本文摘要：摘要：開發城市礦產資源對補充原生礦產資源不足具有重要意義，準確估算城市礦產資源儲量由此也成為研究的重點。本文針對城市住宅建筑，在社區尺度上進行住宅建筑的礦產資源儲量估算，通過定量評估北京市回龍觀21個小區662棟住宅建筑的在用存量，基于我國住宅建筑的生命
摘要：開發城市礦產資源對補充原生礦產資源不足具有重要意義，準確估算城市礦產資源儲量由此也成為研究的重點。本文針對城市住宅建筑，在社區尺度上進行住宅建筑的礦產資源儲量估算，通過定量評估北京市回龍觀21個小區662棟住宅建筑的在用存量，基于我國住宅建筑的生命周期，在對住宅建筑礦產資源儲量進行估算的基礎上，計算了未來的資源可采量，同時還對現有住宅一年間的溫室氣體排放進行了預估。結果表明：(1)城市住宅建筑中的礦產資源循環利用潛力巨大，21個小區礦產資源蓄積總量達729.3萬噸;(2)研究區562棟框架和70棟剪刀墻結構住宅占95.48%，框架、剪刀墻結構住宅溫室氣體排放量遠高于磚混結構，隨著新建住宅中框架和剪刀墻結構不斷增加，未來的環境壓力也隨之增大。(3)研究區預計可回收利用的建材365.8萬噸，通過對建筑垃圾分類處理、循環利用，能夠帶來積極的資源、環境和經濟效益。
關鍵詞：城市礦產資源;住宅建筑存量;資源開發利用;環境影響
城市礦產是工業化和城鎮化過程產生和蘊藏在各類城市廢棄物中可循環利用的資源，是原生礦產資源的重要補充[1]�！吨袊ㄖ䴓I統計年鑒(2020)》數據顯示，2019年我國建筑行業共消耗鋼材10.74億噸，木材4.9億立方米，水泥24.2億噸[2]。此外，建筑垃圾產生量也逐年上升，從2010年的11.7億噸攀升至2019年的35億噸。截至2020年底，我國建筑垃圾堆存總量已達200億噸左右[3]。城市建筑中所蘊含的大量鋼鐵、銅、混凝土等將成為城市礦產資源最主要的潛在來源[4]，價值堪比原生礦產，且資源富集程度高而比天然礦山更具開發價值，因此，準確估算城市建筑所蘊含的礦產資源儲量，對緩解資源瓶頸、減輕原生礦產資源開采所帶來的資源、能源和環境壓力均具有重要意義。1961年，美國城市規劃師JaneJacobs認為可從城市固體廢棄物中回收所需的大量原料，提出“城市是未來的礦產”[5];2010年，國家發展和改革委員會下發《關于開展城市礦產示范基地建設的通知》，首次正式提出“城市礦產”的概念，不僅標志著我國對“城市礦山”開發利用的重視，也體現了國家資源觀念和資源戰略的重大轉變[6]。
上世紀90年代，歐洲學者最先基于可持續發展理念關注建筑存量[7]。隨著新技術的發展，國內外學者開始嘗試依托地理信息系統、遙感影像、夜間燈光、雷達、無人機以及人工智能等新技術進行城市建筑系統底層單元(建筑物、道路、管網等基礎設施)信息的快速提取，并發展了一系列融合新技術的空間物質存量核算方法[4]。郭振利用高分遙感影像、實地調查和社會經濟等數據，定量分析了山東廟島基礎設施物質存量構成及動態變化特征，提出了提高海島物質存量使用效率的方法[8]。2021年，盧森堡大學BogovikuLorenc等將GIS與物質流方法相結合，評估了盧森堡地區1927—2000年間的礦產存量，并對不同隨機場景產生的建筑與拆除廢棄物進行了分析預測[9]。盡管國內外學者在城市建筑存量核算方面已積累了大量經驗，但核算方法和精度還需進一步提升。
多數研究基于易得的國家及全球尺度的統計數據，在宏觀層面采用絕對化的趨勢模型來預測建筑存量的未來行為，不僅結果較為粗糙，預測的不確定性也較大。我國的相關研究多偏重于建筑遺產和大型公共建筑，且以建筑代謝過程中的物質流入流出研究為主，基于建筑生命周期全過程評估建筑資源存量、環境影響及拆除時的預期可開采量的研究尚不多見。與此同時，微觀研究因對準確詳盡的數據依賴程度較高而不夠充分�；谏鲜龇治觯狙芯繉⒁猿鞘械V產理論為指導,在小區住宅層面的微觀尺度上，結合不同住宅的建筑結構屬性，采用自下而上的核算方法對住宅建筑的資源儲量進行估算，并定量評價住宅建筑中的礦產資源開發潛力，既可提升估算結果的精度，也便于自下而上的數據綜合，從而為住宅建筑的資源化和節能減排提供參考。1數據和方法1.1數據1.1.1研究區概述《北京建設年鑒》(2005—2020)數據顯示，2004—2019年間北京建筑竣工總面積超12億平方米，其中住宅房屋的竣工面積超7億平方米;圖1為1978—2020年北京市住宅竣工面積變化[10]。與住宅建筑同步增加的是住宅中的礦產資源儲量，對有效緩解資源緊缺具有重要價值。
北京市昌平區回龍觀社區自2000年5月第一批居民入住，已發展成占地面積逾850萬平方米、常住人口達30萬的超大規模住宅區，不僅是全國規模最大的文化居住區，還被譽為亞洲第一大社區，住宅建筑集中且數量龐大，是我國新建城市住宅中的典型代表。全區建筑總量約2500萬平方米，共有71個小區，本研究基于21個小區662棟住宅數據，小區數量約占全區1/3，住宅建設面積426萬平方米，約占17%，基本涵蓋了回龍觀地區的所有住宅類型，考慮到屬性數據獲取的難度和處理量，將同一小區內所包含的多期工程進行合并，如天露園一區、天露園二區的全部住宅都以“天露園小區”為計算單元。
1.1.2數據來源及處理本研究只考慮住宅建筑，未考慮公共建筑，由于不同結構高層建筑地下室結構、層數及建材使用量等存在較大差異，具體數據也更難獲取，因此本研究僅涉及住宅建筑的地上部分。通過鏈家、自如、房天下等中介機構和實地調研，獲取21個小區的住宅屬性數據。根據回龍觀區域地圖、自如APP的小區房屋分布圖以及實地調研，在ArcGIS10.6中基于2000國家大地坐標系對研究區進行矢量化，建立住宅空間分布圖形數據庫，并添加每棟建筑的屬性數據，包括結構、所屬小區、樓號、層高、建筑面積和建筑年份等，在二維平面圖的基礎上，以“層高”為高程值，對磚混、框架和剪刀墻三類結構，建立三維GIS模型。
1.2方法1.2.1城市住宅建筑資源儲量估算根據數據來源，城市建筑存量的核算方法大致分為“自上而下”(Top-down)[11]和“自下而上”(Bottomup)[12]兩種。“自上而下”方法主要依賴經濟社會統計數據，能夠快速、準確地測算全球、國家等宏觀層面的建筑物質存量[13][14]，由于統計數據在實時性、全面性和易得性上存在局限，基于統計數據的研究結果無法直接進行建筑系統內部存量的動態演替過程分析，這種“黑箱化”的研究限制了“自上而下”核算方法的應用[4]。“自下而上”方法的優點是分析單元的尺度更小，因采用大量實時、詳細的底層單元數據，結果更為精確可靠，適用于社區、工業園區等中小尺度的建筑物質存量分析[15]，若與遙感、地理信息系統、無人機等新型數據獲取技術相結合，能極大彌補實地調研的數據量大、耗時耗力等不足。影響單位面積住宅建材消耗量的因素很多，包括建筑結構、層高、墻體厚度、層數等。劉天星等通過分層抽樣法選取了北京地區100棟住宅，對影響單位面積建材消耗量的四種主要因素進行了多元方差分析，發現建筑結構是主要影響因素;此外，該研究還得到了磚混、框架、剪刀墻三種結構的住宅單位面積建材消耗量。
1.2.2基于LCA的住宅建筑溫室氣體排放估算城市建設在消耗大量資源和能源的同時也對環境產生了負面影響，建筑物作為一種特殊產品，具有投入大、系統復雜、使用年限長、非移動性等特點，因此對周圍乃至整個生態環境的影響不僅廣泛且時間較長[17]。建筑物的直接環境影響包括熱島效應、光污染、水污染、大氣污染和室內空氣污染等，此外，城市建設中也會占用土地、改變土地利用狀況、破壞地表植被、大量消耗建材，進而影響到區域生態系統的結構和功能[18]。生命周期評價(lifecycleassessment，LCA)常用于產品、過程或活動從原材料采集加工到產品生產、運輸、分配、使用、回收、維修、循環和最終處置等整個生命周期中有關環境負荷的評價。通過對整個生命周期中能量和物質的消耗以及釋放到環境中的廢物進行辨識和定量化,進而評價其對環境的影響并找出減少這些影響的機會[19]。建筑物生命周期評價軟件SimaPro可基于不同的建筑結構，將二氧化碳、一氧化二氮、一氧化碳、甲烷等溫室氣體轉換為二氧化碳排放當量，從而計算出住宅建筑全生命周期的單位面積/年環境影響量。由于現有住宅仍在使用中，因此本研究不考慮維修、更新、功能置換和拆除等過程，僅考慮運輸、新建和日常使用過程中的溫室氣體排放，參考不同結構住宅生命周期內的環境影響值[7]，計算研究區每棟住宅建筑建設使用過程中的二氧化碳排放當量。
對計算出的每棟住宅年溫室氣體排放量進行空間插值，可分析整個區域的碳排放空間分布�？死锝鸩逯捣�(Kriging)又被稱為空間局部估計或空間局部插值，其實質是利用區域化變量的原始數據和變異函數的結構特點，對未采樣點的取值進行線性無偏最優估計[20]。不僅估值精度高，還可避免出現系統誤差，并能給出估計誤差和精度報告。
1.2.3住宅建筑資源可開采量估算建筑物在新建、維護、拆除中均產生建筑垃圾，預期可回收利用的建筑垃圾總量即為住宅建筑的資源可開采量。北京市建筑垃圾年產生量約為同期全市生活固廢量的7倍[21]，多采用露天堆放或填埋處理，占用大量土地的同時也產生了多種有害成分和氣體，不僅間接導致了土壤和空氣污染，還存在嚴重的安全隱患[22]。相比發達國家，我國單位建筑面積能耗高2-3倍，鋼材消耗量高10%-25%，每拌和1立方米混凝土要多消耗水泥80千克[18];而相比其95%的資源化率，我國廢棄物的資源化率僅為13%，提升空間很大。現階段我國已具備了建筑垃圾資源化的技術條件，建筑垃圾鋪路、建樓等工程實例在各地均有實踐[23]，如1991年建成通車的合寧高速公路，全長133.5千米，通過就地和就近利用廢棄混凝土再生骨料，配制再生混凝土用于維修破損路面，節約骨料運輸費130萬元，廢棄混凝土利用率達80%，節約廢棄混凝土占用土地的費用75萬元[24]。
2結果及討論2.1結果2.1.1現有住宅建筑的時空特征選取的21個小區共包括住宅建筑662棟，其中有2個磚混結構小區，分別為建于1996年的北郊農場和慧華苑;4個剪刀墻結構小區，分別為2008年前后集中建設的上北鑫座、東亞上北、首開智慧社及新龍城;其余15個小區均為框架結構。住宅建筑以6層框架結構為主，磚混結構住宅層數低、建設年代老，近年新建住宅多為層數高、建筑面積大的剪刀墻結構，框架、剪刀墻結構住宅占95.48%�；诂F有住宅結構類型和建造年代進行時空信息可視化。
2.1.2現有住宅建筑存量核算結果
可見，框架結構住宅在用存量最大，蘊含的礦產資源量最多。在ArcScene中將各棟住宅的在用存量按1/100比例縮小進行三維表達;以小區為單位，進一步對研究區的資源儲量進行估算，得到各小區的在用存量情況。
經統計，框架、剪刀墻、磚混結構住宅的在用存量分別為558.5、153.7、17.1萬噸，總計729.3萬噸，166.290.089.568.664.843.936.925.220.920.520.220.111.510.78.77.96.96.44.33.13.00.020.040.060.080.0100.0120.0140.0160.0180.0在用存量/萬噸框架和剪刀墻結構住宅蘊含的資源最豐富。各種資源中，砂子、石子及水泥的在用存量遠高于鋼材、木材和機磚。在用存量最大的三個小區分別為龍騰苑(包含五期工程)、天露園(包含兩期工程)和新龍城。剪刀墻結構的住宅建材消耗量普遍較大，2007年竣工的新龍城共有住宅42棟，在用存量達89萬噸。
2.1.3現有住宅溫室氣體排放情況
根據公式(2)計算每棟住宅使用過程中的溫室氣體排放量，并作為住宅建筑點屬性值進行克里金插值，得到二氧化碳排放當量的空間連續分布，并根據結果的頻數直方圖分級進行可視化。
溫室氣體排放強度較高的小區分別是位于東南角、西北角和東北角的首開智慧社(剪刀墻結構)、天露園一區(框架結構)、流星花園二區(框架結構)和東亞上北中心(剪刀墻結構);整個區域的排放特征為中心低、邊緣高。分析住宅結構與溫室氣體排放關系發現，磚混結構住宅在建設維護階段的排放量明顯低于框架、剪刀墻結構，應與框架、剪刀墻結構住宅層數高，建筑面積大，消耗建材多密切相關。
2.1.4現有住宅建筑的資源開采量
不同結構建筑物產生的廢棄物成分和含量雖有不同，但基本組成比較一致，多為混凝土、碎石磚土、木材、玻璃等，80%都是可回收資源。
可見，三種結構資源總回收率均在50%左右，鋼材的回收率最高，達85%以上，砂子和石子在用存量大，回收率約58%左右，木材和水泥的回收率相對較低，為18%和9%。研究區的預期可采資源總量達365.8萬噸，框架、剪刀墻、磚混結構住宅的可開采量分別為280.0、77.0和8.6萬噸，開發利用潛力很大。將預期可開采的資源總量作為高程值，按1/100比例縮小進行三維表達。
很顯然，預期可開采量與在用存量成正比關系，不同結構住宅的總回收率相差不大，僅在主要建材類型上有所不同，如磚混結構蘊含大量機磚，而剪刀墻的鋼材比例遠高于其他兩種結構。鋼材在加工生產過程中具有高耗能、高污染特性，但回收率較高，因此資源消耗、環境影響、回收潛力也高于其他建材，圖9反映了不同結構住宅的鋼材儲量及可開采量。
由于我國住宅生產方式粗放，再加上規劃、設計、建造、維護管理等方面的原因，我國城市住宅使用壽命普遍較短，多為30年左右[25-26]。短壽命的建筑物在建設時消耗了大量的水泥和鋼材，更新時又會產生數以億計的可供開采的建筑資源。以30年計，估算現有不同結構住宅的預期資源可開采量。
2.2討論
2.2.1住宅建筑發展趨勢
剪刀墻結構住宅具有層數高、面積大、建造年代新等特點。為滿足居民不斷提高的居住需求，未來框架和剪刀墻結構比例還將不斷增加，磚混結構住宅更可能在城市快速發展過程中被更新，是資源循環利用應重點關注的類型�？蚣芙Y構房屋墻體多采用輕質板材砌筑或裝配而成，單位面積消耗的建材最少。
2006年以來新建的高層住宅均為剪刀墻結構，采用更加堅固，不易倒塌的鋼筋混凝土墻板，同時又具有建筑成本高、建材消耗量大、溫室氣體排放強度高的特點。高層、多樣、建筑面積大的發展趨勢，不僅會加劇礦產資源的供需矛盾，還會對環境造成巨大壓力。因此，新建住宅在設計時就應從延長使用壽命、降低使用能耗與維持自身價值等方面進行考慮，爭取在其整個生命周期內實現綠色、環保、節能、可持續。
2.2.2住宅建筑資源潛力
定量估算結果顯示，僅研究區的住宅建筑就蓄積了729萬噸的資源量，未來可開采資源總計365.8萬噸，尤以鋼材開采量最大。通過對拆除的城市建筑材料進行分類開采和處置，可有效提高其再利用水平。如廢棄機磚可經破碎后充當室內地面骨料，廢舊木材可以直接二次利用或者加工成樓梯、地板等，碎木可以用作燃料堆肥原料;石子、砂子可轉化為建筑用沙石，也可用于道路建設;利用混凝土再生技術，可以生產再生混凝土骨料重新投入建設中。通過建立“建筑原料—建筑物—建筑廢棄物—資源化產品”的生命周期循環鏈條，合理預測建筑資源儲量和未來開采時間及開采量，可確定建筑廢棄物的資源化規模，合理設置收運分區和管理范圍，從而有效布局建筑資源化利用設施，在保護環境的同時創造更大的經濟和社會效益。
本研究的預期開采量是按30年的建筑壽命進行估算的，這一數據基礎主要針對較早時期的住宅平均情況，隨著我國住宅建筑質量和房屋建造技術的不斷提升，新建住宅的實際使用壽命應超過30年，因此，本研究對新建住宅的估算可能低于實際情況。延長住宅使用壽命是緩解原生礦產資源壓力的關鍵環節，通過合理維修、更新或功能置換，可將現存建筑使用年限延長至50-70年，既避免了資源浪費，又可減少溫室氣體排放，更延長了未來住宅建筑的資源開采周期，真正實現節能、減排、降碳的可持續發展目標。
2.2.3住宅建筑存量及可開采量估算的精度
由于難以獲取到具體的工程建筑信息和官方統計資料，本研究所采用的不同結構住宅單位面積耗材量和回收量數據均參考了其他學者的研究成果，并不完全適用于研究區的所有住宅，從而使結果具有一定的不確定性。
但相關研究都是基于北京市的住宅建筑，并且LCA也是國內外普遍采用的方法，因此研究結果的有效性和可靠性依然較高。由于住宅建筑建設體量大、更新速度相對較快，本研究僅對住宅建筑的資源潛力進行了估算，而公共建筑和商業建筑盡管也蘊含著大量的礦產資源，但因其結構復雜多樣，數據難以獲取，需要針對具體類型進行細分研究。
針對我國現有城市礦產資源的定量研究多集中于國家、城市群等大尺度層面，且多聚焦于金屬資源定量評估的現狀，本研究所建立的社區層面的住宅建筑存量、環境效應、可開采量核算模型可彌補現有研究估算精度有限、缺乏中微觀尺度精確定量評估的不足。未來，更好地挖掘建筑中的資源潛力，實現建筑存量的“減重量、提質量”，改變傳統的以填埋為主的建筑垃圾處置方法，提高資源的循環利用效率，建立“無廢城市”勢在必行。
3結束語
建立城市建筑物時空數據庫、精確評估城市礦產資源儲量具有重要理論和現實意義。對建筑物在用存量、投入產出、資源節約量、廢棄物減少量、污染物及溫室氣體減排量等指標進行精確定量核算是提升城市礦產資源利用率的重要前提，建立社區尺度的建筑物數據庫是實現“自下而上”核算方法的有效途徑，不僅對提升城市礦產資源儲量的估算精度具有重要價值，還可將研究尺度擴展至城市、國家、世界等更大尺度。
城市住宅建筑的資源循環利用潛力巨大，基于建筑物生命周期估算其環境影響和礦產資源儲量，能夠實現有針對性地對使用、拆除、建材回收再利用等不同階段的城市礦產資源開發利用及其科學管理，也可為城市規劃中建筑垃圾處置用地的合理規劃和選址提供相應參考。
參考文獻：
[1] 劉航.中國城市礦產資源開發利用現狀、問題及對策[J].中國礦業，2018,27(9):1-6+15.
[2]中國建筑業統計年鑒，中國統計出版社，2018.
[3]常紀文，杜根杰，李紅科，等.建筑垃圾綠色低碳資源化利用市場空間廣闊[J].環境經濟，2021,(7):38-41.
[4]楊東,劉晶茹,李玉,等.面向城市管理的城市建筑存量研究綜述[J].中國環境管理,2019,11(5):88-93.
[5]ROWAT,JACOBSJ.TheDeathandLifeofGreatAmericanCity[J].YaleLawJournal,1962,6(8):94-109.
作者：李海萍任帥靳敏
轉載請注明來自發表學術論文網：http://www.cnzjbx.cn/jjlw/30218.html
