抗震條件下生態節能鋼混住宅建筑結構優化設計探討

曹津銘　范團結　張寧波

摘要：從建筑結構設計的角度出發，針對銅混住宅在經濟、適用、安全、美觀、建材成本與生態性等方面的性能進行了分析，綜合考慮抗震與生態節能的影響因素，并作了較深入的探討.利用層次分析法（AHP）模型構建了抗震條件下生態節能鋼混住宅建筑結構優化設計綜合評價指標體系。以期對城鄉鋼混住宅建筑結構的優化設計理論作出貢獻，并可供全國同行們參考、借鑒。

關鍵詞：抗震，生態節能；鋼混住宅；優化設計；AHP模型

中圖分類號：TU22 文獻標識碼：A 文章編號：1674-9944（2016）08-0149-03

1.引言

在當前城鎮化快速發展的背景下，鋼混住宅建筑在城鄉居住建筑中的占據著最大的比重，而在全國范圍內推廣建設生態節能建筑也已成為必然的大趨勢。我國作為多地震同家，可在抗震條件下結合生態節能的特點，達到優化設計的目的。所謂“優化設計”是指研究問題和尋求解決問題的最優方案，“最優”兩字應理解為在給定條件下得到盡可能滿意的結果。而探索構建符合我國同情的鋼混住宅建筑結構優化設計綜合評價指標體系，是該類住宅方案優化設計的前提，具有重要的理淪意義，并可帶來可觀的社會、經濟、環境效益。

筆者以系統設計法為工具，在生態化理念指導下，進行了實地捌研，應用層次分析法（AHP）構建了鋼}昆住宅建筑結構優化設計綜合評價指標體系，直觀地體現了優化設計的準則，并具有很強的可操作性（圖1）。以期研究成果能對城鄉鋼混住宅建筑結構的優化設計理論作出貢獻，并可供全國同行們參考、借鑒。

2.抗震條件下生態節能鋼混住宅建筑結構優化設計綜合評價指標體系的建立

本綜合評價指標體系分三層，如圖1。

2.1總目標層

總目標層為抗震條件下生態節能鋼混住宅建筑結構優化設計綜合評價，從建筑結構優化設計的角度出發.以節約能源、有效利用資源的方式，建設抗震性能優越、與環境生態相容性高的鋼混住宅建筑，達到人及建筑與環境共生共榮、永續發展。總目標堅持前瞻性和可操作性的有機統一，既要立足當前實際，使目標具有可行性，措施具有可操作性，又要充分考慮發展的需要，使規劃設計方案具有一定的超前性。

2.2子目標層

2.2.1建筑結構設計

在結構設汁能夠實現抗震和生態節能目標的前提下，評價偉宅建筑結構設計是否遵循經濟、適用、安全、美觀的沒計準則，結構設計時應充分考慮建筑功能的完善性和可改造性，提高施工便利性，結合當地地理、地質、氣候條件，盡可能做到節能、節地，降低建筑全壽命周期投資費用，盡可能采用高質量材料，選用有利于抗震減災的平、立面布置方式和結構體系，保證建筑的安全性。注重對當地建筑特色的繼承和保護.體現建筑設計的地域性和時代性。

2.2.2建材使用

評價建筑材料是否符合兼顧生態性、經濟性的指標：是否充分考慮材料的本地性、易得性，鼓勵因地制宜地盡量選用本地的、運輸便利的材料作為建筑的營造原料；是否在條件允許的情況下，利用3R建材作為建筑材料；是否合理使用長壽命材料和環保節能的新材料。

2.3準則層及下轄的基本指標層

2.3.1經濟

評價建筑是否能在設計與建造中，因地制宜、就地取材，做到盡量節省勞動力，節約建筑材料和資金；是否有周密的計劃與核算，重視經濟規律，講究經濟效益；房屋的設計使用要求和技術措施是否與相應的造價、建筑標準統一起來。

（1）節能節地的結構選型。評價建筑的結構形式對建筑節能、節地的影響。一般基于建筑形體、幾何形式展開，通過結構選型的優化設計，增加可使用空間；合理控制住宅體型，實現土地資源的集約有效利用；結構形式應有利于改善住宅圍護結構的熱工性能和室內外物理環境，增加建筑對可再生能源的利用，以達到節能的目的。

（2）與當地地理、地質、氣候的適應性。評價建筑與當地自然環境的適應性問題，由于不同地區所處的緯度不同，在太陽輻射量、溫度、濕度、季節周期及地理、地質條件上存在明顯差異，為滿足建筑經濟性要求、節約造價，建筑的布局以及功能組織、空間形式、構造等方面應合理利用當地地理、地質、氣候等有利條件。

（3）全壽命費用。包括一次性造價與維護費用等。評價建筑在全壽命周期過程中，能否合理運用新型生態環保技術和管理方法，從全壽命周期角度出發研究建筑成本與回報。

（4）施工便利性。評價建筑設計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，顯著縮短結構施工周期，使建筑能更早地投入使用，帶來可觀的經濟效益。

2.3.2適用性

評價在保證結構安全的基礎上，建筑結構對建筑功能、設備與設施正常運行的影響。

（1）功能完善性。評價建筑是否滿足用戶的使用需求，包括：空間布局是否具有明確的功能分區；空間組合、劃分時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揮；空間的聯系與隔離是否合理。

（2）室內空間的可改造性。評價在保證建筑使用過程中在對主要結構部件、設備管井等盡可能減少改動的前提下，充分利用住宅實體空間功能變化的內在潛力。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不同居住者或居住群體的各自需求。同一空間格局應具有適應多種使用功能并擴展其用途的能力，例如住宅在適應居住的同時，延展出的諸如個體型辦公或小型商務的功效，而無須將住宅空間布局結構調整與改變以適應其功能變化，從而能夠延長住宅合理的使用壽命和住宅品質。

2.3.3安全

確保整個結構體系的安全性能，達到建筑結構既安全耐用又經濟合理的目標。故應評價建筑在結構自重、地基變形、預加壓力、混凝土收縮變形等永久作用，風荷載、雪荷載、冰荷載、溫度變化等可變作用以及地震、爆炸、撞擊、火災等偶然作用下而不發生破壞的能力，其中特別強調抗震的相應指標。

（1）平、立面結構形式與布置。評價建筑承重結構的空間分布，要求布置盡量避免構件處于復雜受力狀態，在滿足承載力的條件下，符合功能的要求。建筑及其抗側力結構的平面布置宜規則、對稱，并應具有良好的整體性；建筑的立面和豎向剖面宜規則，結構的側向剛度宜均勻變化，豎向抗側力構件的截面尺寸和材料強度宜自下而上逐漸減少，避免抗側力結構的側向剛度和承載力突變。豎向布置力求均勻和連續，盡可能使豎向剛度、強度均勻變化，避免出現薄弱層，并應盡可能降低房屋的重心。此外，如通過對結構墻、柱的布局和墻肢長短的調節，使不規則的建筑體型和平面布置產生規則結構的效應，同樣可以使建筑結構達到經濟合理和安全耐用的預定目標。

（2）抗震結構體系的設計。評價建筑抗震體系抗震能力大小，應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，應避免因部分結構或構件破壞、薄弱樓層屈服而導致整個結構喪失抗震能力或對重力荷載的承載能力，并合理設置防震構造措施。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、柱等豎向構件首先遭到破壞所致。為此，在實際的結構設計工作中，如不同構件采用不同的安全系數的結構優化設計原則，對獨立構件、靜定結構和豎向構件應采用較大的安全系數，而對樓板和樓蓋梁的安全系數可予以適當降低，這樣處理既可以降低工程造價，又可提高結構的綜合安全度。

（3）多道抗震設防。多道抗震防線對抗震結構是必要的，當第一道防線的抗側力構件在強烈地震襲擊下遭到破壞后，后備的第二道至第_一道防線的抗側力構件立即接替，抵擋住后續的地震的沖擊，可保證建筑物最低限度的安全，免于倒塌。

（4）施工質量。評價建筑在按照施工工藝施工生產的條件下，構件質量由于工人操作的不穩定性造成實際與設計的偏差，如混凝土的密實度、強度，鋼筋接茬，構件尺寸等是否滿足要求。

（5）其它災害防御。評價建筑結構對火災、防盜等人為災害及龍卷風、雪災、泥石流、洪水等自然災害的防范措施設計。

（6）基于抗震防災的基地選址。評價建筑所處位置的有無不良地質現象，其成因、分布范圍、地震效應，有無新構造運動，該地區的地層結構，和巖土的物理力學性質，地下水的埋藏條件，水位變化幅度與規律及其腐蝕性。此外，應使結構自振周期避開場地特征周期。

2.3.4美觀

基于社會生態效益進行評價，應把建筑美與環境美列為設計的重要內容，建筑只有融合地域特色，緊跟時代步伐，才能完全地實現建筑的生態性。

（1）地域性。評價是否能做到因地制宜設計，整體設計考慮當地環境的親和性、適應性和當地傳統建筑文化的傳承性，既能充分體現生態觀，又能保持多姿多彩的建筑風格；居住環境能否與自然景觀相融合，規劃布局能否結合當地自然條件，充分挖掘地方文化內涵，突出地域和民俗特色。

（2）時代性。建筑體現著一個時代的物質和文化發展水平，同時也顯示著那個時代的意識形態和美學觀念，因此它總是具有時代標記的意義。

（3）與周圍環境的親和性。評價建筑在建筑位置、建筑外形、建筑功能等方面是否與周圍建筑、自然景物相互協調，相互統一，與城市整體規劃相符。

2.3.5建材性價比

評價建筑建設與使用過程中在建筑材料上的資金投入；材料是否具有最優性價比。

（1）建材易得性。評價建筑材料的生產過程中是否原料來源廣，生產工藝簡單，低能耗，利于大范圍推廣與使用。

（2）本地建材。評價建筑在建造過程中是否就地取材，因地制宜地盡量選用當地的、采集運輸便利的材料作為建筑和營造環境的原料和裝飾元素。

2.3.6建材的生態性

本指標評價使用建材是否性能可靠、耐久與長壽命以及建筑材料的生產，加工，對原料產地、原料生產工廠等當地的生態環境造成的影響程度。

（1）材料質量。評價材料的抗拉，抗壓，抗剪，抗扭，抗彎性能，密度以及耐久性，強調禁止采用高耗能、污染超標的材料。

（2）長壽命建材。評價建筑是否使用長壽命建材，優先采用高性能、高強度新型材料，減少構件的維修，替換概率，提高建材的利用效率，延長結構生命周期。

（3）3R建材。評價建筑是否使用減量化、再使用和冉循環利用（資源化）建材，即在條件允許的地方，利用可冉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.結語

在利用AHP模型構建“抗震條件下生態節能的鋼混住宅建筑結構優化沒計綜合評價指標體系”后，可將評價體系中有關控制因素明確地表達出來，在統計有關專家或有經驗的專業人員、用戶等對相關評價指標的相對重要性進行打分后，構造各層次的判斷矩陣，通過AHP程序在計算機上進行單排序及總排序汁算，從而得到各層因素相對于總目標的組合權重值。在求出各基本指標權重值后，可結合待評價設計方案或已完成的評價對象對應的各有關評價指標所得“評價值”，利用改進的TOPSIS方法或模糊綜合評判法等進行計算，即可直觀得出各待評價對象的優劣程度，從而實現鋼混住宅建筑結構設計方案的優選，也可用于評定已有建筑在抗震、生態節能方面的優劣程度，岡此本研究成果具有很強的可操作性。

本研究曾詳細分析了西安某大學家屬區的一些已有多層、高層鋼混住宅的建筑方案，以此為參考，對形成本綜合評價指標體系，起到了重要作用，特向有關專家及工程技術人員表示衷心的感謝。