基于綠色節(jié)能理念的建筑結(jié)構(gòu)優(yōu)化研究

謝衛(wèi)軍

（中海油石化工程有限公司）

1 建筑結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)中存在的問(wèn)題

1.1 基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)中的問(wèn)題

基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)是指對(duì)建筑的樁基礎(chǔ)、擴(kuò)大基礎(chǔ)、鋼筋混凝土基礎(chǔ)等不同類別的基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，使得建筑基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)的耐久性、安全性、經(jīng)濟(jì)性符合相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范。當(dāng)前，建筑結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)中存在一些影響結(jié)構(gòu)功能與性能的問(wèn)題，主要體現(xiàn)在，其一，建筑地基基礎(chǔ)沉降不均，以筏形基礎(chǔ)為例，基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)的上部剛度較大，可以在一定程度上改善筏形基礎(chǔ)的筏板受力狀態(tài)，但基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)上部存在次應(yīng)力會(huì)影響筏形基礎(chǔ)的功能與性能[1]。若是樁基礎(chǔ)布樁時(shí)無(wú)法精準(zhǔn)測(cè)算彎矩作用下承臺(tái)底部邊樁的受力情況，樁基礎(chǔ)的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)將下降。其二，基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)時(shí)，部分設(shè)計(jì)單位未能結(jié)合工程所在區(qū)域的巖土工程地質(zhì)情況合理設(shè)計(jì)地下空間，未能為地下儲(chǔ)藏室、地下車庫(kù)留足空間，未能實(shí)現(xiàn)土地資源的集約化、合理化、高效化利用。其三，建筑基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)時(shí)未能充分考量沉降縫設(shè)置、地基基礎(chǔ)選型、地下埋深參數(shù)等，導(dǎo)致基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)不高，后期容易產(chǎn)生地基沉降等質(zhì)量問(wèn)題[2]。其四，建筑基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)方案的編制與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際工程地質(zhì)狀況吻合度不高，地基基礎(chǔ)選型與基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)方案未能經(jīng)過(guò)充分的比較分析與論證研究，缺少科學(xué)論證依據(jù)支持。

1.2 結(jié)構(gòu)體系優(yōu)化設(shè)計(jì)中的問(wèn)題

建筑結(jié)構(gòu)體系包括混凝土結(jié)構(gòu)體系、砌體結(jié)構(gòu)體系等，其優(yōu)化設(shè)計(jì)中的問(wèn)題主要體現(xiàn)在材料選型不合理、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不科學(xué)方面。其一，建筑結(jié)構(gòu)體系優(yōu)化設(shè)計(jì)時(shí)，不少設(shè)計(jì)單位考慮到混凝土的抗拉強(qiáng)度不高，會(huì)優(yōu)先選用鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，材料的配比與攪拌過(guò)程存在大量的砂石與水泥浪費(fèi)問(wèn)題，鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)應(yīng)用也較容易導(dǎo)致結(jié)構(gòu)性裂縫。在特殊的建筑布局以及現(xiàn)場(chǎng)氣候環(huán)境條件下，混凝土結(jié)構(gòu)的補(bǔ)強(qiáng)修復(fù)存在諸多困難，限制了混凝土結(jié)構(gòu)在建筑結(jié)構(gòu)體系優(yōu)化設(shè)計(jì)中的應(yīng)用[3]。其二，建筑結(jié)構(gòu)體系優(yōu)化設(shè)計(jì)時(shí)對(duì)施工材料的混合使用把控不嚴(yán)格，例如一些設(shè)計(jì)單位選用砌體結(jié)構(gòu)體系時(shí)，未能科學(xué)設(shè)置圈梁與構(gòu)造柱，混凝土與鋼筋的配比不科學(xué)，導(dǎo)致建筑橫向與豎向的剛度存在分布不均衡問(wèn)題，建筑的抗震性能與力學(xué)性能降低，安全隱患增加。此外，部分設(shè)計(jì)人員在開展建筑結(jié)構(gòu)體系優(yōu)化設(shè)計(jì)時(shí)，未能充分集成結(jié)構(gòu)分析結(jié)果與建筑空間布局優(yōu)化結(jié)構(gòu)體系設(shè)計(jì)方案，導(dǎo)致設(shè)計(jì)方案中的施工材料配置過(guò)多，材料浪費(fèi)現(xiàn)象嚴(yán)重，配件與相配材料用量設(shè)計(jì)不合理[4]。

1.3 結(jié)構(gòu)構(gòu)件優(yōu)化設(shè)計(jì)中的問(wèn)題

建筑結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)的目標(biāo)是在滿足建筑使用的功能性需求的同時(shí)，提高建筑物的耐久性與安全性。結(jié)構(gòu)構(gòu)件的優(yōu)化設(shè)計(jì)是建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中非常重要的一個(gè)環(huán)節(jié)，涉及樓板、屋頂、梁、柱子、墻壁等諸多構(gòu)件，用于承受建筑結(jié)構(gòu)體系的基礎(chǔ)沉降、內(nèi)部荷載以及地震、強(qiáng)風(fēng)等帶來(lái)的外部荷載[5]。但是當(dāng)前建筑結(jié)構(gòu)構(gòu)件優(yōu)化設(shè)計(jì)中存在構(gòu)件設(shè)計(jì)不合理，構(gòu)件體系抗力不足等問(wèn)題。例如構(gòu)件的高度設(shè)計(jì)過(guò)低、寬度設(shè)計(jì)過(guò)薄、混凝土保護(hù)層厚度不足、箍筋間距過(guò)小、混凝土強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)不同等，都會(huì)影響建筑結(jié)構(gòu)的抗震性與耐久性[6]。此外，建筑結(jié)構(gòu)構(gòu)件優(yōu)化設(shè)計(jì)中，若是對(duì)建筑功能、柱網(wǎng)跨度、荷載大小等缺乏綜合考量，結(jié)構(gòu)構(gòu)件的材料用量將增加，建筑結(jié)構(gòu)構(gòu)件優(yōu)化設(shè)計(jì)的節(jié)能性不足。

2 綠色節(jié)能理念在建筑結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

2.1 綠色節(jié)能理念下建筑結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)原則

2.1.1 節(jié)約原則

建筑結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)應(yīng)遵循節(jié)約原則，著眼于建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中存在的資源浪費(fèi)、環(huán)境污染問(wèn)題進(jìn)行結(jié)構(gòu)性優(yōu)化設(shè)計(jì)，在充分利用土地資源、提高空間集約化與利用率的基礎(chǔ)上降低建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案的能耗量與材料用量，減少暖通空調(diào)系統(tǒng)與照明系統(tǒng)的使用，推進(jìn)建筑使用過(guò)程中的節(jié)水節(jié)電[7]。

2.1.2 舒適原則

建筑結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)應(yīng)充分考慮建筑的功能特點(diǎn)以及空間布局，在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中充分運(yùn)用自然資源如自然光、自然風(fēng)等，為建筑采光、采暖與通風(fēng)提供更加舒適天然的環(huán)境，滿足建筑多樣、豐富的功能設(shè)計(jì)需要。同時(shí)，建筑結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)應(yīng)通過(guò)空間結(jié)構(gòu)的合理利用與最大化處理為住戶提供更舒適的居住空間。

2.1.3 整體和諧原則

綠色節(jié)能理念下的建筑結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)應(yīng)充分體現(xiàn)與自然環(huán)境的整體和諧性、與生態(tài)系統(tǒng)可持續(xù)發(fā)展的整體平衡性。結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)應(yīng)結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)的氣候環(huán)境條件因地制宜，如緯度較低、氣候常年炎熱濕潤(rùn)的區(qū)域，其建筑結(jié)構(gòu)多采用外廊式，內(nèi)部以大開間、通透式為主，滿足室內(nèi)通風(fēng)與防潮的需要，改善建筑室內(nèi)居住環(huán)境[8]。如在我國(guó)季風(fēng)性氣候?yàn)橹鞯膮^(qū)域，其建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)采用向南向西15°設(shè)計(jì)，利用當(dāng)?shù)匾荒晁募镜闹鲗?dǎo)風(fēng)向提高建筑室內(nèi)的自然通風(fēng)條件，減少暖通空調(diào)系統(tǒng)的使用。

2.2 建筑結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)方案

2.2.1 建筑整體與局部結(jié)構(gòu)優(yōu)化

建筑結(jié)構(gòu)是由柱、墻、基礎(chǔ)、梁、板等建筑構(gòu)件構(gòu)成的骨架結(jié)構(gòu)，可以承受各構(gòu)件的相互作用力以及外部荷載力。在建筑結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)對(duì)各個(gè)局部結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。在基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)上，應(yīng)根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際巖土工程地質(zhì)情況以及建筑層高與功能特點(diǎn)等選擇適宜的地基基礎(chǔ)類型，充分利用地下空間設(shè)計(jì)儲(chǔ)藏室與停車場(chǎng)，合理設(shè)計(jì)樁基礎(chǔ)埋深、設(shè)置沉降縫，并通過(guò)科學(xué)地對(duì)比論證確定最終基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案。在結(jié)構(gòu)體系優(yōu)化設(shè)計(jì)上，當(dāng)前常用的建筑結(jié)構(gòu)體系包括混合結(jié)構(gòu)體系、框架結(jié)構(gòu)體系、剪力墻結(jié)構(gòu)體系、框架剪力墻結(jié)構(gòu)體系等，其中混合結(jié)構(gòu)體系具有較好的側(cè)向剛度，其平面柔性不足，更多應(yīng)用于層數(shù)在6 層內(nèi)的建筑工程；框架結(jié)構(gòu)體系具有良好的力學(xué)性能，對(duì)于水平與垂直方向的載荷具有較好的承受能力，更多應(yīng)用于層數(shù)在15層內(nèi)的建筑工程；剪力墻結(jié)構(gòu)體系的側(cè)向剛度優(yōu)于混合結(jié)構(gòu)體系，但其空間布局受限，墻體之間空間狹小，不適宜用于公共建筑工程。結(jié)構(gòu)體系優(yōu)化設(shè)計(jì)應(yīng)綜合考慮建筑的層高、層數(shù)、平立面、荷載、柱網(wǎng)大小等選擇適宜的結(jié)構(gòu)體系，積極采用新型結(jié)構(gòu)。例如，可以使用格子墻，這是一種自壓縮的非振動(dòng)結(jié)構(gòu)，通過(guò)混凝土和結(jié)構(gòu)梁的有效結(jié)合，可以在膜殼中形成新型的混凝土墻。在使用格子墻時(shí)，應(yīng)根據(jù)建筑墻的需要調(diào)整膜殼的形狀[9]。同時(shí)，應(yīng)計(jì)算抗壓強(qiáng)度，防水抗凍性數(shù)據(jù)，以確保結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的效果。在結(jié)構(gòu)構(gòu)件優(yōu)化設(shè)計(jì)上，應(yīng)盡可能選用工業(yè)化批量生產(chǎn)的預(yù)制構(gòu)件，一方面可以減少構(gòu)件定制化加工生產(chǎn)產(chǎn)生的資源浪費(fèi)與環(huán)境污染，保證建筑結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)的節(jié)能性要求；一方面可以通過(guò)高精度的結(jié)構(gòu)構(gòu)件提高建筑結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)的精度與質(zhì)量。

2.2.2 建筑結(jié)構(gòu)階段性優(yōu)化與壽命優(yōu)化

建筑結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)應(yīng)充分考慮建筑結(jié)構(gòu)的階段性優(yōu)化，通過(guò)概念優(yōu)化設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)布置設(shè)計(jì)、構(gòu)件截面設(shè)計(jì)、地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)、構(gòu)造措施設(shè)計(jì)等環(huán)節(jié)完成建筑結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)。根據(jù)建筑功能特點(diǎn)科學(xué)確定建筑結(jié)構(gòu)布置方式后，需對(duì)建筑結(jié)構(gòu)的受力情況進(jìn)行量化分析，以確定最優(yōu)的結(jié)構(gòu)參數(shù)，保證建筑結(jié)構(gòu)的耐久性與安全性。以鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)為例，設(shè)計(jì)人員需要有效控制建筑物的自重，有效地調(diào)整垂直結(jié)構(gòu)元件的載荷和重力，并確保建筑工程的安全性和質(zhì)量，充分發(fā)揮鋼結(jié)構(gòu)的施工優(yōu)勢(shì)。鋼結(jié)構(gòu)階段性優(yōu)化設(shè)計(jì)需要多方面綜合考慮，首先，在豎向結(jié)構(gòu)荷載設(shè)計(jì)方面，設(shè)計(jì)人員需要明白每個(gè)建筑物的自重和其高度具有不可分割的函數(shù)關(guān)系，建筑物在軸線力作用下也會(huì)產(chǎn)生彎矩效應(yīng)，鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)科學(xué)分析，合理規(guī)劃建筑物的水平和垂直方向荷載，以確保這兩個(gè)方向的荷載平衡和整個(gè)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。其次，在超高層建筑鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過(guò)程中，設(shè)計(jì)師應(yīng)科學(xué)設(shè)計(jì)偏心受力構(gòu)件中軸向作用點(diǎn)至形心的距離，明確鋼結(jié)構(gòu)偏心差產(chǎn)生不均勻力矩，可能會(huì)導(dǎo)致建筑工程整體安全性出現(xiàn)問(wèn)題。最后，在鋼結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)過(guò)程中，應(yīng)善于利用BIM技術(shù)建立三維立體模型，并使用信息技術(shù)來(lái)驗(yàn)證設(shè)計(jì)的正確性，以確保鋼結(jié)構(gòu)的安全及對(duì)生態(tài)環(huán)境的保護(hù)。在結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)計(jì)與優(yōu)化時(shí)，可利用數(shù)學(xué)規(guī)劃法與有限元軟件，通過(guò)參數(shù)估計(jì)與有限元軟件的無(wú)限逼近功能迭代得到參數(shù)的最優(yōu)解，實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)參數(shù)的優(yōu)化設(shè)計(jì)。設(shè)計(jì)人員應(yīng)立足建筑結(jié)構(gòu)的整體使用期限，對(duì)建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案在不同階段內(nèi)的合理性進(jìn)行論證，切實(shí)延長(zhǎng)建筑工程的整體使用期限。

2.2.3 建筑結(jié)構(gòu)協(xié)調(diào)優(yōu)化

建筑結(jié)構(gòu)協(xié)調(diào)優(yōu)化是指建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與建筑整體設(shè)計(jì)相互協(xié)調(diào)，建筑結(jié)構(gòu)與建筑整體的重心、剛心與質(zhì)心應(yīng)當(dāng)正確交疊，以免交疊度不足而影響建筑結(jié)構(gòu)的實(shí)用性。在功能上滿足建筑的功能特點(diǎn)，在性能上保證建筑的力學(xué)性能、耐久性、安全性與經(jīng)濟(jì)性。例如，在對(duì)建筑上部結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，可利用軟件構(gòu)建上部結(jié)構(gòu)模型，并通過(guò)模型計(jì)算分析確定平面剛度中心點(diǎn)以及樓層整體結(jié)構(gòu)重心，同時(shí)調(diào)整軟件中的建筑結(jié)構(gòu)參數(shù)使得二者交疊重合，提高建筑的安全性與抗震性能。建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)應(yīng)盡可能簡(jiǎn)潔簡(jiǎn)約，因裝飾性構(gòu)件無(wú)法承擔(dān)導(dǎo)光、載物、遮陽(yáng)等功能，應(yīng)減少裝飾性構(gòu)件在建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的使用，構(gòu)建物資循環(huán)利用體系，減少資源浪費(fèi)。在對(duì)墻體、門窗、屋面等圍護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，可以采用綠色屋頂建設(shè)建筑設(shè)計(jì)方案，將種植介質(zhì)層、排水層、過(guò)濾層、防水混凝土面層、防水層和保溫層進(jìn)行集成，保證整體的綠色效果，以及運(yùn)用飾面板、水泥砂漿、擠塑聚苯乙烯泡沫板、加氣混凝土砌塊的組合地板結(jié)構(gòu)，減少熱橋效應(yīng)，提高圍護(hù)結(jié)構(gòu)的保溫性與耐久性。

3 結(jié)語(yǔ)

在建筑結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)深入滲透綠色節(jié)能理念，從概念設(shè)計(jì)、基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)體系設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)構(gòu)件設(shè)計(jì)等方面秉持節(jié)能、環(huán)保、和諧、舒適的設(shè)計(jì)理念，最大化利用土地、光照、自然風(fēng)等資源，可以有效緩解建筑工程高能耗、高污染等問(wèn)題，減少建筑工程施工與使用帶來(lái)的資源浪費(fèi)與環(huán)境污染，為住戶提供更加舒適、便捷的居住環(huán)境。