基于綠建設計的結構優化教學案例實施

摘"要：土木工程專業結構設計課程理解難度大、建筑結構型式多樣、手算計算公式復雜，不能更好地貼近于實際工程項目的設計與施工。因此，了解當下實際工程中所涉獵的響應國家政策的專業內容，明確電算方法在結構設計課程中的重要性并能有效運用，進行課程的教學革新非常緊迫。以國家倡導的綠色生態發展中的綠建設計為主體，闡述了將綠建設計有效融合在結構設計中的具體實施方法。利用真實工程案例進行課程教學設計，明確了每位學生作為課程主體的具體任務，并對學生的成果進行了對比分析。通過這一過程，學生真正參與并學習具體工程項目，為后續的學習、畢業設計及未來就業奠定了良好的基礎。

關鍵詞：綠色生態發展；結構設計；結構優化；綠建設計；教學案例設計

中圖分類號：G642""""文獻標識碼：A

2011年，為貫徹執行節約資源和保護環境的國家技術經濟政策，推進建筑行業可持續發展和綠色生態發展，住建部和國家市場監督管理總局聯合發布了《民用建筑綠色設計規范》[1]，規范指出：“綠色設計應統籌考慮建筑全生命周期內，滿足建筑功能和節能、節地、節水、節材、保護環境之間的辯證關系；應降低建筑行為對自然環境的影響，遵循健康、節約、高效設計理念，實現人、建筑與自然的和諧共生。”之后，國家相關部門發布了《綠色建筑評價標準》[2]和《綠色建筑評價技術細則》[3]，以適應當前綠色建筑快速發展的需要。在國家政策的大力倡導下，許多新建或擬建建筑都加入了綠建設計。上海某養老院重點進行了綠色建筑節水措施的設計與應用[4]。常州工學院新校區建設過程以綠色校園建設為目標，滿足了可持續發展的需要[5]。天津大學建筑設計研究院設計的烏蘭察布市惠民園農副產品交易中心推動了被動式綠建設計的發展[6]。國內機場建筑也加入了綠建設計，廣州新白云國際機場T2"航站樓，引入了“綠色”“可持續”“以人為本”的綠色機場創新設計理念[7]。

1"綠建設計在結構設計中的重要意義

由上述文獻可知綠建設計正在逐漸滲透到各類建筑中。高層建筑也勢必要在設計、施工過程中加入綠建設計，以達到節能、節水、節地、節材、保護環境等方面的要求。結構設計作為土木工程專業的應用教學環節，教學內容也需要緊跟國家政策導向，將綠建設計內容融合在結構設計課程中，這樣，畢業生踏入工作崗位后，會很順利的接納和吸收實際工程項目在設計、施工過程中涉及到的綠建設計內容，在一定程度上解決目前應用型畢業生高質量就業難題。

2"結構綠建設計要點和重要性

從全壽命周期角度出發，結構材料造價一般占40%左右，消耗的資源量更達50%以上[8]，因此，進行綠建設計時，建筑材料的綠色應用是結構專業重點考慮的因素之一；另外，結構設計中，能否合理選用結構體系、合理進行結構布置直接關系到材料是否能被高效利用的關鍵，也影響到建筑運營期間成本消耗。因此，綠色建筑設計中結構專業在經濟性、適用性等方面具有重要的作用。

3"結構設計融合綠建設計的教學方法

3.1"項目結構概況

以高校附近實際工程項目為案例，這樣學生可以利用暑期專業實習到項目現場或設計院進行實習，通過實地學習加深對課堂知識的理解。本文的應用案例為：鄭東新區白沙安置區二期項目，結合設計院進行綠建設計的高層建筑，選取項目中的某一棟高層住宅（1#住宅樓）進行結構綠建設計的講解。項目住宅部分填充墻采用加氣塊混凝土砌塊，直接與土接觸墻體采用蒸壓灰砂磚。受力鋼筋均采用HRB400高強鋼筋。根據《建筑抗震設計規范》[9]，各單體建筑均體形規則。以其中的1#住宅樓為代表，根據計算結果和結構平面圖，在規定水平力作用下，樓層最大彈性水平位移和層間位移均小于該樓層兩端彈性水平位移和層間位移平均值的1.2倍；樓板平面凹凸進尺寸小于相應投影方向總尺寸30%；樓板連續；結構豎向構件上下一致，層高無變化，建筑形體規則。

3.2"以學生為主體的案例實施

3.2.1"地基基礎優化的授課思路設計

根據地勘報告建議，本工程高層住宅基礎形式可采用：CFG樁復合地基+筏板基礎和鉆孔灌注樁+筏板基礎兩種情況。將學生分成二組，根據地勘報告孔點數據，第一組進行基礎類型①CFG樁復合地基（d=400mm）+筏板基礎的各項參數計算；第二組進行基礎類型②鉆孔灌注樁（d=600mm）+筏板基礎的各項參數計算。每個同學通過閱讀圖紙、查閱規范、小組討論進行計算，每組各成員分配具體任務切實體現其參與案例實施的過程，這樣每位同學都能對問題的理解更加深入。最終的計算結果列于表1中。對比兩種地基基礎方案，CFG樁復合地基方案節材效果明顯，混凝土用量明顯少于鉆孔灌注樁，并且CFG樁樁身不需要配筋，可以節約鋼筋用量；筏板部分兩方案基本相同。綜合考慮兩方案，選擇更節材的CFG樁復合地基方案。

3.2.2"結構優化的授課思路設計

此階段主要以學生為主體利用電算軟件進行剪力墻的合理布置，老師起引導輔助作用。將學生分為三組，每組每個學生均參與結構體系和結構構件優化，每個學生確定一個優化方案，然后進行組內對比確定一個優化方案，這樣三組得到三個優化方案，然后將三個優化方案進行對比分析，得出最優方案。講課老師重點把剪力墻概念和布置原則講解清楚，老師在講解這個問題的時候分成了兩部分。第一，剪力墻布置原則的理論內容，遵循強周邊弱中部、沿高度均勻連續的原則，提高抗扭剛度，防止豎向剛度突變，避免出現薄弱層；剪力墻宜多均勻長墻、少短墻，提高抗震性；多布置T形、L形、十字形墻肢，少復雜形狀轉折墻，提高結構兩個方向抗側剛度；剪力墻各墻肢軸壓比宜接近，避免出現部分連梁、框梁配筋過大問題。第二，剪力墻布置的案例解析，首先分組討論實際工程案例，分組討論后做ppt或word總結報告。這樣大家在討論過程中不斷的查閱資料，加深了自己對剪力墻的認知；寫報告的過程提高了自己系統總結知識的能力。案例講解在課堂上以講為主，過程的實施是學生課下完成的，設有固定答疑時間，學生可以將案例實施過程中的疑難問題進行總結，和老師一起討論。

3.3"以學生為主體的案例實施成果

利用PKPM軟件進行多次試算，并進行結果分析后，各小組得到了整棟樓比較合理的結構布置方案，圖1為標準層方案。為便于分析，以標準層為例進行說明，在后面參數對比時用到的是整棟樓的結果，在材料用量對比時用到的仍然是圖2標準層方案。第一組同學給出了圖2標準層結構布置方案一。第二組同學考慮了增大結構周邊墻長、減少結構中部墻肢、盡可能布置長墻少短墻等因素，確立了圖2標準層結構布置方案二。第三組同學考慮了提高經濟指標、節省成本因素，將局部長墻開洞形成雙肢墻，增大局部周邊連梁高度，減小局部受荷較小的中部連梁高度，據此確立了圖2標準層結構布置方案三。

3.4"以學生為主體的案例實施成果分析

參數對比，三種方案的前4階自振周期、最大層間位移角和最大層間位移比均列于表2中。各方案中，結構扭轉為主第一自振周期與平動為主第一自振周期之比均小于0.9，且3種方案周期比均不大于0.7，結構布置合理、扭轉效應較小。方案三在方案一、二基礎上優化使結構整體剛度減小，滿足規范前提上節省成本。方案三層間位移角最大，說明經重新布置和刪去部分剪力墻后，結構整體剛度有所降低，從而使層間位移角變大，但剪力墻布置更加合理，在剛度降低幅度較小情況下使建筑成本減小。

材料用量對比，將三種方案中結構標準層分別需要的混凝土和鋼筋的用量列于表3中。可以看出，方案二和方案三與方案一相比，一個標準層混凝土總用量和單位面積含鋼量均有所降低，而且方案三降低更明顯，材料用量最省，主要是因為：一方面，更合理的結構布置使得結構的混凝土墻總長度更小，墻內混凝土和鋼筋用量減少；另一方面，混凝土墻總長度減小，使得結構剛度降低，因而地震作用下梁的內力有所下降，梁配筋總體減小，因此梁鋼筋用量有所降低。

結論

在結構設計課程中引入綠建設計內容，是緊跟國家政策導向的新舉措。從綠建設計中“節約材料用量”這一內容出發，進行了教學案例設計。教學案例來自真實的工程項目，對學生更有吸引力和說服力。整個案例教學過程以學生為主體進行。通過分組，給每組內每個學生分配具體工作任務，讓每個給學生充分展示了自己的能力，激發了他們每個人的內在潛力。每位同學進行多次方案設計、計算、結果提取和分析的過程，鍛煉了他們深入理解結構方案布置的能力，同時非常清晰地理解了實際工程項目進行綠建設計的方法。此外，本次的教學案例會用到計算軟件，在學生們進行不斷地探索和老師的答疑過程中，比較熟練地掌握了計算軟件，為后期的畢業設計打好了基礎。

參考文獻：

[1]"住房城鄉建設部.民用建筑綠色設計規范：JGJ/T"229—2010[S].北京：中國建筑工業出版社，2011.

[2]住房城鄉建設部，國家市場監督管理總局.綠色建筑評價標準：GB/T"50378—2019[S].北京：中國建筑工業出版社，2019.

[3]".王清勤，韓繼紅，曾捷.綠色建筑評價標準技術細則[S].北京：中國建筑工業出版社，2015.

[4]"陳延維."就上海某養老院的綠建設計談綠色建筑的節水措施[J].中國設備工程，2018（3）：184-186.

[5]蘇康，姚漢文，周泓，等.綠色校園建設的思考與實踐：以常州工學院新校區綠建設計為例[J].常州工學院學報，2015，28（03）：57-61.

[6]"崔旭輝，都鯤."天大設計院推動被動式綠建設計[J].建筑設計管理，2014（9）：47-48.

[7]郭其軼.航站樓綠色建筑設計研究：以廣州新白云國際機場T2航站樓為例[J].南方建筑，2014，（03）：97-100.

[8]"戴旻，薛嵩，張宏儒，等."低成本增量綠色建筑的結構設計措施探索[J].建筑技術，2013，44（12）：1115-1117.

[9]住房城鄉建設部，"國家質量監督檢驗檢疫總局.建筑抗震設計規范：GB"50011—2010"[S].北京：中國建筑工業出版社，2016．

課題項目：鄭州航空工業管理學院研究生教育改革與發展研究項目（2024YJSJG46）；河南省大學生創新創業訓練項目（202410485035）

作者簡介：張大英（1982—"），女，漢族，山東淄博人，博士研究生，副教授，碩士生導師，研究方向：結構設計及結構可靠性的教學與研究。