建筑結構全面優化設計的系統思考

王秋利

（河北金泰建筑設計有限公司 河北 邯鄲 056000）

建筑結構全面優化設計的系統思考

王秋利

（河北金泰建筑設計有限公司 河北 邯鄲 056000）

隨著經濟的快速發展，城鄉建設規模和單體建筑規模越來越大，對自然資源的需求和使用急劇增加。建立節約型社會，合理利用資源，減少廢物排放，增加能源循環利用，對供應者和需求者提出了更高的要求。通過系統思考，對建筑結構進行優化設計，從建筑構成所需要的外部環境、建筑布局、水資源的利用到結構材料選擇，構件布置，結構選型等因素進行分析，探討建筑結構優化設計的方向方法，為建筑結構設計及實施者提供參考。

系統思考；建筑結構；優化設計；節能環保

0 前言

建立節能環保型社會成為國家的建設理念，隨著經濟的發展，人們對生存環境的要求越來越高，建筑優化設計不僅能符合社會的要求，同時能夠滿足建設者和需求者的需要，為投資者實現控制建設成本，滿足使用者建筑功能性、舒適性，生態環境需求。借助有效的設計技術手段，采用新技術，新材料，盡可能減少資源消耗，提高經濟效益，從而實現社會整體效益最大化。因此，在社會推進節能環保的大環境下，在科技快速發展的今天，建筑結構優化設計有著必然的需求。

1 建筑消耗資源的優化設計

1.1 土地集約化

中國是人口大國，土地資源相當緊缺，城市建設與工業化進程與土地供給的矛盾比較突出，并有此產生的環境危機日益呈現。在建設實踐中，合理開發土地，符合節約用地的要求。通過優化設計，合理布置地下地上建筑布局，挖掘土地價值，采用新型輕薄材料，減少建筑構件所占空間。

1.2 水資源集約化

工農業用水與生活用水急劇增加，水資源供需矛盾日益突出，我國人均水資源十分有限，在建筑設計中應綜合考慮雨水收集，廢水凈化，設置循環用水、分質用水和中水使用系統。

1.3 能源集約化

建筑運營耗能是非常可觀的，目前國內30%電力是供給建筑使用的，隨著人們對物質生活追求的提高，建筑用能所占的比例將會增加。上海世博會倫敦建筑館展現了零碳建筑，這表明，建筑設計通過使用新技術，提高能源集約化利用程度，結合自然條件，充分利用風能、地熱能、太陽能，會大量減少對不可再生資源的消耗，同時會降低人們日常生活費用，取得較好的社會效益和經濟效益。

2 建筑材料的優化設計

2.1 結構材料的應用

建筑結構的各個構件都體現著力學承載力的特征，提供承載力的本體為建筑材料，在建筑發展史中，磚石、木頭、鋼筋混凝土等材料在不同時期分別作為當時的建筑主材，通過工程實踐表明，目前鋼筋混凝是良好的主要結構材料，充分利用鋼筋的抗拉強度和混凝土的抗壓強度，通過合理的配置，使結構構件具有良好的強度、剛性、延展性。在建筑結構主體中，柱、墻承擔著豎向荷載，采用高標號的混凝土，可以減少柱截面積，節約材料，減輕重量，增加使用空間；梁板為受彎構件，采用高強度鋼筋，可以減少鋼筋使用量；在設計過程中，采用合理構件截面，取用適宜的配筋率，可以充分發揮鋼筋與混凝土復合材料的性能；對于超高層建筑，結構轉換層，大跨度建筑，采用型鋼混凝土或預應力混凝土等，可以取得良好的經濟效益，并更好地符合功能需要。對于鋼筋混凝土板，不宜采用較高標號的混凝土，這是因為高標號混凝土容易收縮變形，并且高標號混凝土要求的鋼筋含量較高，不符合結構的經濟型。隨著科技進步，新材料不斷出現，本著安全性，適用性經濟型，環保性等綜合考慮，系統優化，合理使用傳統建材或新建材。

2.2 建筑保溫性及保溫材料

建筑的熱能消耗占據建筑用能的較大比例，國家的建筑節能標準雖然經過多次提高，但仍然與歐盟等西方國家的標準有一定的差距。在設計過程中，通過下列幾方面的分析應用，可以提高建筑的保溫性：①提高建筑的密閉性，使保溫材料對建筑四周全面覆蓋，不形成冷橋節點，對構件之間的縫隙采取適當的方法進行密閉封堵，最大限度減少室內外空氣冷熱對流，對室內空間分割適當進行保溫隔絕；②改善建筑體型系數，通過對空間布置及外觀的合理修改，減少外墻與空氣的接觸面積；③采用具有良好保溫性能和性價比的建筑材料，新技術新材料不斷出現，通過比較，適當選擇。

2.3 建材的環保性及循環利用

建材的環保性是繼經濟性之后的更高要求，隨著技術的發展，環保型建材不僅有著明顯的社會效益，還常常伴有更好的經濟性。在優化設計過程中，應充分考慮添建、新建建筑的具體條件，采用循環再利用和環保型材料，這不僅有利于環境，對提高建筑經濟性也很有意義。再利用表現在對原有建筑的改造利用，以及對原有照明設施，管道，電器，結構構件，磚石等再次使用；循環表現在對使用過的建材再加工而從新使用，比如用建筑垃圾生產的垃圾磚、用廢舊塑料生產的PE管道，在建材的使用中有著良好的經濟性。

3 結構主體優化設計

3.1 結構體系的選擇

結構體系是指結構構件抵抗外部作用的組成方式。民用建筑結構體系種類主要有：磚混結構、框架結構、剪力墻結構、框剪結構、筒體結構等。對于不同層數不同功能要求的住宅，應選用不同的結構體系，正確的選用結構體系，對建筑的功能、外立面選擇、管道間布置和建設成本都有很大的影響。磚混結構適合多層建筑，它的特點是橫向剛度大，整體性好，但空間不靈活，其經濟性與其它體系相比有很大的優勢。框架結構適應性較強，空間布置非常靈活，適合大空間的功能要求，亦可采用填充墻將空間進行分割。剪力墻結構適用于高層住宅，對于多層建筑豎向荷載控制著結構設計，對于高層建筑，盡管豎向荷載對結構設計起著重要影響，但橫向荷載起著決定性的作用，剪力墻是主要的抗側力構件，剪力墻的的合理布局對抗震性能和建筑的經濟性有很大影響。框剪結構應用比較廣泛，它吸收了框架結構空間布置靈活的優點，同時吸收了剪力墻抵抗橫向荷載的優點，在設計實踐中，公共建筑，底商住宅，框剪結構有很強的實用性，并有良好的經濟性。筒體結構主要適合高層和超高層結構。

3.2 結構構件的布置

結構構件是承擔荷載的載體，它不僅承擔著外部的荷載，其本身質量對結構主體也產生極其重要的影響，結構構件的合理布置，可使建筑功能更加適用，同時可以減少建筑成本。構件設置主要有柱、墻、梁、樓板等設計，柱墻的布置間距對經濟性有很大影響，間距過小，不僅影響建筑空間的使用，而且材料承載能力不能充分發揮，同時浪費了建材，增加了重量，增加了造價；間距過大，對結構整體性不利，橫向構件就會承擔很大的彎矩，導致構件截面加劇增大，空間受到影響，安全性降低。高層建筑剪力墻是抗側力構件，適量、均勻、對稱布置剪力墻，有利于整體性、經濟性、抗震性能。梁與柱墻根據結構特點進行鉸接或剛接，通過梁格劃分與樓板連接，從而形成空間結構體系。布置常規梁，經濟性較好，但影響建筑層高；布置寬扁梁，經濟性差些，但能減少梁的截面高度，增加建筑物凈高，在建筑總高度限制的情況下，可增加層數，在地下水位較高的情況下，建設地下建筑可以減少下挖深度。梁格的適當劃分，影響樓板的厚度，樓板在安全的前提下，盡量不要加厚，樓板的平面面積較大，加厚樓板，不僅增加了建材費用，而且增加了結構重量，這些荷載將進一步增加梁、柱、基礎所承受的荷載，增加了結構成本，并對抗震不利。

3.3 結構的概念設計

建筑尤其是高層建筑抗震的概念設計非常重要，豎向荷載與建筑物高度的一次方成正比，橫向荷載與建筑物高度的二次方成正比，高層建筑的橫向荷載有著決定的作用。剪力墻應均勻、對稱、雙向布置，從而減少結構的扭轉影響，同時增加結構的抗扭剛度。結構構件受力力求均勻，體型宜簡單，有時應為了結構布置而改變建筑布局。建筑質量與構件豎向布置變化應均勻。建筑外墻應適當加厚，邊緣構件及角部適當加強，構造構件及配筋應按規范配置。通過對結構主體多次試算，優化調整構件布置，使結構整體性，抗震性更加合理，同時降低工程造價。

4 結語

全面的建筑結構優化設計，涉及的內容比較廣泛，通過對各個層面進行分析研究，系統思考，實現功能適用、安全可靠，成本減低、節能環保的目標，從而滿足使用者功能性，舒適性的需要，符合投資者經濟性的要求，保障社會的生態環境，環保，持續，較高的社會效益，在優化設計過程中，既不能過分強調經濟性，降低技術，減少材料，同時也反對以為重視技術，采用新材料，忽略建筑成本。

［1］解振華.大力發展循環經濟[J].求實，2003（13）.

［2］徐培福.復雜高層建筑結構設計[M].北京:中國建筑工業出版社,2005.

［3］孫國正.優化設計及應用[M].北京:人民交通出版社,2004.

［4］JGJ3-2002高層建筑混凝土結構技術規程[S].北京:中國建筑工業出版社,2002.

王秋利（1968—），男，河北大名人，河北金泰建筑設計有限公司，工程師，學士，研究方向為建筑結構。

王靜］