抗震條件下生態(tài)節(jié)能鋼混住宅建筑結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)探討

曹津銘 范團(tuán)結(jié) 張寧波

摘要：從建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的角度出發(fā)，針對(duì)鋼混住宅在經(jīng)濟(jì)、適用、安全、美觀、建材成本與生態(tài)性等方面的性能進(jìn)行了分析，綜合考慮抗震與生態(tài)節(jié)能的影響因素，并作了較深入的探討，利用層次分析法（AHP）模型構(gòu)建了抗震條件下生態(tài)節(jié)能鋼混住宅建筑結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)體系。以期對(duì)城鄉(xiāng)鋼混住宅建筑結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)理論作出貢獻(xiàn)，并可供全國(guó)同行們參考、借鑒。

關(guān)鍵詞：抗震，生態(tài)節(jié)能；鋼混住宅；優(yōu)化設(shè)計(jì)；AHP模型

中圖分類(lèi)號(hào)：TU22

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：16749944（2016）08014903

1 引言

在當(dāng)前城鎮(zhèn)化快速發(fā)展的背景下，鋼混住宅建筑在城鄉(xiāng)居住建筑中的占據(jù)著最大的比重，而在全國(guó)范圍內(nèi)推廣建設(shè)生態(tài)節(jié)能建筑也已成為必然的大趨勢(shì)。我國(guó)作為多地震國(guó)家，可在抗震條件下結(jié)合生態(tài)節(jié)能的特點(diǎn)，達(dá)到優(yōu)化設(shè)計(jì)的目的。所謂“優(yōu)化設(shè)計(jì)”是指研究問(wèn)題和尋求解決問(wèn)題的最優(yōu)方案，“最優(yōu)”兩字應(yīng)理解為在給定條件下得到盡可能滿(mǎn)意的結(jié)果[1]。而探索構(gòu)建符合我國(guó)國(guó)情的鋼混住宅建筑結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，是該類(lèi)住宅方案優(yōu)化設(shè)計(jì)的前提，具有重要的理論意義，并可帶來(lái)可觀的社會(huì)、經(jīng)濟(jì)、環(huán)境效益。

筆者以系統(tǒng)設(shè)計(jì)法為工具，在生態(tài)化理念指導(dǎo)下，進(jìn)行了實(shí)地調(diào)研，應(yīng)用層次分析法（AHP）構(gòu)建了鋼混住宅建筑結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，直觀地體現(xiàn)了優(yōu)化設(shè)計(jì)的準(zhǔn)則，并具有很強(qiáng)的可操作性（圖1）。以期研究成果能對(duì)城鄉(xiāng)鋼混住宅建筑結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)理論作出貢獻(xiàn)，并可供全國(guó)同行們參考、借鑒。

2 抗震條件下生態(tài)節(jié)能鋼混住宅建筑結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)體系的建立

本綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)體系分三層，如圖1。

2.1 總目標(biāo)層

總目標(biāo)層為抗震條件下生態(tài)節(jié)能鋼混住宅建筑結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)綜合評(píng)價(jià)，從建筑結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)的角度出發(fā)，以節(jié)約能源、有效利用資源的方式，建設(shè)抗震性能優(yōu)越、與環(huán)境生態(tài)相容性高的鋼混住宅建筑，達(dá)到人及建筑與環(huán)境共生共榮、永續(xù)發(fā)展。總目標(biāo)堅(jiān)持前瞻性和可操作性的有機(jī)統(tǒng)一，既要立足當(dāng)前實(shí)際，使目標(biāo)具有可行性，措施具有可操作性，又要充分考慮發(fā)展的需要，使規(guī)劃設(shè)計(jì)方案具有一定的超前性。

2.2 子目標(biāo)層

2.2.1 建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)能夠?qū)崿F(xiàn)抗震和生態(tài)節(jié)能目標(biāo)的前提下，評(píng)價(jià)住宅建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是否遵循經(jīng)濟(jì)、適用、安全、美觀的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)充分考慮建筑功能的完善性和可改造性，提高施工便利性，結(jié)合當(dāng)?shù)氐乩怼⒌刭|(zhì)、氣候條件，盡可能做到節(jié)能、節(jié)地，降低建筑全壽命周期投資費(fèi)用，盡可能采用高質(zhì)量材料，選用有利于抗震減災(zāi)的平、立面布置方式和結(jié)構(gòu)體系，保證建筑的安全性[2]。注重對(duì)當(dāng)?shù)亟ㄖ厣睦^承和保護(hù)，體現(xiàn)建筑設(shè)計(jì)的地域性和時(shí)代性。

2.2.2 建材使用

評(píng)價(jià)建筑材料是否符合兼顧生態(tài)性、經(jīng)濟(jì)性的指標(biāo)：是否充分考慮材料的本地性、易得性，鼓勵(lì)因地制宜地盡量選用本地的、運(yùn)輸便利的材料作為建筑的營(yíng)造原料；是否在條件允許的情況下，利用3R建材作為建筑材料；是否合理使用長(zhǎng)壽命材料和環(huán)保節(jié)能的新材料。

2.3 準(zhǔn)則層及下轄的基本指標(biāo)層

2.3.1 經(jīng)濟(jì)

評(píng)價(jià)建筑是否能在設(shè)計(jì)與建造中，因地制宜、就地取材，做到盡量節(jié)省勞動(dòng)力，節(jié)約建筑材料和資金；是否有周密的計(jì)劃與核算，重視經(jīng)濟(jì)規(guī)律，講究經(jīng)濟(jì)效益；房屋的設(shè)計(jì)使用要求和技術(shù)措施是否與相應(yīng)的造價(jià)、建筑標(biāo)準(zhǔn)統(tǒng)一起來(lái)。

（1）節(jié)能節(jié)地的結(jié)構(gòu)選型。評(píng)價(jià)建筑的結(jié)構(gòu)形式對(duì)建筑節(jié)能、節(jié)地的影響。一般基于建筑形體、幾何形式展開(kāi)，通過(guò)結(jié)構(gòu)選型的優(yōu)化設(shè)計(jì)，增加可使用空間；合理控制住宅體型，實(shí)現(xiàn)土地資源的集約有效利用；結(jié)構(gòu)形式應(yīng)有利于改善住宅圍護(hù)結(jié)構(gòu)的熱工性能和室內(nèi)外物理環(huán)境，增加建筑對(duì)可再生能源的利用，以達(dá)到節(jié)能的目的[4]。

（2）與當(dāng)?shù)氐乩怼⒌刭|(zhì)、氣候的適應(yīng)性。評(píng)價(jià)建筑與當(dāng)?shù)刈匀画h(huán)境的適應(yīng)性問(wèn)題，由于不同地區(qū)所處的緯度不同，在太陽(yáng)輻射量、溫度、濕度、季節(jié)周期及地理、地質(zhì)條件上存在明顯差異，為滿(mǎn)足建筑經(jīng)濟(jì)性要求、節(jié)約造價(jià)，建筑的布局以及功能組織、空間形式、構(gòu)造等方面應(yīng)合理利用當(dāng)?shù)氐乩怼⒌刭|(zhì)、氣候等有利條件[5]。

（3）全壽命費(fèi)用。包括一次性造價(jià)與維護(hù)費(fèi)用等。評(píng)價(jià)建筑在全壽命周期過(guò)程中，能否合理運(yùn)用新型生態(tài)環(huán)保技術(shù)和管理方法，從全壽命周期角度出發(fā)研究建筑成本與回報(bào)。

（4）施工便利性。評(píng)價(jià)建筑設(shè)計(jì)在施工中是否有較好的可操作性，在施工方式上能有較大的可選擇空間，顯著縮短結(jié)構(gòu)施工周期，使建筑能更早地投入使用，帶來(lái)可觀的經(jīng)濟(jì)效益。

2.3.2 適用性

評(píng)價(jià)在保證結(jié)構(gòu)安全的基礎(chǔ)上，建筑結(jié)構(gòu)對(duì)建筑功能、設(shè)備與設(shè)施正常運(yùn)行的影響。

（1）功能完善性。評(píng)價(jià)建筑是否滿(mǎn)足用戶(hù)的使用需求，包括：空間布局是否具有明確的功能分區(qū)；空間組合、劃分時(shí)是否以主要空間為核心，次要空間的安排是否有利于主要空間功能的發(fā)揮；空間的聯(lián)系與隔離是否合理。

（2）室內(nèi)空間的可改造性。評(píng)價(jià)在保證建筑使用過(guò)程中在對(duì)主要結(jié)構(gòu)部件、設(shè)備管井等盡可能減少改動(dòng)的前提下，充分利用住宅實(shí)體空間功能變化的內(nèi)在潛力。這種潛力是能在明確的住宅空間格局中，在一定的程度上適應(yīng)不同居住者或居住群體的各自需求。同一空間格局應(yīng)具有適應(yīng)多種使用功能并擴(kuò)展其用途的能力，例如住宅在適應(yīng)居住的同時(shí)，延展出的諸如個(gè)體型辦公或小型商務(wù)的功效，而無(wú)須將住宅空間布局結(jié)構(gòu)調(diào)整與改變以適應(yīng)其功能變化，從而能夠延長(zhǎng)住宅合理的使用壽命和住宅品質(zhì)。

2.3.3 安全

確保整個(gè)結(jié)構(gòu)體系的安全性能，達(dá)到建筑結(jié)構(gòu)既安全耐用又經(jīng)濟(jì)合理的目標(biāo)[3]。故應(yīng)評(píng)價(jià)建筑在結(jié)構(gòu)自重、地基變形、預(yù)加壓力、混凝土收縮變形等永久作用，風(fēng)荷載、雪荷載、冰荷載、溫度變化等可變作用以及地震、爆炸、撞擊、火災(zāi)等偶然作用下而不發(fā)生破壞的能力，其中特別強(qiáng)調(diào)抗震的相應(yīng)指標(biāo)。

（1）平、立面結(jié)構(gòu)形式與布置。評(píng)價(jià)建筑承重結(jié)構(gòu)的空間分布，要求布置盡量避免構(gòu)件處于復(fù)雜受力狀態(tài)，在滿(mǎn)足承載力的條件下，符合功能的要求。建筑及其抗側(cè)力結(jié)構(gòu)的平面布置宜規(guī)則、對(duì)稱(chēng)，并應(yīng)具有良好的整體性；建筑的立面和豎向剖面宜規(guī)則，結(jié)構(gòu)的側(cè)向剛度宜均勻變化，豎向抗側(cè)力構(gòu)件的截面尺寸和材料強(qiáng)度宜自下而上逐漸減少，避免抗側(cè)力結(jié)構(gòu)的側(cè)向剛度和承載力突變。豎向布置力求均勻和連續(xù)，盡可能使豎向剛度、強(qiáng)度均勻變化，避免出現(xiàn)薄弱層，并應(yīng)盡可能降低房屋的重心。此外，如通過(guò)對(duì)結(jié)構(gòu)墻、柱的布局和墻肢長(zhǎng)短的調(diào)節(jié)，使不規(guī)則的建筑體型和平面布置產(chǎn)生規(guī)則結(jié)構(gòu)的效應(yīng)，同樣可以使建筑結(jié)構(gòu)達(dá)到經(jīng)濟(jì)合理和安全耐用的預(yù)定目標(biāo)[5]。

（2）抗震結(jié)構(gòu)體系的設(shè)計(jì)。評(píng)價(jià)建筑抗震體系抗震能力大小，應(yīng)具備必要的抗震承載力，良好的變形能力和消耗地震能量的能力，應(yīng)避免因部分結(jié)構(gòu)或構(gòu)件破壞、薄弱樓層屈服而導(dǎo)致整個(gè)結(jié)構(gòu)喪失抗震能力或?qū)χ亓奢d的承載能力，并合理設(shè)置防震構(gòu)造措施。此外，在地震力作用下建筑倒塌的主要原因，也大多是由于墻、柱等豎向構(gòu)件首先遭到破壞所致。為此，在實(shí)際的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)工作中，如不同構(gòu)件采用不同的安全系數(shù)的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)原則，對(duì)獨(dú)立構(gòu)件、靜定結(jié)構(gòu)和豎向構(gòu)件應(yīng)采用較大的安全系數(shù)，而對(duì)樓板和樓蓋梁的安全系數(shù)可予以適當(dāng)降低，這樣處理既可以降低工程造價(jià)，又可提高結(jié)構(gòu)的綜合安全度。

（3）多道抗震設(shè)防。多道抗震防線對(duì)抗震結(jié)構(gòu)是必要的，當(dāng)?shù)谝坏婪谰€的抗側(cè)力構(gòu)件在強(qiáng)烈地震襲擊下遭到破壞后，后備的第二道至第三道防線的抗側(cè)力構(gòu)件立即接替，抵擋住后續(xù)的地震的沖擊，可保證建筑物最低限度的安全，免于倒塌。

（4）施工質(zhì)量。評(píng)價(jià)建筑在按照施工工藝施工生產(chǎn)的條件下，構(gòu)件質(zhì)量由于工人操作的不穩(wěn)定性造成實(shí)際與設(shè)計(jì)的偏差，如混凝土的密實(shí)度、強(qiáng)度，鋼筋接茬，構(gòu)件尺寸等是否滿(mǎn)足要求。

（5）其它災(zāi)害防御。評(píng)價(jià)建筑結(jié)構(gòu)對(duì)火災(zāi)、防盜等人為災(zāi)害及龍卷風(fēng)、雪災(zāi)、泥石流、洪水等自然災(zāi)害的防范措施設(shè)計(jì)。

（6）基于抗震防災(zāi)的基地選址。評(píng)價(jià)建筑所處位置的有無(wú)不良地質(zhì)現(xiàn)象，其成因、分布范圍、地震效應(yīng)，有無(wú)新構(gòu)造運(yùn)動(dòng)，該地區(qū)的地層結(jié)構(gòu)，和巖土的物理力學(xué)性質(zhì)，地下水的埋藏條件，水位變化幅度與規(guī)律及其腐蝕性。此外，應(yīng)使結(jié)構(gòu)自振周期避開(kāi)場(chǎng)地特征周期。

2.3.4 美觀

基于社會(huì)生態(tài)效益進(jìn)行評(píng)價(jià)，應(yīng)把建筑美與環(huán)境美列為設(shè)計(jì)的重要內(nèi)容，建筑只有融合地域特色，緊跟時(shí)代步伐，才能完全地實(shí)現(xiàn)建筑的生態(tài)性。

（1）地域性。評(píng)價(jià)是否能做到因地制宜設(shè)計(jì)，整體設(shè)計(jì)考慮當(dāng)?shù)丨h(huán)境的親和性、適應(yīng)性和當(dāng)?shù)貍鹘y(tǒng)建筑文化的傳承性，既能充分體現(xiàn)生態(tài)觀，又能保持多姿多彩的建筑風(fēng)格；居住環(huán)境能否與自然景觀相融合，規(guī)劃布局能否結(jié)合當(dāng)?shù)刈匀粭l件，充分挖掘地方文化內(nèi)涵，突出地域和民俗特色。

（2）時(shí)代性。建筑體現(xiàn)著一個(gè)時(shí)代的物質(zhì)和文化發(fā)展水平，同時(shí)也顯示著那個(gè)時(shí)代的意識(shí)形態(tài)和美學(xué)觀念，因此它總是具有時(shí)代標(biāo)記的意義。

（3）與周?chē)h(huán)境的親和性。評(píng)價(jià)建筑在建筑位置、建筑外形、建筑功能等方面是否與周?chē)ㄖ⒆匀痪拔锵嗷f(xié)調(diào)，相互統(tǒng)一，與城市整體規(guī)劃相符。

2.3.5 建材性?xún)r(jià)比

評(píng)價(jià)建筑建設(shè)與使用過(guò)程中在建筑材料上的資金投入；材料是否具有最優(yōu)性?xún)r(jià)比。

（1）建材易得性。評(píng)價(jià)建筑材料的生產(chǎn)過(guò)程中是否原料來(lái)源廣，生產(chǎn)工藝簡(jiǎn)單，低能耗，利于大范圍推廣與使用。

（2）本地建材。評(píng)價(jià)建筑在建造過(guò)程中是否就地取材，因地制宜地盡量選用當(dāng)?shù)氐摹⒉杉\(yùn)輸便利的材料作為建筑和營(yíng)造環(huán)境的原料和裝飾元素。

2.3.6 建材的生態(tài)性

本指標(biāo)評(píng)價(jià)使用建材是否性能可靠、耐久與長(zhǎng)壽命以及建筑材料的生產(chǎn)，加工，對(duì)原料產(chǎn)地、原料生產(chǎn)工廠等當(dāng)?shù)氐纳鷳B(tài)環(huán)境造成的影響程度。

（1）材料質(zhì)量。評(píng)價(jià)材料的抗拉，抗壓，抗剪，抗扭，抗彎性能，密度以及耐久性，強(qiáng)調(diào)禁止采用高耗能、污染超標(biāo)的材料。

（2）長(zhǎng)壽命建材。評(píng)價(jià)建筑是否使用長(zhǎng)壽命建材，優(yōu)先采用高性能、高強(qiáng)度新型材料，減少構(gòu)件的維修，替換概率，提高建材的利用效率，延長(zhǎng)結(jié)構(gòu)生命周期。

（3）3R建材。評(píng)價(jià)建筑是否使用減量化、再使用和再循環(huán)利用（資源化）建材，即在條件允許的地方，利用可再生的材料作為建筑材料，或在建筑物中增加可再生資源的使用量，減少建筑廢物。

3 結(jié)語(yǔ)

在利用AHP模型構(gòu)建“抗震條件下生態(tài)節(jié)能的鋼混住宅建筑結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)體系”后，可將評(píng)價(jià)體系中有關(guān)控制因素明確地表達(dá)出來(lái)，在統(tǒng)計(jì)有關(guān)專(zhuān)家或有經(jīng)驗(yàn)的專(zhuān)業(yè)人員、用戶(hù)等對(duì)相關(guān)評(píng)價(jià)指標(biāo)的相對(duì)重要性進(jìn)行打分后，構(gòu)造各層次的判斷矩陣，通過(guò)AHP程序在計(jì)算機(jī)上進(jìn)行單排序及總排序計(jì)算，從而得到各層因素相對(duì)于總目標(biāo)的組合權(quán)重值。在求出各基本指標(biāo)權(quán)重值后，可結(jié)合待評(píng)價(jià)設(shè)計(jì)方案或已完成的評(píng)價(jià)對(duì)象對(duì)應(yīng)的各有關(guān)評(píng)價(jià)指標(biāo)所得“評(píng)價(jià)值”，利用改進(jìn)的TOPSIS方法或模糊綜合評(píng)判法等進(jìn)行計(jì)算，即可直觀得出各待評(píng)價(jià)對(duì)象的優(yōu)劣程度[4]，從而實(shí)現(xiàn)鋼混住宅建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案的優(yōu)選，也可用于評(píng)定已有建筑在抗震、生態(tài)節(jié)能方面的優(yōu)劣程度，因此本研究成果具有很強(qiáng)的可操作性。

本研究曾詳細(xì)分析了西安某大學(xué)家屬區(qū)的一些已有多層、高層鋼混住宅的建筑方案，以此為參考，對(duì)形成本綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，起到了重要作用，特向有關(guān)專(zhuān)家及工程技術(shù)人員表示衷心的感謝。

參考文獻(xiàn)：

[1]劉啟泓，田靜峰.基于復(fù)合生態(tài)系統(tǒng)平衡概念的新農(nóng)村居住環(huán)境規(guī)劃設(shè)計(jì)優(yōu)化的原則及綜合評(píng)價(jià)的探討—以陜西關(guān)中地區(qū)農(nóng)村為例 [J].基建管理優(yōu)化，2015（1）.

[2]胡慶昌.多層和高層鋼筋混凝土房屋抗震設(shè)計(jì)規(guī)定：《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》修訂簡(jiǎn)介（九）[J].工程抗震，2000（1）.

[3]楊生龍.多層及高層鋼筋混凝土房屋抗震設(shè)計(jì)[J].城市建設(shè)理論研究 ，2011（30）.

[4]劉啟波，周若祁.綠色住區(qū)綜合評(píng)價(jià)及設(shè)計(jì)準(zhǔn)則[M].北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2006（10）.

[5]吳學(xué)輝，葉中豹，方 宇.綠色建筑中結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范與節(jié)約資源的研究[J].城市建設(shè)理論研究 ，2013（47）.

Abstract： This article from the perspective of building structure design and aim at analyzing the economy， adaptability， security， and beauty of the reinforced concrete residential， as well as the cost of building materials and ecological aspects of performance. Considering the influence factors of seismic performance and ecological energy conservation comprehensively and made an intensive study. Using the analytic hierarchy process （AHP） to create an ecological reinforced concrete residential structure optimization design of the comprehensive evaluation index system based on seismic performance. We hope that the research results can contribute to the optimization design theory of reinforced concrete residential structure in urban and rural areas， andcan provide a reference for the national counterparts.

Key words： seismic performance；ecological energy conservation；reinforced concrete residential；optimization design； AHP