基于綠色節能理念的建筑結構優化研究

謝衛軍

（中海油石化工程有限公司）

1 建筑結構優化設計中存在的問題

1.1 基礎結構優化設計中的問題

基礎結構優化設計是指對建筑的樁基礎、擴大基礎、鋼筋混凝土基礎等不同類別的基礎結構進行優化設計，使得建筑基礎結構的耐久性、安全性、經濟性符合相關標準規范。當前，建筑結構優化設計中存在一些影響結構功能與性能的問題，主要體現在，其一，建筑地基基礎沉降不均，以筏形基礎為例，基礎結構的上部剛度較大，可以在一定程度上改善筏形基礎的筏板受力狀態，但基礎結構上部存在次應力會影響筏形基礎的功能與性能[1]。若是樁基礎布樁時無法精準測算彎矩作用下承臺底部邊樁的受力情況，樁基礎的設計標準將下降。其二，基礎結構優化設計時，部分設計單位未能結合工程所在區域的巖土工程地質情況合理設計地下空間，未能為地下儲藏室、地下車庫留足空間，未能實現土地資源的集約化、合理化、高效化利用。其三，建筑基礎結構優化設計時未能充分考量沉降縫設置、地基基礎選型、地下埋深參數等，導致基礎結構優化設計標準不高，后期容易產生地基沉降等質量問題[2]。其四，建筑基礎結構優化設計方案的編制與現場實際工程地質狀況吻合度不高，地基基礎選型與基礎結構優化設計方案未能經過充分的比較分析與論證研究，缺少科學論證依據支持。

1.2 結構體系優化設計中的問題

建筑結構體系包括混凝土結構體系、砌體結構體系等，其優化設計中的問題主要體現在材料選型不合理、結構設計不科學方面。其一，建筑結構體系優化設計時，不少設計單位考慮到混凝土的抗拉強度不高，會優先選用鋼筋混凝土結構，材料的配比與攪拌過程存在大量的砂石與水泥浪費問題，鋼筋混凝土結構應用也較容易導致結構性裂縫。在特殊的建筑布局以及現場氣候環境條件下，混凝土結構的補強修復存在諸多困難，限制了混凝土結構在建筑結構體系優化設計中的應用[3]。其二，建筑結構體系優化設計時對施工材料的混合使用把控不嚴格，例如一些設計單位選用砌體結構體系時，未能科學設置圈梁與構造柱，混凝土與鋼筋的配比不科學，導致建筑橫向與豎向的剛度存在分布不均衡問題，建筑的抗震性能與力學性能降低，安全隱患增加。此外，部分設計人員在開展建筑結構體系優化設計時，未能充分集成結構分析結果與建筑空間布局優化結構體系設計方案，導致設計方案中的施工材料配置過多，材料浪費現象嚴重，配件與相配材料用量設計不合理[4]。

1.3 結構構件優化設計中的問題

建筑結構優化設計的目標是在滿足建筑使用的功能性需求的同時，提高建筑物的耐久性與安全性。結構構件的優化設計是建筑結構設計中非常重要的一個環節，涉及樓板、屋頂、梁、柱子、墻壁等諸多構件，用于承受建筑結構體系的基礎沉降、內部荷載以及地震、強風等帶來的外部荷載[5]。但是當前建筑結構構件優化設計中存在構件設計不合理，構件體系抗力不足等問題。例如構件的高度設計過低、寬度設計過薄、混凝土保護層厚度不足、箍筋間距過小、混凝土強度標準不同等，都會影響建筑結構的抗震性與耐久性[6]。此外，建筑結構構件優化設計中，若是對建筑功能、柱網跨度、荷載大小等缺乏綜合考量，結構構件的材料用量將增加，建筑結構構件優化設計的節能性不足。

2 綠色節能理念在建筑結構優化設計中的應用

2.1 綠色節能理念下建筑結構優化設計原則

2.1.1 節約原則

建筑結構優化設計應遵循節約原則，著眼于建筑結構設計中存在的資源浪費、環境污染問題進行結構性優化設計，在充分利用土地資源、提高空間集約化與利用率的基礎上降低建筑結構設計方案的能耗量與材料用量，減少暖通空調系統與照明系統的使用，推進建筑使用過程中的節水節電[7]。

2.1.2 舒適原則

建筑結構優化設計應充分考慮建筑的功能特點以及空間布局，在結構設計中充分運用自然資源如自然光、自然風等，為建筑采光、采暖與通風提供更加舒適天然的環境，滿足建筑多樣、豐富的功能設計需要。同時，建筑結構優化設計應通過空間結構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

綠色節能理念下的建筑結構優化設計應充分體現與自然環境的整體和諧性、與生態系統可持續發展的整體平衡性。結構設計應結合現場的氣候環境條件因地制宜，如緯度較低、氣候常年炎熱濕潤的區域，其建筑結構多采用外廊式，內部以大開間、通透式為主，滿足室內通風與防潮的需要，改善建筑室內居住環境[8]。如在我國季風性氣候為主的區域，其建筑結構設計時應采用向南向西15°設計，利用當地一年四季的主導風向提高建筑室內的自然通風條件，減少暖通空調系統的使用。

2.2 建筑結構優化設計方案

2.2.1 建筑整體與局部結構優化

建筑結構是由柱、墻、基礎、梁、板等建筑構件構成的骨架結構，可以承受各構件的相互作用力以及外部荷載力。在建筑結構優化設計時，應對各個局部結構進行優化設計。在基礎結構優化設計上，應根據現場實際巖土工程地質情況以及建筑層高與功能特點等選擇適宜的地基基礎類型，充分利用地下空間設計儲藏室與停車場，合理設計樁基礎埋深、設置沉降縫，并通過科學地對比論證確定最終基礎結構設計方案。在結構體系優化設計上，當前常用的建筑結構體系包括混合結構體系、框架結構體系、剪力墻結構體系、框架剪力墻結構體系等，其中混合結構體系具有較好的側向剛度，其平面柔性不足，更多應用于層數在6 層內的建筑工程；框架結構體系具有良好的力學性能，對于水平與垂直方向的載荷具有較好的承受能力，更多應用于層數在15層內的建筑工程；剪力墻結構體系的側向剛度優于混合結構體系，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。結構體系優化設計應綜合考慮建筑的層高、層數、平立面、荷載、柱網大小等選擇適宜的結構體系，積極采用新型結構。例如，可以使用格子墻，這是一種自壓縮的非振動結構，通過混凝土和結構梁的有效結合，可以在膜殼中形成新型的混凝土墻。在使用格子墻時，應根據建筑墻的需要調整膜殼的形狀[9]。同時，應計算抗壓強度，防水抗凍性數據，以確保結構設計的效果。在結構構件優化設計上，應盡可能選用工業化批量生產的預制構件，一方面可以減少構件定制化加工生產產生的資源浪費與環境污染，保證建筑結構優化設計的節能性要求；一方面可以通過高精度的結構構件提高建筑結構優化設計的精度與質量。

2.2.2 建筑結構階段性優化與壽命優化

建筑結構優化設計應充分考慮建筑結構的階段性優化，通過概念優化設計、結構布置設計、構件截面設計、地基基礎設計、構造措施設計等環節完成建筑結構的優化設計。根據建筑功能特點科學確定建筑結構布置方式后，需對建筑結構的受力情況進行量化分析，以確定最優的結構參數，保證建筑結構的耐久性與安全性。以鋼結構設計為例，設計人員需要有效控制建筑物的自重，有效地調整垂直結構元件的載荷和重力，并確保建筑工程的安全性和質量，充分發揮鋼結構的施工優勢。鋼結構階段性優化設計需要多方面綜合考慮，首先，在豎向結構荷載設計方面，設計人員需要明白每個建筑物的自重和其高度具有不可分割的函數關系，建筑物在軸線力作用下也會產生彎矩效應，鋼結構設計時應科學分析，合理規劃建筑物的水平和垂直方向荷載，以確保這兩個方向的荷載平衡和整個結構的穩定性。其次，在超高層建筑鋼結構設計過程中，設計師應科學設計偏心受力構件中軸向作用點至形心的距離，明確鋼結構偏心差產生不均勻力矩，可能會導致建筑工程整體安全性出現問題。最后，在鋼結構優化設計過程中，應善于利用BIM技術建立三維立體模型，并使用信息技術來驗證設計的正確性，以確保鋼結構的安全及對生態環境的保護。在結構參數設計與優化時，可利用數學規劃法與有限元軟件，通過參數估計與有限元軟件的無限逼近功能迭代得到參數的最優解，實現結構參數的優化設計。設計人員應立足建筑結構的整體使用期限，對建筑結構設計方案在不同階段內的合理性進行論證，切實延長建筑工程的整體使用期限。

2.2.3 建筑結構協調優化

建筑結構協調優化是指建筑結構設計與建筑整體設計相互協調，建筑結構與建筑整體的重心、剛心與質心應當正確交疊，以免交疊度不足而影響建筑結構的實用性。在功能上滿足建筑的功能特點，在性能上保證建筑的力學性能、耐久性、安全性與經濟性。例如，在對建筑上部結構進行設計時，可利用軟件構建上部結構模型，并通過模型計算分析確定平面剛度中心點以及樓層整體結構重心，同時調整軟件中的建筑結構參數使得二者交疊重合，提高建筑的安全性與抗震性能。建筑結構設計應盡可能簡潔簡約，因裝飾性構件無法承擔導光、載物、遮陽等功能，應減少裝飾性構件在建筑結構設計中的使用，構建物資循環利用體系，減少資源浪費。在對墻體、門窗、屋面等圍護結構設計時，可以采用綠色屋頂建設建筑設計方案，將種植介質層、排水層、過濾層、防水混凝土面層、防水層和保溫層進行集成，保證整體的綠色效果，以及運用飾面板、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構，減少熱橋效應，提高圍護結構的保溫性與耐久性。

3 結語

在建筑結構優化設計深入滲透綠色節能理念，從概念設計、基礎結構設計、結構體系設計、結構構件設計等方面秉持節能、環保、和諧、舒適的設計理念，最大化利用土地、光照、自然風等資源，可以有效緩解建筑工程高能耗、高污染等問題，減少建筑工程施工與使用帶來的資源浪費與環境污染，為住戶提供更加舒適、便捷的居住環境。