（北京建筑大學(xué)城市經(jīng)濟與管理學(xué)院，北京市，100044） 王英杰

建設(shè)部《“十四五”建筑業(yè)發(fā)展規(guī)劃》明確了建筑業(yè)要形成綠色低碳的生產(chǎn)方式，綠色建造方式加快推行。如今中國力爭在2030 年前二氧化碳排放達(dá)到峰值，努力爭取在2060年前實現(xiàn)碳中和的可持續(xù)發(fā)展目標(biāo)。根據(jù)《2022中國建筑能耗與碳排放研究報告》全國建筑與建造能耗占全國能源消費總量的45.5%；全國建筑與建造碳排放總量占全國碳排放的50.9%；全國建筑運行碳排放總量占全國碳排放的21.7%。由此可見，建筑行業(yè)的建設(shè)階段為碳排放的主要階段，因此要想有效降低碳排放量，除了需要研發(fā)綠色低碳的新型建造方式，盡可能的循環(huán)利用建筑材料是更直接有效的方式。鋼材具有比其他建筑材料更穩(wěn)定耐用的材料屬性，更適合循環(huán)再利用，建筑鋼材的回收再利用如果能推廣應(yīng)用，將會對建筑業(yè)的節(jié)能減排做出巨大貢獻(xiàn)。

1 建筑鋼材再利用設(shè)計方法

鋼鐵行業(yè)英國和歐盟制定了促進(jìn)鋼鐵再利用的標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議，同時指出再利用應(yīng)限于未經(jīng)受疲勞破壞、腐蝕、火災(zāi)、撞擊損壞或大地震情況下的鋼材[1]。Philipp Keller[2]等通過無線傳感器網(wǎng)絡(luò)對典型建筑物進(jìn)行施工階段、投入使用階段以及沖擊荷載和靜力荷載等作用下進(jìn)行建筑鋼材應(yīng)力監(jiān)測，驗證了鋼結(jié)構(gòu)投入使用后重復(fù)使用結(jié)構(gòu)鋼的可能性。苑紹東等[3]對結(jié)構(gòu)構(gòu)件的直接再利用展開研究，具體包括構(gòu)件的重新設(shè)計和重新使用，使建筑鋼材再利用的設(shè)計滿足技術(shù)上可行。

1.1 減少材料屈服工作

目前我國鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計普遍采用塑性設(shè)計的方法，以充分發(fā)揮鋼材的塑性性能，達(dá)到節(jié)約鋼材的目的。但針對再利用設(shè)計的鋼結(jié)構(gòu)應(yīng)在使用期間保持彈性，以保持鋼材不進(jìn)入塑性工作而直至破壞，可以最大化可再利用建筑鋼材的比例。損傷控制抗震設(shè)計和地震失效模式優(yōu)化[4]可以輔助實現(xiàn)這個目標(biāo)。

1.2 拆解設(shè)計

可拆卸設(shè)計對于使構(gòu)件回收和鋼材再利用成為可能。最重要的是，成員之間應(yīng)該建立聯(lián)系便于拆卸和回收。防火應(yīng)用防火板材包裹，相對于防火涂料更容易拆卸和清理。減少使用鋼管混凝土或型鋼混凝土的結(jié)構(gòu)形式，因剝離混凝土困難導(dǎo)致建筑鋼材無法回收使用。

1.3 標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計

樓層凈高、柱網(wǎng)以及主要建筑鋼材，如鋼梁、鋼柱、斜撐等應(yīng)盡可能尺寸標(biāo)準(zhǔn)化，增加不同項目之間構(gòu)件互換的可行性，降低建筑鋼材重復(fù)利用的難度。

1.4 確保構(gòu)件信息可追溯性

位置數(shù)據(jù)，幾何尺寸，強度等級，力學(xué)性能，受力環(huán)境、化學(xué)成分等主要信息利用BIM等信息化技術(shù)形成數(shù)據(jù)庫，以方便存儲和快速查找，為建筑鋼材再利用提供技術(shù)參數(shù)。

1.5 構(gòu)件參數(shù)鑒定

在鋼結(jié)構(gòu)服役期間，地質(zhì)災(zāi)害、荷載變化、電化學(xué)腐蝕等都對材料有損傷。為保障鋼結(jié)構(gòu)能可靠的投入再次使用中，應(yīng)對結(jié)構(gòu)構(gòu)件的材料性能進(jìn)行檢測。采用回收建筑鋼材的建筑設(shè)計，設(shè)計參數(shù)應(yīng)參考建筑鋼材的檢測結(jié)果。

2 建筑鋼材循環(huán)再利用管理流程

建筑鋼材的循環(huán)再利用過程如圖1 所示,鋼鐵冶煉目前分為以鐵礦石為主要原料的長流程煉鋼以及以廢鋼為主要原料的短流程煉鋼。未來二三十年中國鋼鐵生產(chǎn)主要流程依然是長流程和短流程并存，長流程節(jié)能減排空間有限，提升全廢鋼短流程煉鋼比例的是降低碳排放的主要措施[5]。在建筑物使用壽命結(jié)束時，對鋼材是否可重復(fù)使用進(jìn)行性能評估，回收再用或者作廢鋼用以生產(chǎn)新制造的鋼材。

圖1 建筑鋼材回收再利用流程圖

2.1 鋼材再利用評估

應(yīng)進(jìn)行高效且無損壞的拆解以獲得可重復(fù)利用建筑鋼材?；厥詹牧蠎?yīng)重新評估其性能是否與設(shè)計之初相符。重新評估應(yīng)基于徹底的視覺檢查并在對使用年限較長的鋼結(jié)構(gòu)必要時進(jìn)行無損檢測，不適合再利用、可降低性能再利用、可再利用的建筑鋼材分類回收。檢測內(nèi)容包括材料缺損檢測與鑒定、鋼結(jié)構(gòu)疲勞度檢測與鑒定、連接與節(jié)點的缺陷等方面。常采用無損檢測的方法對構(gòu)件進(jìn)行檢查，有目測法、聲波檢測、電測技術(shù)、超聲波探傷[6]。

2.2 綠色拆除技術(shù)

鋼結(jié)構(gòu)拆除在維持結(jié)構(gòu)體系安全的前提下，拆除前需對鋼結(jié)構(gòu)建筑的構(gòu)件信息結(jié)合設(shè)計圖紙或信息模型進(jìn)行庫存數(shù)據(jù)管理，拆除過程中充分利用可拆卸設(shè)計逐步拆除，并注重對拆除單元構(gòu)件進(jìn)行成品保護，最終提高拆除后鋼材的比例及周轉(zhuǎn)效率。鋼結(jié)構(gòu)拆除時部分構(gòu)件會發(fā)生變形，對產(chǎn)生微小變形的構(gòu)件進(jìn)行回正修復(fù)時要避免鋼結(jié)構(gòu)內(nèi)部出現(xiàn)殘余應(yīng)力。各個建筑鋼材經(jīng)過性能檢測后進(jìn)行壽命評估以及性能減量折減，為后續(xù)新建或改造項目設(shè)計提供材料設(shè)計參數(shù)，進(jìn)而能應(yīng)用于新建工程中，盡量避免對構(gòu)件長度和截面進(jìn)行修，如需修改界面應(yīng)避免鋼材損傷，高強螺栓拆除后不能再利用，構(gòu)件連接形式的修改主要是連接孔洞大小位置的修改或重新制孔，如不重新制孔應(yīng)根據(jù)受力情況在構(gòu)件上增加摩擦面來提高抗滑移系數(shù)；建筑鋼材再利用時，應(yīng)根據(jù)實際情況重新考慮使用年限，清除舊涂裝，重新涂刷防腐防火涂料[7]。資源化評價實例的結(jié)果揭示了鋼結(jié)構(gòu)建筑綠色拆除技術(shù)與資源化再利用之間的關(guān)聯(lián)，從簡單拆除到可拆裝，宏觀把握精細(xì)化、將拆除理論融入設(shè)計、創(chuàng)意源自于拆除的循環(huán)理念，對可持續(xù)性發(fā)展具有重要意義[8]。

2.3 建立倉儲數(shù)據(jù)管理平臺

為確保建筑鋼材的可追溯性，建立倉儲數(shù)據(jù)管理平臺，全面的記錄建筑構(gòu)件信息數(shù)據(jù)，包括材料強度等級、構(gòu)件尺寸、投入使用年限、火災(zāi)地震或超載使用情況、使用環(huán)境、可拆卸設(shè)計情況、完整施工記錄等。倉儲數(shù)據(jù)管理平臺要求：構(gòu)件入庫時相關(guān)信息錄入，數(shù)據(jù)調(diào)整，出入庫和盤點過程中鋼材數(shù)量變更實時對庫存數(shù)據(jù)進(jìn)行更新，能隨時對倉庫存儲的鋼材信息進(jìn)行查詢、統(tǒng)計、分析、出庫運輸。標(biāo)準(zhǔn)化的、安全可信的科學(xué)數(shù)據(jù)倉儲平臺，除了可以幫助科研人員滿足政府、項目資助方、采購方以及供應(yīng)商等對數(shù)據(jù)管理與數(shù)據(jù)共享的要求，更重要的是在確保數(shù)據(jù)共享生態(tài)可持續(xù)發(fā)展等關(guān)鍵問題上發(fā)揮效用[9]。

3 建筑鋼材再利用實踐

建筑鋼材再利用分為充分利用原有結(jié)構(gòu)進(jìn)行適當(dāng)加固擴建以及完全拆解移植于其他項目兩種情況。卡塔爾世界杯的“974體育場”的鋼結(jié)構(gòu)為完全標(biāo)準(zhǔn)模塊化和可拆卸設(shè)計。由于其標(biāo)準(zhǔn)化的連接以及已經(jīng)考慮到全球體育場模塊化的幾何形狀，鋼結(jié)構(gòu)的各個子部分可以用作獨立支架或組合形成圓形的體育場，賽后其建筑鋼材被全部拆卸進(jìn)行回收用于其他項目。上海體育場2021 年世俱杯改建結(jié)構(gòu)設(shè)計在充分利用原有結(jié)構(gòu)并對原結(jié)構(gòu)約有120 根桿件及430 個相貫節(jié)點承載力不足進(jìn)行加固后完成改造[10]，實現(xiàn)了對原有建筑鋼材的再利用，遵循了綠色建筑的理念。

4 建筑鋼材再利用的未來發(fā)展方向

4.1 建立高效可靠的鋼材性能評估體系

人工對鋼材進(jìn)行目測檢查需要花費大量的時間,檢測的準(zhǔn)確率也比較低。采用深度學(xué)習(xí)和計算機視覺結(jié)合的方法來檢測瑕疵,這些方法能夠取得一些比較好的效果。

采用可靠的檢測方法驗證舊建筑物中回收的鋼材是否能達(dá)到具有與新建建筑相匹配的機械性能。如果經(jīng)檢測達(dá)不到設(shè)計之初的材料性能，需探尋使用減量系數(shù)的概念解決強度和延性等參數(shù)的下降問題。

4.2 建立易于拆卸、標(biāo)準(zhǔn)化模塊化的設(shè)計方法

未來的建筑鼓勵采用新型易拆卸結(jié)構(gòu)體系。設(shè)計時盡量采用高強螺栓連接，節(jié)點連接盡可能通過螺栓連接來代替焊接。圍護系統(tǒng)、樓板系統(tǒng)均采用鋼結(jié)構(gòu)與混凝土結(jié)構(gòu)可無損拆卸的連接方式，以保證鋼材和混凝土板的再利用并盡可能保護材料不受破壞。標(biāo)準(zhǔn)化的設(shè)計為材料移植于新項目提供了更廣闊的適用范圍。

4.3 出臺政策獎勵鋼材再利用

目前鋼材再利用尚無上下游配套的完整產(chǎn)業(yè)鏈，沒有再利用鋼材的供應(yīng)商，也無相關(guān)建造商。鋼鐵再利用的成功案例我國目前僅限于改造工程以及完全移植工程。需出臺煉鋼再利用及性能檢測的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，明確回收鋼的檢查和儲存以備最終分銷的流程，對相關(guān)企業(yè)從稅收、政府項目扶持、綠色建筑評價加分項等方面鼓勵相關(guān)企業(yè)發(fā)展。利用政策的干預(yù)來開拓新的市場是最有效的方式。

4.4 建立鋼材再利用倉儲及物流體系

建立有效的存儲和物流體系，使再利用鋼材的采購與新制造的鋼材一樣快速、經(jīng)濟。能使建筑商能快速找到適合自己項目參數(shù)、尺寸的再利用建筑鋼材，掌握庫存情況，以便能提前計劃新建工程的再生構(gòu)件及新建構(gòu)件的情況。

5 結(jié)語

盡管對建筑鋼材再利用有廣闊的前景且更貼合建筑業(yè)可持續(xù)綠色發(fā)展的理念，但建筑業(yè)和學(xué)術(shù)界，迄今為止很少有鋼結(jié)構(gòu)再利用的應(yīng)用實例。但國內(nèi)外目前在不斷探索，使鋼結(jié)構(gòu)再利用成為廣泛接受的現(xiàn)實。本文為建筑鋼材重新投入使用提出了設(shè)計思路以及應(yīng)用流程，需要政策支持，結(jié)構(gòu)工程師積極參與規(guī)劃，材料參數(shù)及使用記錄的可追溯性，性能評估確保此類項目的成功，通過量化可再生的建筑鋼材性能，建立專為拆卸而設(shè)計的連接，并開發(fā)標(biāo)準(zhǔn)化、模塊化的結(jié)構(gòu)體系，從而提高建筑鋼材的再利用率。