結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)在綠色建筑中的應(yīng)用

關(guān)朝江 （安徽省建筑設(shè)計(jì)研究總院股份有限公司，安徽 合肥 230601）

0 前言

綠色建筑指在全壽周期內(nèi)，最大限度地節(jié)約資源（節(jié)能、節(jié)地、節(jié)水、節(jié)材）、保護(hù)環(huán)境和減少污染，為人們提供健康、舒適和高效的使用空間，與自然和諧共生的建筑物[2]。而結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)，可以達(dá)到節(jié)約資源和提供舒適高效的使用空間的效果，促進(jìn)綠色建筑的發(fā)展，符合當(dāng)前國(guó)家的可持續(xù)發(fā)展道路。

1 具體工程概況

本工程為安徽省建筑設(shè)計(jì)研究總院股份有限公司的辦公樓，綠色建筑等級(jí)為三星級(jí)，位于安徽省合肥市蜀山區(qū)。建筑地上17層，地下2層，總建筑面積28040m2，長(zhǎng)59.8m寬26m，高度74.7m，采用鋼筋混凝土框架剪力墻結(jié)構(gòu)。建筑結(jié)構(gòu)的安全等級(jí)為二級(jí)，結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)使用年限為50年，抗震設(shè)防類別為丙類，抗震設(shè)防烈度為7度，設(shè)計(jì)基本地震加速度值為0.10g，設(shè)計(jì)地震分組為第一組。

本工程根據(jù)《綠色建筑評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)》（JGB/T 50378-2014）[2]及《綠色建筑設(shè)計(jì)導(dǎo)則》（DBHJ/T010-2014）[3]的相關(guān)規(guī)定，進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)，達(dá)到節(jié)材效果，并為建筑空間的舒適、高效布置創(chuàng)造條件。本工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)進(jìn)行了基礎(chǔ)選型、結(jié)構(gòu)體系、結(jié)構(gòu)構(gòu)件等優(yōu)化比選，本文就結(jié)構(gòu)構(gòu)件的優(yōu)化比選作詳細(xì)闡述。

2 結(jié)構(gòu)構(gòu)件優(yōu)化

2.1 豎向構(gòu)件布置

優(yōu)化豎向結(jié)構(gòu)布置，提高對(duì)建筑布局的適應(yīng)性，為建筑功能變化和靈活使用創(chuàng)造條件。本工程標(biāo)準(zhǔn)層（圖1）為大空間辦公，中間框架柱對(duì)建筑使用功能影響較大，對(duì)是否取消建筑內(nèi)部框架柱進(jìn)行了優(yōu)化對(duì)比，對(duì)比結(jié)果詳見表1。

圖1 標(biāo)準(zhǔn)層平面布置

內(nèi)部的框架柱去留的方案優(yōu)選比較 表1

通過優(yōu)選比較，可以得出以下結(jié)論：①去除標(biāo)準(zhǔn)層中間4根框架柱，鋼筋用量增加6.4%，混凝土用量增加1.8%；②工位數(shù)增加12.5%，且視野開闊，在空間的使用上舒適性較好。可見節(jié)約資源和舒適高效的使用空間之間存在矛盾關(guān)系，需要進(jìn)行方案優(yōu)選，選出更加符合綠色建筑的結(jié)構(gòu)方案。本工程使用空間增加的量高于材料增加的量，因此采用普通大跨框架。

2.2 抗側(cè)力構(gòu)件布置

①優(yōu)化豎向抗側(cè)移構(gòu)件布置，其側(cè)向剛度沿豎向宜均勻變化、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小、避免側(cè)向剛度和承載力突變。本工程F1層層高6000,F9層層高5700，其余各層層高4200，特別容易出現(xiàn)側(cè)向剛度不規(guī)則和樓層承載力突變，因此設(shè)計(jì)時(shí)在增大F1層、F9層剪力墻厚度、框架柱截面尺寸和減少相鄰層豎向構(gòu)件截面尺寸之間進(jìn)行優(yōu)化比較，在各項(xiàng)計(jì)算控制指標(biāo)滿足的情況下選用混凝土材料用量最小的布置方案。

②優(yōu)化抗側(cè)移構(gòu)件布置，抗側(cè)力構(gòu)件的平面布置宜規(guī)則對(duì)稱，弱化中部結(jié)構(gòu)剛度，增加結(jié)構(gòu)的抗扭剛度，解決結(jié)構(gòu)扭轉(zhuǎn)不規(guī)則。本工程平面凹凸規(guī)則，但平面呈矩形，X向抗側(cè)剛度大，Y向抗側(cè)剛度小，扭轉(zhuǎn)明顯，設(shè)計(jì)時(shí)進(jìn)行以下優(yōu)化：增大兩端Y向剪力墻厚度、減小X向墻厚，增大兩端框架梁截面、減少中間區(qū)框架梁截面，增加抗側(cè)移剛度。

優(yōu)化前后的結(jié)果見表2。

通過表2可以得出，優(yōu)化后的結(jié)構(gòu)扭轉(zhuǎn)位移比、扭轉(zhuǎn)周期比均符合要求。對(duì)抗側(cè)力構(gòu)件布置進(jìn)行優(yōu)化，滿足抗震概念設(shè)計(jì)，雖然材料用量變化不大，但避免了結(jié)構(gòu)的不規(guī)則，提高了結(jié)構(gòu)的抗震性能。

優(yōu)化前后的結(jié)果比較 表2

2.3 樓蓋布置

本工程樓蓋結(jié)構(gòu)確定采用鋼筋混凝土現(xiàn)澆梁板結(jié)構(gòu)，在結(jié)構(gòu)布置中對(duì)梁的布置方式、梁截面、板厚等進(jìn)行優(yōu)化比較，確定最合適、最節(jié)材的布置方式。主要遵循以下原則：

①梁布置方式首先應(yīng)滿足建筑功能及空間要求，適應(yīng)建筑使用及舒適要求。

②梁、板截面應(yīng)滿足抗剪、抗彎、撓度等受力要求下，盡可能減小其截面，從而減少結(jié)構(gòu)自重、減少材料的損耗。

③梁、板截面尺寸尚應(yīng)考慮設(shè)備專業(yè)在樓板內(nèi)預(yù)埋管線、設(shè)備管穿梁等需求。由于消防水管等對(duì)建筑凈高影響較大，在保證梁承載力條件下允許設(shè)備管穿梁，從而減少層高、減少建筑總高度、減少隔墻及外圍護(hù)結(jié)構(gòu)的材料損耗，梁截面高度不宜小于設(shè)備穿管直徑的3倍。

以下列舉了標(biāo)準(zhǔn)層次梁的兩種布置方案，對(duì)比如圖2、圖3所示，對(duì)比結(jié)果見表3。

圖2 標(biāo)準(zhǔn)層平面布置方案一

圖3 標(biāo)準(zhǔn)層平面布置方案二

兩種結(jié)構(gòu)布置方案比較 表3

通過表3的比較，可以得出單向次梁布置的方案一材料損耗小，燈具、噴淋點(diǎn)位布置更自由，Y向設(shè)備管穿梁最少，極大的減少施工的繁瑣程度，間接的減少模板和套管的損耗。

3 材料選用

本工程鋼筋選用HRB500和HRB400級(jí)高強(qiáng)鋼筋，以減少單位建筑面積的鋼筋用量，達(dá)到節(jié)材與節(jié)能減排的目的；選用預(yù)拌砂漿和預(yù)拌混凝土以減少環(huán)境污染、便于文明施工；豎向構(gòu)件選用高強(qiáng)混凝土，減小截面尺寸，降低資源消耗，并減少面積占用。

4 結(jié)語(yǔ)

結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)可以從構(gòu)件布置、材料選用等方面考慮，達(dá)到節(jié)約資源、減少污染以及提供舒適高效的使用空間的效果，以提高綠色建筑的等級(jí)。為進(jìn)一步的從結(jié)構(gòu)上促進(jìn)綠色建筑的發(fā)展，有必要對(duì)新材料和新技術(shù)在結(jié)構(gòu)上的應(yīng)用進(jìn)行研究。