鋼結構建筑拆除鋼材資源回收逆向物流研究

王夢涵，王 淋，黃 月，董樹修

0 引 言

近些年來，我國城市化進程發(fā)展迅猛，鋼結構建筑由于其工期短、方便安裝的優(yōu)點被廣泛使用，但建筑鋼材在達到其使用壽命后的回收較少，容易造成資源浪費和環(huán)境污染等問題。而且我國人均礦產資源占有量很低，按照傳統(tǒng)的發(fā)展模式，必將導致資源枯竭，所以大力發(fā)展循環(huán)經濟，促進資源的循環(huán)利用是解決鋼鐵資源短缺的必然之路。建立建筑鋼材的逆向回收網絡進行合理回收，可以實現(xiàn)鋼鐵資源的再生[1]。

循環(huán)經濟是物資閉環(huán)流動型經濟的簡稱，本質上是一種生態(tài)經濟，根據(jù)生態(tài)學規(guī)律的要求，將人類的經濟活動從傳統(tǒng)工業(yè)社會以“資源—產品—廢棄物”的物質單向流動為基本特征的線性經濟模式，轉變?yōu)椤百Y源—產品—再生資源”的物質反饋式或閉環(huán)流動為基本特征的循環(huán)型經濟增長模式，使物質在反復的循環(huán)流動過程中，資源得到充分合理的利用，從而提高經濟運行的質量和效益[2]。建筑鋼材資源回收逆向物流是指將建筑鋼材經過回收、分類、加工使其再利用的過程，提高資源的利用率，從而減少對自然資源的消耗，發(fā)展循環(huán)經濟。

建筑鋼材通常可分為鋼結構用鋼和鋼筋混凝土結構用鋼。鋼結構用鋼主要有普通碳素結構鋼和低合金結構鋼。品種有型鋼、鋼管和鋼筋。型鋼中有角鋼、工字鋼和槽鋼。建筑鋼材在建筑物拆除或達到其最高使用年限后成為建筑廢鋼。鐵礦石和廢鋼是鋼鐵冶煉工業(yè)的兩種主要原料。采用廢鋼鐵煉鋼比采用鐵礦石具有更高的有效回收率，廢鋼可直接入爐煉鋼，其生產流程更短，可以認為廢鋼鐵相較于鐵礦石是一種成本低廉、環(huán)保友好、支撐鋼鐵行業(yè)可持續(xù)發(fā)展的再生資源，而且電爐煉鋼廠占地面積小、投資少，因此，以廢鋼鐵為主要原料煉鋼，很有吸引力[3]。此外，不同于再生集料混凝土的性能會劣于新混凝土，采用建筑廢鋼冶煉而成鋼鐵的力學性能同鐵礦石冶煉而成鋼鐵的力學性能無差異，因此建筑廢鋼資源化利用更為有效。

1 建筑鋼材資源回收逆向物流網絡節(jié)點規(guī)劃與網絡結構

1.1 建筑鋼材回收節(jié)點規(guī)劃

1.1.1 產生點

由于建筑鋼材具有排放量大，排放集中的特點，在建筑垃圾產生地之外另外設置收集點不僅增加不必要的周轉程序，徒增人工和運輸費用，而且對城市的環(huán)境市容都可能造成諸多不利影響，考慮到建筑鋼材這種可再生資源的實際情況和我國可能實施的現(xiàn)狀，現(xiàn)將建筑垃圾的產生點確定在每個建筑鋼材產生點的中心。

1.1.2 建筑鋼材回收處理中心

建筑鋼材回收再生中心主要負責廢棄物的篩選，清理分類，鋼鐵重煉。重新煉成的鋼鐵達到國家建筑再生資源利用標準的進入鋼鐵再銷售市場，煉鋼前后產生的廢渣等一些不能再繼續(xù)利用的垃圾送到廢棄物掩埋場進行掩埋處理。建筑鋼材回收再生中心可以是新建的，也可以是在某些大的回收站基礎上擴建而成的，建筑鋼材回收再生中心建設規(guī)模應根據(jù)服務區(qū)域內裝配式鋼結構建筑廢棄物產生量、廠址自然條件、地形地貌特征、服務年限及技術、經濟合理性等因素綜合確定。既要保證覆蓋設定的全部回收區(qū)域，又要考慮現(xiàn)有及短期未來可能的裝配式鋼結構建筑分布情況，在兼顧裝配式鋼結構建筑集群的同時保證網點均勻分布。

1.2 建筑鋼材資源回收逆向物流網絡結構

建筑鋼材資源回收逆向物流網絡是指在建筑鋼材回收利用過程中各個不同類型的節(jié)點分工合作所形成的組合網絡，它使建筑鋼材經過建筑鋼材資源回收逆向物流網絡的各個環(huán)節(jié)，從而實現(xiàn)部分甚至全部的建筑鋼材的回收再利用。建筑鋼材資源回收逆向物流網絡結構示意圖如圖1 所示。

圖1 建筑鋼材資源回收逆向物流網絡結構示意圖

2 建筑鋼材資源回收逆向物流線性規(guī)劃模型構建

2.1 目標函數(shù)

由于影響建筑鋼材處理行為的因素主要是經濟成本，故目標函數(shù)即成本最小化。模型構建中只考慮從建筑鋼材產生點往建筑鋼材回收再生中心運輸過程。目標函數(shù)如下：

式中：Xi代表建筑鋼材物流流量，i=1,2,3,…,n；dj代表運輸距離；CT代表單位運輸費用（元/噸·公里）；CD代表單位處理費用（元/噸）。

2.2 模型假設

通過調研得知各個建筑鋼材回收再生中心的單位處理成本和運輸成本基本一致，為了便于建立數(shù)學模型，在本模型研究中，假定各個廢鋼回收再生中心對建筑鋼材的回收處理費用都是相同的。

2.3 約束條件

（1） 供應約束

建筑鋼材的產生量不大于建筑鋼材回收再生中心的處理量。

式中：Xij代表建筑鋼材產生量，ai代表建筑鋼材回收再生中心的處理量。

（2） 需求約束

建筑鋼材回收再生中心的需求量不大于建筑鋼材的產生量。

式中：Xij代表建筑鋼材產生量，bj代表建筑鋼材回收回收再生中心的需求量。

（3） 供需平衡約束建筑鋼材回收再生中心接收的建筑鋼材數(shù)量應小于等于此建筑鋼材回收中心可承受的最大處理量。

式中：Xi代表建筑鋼材回收再生中心接收的建筑廢鋼材的數(shù)量；Vi代表此建筑鋼材回收中心可回收的最大建筑鋼材量。

（4） 所有決策變量都為非負條件

3 實例分析—H 市建筑鋼材資源回收逆向物流網絡優(yōu)化

3.1 問題描述與基礎數(shù)據(jù)

H 市共有F1、F2個建筑鋼材回收再生中心，現(xiàn)以H 市9 城區(qū)為例，構建H 市建筑鋼材資源回收逆向物流網絡體系，以2030 年建筑鋼材的產生量為例，確定最優(yōu)的建筑鋼材流通量。

H 市兩個建筑鋼材回收再生中心的年處理能力分別為2 000 000 噸。

H 市9 城區(qū)建筑鋼材的產生量如表1 所示。

表1 2030 年H 市建筑鋼材產生點及其產量統(tǒng)計表單位：噸

H 市9 城區(qū)建筑鋼材產生點與建筑鋼材回收再生中心之間的距離如表2 所示。

表2 H 市各建筑鋼材產生點與各建筑鋼材回收再生中心之間的距離統(tǒng)計表單位：千米

H 市建筑鋼材的回收處理費用為2 600 元/車，車的載重量為25 000 千克，故處理費約為100 元/噸。建筑鋼材的運輸費用為2 元/噸·千米。H 市9 城區(qū)建筑鋼材到F1、F2個建筑鋼材回收再生中心每噸的運輸回收處理價格如表3 所示。

表3 建筑鋼材收集點到建筑鋼材回收再生中心的運輸和回收處理價格單位：元/噸

3.2 建立模型

目標函數(shù)：

將相關數(shù)據(jù)代入模型，線性規(guī)劃方程如下：

a. 產量約束

建筑鋼材產生點E1到兩個建筑鋼材回收再生中心X11+X12=400 000

建筑鋼材產生點E2到兩個建筑鋼材回收再生中心X21+X22=200 000

建筑鋼材產生點E3到兩個建筑鋼材回收再生中心X31+X32=500 000

建筑鋼材產生點E4到兩個建筑鋼材回收再生中心X41+X42=400 000

建筑鋼材產生點E5到兩個建筑鋼材回收再生中心X51+X52=600 000

建筑鋼材產生點E6到兩個建筑鋼材回收再生中心X61+X62=600 000

建筑鋼材產生點E7到兩個建筑鋼材回收再生中心X71+X72=300 000

建筑鋼材產生點E8到兩個建筑鋼材回收再生中心X81+X82=300 000

建筑鋼材產生點E9到兩個建筑鋼材回收再生中心X91+X92=700 000

b. 需求約束

X11+X21+X31+X41+X51+X61+X71+X81+X91=2 000 000

X12+X22+X32+X42+X52+X62+X72+X82+X92=2 000 000

3.3 模型求解與結果分析

在Lingo 中輸入以下代碼：

Min=22X11+26X21+33X31+21X41+26X51+27X61+40X71+39X81+29X91+24X12+29X22+14X32+24X42+22X52+38X62+24X72+32X82+34X92；X11+X12=400 000；X21+X22=200 000；X31+X32=500 000；X41+X42=400 000；X51+X52=600 000；X61+X62=600 000；X71+X72=300 000；X81+X82=300 000；X91+X92=700 000；X11+X21+X31+X41+X51+X61+X71+X81+X91=2 000 000；X12+X22+X32+X42+X52+X62+X72+X82+X92=2 000 000。

單擊菜單中的Solve 命令，得到結果如下：E1、E2、E3、E4、E5、E6、E7、E8、E9往F1的運量分別為：100 000、200 000、0、400 000、0、600 000、0、0、700 000。E1、E2、E3、E4、E5、E6、E7、E8、E9往F2的運量分別為：300 000、0、500 000、0、600 000、0、300 000、300 000、0。

4 總結與展望

構建了建筑鋼材資源回收逆向物流模型，在建筑鋼材物流的規(guī)劃上，運用了數(shù)學優(yōu)化方法，使得能夠科學有效的對建筑鋼材的收運線路進行調度，有計劃的調整建筑鋼材的運送計劃，得到最優(yōu)的回收路線，節(jié)約了人力物力。隨著建筑鋼材回收循環(huán)利用在低碳經濟、循環(huán)經濟中的地位越來越重要，未來深入研究逆向物流系統(tǒng)構建及優(yōu)化中的實際問題，對我國鋼鐵工業(yè)的持續(xù)健康發(fā)展，對環(huán)境問題的解決都有積極的意義。