基于系统动力学的建筑废料回收管理*

冯玉龙 王宪芳 蓝志鹏 冯群

(1.水发数字科技有限公司，山东 青岛 266100；2.济南大学，山东 济南 250002)

0 引言

在我国城市化进程中，建筑拆除、改建以及新建产生了堆积如山的废料，这些废料或被简单填埋或被随意丢弃，对市容市貌和城市生态环境造成巨大破坏，违背了绿色发展理念。有关研究报告表明，目前我国每年产生的建筑废料为15亿～24亿t[1]，占居民城市废料总量的40%。如果不能有效处理这些建筑废料，不仅浪费土地资源、建筑材料和能源，还会造成事故和灾难，危害公共安全。

在国外，建筑废料是重要的回收再利用资源。反观我国，很多建筑废料并没有得到很好的回收利用，建筑废料的回收利用率远低于各发达国家。造成我国建筑废料处理不当的原因有很多，诸如相关法律法规不健全、监管体系不完善、执法力度不够、建筑废料回收处理基础设施投入不足、建筑废料处理技术不成熟、回收管理产业链落后、公众回收再利用观念淡薄等。做好建筑废料的回收利用是践行“美丽中国”的重要环节，是我国解决建筑废料围城的有效途径，既可以化解消耗大量建筑废料，又能在一定程度上“变废为宝”循环利用。在此背景下，建筑废料的回收管理显得极为重要。

1 文献综述

Bizcocho[2]等(2019)研究了生命周期评价(LCA)在固体废物管理环境评价中的应用，对西班牙的新建筑进行了案例研究，提出了优化和替代预防措施，并利用通用模型对4种建筑废料管理方案进行了比较。Ouda等[3](2018)研究了沙特阿拉伯的建筑废料管理，调查了沙特阿拉伯东部省份KSA的81家建筑公司，以确定哪些因素严重影响该国建筑废料的可持续管理，结果发现大部分建筑废料都是有潜力的可回收建筑材料的来源，如碎石、金属和沙子。这不仅可以满足KSA砂石和金属生产的需要，而且可以解决废料处理问题，产生巨大的经济效益。Galvez-Martos等[4](2018)综合了建筑和拆除废物管理的核心原则和贯穿整个建筑价值链的最佳实践，并系统地推行这些做法，可大大提高资源利用效率和减少对环境的影响，方法包括：减少废物的产生,尽量减少运输的影响,尽量提高二次物料的质素，以及优化处理方法的环保表现，从而达到重用和循环再造的目的。我国固废行业起步晚，目前处于发展初期，建筑废料的回收管理实践水平较低。对于建筑废料的管理体系，袁红平等[5]建立建筑废料现场管理模型，同时借助Vensim软件进行模拟评估，有助于管理人员对管理效果进行预测。陈起俊等[6]基于循环经济理论，以建筑废弃物处理的利益相关方为研究对象，建立不同阶段的演化博弈模型，对不同阶段的主体行为进行策略分析，提出建筑废料循环产业链资源化的实践性建议。对于建筑废料回收体系，陈建国等[7]提出，政府进行适当的补助能够有效促进承包商对建筑废料的分拣回收。在低碳观念深入人心的大环境下，徐勇戈等[8]认为在建筑废料回收网络中不仅要考虑经济成本最小化，还要考虑环境成本。

本文针对建筑废料回收管理中存在的问题，运用系统动力学的原理和方法，将建筑废料回收管理模型分成4个子系统，通过系统动力学仿真输出模型主要变量的演化趋势，并对输出结果加以分析，为建筑废料循环利用提供参考。

2 模型构建

2.1 模型系统构成

在参考相关研究文献[9]和理论后，本文将建筑废料管理模型分为4个子系统，分别为：建筑废料生成子系统，建筑废料分类子系统，建筑废料堆填子系统，建筑废料处理子系统。

2.1.1 建筑废料生成子系统

建筑废料的生成是建筑废料产生的源头，建筑废料生成子系统是整个系统的开端。该系统产生多少建筑废料、产生什么样的建筑废料，将会对整个系统产生较大影响。本研究在建筑废料生成子系统中选取建筑废料产生量、待处理建筑废料总量、用于分类分拣的量和直接用于填埋的建筑废料作为建筑废料生成子系统的变量。

2.1.2 建筑废料分类子系统

不同的分类模式对建筑废料分类回收利用具有较大影响。目前较常用的分类方式是按照是否有回收利用价值分类，只回收具有循环利用价值的建筑废料，对于没有回收利用价值的建筑废料采取填埋的方式处理。这一分类方式具有其合理性，易于推广，是目前效果较好的一种建筑废料分类处理方式。本研究在建筑废料分类子系统中选取用于分类分拣的量、待分拣的废料总量、分类分拣单位成本作为建筑废料分类子系统的变量。

2.1.3 建筑废料堆填子系统

建筑废料可分为惰性废料和非惰性废料，惰性废料主要是指废混凝土、废砖瓦、废石材以及废玻璃等。这些惰性废料的处理方式以填埋为主。很多沿海城市进行的填海造地工程对于这些惰性废料的需求特别大。本研究将直接用于填埋的建筑废料、用于填埋的量、运至填埋场单位成本、运至填埋场的总量、填埋场总容量和剩余填埋场容量作为建筑废料堆填子系统的变量。

2.1.4 建筑废料处理子系统

建筑废料处理子系统主要处理建筑废料中的可回收资源，如金属、木材和纸张等。本研究选取再回收单位支出、再回收单位收益、用于回收利用的量、回收利用总量、废料处理收益和政府补贴作为建筑废料处理子系统的变量。

2.2 变量

本文将运至填埋场单位成本、分类分拣单位成本、再回收单位成本、废料处理支出、总成本、废料处理收益、再回收单位收益、政府补贴、减废积极性、建筑废料产生量、待处理建筑废料总量、用于分类分拣的量、剩余待分类分拣总量、用于回收利用的量、回收利用总量、用于填埋的量、运至填埋场的总量、填埋场总容量、剩余填埋场容量、直接用于填埋的建筑废料作为模型的主要变量，这些变量分为存量、流量和辅助变量三种类型。本文所构建的建筑废料管理模型对今后10年的变化过程进行了模拟，各变量的初始赋值和变量关系见表1。

表1 变量赋值和变量关系

(续)

3 结果与分析

3.1 主要变量模拟结果

相关费用和收益模拟结果如图1所示。

图1 相关费用和收益模拟结果(截图)

3.1.1 减废积极性

减废积极性作为模型的一个反馈变量在模型中起着至关重要的作用，由减废积极性这个变量对总成本的变化做出反应，进而反馈给建筑废料产生量。本文认为减废积极性对总成本的变化是曲率减小的一条曲线，所以在选取减废积极性计算方式的时候选择了开平方根函数(SQRT函数)，理由如下：一是开平方根函数的走向可以很好模拟减废积极性对总成本变化的走向；二是开平方根函数在减废积极性为0时有意义，这一点是对数函数没有的优点。

3.1.2 建筑废料产生量

建筑废料产生量在本模型中是一个很重要的变量，本文认为随着建筑废料处理总成本的增加使得施工单位的减废积极性提高，减废积极性的提高会促使施工方采取减少建筑废料产生的措施，进而使得每年产生的建筑废料减少。由模拟曲线可知建筑废料产生量是一条斜率逐渐减小的下降曲线，建筑废料产生量从模拟时间为0年的200t/年减少到10年后的140t/年。这是因为建筑废料产生量随着减废积极性的增加而减少，而减废积极性是一条随着总成本的增加而增加的斜率逐渐减小的曲线。

3.1.3 相关费用与收益

废料处理支出在本模型的含义是在处理建筑废料的各个过程中发生的支出，包含分类分拣成本、运至填埋场成本、再回收成本三大部分，这三大部分之和即废料支出。废料处理收益在本模型的含义是建筑废料处理过程中有一部分可以回收再利用，这一部分可以创造收益，此外政府对建筑废料的回收处理还有一部分补贴。废料处理收益这一变量包含再回收单位收益和政府补贴两部分。由模拟结果可知废料支出和废料处理收益都是一条斜率逐渐减小的下降曲线，产生这一曲线的原因在于建筑废料产生量也是斜率逐渐减小的下降曲线，而废料处理支出和废料处理收益与所处理的建筑废料量都成正比，所以废料支出和废料处理收益会产生如图1所示的结果。总成本是一个累积量，当前年份的总成本是当前年份的成本与之前所有年份的成本加和，所以它的整体走向是增加的，又因为废料处理支出和废料处理收益的变化是同步的，所以总成本的斜率大概为1。

3.2 建筑废料各种流向模拟结果及分析

建筑废料各种流向的模拟结果如图2所示。

图2 建筑废料各种流向走势图(截图)

在本模型中，剩余填埋场容量的含义是：填埋场的总容量减去运至填埋场的总量。填埋场的总容量在本模型中的初值是1000t，即剩余填埋场在第0年的取值也是1000t。由于每年都有运至填埋场填埋的建筑废料，剩余填埋场的容量会越来越少，在第7年左右容量为1000t的填埋场被全部耗尽。

4 结语

本文以建筑废料回收的现状、存在的问题为出发点，对建筑废料回收相关理论和方法进行总结，通过建模进行仿真分析后得出以下结论：建筑废料的回收管理是一个系统工程，是许多因数共同作用的结果。要处理好建筑废料回收管理问题，应做好施工单位、建筑废料处理单位、填埋场和环保等部门的协调工作。针对建筑废料源头，基于BIM技术在设计阶段提前发现问题，避免后期的拆除整改，减少建筑废料的产量。提高再生建材的使用率以及施工管理水平，保证施工质量，以免因质量不达标带来更多返工重建的建筑废料。在国家层面，应加大政府补贴力度和政府对废料行业的投资能力，完善相关法律法规，加强新环保法的监管执法力度，为建筑废料处理行业创造良好的发展环境。在行业发展层面，应加强不同部门间的协作，并逐步实现跨领域合作，形成由单一产业链向全产业链的转变。同时，借鉴国外先进的资源化技术和工艺，探索符合我国建筑废料特点的技术和工艺，推动建筑废料资源化利用的发展。充分利用市场经济，推动建筑废料回收的市场化，调动相关企业废料回收的积极性。在社会公众层面，环境保护、资源回收需要公众广泛参与。鉴于公众对建筑废料再生产的产品认可度不高，政府和各大媒体应宣传建筑废料再生产品的相关知识，打消公众使用产品的顾虑，提高公众的环保意识，并创造经济价值。