物尽其用——废旧建筑材料利用的低碳发展之路，本文主要内容关键词为：物尽其用论文,之路论文,废旧论文,建筑材料论文,低碳论文，此文献不代表本站观点，内容供学术参考，文章仅供参考阅读下载。
一、建筑材料与循环经济
1.建筑材料产业对生态环境的影响
建筑材料产业是国民经济的基础性、支柱性产业，为人类社会的文明进步做出了无可替代的贡献，但材料生产在原料开采、提取、加工、制备等过程中，消耗大量资源能源，排放废弃物污染环境，尤其材料生产中消耗煤炭、石油等碳基能源而排放大量二氧化碳，更是加剧全球气候变暖的主要温室气体。例如，钢材生产经过采选、储运、炼铁等过程，平均8吨矿石可炼成1吨钢，再经过轧、挤、冲、锻等塑性成型后得到的金属制品不到500kg。我国每年生产黏土砖耗用黏土资源达10多亿立方米，相当于毁田约3.33公顷，同时消耗7000多万吨标准煤，排放二氧化碳1.7亿吨。碳排放不仅来自于能源消耗，还产生于水泥原料石灰石的化学反应。每千克水泥熟料化学反应排放二氧化碳0.51kg[1]，2007年中国水泥产量为13.6亿吨，因化学反应排放的二氧化碳就达7.8亿吨，占当年排放总量的12.4％。
回顾历史，人类社会自18世纪工业革命开始，一直采用“从摇篮到坟墓”直线式的发展思路，即从自然界中无偿攫取资源能源用于生产，再将消费过的产品作为垃圾排向自然界。从资源能源消耗和环境污染的根源分析，建筑材料产业是造成环境污染、能源短缺、资源过度消耗乃至枯竭的主要原因之一。自人类社会在物质消费、技术开发、生产制造等方面呈指数增长，大气中的二氧化碳含量也不断逼近地球承载极限。工业革命前大气中二氧化碳浓度只有280×10[-6]，目前已上升到380×10[-6]以上，一旦超过450×10[-6]，地球平均温度将比工业革命前增加2℃。联合国环境规划署和世界气象组织成立的政府间气候变化专门委员会(IPCC)迄今发表了四次关于气候变化问题的评估报告，副主席马丁·帕里教授说：“气温升高超过2℃，全球将面临农作物减产、水资源短缺、海平面上升、物种灭绝、疾病增多。”[2]中国2005年二氧化碳气体排放总量约为53亿吨，2006年约为59亿吨，2007年达到63亿吨，而城市化、现代化进程决定了中国今后温室气体排放量仍将增长。为了遏制气候恶化，我国政府于2009年12月在哥本哈根联合国气候变化大会上制定减排目标，到2020年中国单位国内生产总值二氧化碳排放比2005年下降40％～45％。这是根据国情采取的自主行动，也是为应对全球气候变化作出的巨大努力。
2.循环经济模式的低碳效应
为解决资源匮乏、环境污染等一系列问题，世界各国开始研究人类社会的可持续发展和循环经济发展模式。20世纪60年代美国学者肯尼斯·波尔丁提出的“宇宙飞船经济理论”，成为循环经济思想的开端[3]。他将地球看做是太空中一艘宇宙飞船，如果不断消耗资源并排放废弃物，那么资源用尽、飞船充斥垃圾时地球最终将毁灭；他说：“我们要面对这一事实：人类是整个生态系统中的一个生物子系统，其生存能力要依赖于与世界生态系统中其他所有要素和生命的共生关系，这一关系是封闭循环、不断发展的。”英国环境经济学家大卫·皮尔斯在《自然资源和环境经济学》中首先使用“循环经济”这一术语，从资源管理角度讨论物质循环。1972年联合国斯德哥尔摩人类环境会议发表了《人类环境宣言》，郑重声明只有一个地球，人类在开发利用自然的同时也承担着维护自然的义务。这次会议成为人类社会迈向可持续发展的第一个里程碑。20世纪90年代循环经济领域提出了著名的3R原则，即“减量化(Reduce)、再利用(Reuse)、资源化(Recycle)”。2004年，美国威廉·麦克唐纳与德国迈克尔·布朗嘉特共同出版了《从摇篮到摇篮——循环经济设计之探索》一书，提出了循环经济发展的新思路：改变工业革命以来的产品设计思路，从生命周期视角出发设计新型产品，标志着循环经济模式进入了崭新阶段。
废旧建筑材料主要源于建筑拆除，主要是混凝土、沥青、木材、砖石、金属等材料。材料循环利用是将原有直线型的“生产→建造→使用→废弃”思路转变为“生产→建造→使用→拆解→回收利用/再利用”的循环发展思路，以物尽其用的核心思想延长材料使用寿命，保存其固化能量进而减少碳排放。“固化能量”，也称“含能”，是建筑产品在原料开采、生产制备、产品运输等过程中消耗的全部能量[3]。这一过程中，化石能源的消耗排放出大量二氧化碳。废旧材料主要有回收利用与再利用两种循环利用方式。回收利用是将材料粉碎、熔化后作为生产环节原料，再利用是对材料采用切割、去污等方法进行加工而后直接用于房屋建造；前者仅节约资源开采的能耗，后者保存了全部固化能量，减排效应更佳。提高废旧材料的循环利用率，尤其是再利用率，就可以减少不必要的生产过程和碳排放。
二、建筑“拆毁”与“拆解”两种方式的比较分析
1.建筑拆毁
2005年实施的《民用建筑设计通则》(GB50352-2005)中提出各种建筑结构的“设计使用年限”，明确在此时期内建筑只需正常维护、不用大修就能按预期使用，其中普通建筑物的使用年限为50年。即使建筑结构到达使用年限，其结构材料仍可保证结构可靠性。普通混凝土的平均寿命约70年，耐久性主要受冻融作用、钢筋锈蚀、化学侵蚀等因素影响，若维护得当则寿命更长。但在人口增长、生活改善、交通发展、产业调整等压力下，中国城镇大量建筑被拆除，平均寿命仅三四十年。近20年来我国城镇人口数量不断上升，城镇人口比重从1996年的30％上升到2005年43％；城市原有规模已无法满足不断增长的人口需要，低密度的建筑群被高容积率居住区所替代。居民生活改善与汽车保有量的增加使得城市道路拓宽、路网更加密集、交通立体化，原有路边建筑被迫拆除。城市产业结构的调整促使工厂、企业外迁，原址要为大型商业娱乐、办公、金融项目留出空间。在这一城市化背景下建筑拆除不可避免，拆除后废旧材料的命运就与施工方式息息相关。
对于单层或多层建筑物，可采取人工拆除与机械拆除两种方式：前者主要依靠人力和铁锤、风镐等简单机具完成拆除，施工成本低、周期长、安全性差；后者使用挖掘机、镐头机、液压剪等大中型设备进行破碎拆除，施工成本高、周期短、安全性好，已成为目前国内拆除工程的首选。机械拆除包括室内拆除、结构拆除与清理回收三个步骤。第一、第三项工作以人工为主。室内拆除相对简单、安全：用风镐打掉门窗周边混凝土或砖，将门窗用绳子拉走；暖气、水管等金属构件、地板，这些构件尺寸恰当、与建筑主体结构连接不紧密，便于拆卸。清理回收主要包括捡拾钢筋、回收整砖和清理渣土。墙体倒塌后各种建材都混合在一起，工人用大锤敲碎混凝土构件、取出内部钢筋，用瓦刀去除整砖表面砂浆并码放整齐等待回收。推土机将剩余渣土归拢装车，运往填埋场地。而结构拆除成为影响废旧材料循环利用率的重要一步。按照《建筑拆除工程安全技术规范》要求：“当采用机械拆除建筑时，应从上至下、逐层分段进行；应先拆除非承重结构，再拆除承重结构。拆除框架结构建筑，必须按楼板、次梁、主梁、柱子的顺序进行施工。”但在主体结构拆除时，常在建筑物底层选择合适的打击点，使建筑物向一定方向整体倒塌。这种粗放式的建筑拆毁使大部分废旧材料破碎、混合，变为很难回收、只得填埋的建筑垃圾。即使配以“绿色”、“环保”等流行词汇，也无法掩饰拆毁造成的难以估量的经济损失和资源浪费。
建筑拆毁大行其道缘于经济效益与施工安全。门窗、暖气、钢筋等材料回收价格相对较高，施工方愿意投入更多人力进行细致拆解。混凝土、砌块、碎石等结构材料回收价格低，提高利用率不会使材料收益显著增加。若按规范要求，逐层拆除并分类回收材料，施工周期与成本大幅上升而综合效益却下降，施工方很难自觉做出得不偿失的决定。并且，主体结构的逐层拆除需要人工投入，增加了施工隐患。2004年，全国共发生建筑施工事故1144起、死亡1324人，事故类别仍主要是高处坠落、施工坍塌、物体打击等类型，这类事故的死亡人数分别占全部事故死亡人数的53.10％、14.43％、10.57％。这三种类别易在建筑结构拆除过程中发生，而工人伤亡赔偿是拆除工程无法承受的。采用大型机械进行建筑拆毁，工人不必承担危险性工作，事故率大大降低。如果要提高施工安全，就需要采用更多的机械，加大安全方面的投入。若要提高废旧材料利用率，就要有更合理、更有效的建筑拆除方式以改变现有局面。
2.建筑拆解
20世纪90年代以来国外专家学者开始关注建筑拆除问题，建筑拆解技术被提出。这一概念最早出现于1996年在加拿大召开的第一届旧建筑材料协会(UBMA)会议上。2000年美国布莱雷·盖伊教授(Bradley Guy)对“建筑拆解”解释为：建筑拆毁方式使结构拆除后材料只得填埋，而建筑拆解是从建筑结构中以人工或机械方式回收旧材料的过程。澳大利亚学者菲利普·克劳泽(Philip Crowther)认为，拆解是以材料再利用为目的的系统化建筑拆除。德国学者弗兰克·舒尔曼(Frank Schultmann)这样定义：拆解，或称选择性拆除，是将建筑分解为不同部分，与拆毁不同，拆解将不同材料分离，促进这些材料再利用或回收利用。综合各国学者的研究，建筑拆解是“以回收建筑材料为目的，将建筑中不同类型的构件逐一拆除使之分离的过程”。与简单的拆毁方式相比，拆解具有以下几种优势：1)减少建筑废弃物及其环境污染；2)促进废旧材料循环利用从而减少二氧化碳排放；3)显著提高建筑材料的再利用率，进而保存了固化能量。
技术、设备层面上拆解与拆毁两种方式大致相同，不同之处是前者耗费更多的人力与时间，尽可能以小型机械将构件从主体结构中分离。拆解步骤按照“由内至外，由上至下”的顺序进行，即“室内装饰材料——门窗、暖气、管线——屋顶防水、保温层——屋顶结构——隔墙与承重墙或柱——楼板，逐层向下直至基础”。在具体实施过程中，调换步骤顺序、采用不同方法会获得不同的拆除结果，其材料的再利用率、拆除的综合效益也不尽相同。1998年意大利学者巴拉兹·萨拉(Balázs Sára)在意大利Modena和Reggio Emilia地区，进行了两年的建筑拆解研究项目(VAMP)。项目通过统计建筑拆除的各项信息，量化建筑拆解技术与材料再利用在节约资源能源上的优势，鼓励以最小的环境影响处理废旧建筑材料。该项目中研究“Ex-sarsa”货运公司办公楼的拆除过程，粘土砖、页岩砖、木材等材料再利用率达70％以上。德国弗兰克·舒尔曼教授借鉴制造业理念，将建筑拆解作为“定制化”生产进行优化设计。他开发出一种计算机软件程序，可以快速计算材料回收价值和拆解成本。这将有助于在拆解过程开始之前，对拆解可行性做出评估。此外，使用该程序也可控制劳动力成本、废物处理费用等经济变量，以确定最佳拆解方式。他将建筑拆解分为拆解、分类、运输、回收四个步骤，每一步骤设定多种选择，如砖混结构住宅的墙体可拆成整砖、碎砖或碎渣，整砖可继续垒砌承重墙或作装饰材料，碎砖作为新建筑隔墙的填充材料，碎渣运到工厂粉碎后生产砌块。不同的选择都对应相应的综合效益。对各项选择设定变量，考察不同变量间转换的参数后建立数学模型，以模拟计算得到的优化选择来指导拆除工作。实验结果表明，当材料回收实现90％时，拆除所需的时间和成本降低超过50％。即使资源有限或拆除时间要求苛刻，仍可通过拆除管理实现废旧材料利用的最优化。
3.弥补经济效益差距，促进拆除方式转变
通过细致比较建筑拆毁与建筑拆解两种方式的经济效益差别，寻找拆除方式转变的关键点。综合效益主要考虑废旧材料回收收益与拆除施工成本两方面，前者取决于各类材料的循环利用率与回收价格，后者受施工周期与各项作业的劳动效率影响。总体来看，两种拆除方式的材料收益相差不大，拆解收益比拆毁仅增长20％。分类统计，拆毁与拆解方式下门窗、暖气等构件再利用率相同，其材料收益分别占总收益20％和15％。钢铁回收利用率可达70％与90％，收益分别占总量的40.6％与43.9％。水泥、碎石、砖瓦等材料利用率差别较大，拆毁方式使这些材料混合为渣土而无法回收，拆解方式下其回收率分别为70％、70％、30％(见表1)。但废旧水泥、碎石与砖瓦等回收价格与渣土相同，细致拆解、分类回收未获得效益提高。值得一提的是，砖瓦材料的效益提升非常明显：在拆毁方式下再利用率仅10％，占收益的2.8％；而在拆解方式下再利用率就能达到70％，占收益的16.5％。逐渐成为稀缺资源的实心粘土砖回收价格有升高趋势，当单价上涨到0.25元/块时，砖瓦收益与钢铁基本相同，拆解的材料收益达到7772.5元/100 
，比拆毁增长了近50％。
在数据统计中将渣土归于回收利用一栏是为了方便计算，实际上建筑渣土很难直接利用，多数用来填埋基坑或填海造田。但因渣土中材料混杂、质地不均，填埋后无法夯实甚至造成土地上方建构筑物的不均匀沉降，一旦有建设需要仍将换土。所以，填埋渣土只能掩盖表面问题，却不能否认资源浪费的事实。拆毁产生渣土约96吨/100 ，其市场价格在20元/吨左右，渣土收益为1920元/100 ，占总收益的36.6％。拆解产生渣土仅18吨，是拆毁的18.7％，其环境负面影响大大低于拆毁方式。
拆毁方式与拆解方式的施工成本差别非常大，后者约是前者的6倍。因为在主体结构拆除中，拆解需要更多的大型机械和更多的人工进行长时间作业，耗时与成本是拆毁的5倍以上(见表2)。如果用更多的人工替代机械进行结构拆除，则总成本可以大幅下降，但安全隐患也随之上升。在建筑结构拆除过程中易发生高处坠落、施工坍塌、物体打击等事故，其高额伤亡赔偿是拆除工程无法承受的。综合来看，拆毁效益是4645元/100 ，拆解效益是4029元/100 ，效益差616元/100 ，拆解经济效益比拆毁降低约13％。制定合理政策弥补拆毁与拆解两者间的利益差距，才能促使施工方主动选择拆解方式，提高废旧材料利用率(见图1)。
三、碳排放权交易推动废旧材料的低碳发展
1.碳排放权交易体系
如前文所述，建筑材料的循环利用可以减少不必要的生产能耗进而减少二氧化碳排放，建筑拆解因材料利用率的提高而具有环境优势。为实现节能减排的环境目标，需要政府的宏观调控政策支持建筑拆除方式的转变。但历史实践证明，命令式行政手段会造成高成本、低效率的结果。由于各个工程项目的具体条件不同，包括建筑结构类型、主要回收材料、施工方法等方面的差别，减少二氧化碳排放所需成本相差很大。行政管制使得具有不同减排成本的企业强制承担同样负担，无法转嫁，往往难以达标。如果采取财政补贴形式，政府将承担拆除方式转变带来的巨额成本，建筑拆除企业也因固定补贴而缺乏减排动力。与强制性措施不同，碳排放权交易的市场机制调动各方节能减排的积极性。碳排放权交易制度是国际社会为应对全球气候变化、减少温室气体排放，以《京都议定书》等国际公约为框架的市场交易体系。在全球碳交易市场下，二氧化碳排放权成为一种商品，与有形商品一样由供求关系形成价格，可以为企业带来预期的利益或成为企业的义务。政府制定碳排放总量，然后对所有碳排放企业设定减排目标。超出排放配额的部分，企业可以在碳交易市场上寻求成本更低的有效减排方式。目前国内建筑拆除项目多采取拆毁方式，材料利用率低，减排量小；如果拆除企业增加一定投入，采用建筑拆解方式施工，则提高材料利用率与减排量。通过碳排放权交易体系，这部分减排量将成为拆除企业的潜在碳汇，出售给排放企业。当然，交易之前建筑拆除企业需要确切的估算拆解所能产生的减排量及其收益，通过两方面工作将环境优势转化为经济效益。
(1)明确建筑拆解的减排额度。首先，政府界定拆解项目的条件和范围，参考国外建筑拆解的技术特点制定一系列质量标准，如施工标准、减排标准等。在没有实施拆解项目前，一般拆除方式也能减少一定碳排放，其排放水平设为排放基线；建筑拆解必须表现出比基线标准更多的减排量。其次，拆除企业建立定量估算体系，根据建筑面积、材料生产能耗、材料利用率等数据估算减排量；单项材料利用率可不作要求，允许施工企业根据实际情况以最小成本获得减排效果。最后，在对碳抵消量进行交易时，由专业人员对废旧材料利用途径、利用率、减排量等数据进行分析，以确保声明的碳抵消量是准确无误的，经认证的碳抵消量准许进入市场。
(2)估算建筑拆解的碳汇价格。碳汇价格由碳交易市场机制下的供求关系决定，但建筑拆解的碳汇价格必须保证所得碳汇收入不低于减排成本，即不低于拆毁与拆解之间的效益差距。已知减排成本与减排额度，就可以估算出建筑拆解的最低碳汇价格。当然，该价格要与国际碳交易价格进行横向比较：若明显高于市场平均价格，则建筑拆解很难推行；若低于市场价格，则具有一定竞争力，可使拆解方式推广。另外，如果碳汇价格低于国内碳税税率，则拆除的低碳之路依然困难。因为排放企业通过交纳碳税就完成了碳排放义务，不会付出更多成本购买碳汇配额。
2.建筑拆解的减排额度
为了从宏观上了解建筑拆解的减排额度，对建筑物二氧化碳排放量的计算没有罗列各类构件，而是针对三种结构材料：钢铁、水泥、砖瓦。因为结构材料在建筑中使用量大、耗能高，形成的建筑结构所产生碳排放约占总体的80％，是产生碳排放的主要部分。废旧材料的回收利用可以减少原料开采、提纯环节的能耗，再利用可以完全避免过度生产带来的能耗，所以材料利用率愈高，减排额度就愈大。计算减排额度的主要思路是：首先，统计主要建筑材料单位能耗、废旧材料回收利用的节约能耗及其利用率(见表3)，计算单位面积建筑物的固化能量；其次，根据能量消耗与碳排放之间换算关系，二氧化碳排放系数k=2.5(每千克标准煤燃烧后二氧化碳排放量，单位kg/kgce)，计算建筑物拆除前后的碳排放；最后，比较建筑拆解与建筑拆毁间二氧化碳排放的差距，从而确定建筑拆解的减排额度。
(1)建筑物固化能量计算。建筑拆除前每100 主要材料固化能量总量为
E=5151.8 kgce (1)
建筑拆除后每100主要材料固化能量总量为
3.建筑拆解的碳汇价格
两种拆除方式下，建筑物每100 的拆除经济效益差距为616元，碳排放差距约为7.87吨，则拆解的单位减排成本为78.3元/吨。在碳排放权交易市场中，只要交易价格高于拆解的减排成本，拆除企业就有利可图。2010年5月国际二级市场CER(核证减排量)价格约为12.2欧元/吨(历史较低水平)，按照目前人民币与欧元兑换汇率(1欧元=8.6625人民币元)计算，碳汇价格为105.5元/吨。78.3元/吨的建筑拆解碳汇价格明显低于国际水平，具有很强的市场竞争力。然而，从国内目前要实施的碳税政策来看，碳排放企业恐怕很难选择碳交易方式。碳税是以减少二氧化碳排放为目的，对化石燃料按其碳排放量征收的一种税。2009年《中国开征碳税问题研究》报告建议，碳税征收要考虑我国社会经济的发展阶段，不过多影响我国产业的国际竞争力，2012年碳排放价格为10元/吨，仅相当于国际碳排放权交易价格的十分之一。即使到2020年，研究报告推荐的国内碳税税率也只有40元/吨，不到建筑拆解碳汇成本的一半。低税率使碳排放企业不必承担过高的生产成本，不必研究负责的碳排放交易制度，却造成建筑拆解的碳汇价格失去市场，阻碍建筑拆解的推广。在这一情形下，降低拆解的减排成本就成为唯一选择。当提高建筑拆解技术，主要废旧材料的再利用率达到70％以上时，拆解的减排额度约为15.1吨，减排成本下降到47.4元/吨，接近2020年国内碳税税率水平。而且，未来完整的废旧材料价格有上升趋势，将进一步减少两种拆除方式之间的经济效益差距，甚至拆解的经济效益有可能超过拆毁方式。那时建筑拆解的减排作用就能完全显现了。
四、结语
近年来，与日俱增的建筑废弃物成为困扰中国城市发展的一个难题。中国住建部副部长仇保兴在第六届国际绿色建筑与建筑节能大会上发言“我国建筑垃圾的数量已占到城市垃圾总量的30％～40％”，而我国2001-2008年各大城市生活垃圾清运量在1.5亿吨左右，据此可推算我国每年城市建筑废弃物清运量至少在1亿吨。把有用材料变成堆积如山的废弃物是摇篮到坟墓式的发展思路，在此思路上考虑废弃物回收是治标不治本的处理方式。只有从建筑废弃物产生的源头——建筑拆除方面寻找问题，才能以根本上实现废旧材料循环利用。按照每年一亿吨废旧材料这一保守数字来计算，采用建筑拆解方式替代传统拆毁，全国每年废旧材料减排量在780万吨，相当于430万株50年树龄树木一年的二氧化碳吸收量，其减排成效显著。中国建筑师需要担负起历史的责任，借鉴国外先进研究成果与实践经验，以生命周期视角设计建筑拆解的可能性与实施性。建筑拆除方式的转变与废旧材料的生态利用，正是废旧材料低碳发展的必由之路。
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