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［摘 要］随着人口快速增长和经济的飞速上升,建筑行业蓬勃发展,但是怎样解决大兴土木所带来的城市建筑废料的激升也成了各大城市亟待解决的民生问题,建设专门的建筑废料回收中转站和处理设施已经迫在眉睫。本文以南京地区为例,对南京十一个主要城区进行调查分析,采用重心法以及混合整数规划模型,对南京城市建筑废料的回收中转站以及处理设施进行研究。
［关键词］城市建筑废料回收；中转站及处理设施选址；重心法；整数规划模型
［中图分类号］F252 ［文献标识码］A ［文章编号］1005-6432（2012）6-0018-04
随着建设规模的加大,建筑废料已成为我国城市固体废物处理处置的关键废物物流。其中,在构成建筑废料的主要材料中,废弃混凝土占到了40%~80%,传统的方法一是直接运往郊区露天堆放或填埋,二是粉碎后根据渣土质量作为地面垫层,以传统方法处理的废弃混凝土对空气、土地、水源以及居民安全都有极大危害。建筑废料的“随意丢弃”更是引发了居民的严重不满。
在资源匮乏的当今,将大量可以再利用的建筑废料直接丢弃显然是极大浪费,大部分省市已经将建设专门的建筑废料处理场纳入了城市规划中,少数城市例如秦皇岛市、北京市已经建立了专门的建筑废料处理厂,南京也已经将其纳入了“十二五”规划中。下面本文将以相关材料以及调查数据作为基础,对南京地区的建筑废料(以废弃混凝土为主)的规划管理进行研究。
1 建筑废料的回收体系
1.1 建筑废料的回收特点
之所以要建立专门的建筑垃圾处理厂,而不是简单地将其归类到城市固体废弃物的原因在于建筑废料本身的特点：
一是位置集中,收集简单。与固体废弃物相比,建筑废料是在拆除旧建筑、建设新建筑的过程中产生,城市拆旧建新一般都是根据政府规划在某一区域大面积集中建设,除了极少量装修工程,建筑废料的回收体系不以居民为节点,位置集中。
二是数量巨大,运输困难。城市建筑工程的庞大,导致每个工地的建筑废料数量巨大,需要大容量的渣土机进行专门的运输,运输困难,成本高。
三是构成复杂,分类处理。城市建筑废料的构成可以简单的分为七种：①木材：废弃家具、木地板和以木头作为主建构材料的建筑；②钢材：钢筋；③混凝土；④石膏板；⑤氯化烯制建材：如下水管道、墙纸、地毯之类的；⑥玻璃；⑦铝合金窗框。城市建筑多是钢筋混凝土结构,以轰炸或直接推倒的粗放式处置方法进行拆除,这导致建筑废料的构成部分复杂,进行处理时需要先分类再处理。
1.2 建筑廢料的回收体系
根据建筑废料的回收特点,建筑废料的回收体系如图1所示：
建筑废料回收体系有以下特点：一是建筑废料终端处理以静脉园区为单位,对建筑废料进行分类后,在静脉园区进行各种不同构成的循环再利用,提高了回收利用的效率,节省了运输成本、人力成本等费用。二是距离静脉园远的区域先运往中转处理厂,进行初加工,然后再运往静脉园,距离适中的区域直接运往静脉园进行处理。
2 建筑废料的预测函数
根据相关文献,建筑垃圾量与建筑拆除量呈正相关,鉴于目前官方文件缺少对历年建筑拆除量的记录,我们采用了建筑存量模型,从而得到对南京未来几年的建筑垃圾量的预测模型。
2.1 建筑存量模型
模型建立在系统论和生命周期方法论的基础上,不考虑农村与城市建筑的转化量,只基于南京城镇居住建筑的层面上探讨建筑存量趋势。
模型构成：
Δ S(structure)=S(n)-S(n-1)
S(n)表示第N年的城市建筑存量,ΔS表示第N年新增的建筑存量。
D(delete)=N(new)-ΔS
N(new)表示第N年新建的建筑量,D(delete)表示第N年拆除的建筑量。
我国城镇建筑的寿命一般为30～40年,经济的高速增长以及人口的膨胀使得对土地的需求日益增长,大量的旧城区被拆迁,建造新的建筑,从而提高土地的利用率,这一现象在城镇建筑发展上尤为常见,由此我们可以推测城镇建筑新建量与拆除量存在某种相关性,并使用一元线性回归进行分析。通过建筑存量模型,在调查南京每年建筑存量的情况下,估算了南京前几年的建筑拆除量表1。
表1 南京城镇2001—2009年的建筑新建量和拆除量
年份万平方米[]2001[]2002[]2003[]2004[]2005[]2006[]2007[]2008[]2009
N[]1203.06[]1170.4[]1108.67[]1632.92[]1998.67[]2201.61[]2506.06[]2731.43[]3642
D[]82[]115.71[]179[]132[]146.6[]72.3[]177.4[]176[]200
由上述表1可知,除去2003年、2006年建筑拆除量出现异常外,其余基本上呈现正相关性,我们剔除异常数据通过一元线性回归方程对两者关联度进行定量分析。
一元线性回归分析：
设建筑新建面积y为因变量,建筑拆除面积x为自变量,预测模型为y=ax+b。
在使用Excel软件进行分析后,我们发现建筑拆除量与建筑新建量具有高度相关性,其一元回归方程为y=20.644x-911.87,拟合图如图2所示。
图2 拟合图
2.2 南京未来五年建筑废料的估算
根据相关资料,拆除1平方米的建筑物大约产生1.35吨的建筑垃圾,得到建筑垃圾产生量与建筑新建量的相关公式为：
z=1.35x
y=20.644x-911.87
y=15.29z-911.87
根据南京“十二五”规划纲要,“十二五”期间,南京“十一五”建筑工程保障性住房竣工2500万平方米,“十二五”开始规划保障性住房工程则竣工1100万平方米,从历年南京统计年鉴可知,一般情况下,整个城镇建筑面积约为住房面积的五倍,整个“十二五”规划中南京新建建筑面积18000万平方米,这里我们假设每年竣工面积相等,每年应建设3600万平方米，见表2。
表2 南京主要区域每年建筑垃圾产生量(万吨)
区名[]栖霞[]下关[]玄武[]鼓楼[]白下[]秦淮[]建邺[]雨花台[]江宁[]浦口[]六合
产生量（万吨)[]32[]34[]12.47[]8.32[]16.6[]13.84[]40[]18.46[]71[] 58[]54
3 建筑废料回收中转站和处理设施的选址
南京市城市总规划中,规划建设环境园有：江北环境园、城东环境园、南京静脉产业园、铜井环境园、桥林环境园、六合环境园、横溪环境园、溧水环境园、高淳环境园。
回收中转站有：河西1#、河西2#,新尧、苜蓿园、龙潭、仙林1#、仙林2#、麒麟、龙袍。具体如图3及图4所示。
图3 南京环境设施规划
图4 主城区规划
3.1 建筑废料回收中转站选址
主城区距离环境园即建筑废料处置设施远,主城区建筑废料首先运往中转站集中后进行初步的粉碎处理,再运往终端处理场进行主要处理。从南京市的规划文件中,可以看出九个环境园主要分布在江宁、六合、浦口以及郊县,主城区则建设垃圾中转站。下面以重心法原理为方法,在主城区的规划基础上,对建筑废料中转站进行选址。
重心法原理：
将物流系统的资源点和需求点看成是分布在某一平面内的物体系统,各资源点和需求点的物流量可分别看成是物体的重量,物体系统的重心将作为物流中心的最佳位置。
主城区分为五个部分,分别是北部、河西、南部、东部、老城。每个部分建设一个中转站以负责建筑废料的中转站,如下：
河西的河西1#(位于建邺区)——负责建邺区的建筑废料；
北部的新尧(位于栖霞区)——负责下关区的建筑废料；
东部的仙林1#(位于栖霞区)——负责栖霞区的建筑废料；
南部的苜蓿园(位于白下区靠近雨花台区)——负责雨花台区和秦淮区的建筑废料。
为了简化设施选址模型,特别规定没有中转站的老城区(鼓楼区、玄武区、白下区)的建筑废料以平均分摊的方式由上面四个中转站负责。
3.2 建筑废料处置设施的选址模型
图5 选址模型
(1)假设条件
建筑废料的处置设施的选址问题是南京城市规划文件中将要建设的九个环境园中选取一定数目的环境园建立建筑废料处置设施,从而实现从中转站到处置设施的回收网络,以实现从中转站到处置设施的运输成本以及建设成本的费用最小化。
为了便于建立数学模型,作出如下假设：
1)每一处的垃圾中转站的垃圾都由一个建筑垃圾处理厂进行处理；
2)垃圾运输费用与距离成简单的线性关系；
3)每个垃圾中转站所产生的垃圾数量是确立的,并且在一定时间不改变；
4)垃圾处理方式不考虑收集点到中转点的成本距离。
在本模型中,处置设施的选址主要考虑费用项目包括：中转站到处置设施的运输费用、处置设施建立的成本。
(2)混合整数规划的模型建立
根据模型主城区有四个中转站,处置設施的数量以足以处理南京市建筑废料的数量为准,除了中转站到处置设施运输外,六合区、江宁区、浦口区则设为到处置设施的运输费用为0,而六合区浦口区到其他地区的运输距离以江北环境园作为坐标参与计算,江宁区则使用南京静脉园作为坐标参与计算。
目标函数：
数学规划模型如下：
minTc[DD(X]i∈I,j∈J[DD)]aiξijdij+[DD(X]j∈J[DD)]FjYj约束条件
[DD(X]j∈J[DD)]xij≤yjbj,j∈J
[DD(X]i∈I[DD)]xij≤yjbj,j∈J
Mξij≥xij,i∈I;j∈J
ξij∈[JB(｛]0,[JB(]1[JB)｝][JB)],i∈I;j∈J
yj∈[JB(｛]0,[JB(]1[JB)｝][JB)],j∈J
xij≥0,i∈I,j∈J
模型参数如下：
xij——i中转处理站由j建筑垃圾处理厂处理的建筑垃圾量；
Fj——j建筑垃圾处理厂建造所需的成本；
dij——从第i中转处理站到第j建筑垃圾处理厂的运输距离；
bj——将建造的j建筑垃圾处置设施可处理的最大垃圾容量；
ai——i中转处理站所产生的垃圾量；
Tc——单位运输成本；
M——极大正数。
决策变量定义如下：
ξij(i∈I;j∈J)=
1 如果i中转处理站的垃圾由j垃圾处理厂进行处理
0 否则
Yj( j∈J)=1 如果j垃圾处理厂开辟
0 否则
(3)建筑废料最终处理设施的求解（表3、表4）
表3 建筑废料中转站年运输量
中转站[]河西1#[]苜蓿园[]新尧[]仙林1#[]江北环境园[]南京静脉产业园
运输量(万吨)[]40[]42[]34[]32[]112[]71
其中Tc=0.824元/千米·吨,Fj=4000万元,bj=120万吨,使用MATLAB软件编程求解,计算结果显示,选择江北环境园、南京静脉园、城东环境园作为最终处理设施的选址地址,能够使得费用最小化,最少费用为14434.261509万元。
4 结 论
目前,各大城市已经开始重视对建筑废料的回收利用,但仍然缺少对整个城市建筑废料统一的回收规划管理。在基于原有的城市规划的基础上,收集相关数据,构建城市建筑废料循环体系,建立数学模型求解,能够有效地实现对回收体系的初步管理,降低了盲目操作的成本,在理论上实现了费用的最小化,提高了统一管理的可行性。
参考文献：
［1］ 吴贤国,李惠强,郭劲松. 垃圾废料作为建筑材料的综合回收利用途径［J］.建筑技术,2000(05) .
［2］ 吴贤国,郭劲松,李惠强,杜婷. 建筑废料的再生利用研究［J］.建材技术与应用,2004(01).
［3］ 俞淑芳. 建筑垃圾的综合利用［J］.国外建材科技,2005(02).
［关键词］城市建筑废料回收；中转站及处理设施选址；重心法；整数规划模型
［中图分类号］F252 ［文献标识码］A ［文章编号］1005-6432（2012）6-0018-04
随着建设规模的加大,建筑废料已成为我国城市固体废物处理处置的关键废物物流。其中,在构成建筑废料的主要材料中,废弃混凝土占到了40%~80%,传统的方法一是直接运往郊区露天堆放或填埋,二是粉碎后根据渣土质量作为地面垫层,以传统方法处理的废弃混凝土对空气、土地、水源以及居民安全都有极大危害。建筑废料的“随意丢弃”更是引发了居民的严重不满。
在资源匮乏的当今,将大量可以再利用的建筑废料直接丢弃显然是极大浪费,大部分省市已经将建设专门的建筑废料处理场纳入了城市规划中,少数城市例如秦皇岛市、北京市已经建立了专门的建筑废料处理厂,南京也已经将其纳入了“十二五”规划中。下面本文将以相关材料以及调查数据作为基础,对南京地区的建筑废料(以废弃混凝土为主)的规划管理进行研究。
1 建筑废料的回收体系
1.1 建筑废料的回收特点
之所以要建立专门的建筑垃圾处理厂,而不是简单地将其归类到城市固体废弃物的原因在于建筑废料本身的特点：
一是位置集中,收集简单。与固体废弃物相比,建筑废料是在拆除旧建筑、建设新建筑的过程中产生,城市拆旧建新一般都是根据政府规划在某一区域大面积集中建设,除了极少量装修工程,建筑废料的回收体系不以居民为节点,位置集中。
二是数量巨大,运输困难。城市建筑工程的庞大,导致每个工地的建筑废料数量巨大,需要大容量的渣土机进行专门的运输,运输困难,成本高。
三是构成复杂,分类处理。城市建筑废料的构成可以简单的分为七种：①木材：废弃家具、木地板和以木头作为主建构材料的建筑；②钢材：钢筋；③混凝土；④石膏板；⑤氯化烯制建材：如下水管道、墙纸、地毯之类的；⑥玻璃；⑦铝合金窗框。城市建筑多是钢筋混凝土结构,以轰炸或直接推倒的粗放式处置方法进行拆除,这导致建筑废料的构成部分复杂,进行处理时需要先分类再处理。
1.2 建筑廢料的回收体系
根据建筑废料的回收特点,建筑废料的回收体系如图1所示：
建筑废料回收体系有以下特点：一是建筑废料终端处理以静脉园区为单位,对建筑废料进行分类后,在静脉园区进行各种不同构成的循环再利用,提高了回收利用的效率,节省了运输成本、人力成本等费用。二是距离静脉园远的区域先运往中转处理厂,进行初加工,然后再运往静脉园,距离适中的区域直接运往静脉园进行处理。
2 建筑废料的预测函数
根据相关文献,建筑垃圾量与建筑拆除量呈正相关,鉴于目前官方文件缺少对历年建筑拆除量的记录,我们采用了建筑存量模型,从而得到对南京未来几年的建筑垃圾量的预测模型。
2.1 建筑存量模型
模型建立在系统论和生命周期方法论的基础上,不考虑农村与城市建筑的转化量,只基于南京城镇居住建筑的层面上探讨建筑存量趋势。
模型构成：
Δ S(structure)=S(n)-S(n-1)
S(n)表示第N年的城市建筑存量,ΔS表示第N年新增的建筑存量。
D(delete)=N(new)-ΔS
N(new)表示第N年新建的建筑量,D(delete)表示第N年拆除的建筑量。
我国城镇建筑的寿命一般为30～40年,经济的高速增长以及人口的膨胀使得对土地的需求日益增长,大量的旧城区被拆迁,建造新的建筑,从而提高土地的利用率,这一现象在城镇建筑发展上尤为常见,由此我们可以推测城镇建筑新建量与拆除量存在某种相关性,并使用一元线性回归进行分析。通过建筑存量模型,在调查南京每年建筑存量的情况下,估算了南京前几年的建筑拆除量表1。
表1 南京城镇2001—2009年的建筑新建量和拆除量
年份万平方米[]2001[]2002[]2003[]2004[]2005[]2006[]2007[]2008[]2009
N[]1203.06[]1170.4[]1108.67[]1632.92[]1998.67[]2201.61[]2506.06[]2731.43[]3642
D[]82[]115.71[]179[]132[]146.6[]72.3[]177.4[]176[]200
由上述表1可知,除去2003年、2006年建筑拆除量出现异常外,其余基本上呈现正相关性,我们剔除异常数据通过一元线性回归方程对两者关联度进行定量分析。
一元线性回归分析：
设建筑新建面积y为因变量,建筑拆除面积x为自变量,预测模型为y=ax+b。
在使用Excel软件进行分析后,我们发现建筑拆除量与建筑新建量具有高度相关性,其一元回归方程为y=20.644x-911.87,拟合图如图2所示。
图2 拟合图
2.2 南京未来五年建筑废料的估算
根据相关资料,拆除1平方米的建筑物大约产生1.35吨的建筑垃圾,得到建筑垃圾产生量与建筑新建量的相关公式为：
z=1.35x
y=20.644x-911.87
y=15.29z-911.87
根据南京“十二五”规划纲要,“十二五”期间,南京“十一五”建筑工程保障性住房竣工2500万平方米,“十二五”开始规划保障性住房工程则竣工1100万平方米,从历年南京统计年鉴可知,一般情况下,整个城镇建筑面积约为住房面积的五倍,整个“十二五”规划中南京新建建筑面积18000万平方米,这里我们假设每年竣工面积相等,每年应建设3600万平方米，见表2。
表2 南京主要区域每年建筑垃圾产生量(万吨)
区名[]栖霞[]下关[]玄武[]鼓楼[]白下[]秦淮[]建邺[]雨花台[]江宁[]浦口[]六合
产生量（万吨)[]32[]34[]12.47[]8.32[]16.6[]13.84[]40[]18.46[]71[] 58[]54
3 建筑废料回收中转站和处理设施的选址
南京市城市总规划中,规划建设环境园有：江北环境园、城东环境园、南京静脉产业园、铜井环境园、桥林环境园、六合环境园、横溪环境园、溧水环境园、高淳环境园。
回收中转站有：河西1#、河西2#,新尧、苜蓿园、龙潭、仙林1#、仙林2#、麒麟、龙袍。具体如图3及图4所示。
图3 南京环境设施规划
图4 主城区规划
3.1 建筑废料回收中转站选址
主城区距离环境园即建筑废料处置设施远,主城区建筑废料首先运往中转站集中后进行初步的粉碎处理,再运往终端处理场进行主要处理。从南京市的规划文件中,可以看出九个环境园主要分布在江宁、六合、浦口以及郊县,主城区则建设垃圾中转站。下面以重心法原理为方法,在主城区的规划基础上,对建筑废料中转站进行选址。
重心法原理：
将物流系统的资源点和需求点看成是分布在某一平面内的物体系统,各资源点和需求点的物流量可分别看成是物体的重量,物体系统的重心将作为物流中心的最佳位置。
主城区分为五个部分,分别是北部、河西、南部、东部、老城。每个部分建设一个中转站以负责建筑废料的中转站,如下：
河西的河西1#(位于建邺区)——负责建邺区的建筑废料；
北部的新尧(位于栖霞区)——负责下关区的建筑废料；
东部的仙林1#(位于栖霞区)——负责栖霞区的建筑废料；
南部的苜蓿园(位于白下区靠近雨花台区)——负责雨花台区和秦淮区的建筑废料。
为了简化设施选址模型,特别规定没有中转站的老城区(鼓楼区、玄武区、白下区)的建筑废料以平均分摊的方式由上面四个中转站负责。
3.2 建筑废料处置设施的选址模型
图5 选址模型
(1)假设条件
建筑废料的处置设施的选址问题是南京城市规划文件中将要建设的九个环境园中选取一定数目的环境园建立建筑废料处置设施,从而实现从中转站到处置设施的回收网络,以实现从中转站到处置设施的运输成本以及建设成本的费用最小化。
为了便于建立数学模型,作出如下假设：
1)每一处的垃圾中转站的垃圾都由一个建筑垃圾处理厂进行处理；
2)垃圾运输费用与距离成简单的线性关系；
3)每个垃圾中转站所产生的垃圾数量是确立的,并且在一定时间不改变；
4)垃圾处理方式不考虑收集点到中转点的成本距离。
在本模型中,处置设施的选址主要考虑费用项目包括：中转站到处置设施的运输费用、处置设施建立的成本。
(2)混合整数规划的模型建立
根据模型主城区有四个中转站,处置設施的数量以足以处理南京市建筑废料的数量为准,除了中转站到处置设施运输外,六合区、江宁区、浦口区则设为到处置设施的运输费用为0,而六合区浦口区到其他地区的运输距离以江北环境园作为坐标参与计算,江宁区则使用南京静脉园作为坐标参与计算。
目标函数：
数学规划模型如下：
minTc[DD(X]i∈I,j∈J[DD)]aiξijdij+[DD(X]j∈J[DD)]FjYj约束条件
[DD(X]j∈J[DD)]xij≤yjbj,j∈J
[DD(X]i∈I[DD)]xij≤yjbj,j∈J
Mξij≥xij,i∈I;j∈J
ξij∈[JB(｛]0,[JB(]1[JB)｝][JB)],i∈I;j∈J
yj∈[JB(｛]0,[JB(]1[JB)｝][JB)],j∈J
xij≥0,i∈I,j∈J
模型参数如下：
xij——i中转处理站由j建筑垃圾处理厂处理的建筑垃圾量；
Fj——j建筑垃圾处理厂建造所需的成本；
dij——从第i中转处理站到第j建筑垃圾处理厂的运输距离；
bj——将建造的j建筑垃圾处置设施可处理的最大垃圾容量；
ai——i中转处理站所产生的垃圾量；
Tc——单位运输成本；
M——极大正数。
决策变量定义如下：
ξij(i∈I;j∈J)=
1 如果i中转处理站的垃圾由j垃圾处理厂进行处理
0 否则
Yj( j∈J)=1 如果j垃圾处理厂开辟
0 否则
(3)建筑废料最终处理设施的求解（表3、表4）
表3 建筑废料中转站年运输量
中转站[]河西1#[]苜蓿园[]新尧[]仙林1#[]江北环境园[]南京静脉产业园
运输量(万吨)[]40[]42[]34[]32[]112[]71
其中Tc=0.824元/千米·吨,Fj=4000万元,bj=120万吨,使用MATLAB软件编程求解,计算结果显示,选择江北环境园、南京静脉园、城东环境园作为最终处理设施的选址地址,能够使得费用最小化,最少费用为14434.261509万元。
4 结 论
目前,各大城市已经开始重视对建筑废料的回收利用,但仍然缺少对整个城市建筑废料统一的回收规划管理。在基于原有的城市规划的基础上,收集相关数据,构建城市建筑废料循环体系,建立数学模型求解,能够有效地实现对回收体系的初步管理,降低了盲目操作的成本,在理论上实现了费用的最小化,提高了统一管理的可行性。
参考文献：
［1］ 吴贤国,李惠强,郭劲松. 垃圾废料作为建筑材料的综合回收利用途径［J］.建筑技术,2000(05) .
［2］ 吴贤国,郭劲松,李惠强,杜婷. 建筑废料的再生利用研究［J］.建材技术与应用,2004(01).
［3］ 俞淑芳. 建筑垃圾的综合利用［J］.国外建材科技,2005(02).