绿色建筑结构优化设计简析

【摘 要】从基础结构优化、结构体系优化和结构构件优化三方面对比分析国内外城镇绿色建筑结构优化设计，提出我国在结构优化设计方面存在的问题，包括理念落后于理论、工程实践不普遍和缺少时间检验等问题，总结出绿色建筑寿命优化与阶段性优化、整体性与局部性优化、上部结构科学性优化等未来发展趋势。

【关键词】绿色建筑；结构优化；结构体系

引文

从造价角度分析，建筑施工阶段大致决定了建筑安装造价的20%，建筑设计阶段大致决定了建筑安装造价的80%。而建筑设计阶段的结构设计就决定了整个建筑安装造价的40%～60%以上，对于住宅来说大概是60%以上。与旧式的建筑结构设计方式相比，建筑结构设计优化方案可以使房屋建造的成本降低30%左右。从资源消耗方面来分析，我国现有住宅绝大部分都是采用的混凝土结构体系，而混凝土结构体系对于砂石钢筋和水泥的消耗量是惊人的，特别是在水泥的生产过程中需要消耗大量的煤炭资源，造成了极大的能源浪费和环境污染，砂石正在被用尽，铁矿石的价格成倍上涨，住宅寿命终了时，将有数量庞大的垃圾需要处理。2010年12月10日至12日，在深圳举行的第十二届CIHAF中国住交会上，绿色建筑的关键在于结构优化这一认识得到了确认。绿色建筑设计是绿色建筑的龙头，结构优化设计是绿色建筑设计的关键环节。我国的绿色建筑评价标准，原本就提倡优化结构的设计，随着2015年1月1日GB/T50378―2014《绿色建筑评价标准》的实施，更是将结构优化设计提升为节材部分的最重要内容，对地基基础、结构体系、结构构件进行优化设计，并将节材效果的评价分值设为5分。一般认为，一星、二星建筑每平方米增加100元左右，三星建筑增加200元左右，这些是没有进行结构优化时的结果。假设结构优化以后，每平方米可节省100元，意味着一星、二星、三星建筑基本上可不增加成本，有利于建筑技术的推广，因此，迫切需要对绿色建筑进行结构优化。

1 绿色建筑结构优化设计存在问题

与国外相比，我国对于结构优化设计理念的实际应用远远落后于其理论，工程实践仍旧不甚普遍，缺少时间检验。

1.1 基础结构优化

（1）针对地基基础不均匀沉降的问题，上部结构巨大的刚度虽能减少建筑物的不均匀沉降、改善筏板的受力状态，但目前上部结构设计还无法完善地考虑次应力的存在对上部结构的影响。如在桩基础设计中，若按竖向荷载作用进行布桩，就无法考虑到弯矩作用下承台底部边桩的反力验算。

（2）地下空间利用不充分。在地基基础设计中未完全结合岩土工程地质的实际情况、地下室和人防的设置、地基基础的选型等综合因素以充分利用地下空间。

（3）在对地基基础方案进行优选时，对沉降缝的设置、地下空间利用和埋深等诸多因素考虑尚且不够全面。

（4）缺乏相应的地基基础优化论证报告。大多数工程未根据具体场地情况因地制宜，对项目可选用的从天然地基、复合地基到桩基础等各种地基基础方案进行比选及定性论证。

1.2 结构体系优化

（1）混凝土结构存在着浪费大量水泥、砂石，其建筑布局受限制、工业化水平低等缺点。混凝土抗拉强度低，部分采用了钢筋混凝土楼板，容易出现裂缝；结构自重比钢、木结构大；室外施工受气候和季节的限制；新旧混凝土不易连接，增加了补强修复的困难。

（2）砌体结构体系中，一些农村家庭随意增厚楼板、大量设圈梁与构造柱、不计成本地将钢筋放入混凝土里，且使用多种材料混合砌筑房屋，造成房屋的竖向与横向刚度分布严重不均，建筑的质量分布不均衡，加重了砌体民居的抗震隐患。且材料使用不连续，导致建筑的整体性也得不到保证；配筋混凝土砌块砌体剪力墙中水平钢筋配置过多时，并不能显著提高墙体的抗剪能力，造成了不必要的材料浪费。

（3）我国自主研发的轻钢结构设计软件，如STS和空间钢结构系统CAD软件3D3S等与国外集结构分析、结构优化和工程智能化为一体的软件有一定差距；我国研发的低层住宅还没有形成完整的结构体系，包括其结构形式固定、成套的扣配件以及与之相配的材料等。

1.3 结构构件优化

（1）钢筋和混凝土的强度、构件的高度及宽度、混凝土保护层厚度、箍筋间距等不尽合理的设计导致结构构件抗力较低，影响建筑的抗震性能及其抗震合理性。

（2）对一些不具备遮阳、导光、导风、载物、辅助绿化等作用的装饰性构件作为构成要素在建筑中大量使用，在施工过程中，较少采用工业化生产的预制构件，致使相应的工程造价过高。

（3）在对结构构件进行节材优化论证时，未对建筑功能、柱网跨度、荷载大小等因素进行综合考虑，影响整体结构优化的效果。

2 发展趋势

2.1 绿色建筑寿命优化与阶段性优化

根据不同的地域环境，在工程的使用年限内，对每一阶段进行相应的方案优化。考察各个阶段的特点，根据实际结果进行优化方式的确定，从而对工程的整体寿命进行科学优化。

2.2 绿色建筑的整体性与局部性优化

在对建筑进行优化设计时，要对每一个下属系统进行相应的优化。地基基础的选择：从天然地基、复合地基到桩基础等各种地基基础方案进行比选及定性论证。结构体系的选择：从对建筑层数、高度、平立面、柱网大小、荷载等进行比选。对于复杂性来讲，主要包含选取建筑的材料、选取建筑的结构构件等，在选取材料时，可优先选用本地生产的建筑材料、建筑砂浆采用预拌混凝土，在构件选取时，可采用工业化生产的预制构件。故在进行结构优化时要从整体入手，才能真正实现整体的设计优化。

2.3 绿色建筑主体上部结构科学性优化

建筑的上部结构设计应当建立相应的模型并进行系统优化。整个过程首先应当合理地设置剪力墙，保证剪力墙整体的质量是均匀的，这样能将楼层中平面刚度的中心点重合于楼层整体的结构重心，从而减少地震或风力等对其的破坏性。

2.4 绿色建筑结构优化与绿色建筑优化保持协调

对于结构的设计要保证建筑的整体结构与整体平面紧密配合，这样能实现建筑本身的美观与结构相应合理性的效果。建筑造型应简约，且无大量装饰性构件，尽量不设计单纯为追求标志性效果在屋顶等处设立的大塔形、球、曲面等异型构件。对于整体来讲要保证重心、刚心、质心三者正确交叠，防止扭转的状况出现。

3 结束语

绿色建筑设计是绿色建筑的龙头，结构优化设计是绿色建筑设计的关键环节。结构设计优化技术的应用可以产生可观的经济效益。建筑设计部门和设计人员应应用现代化科技手段，并严格遵守“经济、适用、合理”的设计原则，精心设计，从而选择合理的绿色建筑结构设计方案，进一步实现建筑工程造价降低，同时取得最大经济效益的目的。

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