在價值，進而助推鋼結(jié)構(gòu)建筑的工程應(yīng)用。一方面，拆除階段產(chǎn)生的廢舊鋼構(gòu)件具有高于廢舊鋼材的經(jīng)濟價值。另一方面，新建建筑部分或全部采用回收鋼構(gòu)件能在一定程度上降低工程造價。汽車行業(yè)已有將配件從廢舊或事故車輛上拆卸后再利用的經(jīng)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(jié)構(gòu)再利用場景的課程教學(xué)改革

（一）鋼結(jié)構(gòu)再利用知識體系

土木工程專業(yè)教師應(yīng)在現(xiàn)有鋼結(jié)構(gòu)教學(xué)內(nèi)容基礎(chǔ)上，從材料、連接、構(gòu)件三個層面建立鋼結(jié)構(gòu)再利用知識體系。整個知識體系穿插于現(xiàn)有教學(xué)內(nèi)容中，一部分是既有知識點的拓展，另一部分是圍繞鋼結(jié)構(gòu)再利用引入的新內(nèi)容。總的原則是在不過多增加學(xué)生學(xué)習(xí)負擔(dān)基礎(chǔ)上，使學(xué)生習(xí)得鋼結(jié)構(gòu)再利用概念及實現(xiàn)方法，培養(yǎng)符合社會發(fā)展需要的土木工程專業(yè)人才。

在材料層面，再利用階段的結(jié)構(gòu)設(shè)計須著重考慮材料性能隨時間變化的影響，故應(yīng)增加與時間相關(guān)的材料力學(xué)性能內(nèi)容，如應(yīng)變時效、疲勞、銹蝕等。現(xiàn)有教材中僅對應(yīng)變時效作了簡要說明，此部分可結(jié)合再利用場景展開講解，詳細說明應(yīng)變硬化和時效硬化的誘發(fā)機理。現(xiàn)有疲勞內(nèi)容的設(shè)置主要是考慮吊車梁設(shè)計教學(xué)的需要。對于鋼結(jié)構(gòu)再利用而言，由于其首個服役期會經(jīng)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(yīng)補充說明鋼結(jié)構(gòu)再利用過程中疲勞問題更加突出。鋼材銹蝕在現(xiàn)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(huán)再利用目標下，緊固件連接及基于緊固件的各類連接構(gòu)造學(xué)習(xí)至關(guān)重要。現(xiàn)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(shè)計的教學(xué)內(nèi)容。在理想情況下，鋼結(jié)構(gòu)應(yīng)能實現(xiàn)完全拆卸和再利用，因此除上述連接設(shè)計以外，教師還應(yīng)增加梁板連接、板板連接、墻體連接等教學(xué)內(nèi)容。可拆卸結(jié)構(gòu)中的梁板連接研究在近十年關(guān)注度較高，國內(nèi)外學(xué)者提出了諸多創(chuàng)新連接方式，在課程教學(xué)中可引入此部分研究的最新成果供學(xué)生參考學(xué)習(xí)。而板板連接和墻體連接的研究相對較少，亟待提出構(gòu)造簡單、施工便捷的連接構(gòu)造。隨著鋼結(jié)構(gòu)再利用研究的快速發(fā)展，此部分教學(xué)內(nèi)容將很快有據(jù)可依，實現(xiàn)科研反哺教學(xué)。

在構(gòu)件層面，按照受力特點，鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件可劃分為三大類，分別是軸心受力構(gòu)件、受彎構(gòu)件和拉彎/壓彎構(gòu)件。鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件的顯著特點是受壓易發(fā)生失穩(wěn)破壞，因此在鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件教學(xué)中，穩(wěn)定理論學(xué)習(xí)尤為重要。目前關(guān)于構(gòu)件層面的穩(wěn)定理論和教學(xué)內(nèi)容較為成熟，引入鋼結(jié)構(gòu)再利用概念后，教師應(yīng)考慮材料時變效應(yīng)影響，據(jù)此完善現(xiàn)有構(gòu)件穩(wěn)定理論教學(xué)。此部分教學(xué)內(nèi)容，教師可以通過啟發(fā)式教學(xué)方式，結(jié)合材料層面的知識學(xué)習(xí)，指導(dǎo)學(xué)生查閱相關(guān)文獻，了解構(gòu)件層面的鋼結(jié)構(gòu)再利用知識。目前關(guān)于鋼結(jié)構(gòu)再利用尚無規(guī)范可循，所以構(gòu)件層面教學(xué)內(nèi)容以了解為主，拓寬學(xué)生的知識面。

（二）鋼結(jié)構(gòu)再利用典型案例

在教學(xué)過程中，教師應(yīng)將理論與實際相結(jié)合，通過引入真實案例，使學(xué)生對鋼結(jié)構(gòu)再利用有更加直觀的認識。目前通過可拆卸方式實現(xiàn)循環(huán)再利用目標的案例鮮有報道，特別是可拆卸鋼框架結(jié)構(gòu)，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(jié)構(gòu)建筑已實現(xiàn)了循環(huán)再利用，如大型公共建筑拆除后的循環(huán)利用、臨時性鋼結(jié)構(gòu)工棚的轉(zhuǎn)場使用、工業(yè)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(guān)注度高，故教師可將其作為鋼結(jié)構(gòu)再利用的典型案例供教學(xué)使用。

2012年英國倫敦奧運會的奧林匹克體育場，在設(shè)計之初就考慮了環(huán)保和循環(huán)再利用。體育場大量使用回收材料，其中屋頂環(huán)梁由回收的天然氣管道建造，實現(xiàn)資源的高效利用。體育場總計設(shè)置了8萬個座椅，其中包含5.5萬個臨時座椅，奧運會結(jié)束后將會連同底部鋼結(jié)構(gòu)看臺一起拆卸并循環(huán)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(jù)需要在異地重建多個小型球場，這一設(shè)計充分體現(xiàn)可拆卸結(jié)構(gòu)的節(jié)能環(huán)保優(yōu)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(xiàn)場通過多種方式組合連接、快速建造。

三、結(jié)語

鋼結(jié)構(gòu)再利用任重道遠，培養(yǎng)這一領(lǐng)域的專業(yè)人才是開展各項工作的基礎(chǔ)。本文總結(jié)了鋼結(jié)構(gòu)再利用的兩大實現(xiàn)路徑，即構(gòu)件和整體結(jié)構(gòu)兩個層次的再利用策略，而后梳理了鋼結(jié)構(gòu)再利用所帶來的綜合效益，明確了環(huán)境和經(jīng)濟效益的具體內(nèi)涵。基于此，教師應(yīng)從材料、連接、構(gòu)件三個層面建立鋼結(jié)構(gòu)再利用知識體系，并選取鋼結(jié)構(gòu)再利用典型案例，通過理論聯(lián)系實際，實現(xiàn)循環(huán)再利用目標驅(qū)動下的鋼結(jié)構(gòu)課程教學(xué)改革。

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基金項目：安徽省自然科學(xué)基金“可拆卸鋼框架結(jié)構(gòu)抗震性能退化機理及再利用設(shè)計對策”，項目編號：2408085QE167。

（作者單位：安徽建筑大學(xué)土木工程學(xué)院）