本文摘要：摘要：开发城市矿产资源对补充原生矿产资源不足具有重要意义，准确估算城市矿产资源储量由此也成为研究的重点。本文针对城市住宅建筑，在社区尺度上进行住宅建筑的矿产资源储量估算，通过定量评估北京市回龙观21个小区662栋住宅建筑的在用存量，基于我国住宅建筑的生命
摘要：开发城市矿产资源对补充原生矿产资源不足具有重要意义，准确估算城市矿产资源储量由此也成为研究的重点。本文针对城市住宅建筑，在社区尺度上进行住宅建筑的矿产资源储量估算，通过定量评估北京市回龙观21个小区662栋住宅建筑的在用存量，基于我国住宅建筑的生命周期，在对住宅建筑矿产资源储量进行估算的基础上，计算了未来的资源可采量，同时还对现有住宅一年间的温室气体排放进行了预估。结果表明：(1)城市住宅建筑中的矿产资源循环利用潜力巨大，21个小区矿产资源蓄积总量达729.3万吨;(2)研究区562栋框架和70栋剪刀墙结构住宅占95.48%，框架、剪刀墙结构住宅温室气体排放量远高于砖混结构，随着新建住宅中框架和剪刀墙结构不断增加，未来的环境压力也随之增大。(3)研究区预计可回收利用的建材365.8万吨，通过对建筑垃圾分类处理、循环利用，能够带来积极的资源、环境和经济效益。
关键词：城市矿产资源;住宅建筑存量;资源开发利用;环境影响
城市矿产是工业化和城镇化过程产生和蕴藏在各类城市废弃物中可循环利用的资源，是原生矿产资源的重要补充[1]。《中国建筑业统计年鉴(2020)》数据显示，2019年我国建筑行业共消耗钢材10.74亿吨，木材4.9亿立方米，水泥24.2亿吨[2]。此外，建筑垃圾产生量也逐年上升，从2010年的11.7亿吨攀升至2019年的35亿吨。截至2020年底，我国建筑垃圾堆存总量已达200亿吨左右[3]。城市建筑中所蕴含的大量钢铁、铜、混凝土等将成为城市矿产资源最主要的潜在来源[4]，价值堪比原生矿产，且资源富集程度高而比天然矿山更具开发价值，因此，准确估算城市建筑所蕴含的矿产资源储量，对缓解资源瓶颈、减轻原生矿产资源开采所带来的资源、能源和环境压力均具有重要意义。1961年，美国城市规划师JaneJacobs认为可从城市固体废弃物中回收所需的大量原料，提出“城市是未来的矿产”[5];2010年，国家发展和改革委员会下发《关于开展城市矿产示范基地建设的通知》，首次正式提出“城市矿产”的概念，不仅标志着我国对“城市矿山”开发利用的重视，也体现了国家资源观念和资源战略的重大转变[6]。
上世纪90年代，欧洲学者最先基于可持续发展理念关注建筑存量[7]。随着新技术的发展，国内外学者开始尝试依托地理信息系统、遥感影像、夜间灯光、雷达、无人机以及人工智能等新技术进行城市建筑系统底层单元(建筑物、道路、管网等基础设施)信息的快速提取，并发展了一系列融合新技术的空间物质存量核算方法[4]。郭振利用高分遥感影像、实地调查和社会经济等数据，定量分析了山东庙岛基础设施物质存量构成及动态变化特征，提出了提高海岛物质存量使用效率的方法[8]。2021年，卢森堡大学BogovikuLorenc等将GIS与物质流方法相结合，评估了卢森堡地区1927—2000年间的矿产存量，并对不同随机场景产生的建筑与拆除废弃物进行了分析预测[9]。尽管国内外学者在城市建筑存量核算方面已积累了大量经验，但核算方法和精度还需进一步提升。
多数研究基于易得的国家及全球尺度的统计数据，在宏观层面采用绝对化的趋势模型来预测建筑存量的未来行为，不仅结果较为粗糙，预测的不确定性也较大。我国的相关研究多偏重于建筑遗产和大型公共建筑，且以建筑代谢过程中的物质流入流出研究为主，基于建筑生命周期全过程评估建筑资源存量、环境影响及拆除时的预期可开采量的研究尚不多见。与此同时，微观研究因对准确详尽的数据依赖程度较高而不够充分。基于上述分析，本研究将以城市矿产理论为指导,在小区住宅层面的微观尺度上，结合不同住宅的建筑结构属性，采用自下而上的核算方法对住宅建筑的资源储量进行估算，并定量评价住宅建筑中的矿产资源开发潜力，既可提升估算结果的精度，也便于自下而上的数据综合，从而为住宅建筑的资源化和节能减排提供参考。1数据和方法1.1数据1.1.1研究区概述《北京建设年鉴》(2005—2020)数据显示，2004—2019年间北京建筑竣工总面积超12亿平方米，其中住宅房屋的竣工面积超7亿平方米;图1为1978—2020年北京市住宅竣工面积变化[10]。与住宅建筑同步增加的是住宅中的矿产资源储量，对有效缓解资源紧缺具有重要价值。
北京市昌平区回龙观社区自2000年5月第一批居民入住，已发展成占地面积逾850万平方米、常住人口达30万的超大规模住宅区，不仅是全国规模最大的文化居住区，还被誉为亚洲第一大社区，住宅建筑集中且数量庞大，是我国新建城市住宅中的典型代表。全区建筑总量约2500万平方米，共有71个小区，本研究基于21个小区662栋住宅数据，小区数量约占全区1/3，住宅建设面积426万平方米，约占17%，基本涵盖了回龙观地区的所有住宅类型，考虑到属性数据获取的难度和处理量，将同一小区内所包含的多期工程进行合并，如天露园一区、天露园二区的全部住宅都以“天露园小区”为计算单元。
1.1.2数据来源及处理本研究只考虑住宅建筑，未考虑公共建筑，由于不同结构高层建筑地下室结构、层数及建材使用量等存在较大差异，具体数据也更难获取，因此本研究仅涉及住宅建筑的地上部分。通过链家、自如、房天下等中介机构和实地调研，获取21个小区的住宅属性数据。根据回龙观区域地图、自如APP的小区房屋分布图以及实地调研，在ArcGIS10.6中基于2000国家大地坐标系对研究区进行矢量化，建立住宅空间分布图形数据库，并添加每栋建筑的属性数据，包括结构、所属小区、楼号、层高、建筑面积和建筑年份等，在二维平面图的基础上，以“层高”为高程值，对砖混、框架和剪刀墙三类结构，建立三维GIS模型。
1.2方法1.2.1城市住宅建筑资源储量估算根据数据来源，城市建筑存量的核算方法大致分为“自上而下”(Top-down)[11]和“自下而上”(Bottomup)[12]两种。“自上而下”方法主要依赖经济社会统计数据，能够快速、准确地测算全球、国家等宏观层面的建筑物质存量[13][14]，由于统计数据在实时性、全面性和易得性上存在局限，基于统计数据的研究结果无法直接进行建筑系统内部存量的动态演替过程分析，这种“黑箱化”的研究限制了“自上而下”核算方法的应用[4]。“自下而上”方法的优点是分析单元的尺度更小，因采用大量实时、详细的底层单元数据，结果更为精确可靠，适用于社区、工业园区等中小尺度的建筑物质存量分析[15]，若与遥感、地理信息系统、无人机等新型数据获取技术相结合，能极大弥补实地调研的数据量大、耗时耗力等不足。影响单位面积住宅建材消耗量的因素很多，包括建筑结构、层高、墙体厚度、层数等。刘天星等通过分层抽样法选取了北京地区100栋住宅，对影响单位面积建材消耗量的四种主要因素进行了多元方差分析，发现建筑结构是主要影响因素;此外，该研究还得到了砖混、框架、剪刀墙三种结构的住宅单位面积建材消耗量。
1.2.2基于LCA的住宅建筑温室气体排放估算城市建设在消耗大量资源和能源的同时也对环境产生了负面影响，建筑物作为一种特殊产品，具有投入大、系统复杂、使用年限长、非移动性等特点，因此对周围乃至整个生态环境的影响不仅广泛且时间较长[17]。建筑物的直接环境影响包括热岛效应、光污染、水污染、大气污染和室内空气污染等，此外，城市建设中也会占用土地、改变土地利用状况、破坏地表植被、大量消耗建材，进而影响到区域生态系统的结构和功能[18]。生命周期评价(lifecycleassessment，LCA)常用于产品、过程或活动从原材料采集加工到产品生产、运输、分配、使用、回收、维修、循环和最终处置等整个生命周期中有关环境负荷的评价。通过对整个生命周期中能量和物质的消耗以及释放到环境中的废物进行辨识和定量化,进而评价其对环境的影响并找出减少这些影响的机会[19]。建筑物生命周期评价软件SimaPro可基于不同的建筑结构，将二氧化碳、一氧化二氮、一氧化碳、甲烷等温室气体转换为二氧化碳排放当量，从而计算出住宅建筑全生命周期的单位面积/年环境影响量。由于现有住宅仍在使用中，因此本研究不考虑维修、更新、功能置换和拆除等过程，仅考虑运输、新建和日常使用过程中的温室气体排放，参考不同结构住宅生命周期内的环境影响值[7]，计算研究区每栋住宅建筑建设使用过程中的二氧化碳排放当量。
对计算出的每栋住宅年温室气体排放量进行空间插值，可分析整个区域的碳排放空间分布。克里金插值法(Kriging)又被称为空间局部估计或空间局部插值，其实质是利用区域化变量的原始数据和变异函数的结构特点，对未采样点的取值进行线性无偏最优估计[20]。不仅估值精度高，还可避免出现系统误差，并能给出估计误差和精度报告。
1.2.3住宅建筑资源可开采量估算建筑物在新建、维护、拆除中均产生建筑垃圾，预期可回收利用的建筑垃圾总量即为住宅建筑的资源可开采量。北京市建筑垃圾年产生量约为同期全市生活固废量的7倍[21]，多采用露天堆放或填埋处理，占用大量土地的同时也产生了多种有害成分和气体，不仅间接导致了土壤和空气污染，还存在严重的安全隐患[22]。相比发达国家，我国单位建筑面积能耗高2-3倍，钢材消耗量高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%的资源化率，我国废弃物的资源化率仅为13%，提升空间很大。现阶段我国已具备了建筑垃圾资源化的技术条件，建筑垃圾铺路、建楼等工程实例在各地均有实践[23]，如1991年建成通车的合宁高速公路，全长133.5千米，通过就地和就近利用废弃混凝土再生骨料，配制再生混凝土用于维修破损路面，节约骨料运输费130万元，废弃混凝土利用率达80%，节约废弃混凝土占用土地的费用75万元[24]。
2结果及讨论2.1结果2.1.1现有住宅建筑的时空特征选取的21个小区共包括住宅建筑662栋，其中有2个砖混结构小区，分别为建于1996年的北郊农场和慧华苑;4个剪刀墙结构小区，分别为2008年前后集中建设的上北鑫座、东亚上北、首开智慧社及新龙城;其余15个小区均为框架结构。住宅建筑以6层框架结构为主，砖混结构住宅层数低、建设年代老，近年新建住宅多为层数高、建筑面积大的剪刀墙结构，框架、剪刀墙结构住宅占95.48%。基于现有住宅结构类型和建造年代进行时空信息可视化。
2.1.2现有住宅建筑存量核算结果
可见，框架结构住宅在用存量最大，蕴含的矿产资源量最多。在ArcScene中将各栋住宅的在用存量按1/100比例缩小进行三维表达;以小区为单位，进一步对研究区的资源储量进行估算，得到各小区的在用存量情况。
经统计，框架、剪刀墙、砖混结构住宅的在用存量分别为558.5、153.7、17.1万吨，总计729.3万吨，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/万吨框架和剪刀墙结构住宅蕴含的资源最丰富。各种资源中，砂子、石子及水泥的在用存量远高于钢材、木材和机砖。在用存量最大的三个小区分别为龙腾苑(包含五期工程)、天露园(包含两期工程)和新龙城。剪刀墙结构的住宅建材消耗量普遍较大，2007年竣工的新龙城共有住宅42栋，在用存量达89万吨。
2.1.3现有住宅温室气体排放情况
根据公式(2)计算每栋住宅使用过程中的温室气体排放量，并作为住宅建筑点属性值进行克里金插值，得到二氧化碳排放当量的空间连续分布，并根据结果的频数直方图分级进行可视化。
温室气体排放强度较高的小区分别是位于东南角、西北角和东北角的首开智慧社(剪刀墙结构)、天露园一区(框架结构)、流星花园二区(框架结构)和东亚上北中心(剪刀墙结构);整个区域的排放特征为中心低、边缘高。分析住宅结构与温室气体排放关系发现，砖混结构住宅在建设维护阶段的排放量明显低于框架、剪刀墙结构，应与框架、剪刀墙结构住宅层数高，建筑面积大，消耗建材多密切相关。
2.1.4现有住宅建筑的资源开采量
不同结构建筑物产生的废弃物成分和含量虽有不同，但基本组成比较一致，多为混凝土、碎石砖土、木材、玻璃等，80%都是可回收资源。
可见，三种结构资源总回收率均在50%左右，钢材的回收率最高，达85%以上，砂子和石子在用存量大，回收率约58%左右，木材和水泥的回收率相对较低，为18%和9%。研究区的预期可采资源总量达365.8万吨，框架、剪刀墙、砖混结构住宅的可开采量分别为280.0、77.0和8.6万吨，开发利用潜力很大。将预期可开采的资源总量作为高程值，按1/100比例缩小进行三维表达。
很显然，预期可开采量与在用存量成正比关系，不同结构住宅的总回收率相差不大，仅在主要建材类型上有所不同，如砖混结构蕴含大量机砖，而剪刀墙的钢材比例远高于其他两种结构。钢材在加工生产过程中具有高耗能、高污染特性，但回收率较高，因此资源消耗、环境影响、回收潜力也高于其他建材，图9反映了不同结构住宅的钢材储量及可开采量。
由于我国住宅生产方式粗放，再加上规划、设计、建造、维护管理等方面的原因，我国城市住宅使用寿命普遍较短，多为30年左右[25-26]。短寿命的建筑物在建设时消耗了大量的水泥和钢材，更新时又会产生数以亿计的可供开采的建筑资源。以30年计，估算现有不同结构住宅的预期资源可开采量。
2.2讨论
2.2.1住宅建筑发展趋势
剪刀墙结构住宅具有层数高、面积大、建造年代新等特点。为满足居民不断提高的居住需求，未来框架和剪刀墙结构比例还将不断增加，砖混结构住宅更可能在城市快速发展过程中被更新，是资源循环利用应重点关注的类型。框架结构房屋墙体多采用轻质板材砌筑或装配而成，单位面积消耗的建材最少。
2006年以来新建的高层住宅均为剪刀墙结构，采用更加坚固，不易倒塌的钢筋混凝土墙板，同时又具有建筑成本高、建材消耗量大、温室气体排放强度高的特点。高层、多样、建筑面积大的发展趋势，不仅会加剧矿产资源的供需矛盾，还会对环境造成巨大压力。因此，新建住宅在设计时就应从延长使用寿命、降低使用能耗与维持自身价值等方面进行考虑，争取在其整个生命周期内实现绿色、环保、节能、可持续。
2.2.2住宅建筑资源潜力
定量估算结果显示，仅研究区的住宅建筑就蓄积了729万吨的资源量，未来可开采资源总计365.8万吨，尤以钢材开采量最大。通过对拆除的城市建筑材料进行分类开采和处置，可有效提高其再利用水平。如废弃机砖可经破碎后充当室内地面骨料，废旧木材可以直接二次利用或者加工成楼梯、地板等，碎木可以用作燃料堆肥原料;石子、砂子可转化为建筑用沙石，也可用于道路建设;利用混凝土再生技术，可以生产再生混凝土骨料重新投入建设中。通过建立“建筑原料—建筑物—建筑废弃物—资源化产品”的生命周期循环链条，合理预测建筑资源储量和未来开采时间及开采量，可确定建筑废弃物的资源化规模，合理设置收运分区和管理范围，从而有效布局建筑资源化利用设施，在保护环境的同时创造更大的经济和社会效益。
本研究的预期开采量是按30年的建筑寿命进行估算的，这一数据基础主要针对较早时期的住宅平均情况，随着我国住宅建筑质量和房屋建造技术的不断提升，新建住宅的实际使用寿命应超过30年，因此，本研究对新建住宅的估算可能低于实际情况。延长住宅使用寿命是缓解原生矿产资源压力的关键环节，通过合理维修、更新或功能置换，可将现存建筑使用年限延长至50-70年，既避免了资源浪费，又可减少温室气体排放，更延长了未来住宅建筑的资源开采周期，真正实现节能、减排、降碳的可持续发展目标。
2.2.3住宅建筑存量及可开采量估算的精度
由于难以获取到具体的工程建筑信息和官方统计资料，本研究所采用的不同结构住宅单位面积耗材量和回收量数据均参考了其他学者的研究成果，并不完全适用于研究区的所有住宅，从而使结果具有一定的不确定性。
但相关研究都是基于北京市的住宅建筑，并且LCA也是国内外普遍采用的方法，因此研究结果的有效性和可靠性依然较高。由于住宅建筑建设体量大、更新速度相对较快，本研究仅对住宅建筑的资源潜力进行了估算，而公共建筑和商业建筑尽管也蕴含着大量的矿产资源，但因其结构复杂多样，数据难以获取，需要针对具体类型进行细分研究。
针对我国现有城市矿产资源的定量研究多集中于国家、城市群等大尺度层面，且多聚焦于金属资源定量评估的现状，本研究所建立的社区层面的住宅建筑存量、环境效应、可开采量核算模型可弥补现有研究估算精度有限、缺乏中微观尺度精确定量评估的不足。未来，更好地挖掘建筑中的资源潜力，实现建筑存量的“减重量、提质量”，改变传统的以填埋为主的建筑垃圾处置方法，提高资源的循环利用效率，建立“无废城市”势在必行。
3结束语
建立城市建筑物时空数据库、精确评估城市矿产资源储量具有重要理论和现实意义。对建筑物在用存量、投入产出、资源节约量、废弃物减少量、污染物及温室气体减排量等指标进行精确定量核算是提升城市矿产资源利用率的重要前提，建立社区尺度的建筑物数据库是实现“自下而上”核算方法的有效途径，不仅对提升城市矿产资源储量的估算精度具有重要价值，还可将研究尺度扩展至城市、国家、世界等更大尺度。
城市住宅建筑的资源循环利用潜力巨大，基于建筑物生命周期估算其环境影响和矿产资源储量，能够实现有针对性地对使用、拆除、建材回收再利用等不同阶段的城市矿产资源开发利用及其科学管理，也可为城市规划中建筑垃圾处置用地的合理规划和选址提供相应参考。
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作者：李海萍任帅靳敏
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