基于系统动力学的建筑垃圾产量影响因素研究

（吉林建筑大学经济与管理学院 吉林长春 130118）

0 引言

建筑垃圾指的是人们在从事拆迁、建设、装修等建筑业的生产活动中产生垃圾的统称，主要包括渣土、废旧混凝土、废旧砖石及其他废弃物等［1］。建筑垃圾源于众多方面，比如建筑施工方面，建筑物管理人员的专业素质不同、工人的操作技能等都会对建筑垃圾产量有影响；建筑装潢过程中，垃圾源于装修过程的剩余料；建筑物拆迁过程中，垃圾的产生主要是与建筑物自身的功能作用以及建筑物自身结构相关，例如钢筋混凝土结构和钢结构产生的建筑垃圾就不相同。建筑业与工业化和城市化进程的发展密切关联。近年来，工业化和城市化发展迅速，因此，相伴而生的建筑垃圾逐渐增多。我国目前建筑垃圾的数量在城市垃圾总量中已超过1/3［2］。确定建筑垃圾产量的主要影响因素，妥善处理建筑垃圾已成为一个具有重要意义的研究课题。

建筑垃圾产量受诸多因素的影响，近些年，国内学者对建筑垃圾产量的影响因素进行了广泛研究。符晓［3］通过文献综述、问卷调查、数据分析的方法，分析建筑垃圾产量的影响因素，主要包括管理系统、建筑材料、施工设计、成本等；周鲜华［4］等分析了我国建筑垃圾的增长趋势，指出建筑垃圾产量主要受城市化发展、建筑项目过多等因素的影响；贺艳萍［5］使用文献调查法、博弈论等方法，建立博弈论模型，认为建筑垃圾产量主要受建筑设计阶段、施工阶段、拆除阶段等方面的影响。本文的研究就是以这些现有的研究成果为基础。

无论是基于灰色关联度的模型分析还是文献调查法所得出的结论，这些现有构建模型的方法侧重在静态学的角度对建筑垃圾产量的影响因素进行研究。然而这些类似的方法还不足以系统地显示建筑垃圾产量与影响因素间的复杂关联性。这些方法得到的结果阶段性较强，易忽略建筑垃圾产量影响因素的复杂多变性和长期性。相比之下，系统动力学具有模拟复杂系统及其内部关联的优势，能有效反映出建筑垃圾产量与影响因素之间复杂的参数关系［6］。国内学者 H.P.Yuan［7］运用系统动力学的方法，在收集深圳某建设项目的混凝土和骨料相关数据的基础上，构建成本-效益分析模型，突出表现了建筑垃圾管理成本和效益的动态和复杂的关联关系，分析了建筑垃圾管理实践及其成本效益。本文以系统动力学方法为切入点，旨在研究建筑垃圾产量及其影响因素之间的动态关系［8］。构建建筑垃圾产量及其影响因素的模型，使用Vensim软件建立仿真系统模拟城市建筑垃圾现状，最后得出建筑垃圾产量与影响因素之间的关系曲线，根据曲线分析控制建筑垃圾产量的关键。

1 关键变量及行为关系模型构建

Vensim是一个可观念化、可文件化、可模拟、分析及最佳化动态系统模型的图形接口软件，可用来建立因果循环流程图（casual loop）、存货（stock）与流出量流程图等相关模型［10］。基于Vensim软件，建立模型，能够充分展现系统变量（影响因素）之间的因果关系，明确各变量的输入与输出间的关系，便于使用者获取模型架构、明确关键影响因素等。

（1）变量选取。影响建筑垃圾产量的因素众多，本文选取了10个关键影响因素来进行仿真模拟，包括建筑施工产生的建筑垃圾量、建筑拆除产生的建筑垃圾量、建筑施工面积增长率、建筑拆除面积增长率、环保意识、政策因素、环境污染、建筑垃圾循环利用量、建筑垃圾填埋量、建筑垃圾循环利用率。其中：

建筑施工过程中会产生渣土、弃土以及弃料、余泥等废弃物；建筑拆除过程中因拆除方法不当，垃圾利用效率低，或者尚未达到使用寿命即被拆除，势必会造成建筑垃圾产量的增加。建筑施工面积增长率和建筑拆除面积增长率反映了我国建筑面积的发展变化，因此对建筑垃圾产量也有影响。一些建筑物尚未达到使用寿命即被拆除，不仅造成建筑垃圾产量的增加，而且会造成大气污染，增加环境治理成本。

环保意识影响着建筑参与方的垃圾管控行为，提高环保意识对减少建筑垃圾产量有重要的作用。

政策因素有助于正确引导参建各方的行为，政府扶持力度影响参建各方是否愿意去进行绿色施工。因此，政府因素也是影响建筑垃圾产量的关键因素之一。

目前采用的建筑垃圾处理方式主要是填埋处理。建筑垃圾随意填埋不仅占用土地资源，还会降低土壤质量。合理有效的建筑垃圾处理方法直接影响建筑垃圾产量。因此选取建筑垃圾填埋量、建筑垃圾循环利用量等因素作为建筑垃圾产量的关键因素。

（2）模型的系统行为关系图（图1）。以明确的影响因素为基础，构建建筑垃圾产量的系统行为关系图，见图1。

（3）模型的基本假设。模型建立，主要做了以下几方面的假设［11］：①政策因素和环保意识影响着参与主体对建筑垃圾的行为方式。②政策因素和环保意识被认为对建筑垃圾产量的影响是正关系。以上假设的原理是：近几年国家发布一系列的政策法规。如，2014年2月，工程和信息化部、科技部发布了《2014-2015年节能减排科技专项行动方案》，将“建筑垃圾处理和再生利用技术设备”列为“节能减排先进适用技术推广应用”重点任务；2016年8月，国家发展改革委发布的《循环发展引领计划》（征求意见稿），发布加强建筑垃圾管理及资源化利用工作的指导意见，制定建筑垃圾资源化利用行业规范条件等。因此，在本模型中，政策因素和环保意识对于对建筑垃圾产量的影响被认为是正关系。本文通过表函数来估计政策因素、环保意识与建筑垃圾产量之间的量化关系。

2010年，我国建筑垃圾资源化利用率不足5%［12］。相对应建筑垃圾问题的政策和细化办法近几年才不断出现，因此，本文选择2012～2017年这6年的建筑垃圾相关数据作为模型建立的基础，并以此对未来几年建筑垃圾产量进行预测。

2 系统行为模型量化及验证

2.1 参数估计

系统动力学模型有常数值、初始值、表函数等函数类型，本文中参数估计主要采用调查数据法和常见的数学方法等。

量化图各因素值如下：

（1）建筑施工面积的确定由国家统计局的数据得到，如图2所示。从图2可知，房屋施工面积在2014～2017年变化幅度基本趋于缓和，故采用这4年的平均值作为建筑施工的初始值，即 1268139.12万 m2。

（2）2012～2017 年建筑拆除面积的变化如表1所示。将2012～2016年的建筑拆除面积数据及其对数值作为基础，得到数学方程为：

Y=0.12X-239.3（其中X指年份，Y指建筑拆除面积的对数）。

以此方程为依据建立表函数，得到建筑拆除面积的增长率，并将2012年的建筑拆除面积作为初始值。

表1 2012年～2016年我国建筑拆除面积统计

（3）由统计得，建筑拆除单位面积产生的建筑垃圾产出系数906.7～1335.5kg/m2，前瞻保守取值为1.0t/m2。建筑施工单位面积的产出系数相对较低。因此，本模型综合考虑建筑施工和建筑拆除，将建筑垃圾单位面积产出系数定位0.64t/m2［13］。本模型取2012年的建筑垃圾产量作为初始值，即84600万t。

（4）建筑垃圾具有极大的可回收利用价值，目前我国建筑垃圾资源化回收再利用程度较低，利用率仅为5%左右。

（5）就目前来看，填埋处理在我国是建筑垃圾的主要处理方式，填埋所占比重约为0.47.

2.2 表函数的确定

本模型采用Vensim软件构建的表函数的函数形式如下：

Y=withloopup （X，（［（Xmin，Ymin）-（Xmax，Ymax）］（X1，Y1），（X2，Y2）......（Xn，Yn）））

2.3 模型有效性检验

直观检验、运行检验、历史检验以及灵敏度分析是系统动力学模型的4种有效性检验方法［14］。有效检验方法的目的是为验证模型与实际情况的符合度，验证模型是否反映了实际系统的特征和变化规律。本文首先采用直观检验和运行检验2种检验方法来验证模型的合理性。

（1）直观检验。主要是用来检验模型的因果关系是否合理，每个变量之间的关系是否恰当，变量公式表述是否合理，量纲是否一致。本文是以大量文献资料为基础的，力求使模型结构与实际系统的结构尽量一致。

（2）运行检验。为验证建筑垃圾增加量模型的稳定性，选择DT=1、DT=0.5、DT=0.25进行仿真，即选取3个不同的仿真步长 （也就是不同的仿真时间间隔）进行模拟仿真并加以分析，得出如图3所示仿真比较结果。通过比较，显示系统的行为基本稳定。（系列1、系列2、系列3分别代表DT=1、DT=0.5、DT=0.25，是建筑垃圾增加量的变化趋势）

3 模型仿真模拟及结果分析

系统模型利用2012～2017年的数据为基础，对模型中的水平变量（即建筑垃圾增加量）进行模拟仿真，得到结果如图4所示。

由图4可知建筑施工产生的建筑垃圾量在2015年逐渐趋于稳定，表明我国推行的绿色建筑已经取得了一定成效。由图5可以得出，建筑拆除导致的垃圾产量随年份大致呈正比例增长关系。但建筑拆除和建筑施工2者的结合导致建筑垃圾产量的上升速率逐渐变缓。而且，由图4可以看出，建筑垃圾产量的变化趋势与建筑施工产生建筑垃圾量的曲线变化形式基本一致。这是因为我国城市化发展速度较快，每年新增建筑施工面积大，导致大量建筑垃圾的产生。

图6显示的是建筑垃圾增加量和建筑垃圾产量的变化趋势图。可以看出，2012～2017年建筑垃圾产量仍呈上升趋势，2017年之后逐渐趋于稳定。

图7显示建筑垃圾处理量的变化趋势图，可以得出结论：建筑垃圾处理量逐年上升，建筑垃圾资源化利用率在逐步提高。

对于图6、图7变化趋势，归结原因如下：

（1）与我国近年来对建筑垃圾采取的相关政策有关。例如，2013年6月成立的中国环境卫生协会建筑垃圾管理与资源化工作委员会，建立专门的建筑垃圾处理的法律监管部门。监管体系的完善对于减少建筑垃圾产量有很大的作用；2014年2月，科技部、工业和信息化部组织制定的 《2014～2015年节能减排科技专项行动方案》，将“建筑垃圾处理和再生利用技术设备”列为“节能减排先进适用技术推广应用”重点任务等。由建筑垃圾产量曲线的趋势来看，相关政策的实施起到了很大作用。

（2）与我国近年来大力发展装配式建筑有一定的关系。“十三五”期间，我国装配式建筑工程量将达到总工程量的30%以上。装配式建筑就是由工厂做好的预制构件在工地上直接装配而成的建筑。其优点之一就在于能够减少工地现场作业量。因此，装配式建筑的发展有利于从建筑施工和建筑拆除上减少建筑垃圾的产量。

（3）由建筑垃圾处理量的曲线走势，可以看出，我国在建筑垃圾处理方面取得了一定成果。目前，我国建筑垃圾处理主要从填埋处理和循环利用2方面入手。因此，我国应该继续加大对建筑垃圾处理技术的研发和应用，提高建筑垃圾循环利用率，同时严格管控建筑垃圾随意倾倒现象，做好集中处理。

（4）建筑垃圾产量的增长速率小于建筑垃圾处理量的增长速率，但研究结果显示建筑垃圾增加量仍在上升。这说明，相比于建筑垃圾产生量，目前建筑垃圾处理能力稍显不足。因此，应加强对建筑垃圾处理的进一步研究，加强建筑垃圾循环利用等。

系统动力学模型在预测复杂事物的动态变化趋势上有很大优势，本文利用模型，以近几年数据为基础，对未来建筑垃圾量变化趋势进行预测，得到结果如图4、5、6、7所示。结果表明，建筑垃圾产量和建筑垃圾增加量的增长趋势逐渐变慢，甚至有下降的趋势。建筑垃圾处理量的增长速率会越来越大。

4 结语

本文选取10个关键影响因素展开建筑垃圾产量系统行为关系的研究，提出基于系统动力学的建筑垃圾产量系统行为关系图，初步实现建筑垃圾产量现状及预测仿真分析，为更好地研究建筑垃圾产量系统及其内部各因素之间的动态关系提供了理论基础和实践依据。我国处在城市化迅速发展阶段，不可避免的会有建筑施工和建筑拆除项目。本文研究成果显示，建筑施工是建筑垃圾产生的主要来源。我国近年来发布的相关政策和绿色建筑的推广已经取得了一定的成效；我国建筑垃圾循环利用率发展空间很大。

在今后的研究中，将在本文研究的基础上，通过增加建模方面的知识，进一步加强模型结构的复杂程度，如将国家宏观GDP等因素考虑在内，进一步完善模型结构。