绿色建造理念在土木工程结构设计中的应用探讨

刘振磊

（中铁十四局集团第四工程有限公司，济南 250000）

1 绿色建造理念与土木工程结构设计

1.1 绿色建造理念

推广绿色建造需要不断完善绿色建造的相关规范和标准，推动技术创新应用，充分发挥绿色设计的龙头作用，引领绿色技术的应用发展，实现资源节约、环境保护、和谐共处的目标。

1.2 土木工程结构设计

土木工程结构设计是采用结构语言表达设计思想的过程，重点工作内容在于基础设计、上部结构设计、细部构造设计等方面，需要经过结构方案设计、结构计算、施工图设计等阶段。根据建筑重要程度、工程地质勘查报告、场地类别等确定结构形式，布置结构的承重体系和受力构件，并采用科学方法针对结构荷载、构件尺寸、内力作用等方面进行计算，最终输出设计成果文件[1]。

1.3 绿色建造理念与土木工程结构设计的联系

绿色建造理念是以绿色设计、 绿色施工为基础，遵循节水、节地、节能、节材、环境保护等基本要求，将绿色建造落实到土木工程结构设计中，具有非常重要的现实意义，有利于提高工程结构设计水平，加强系统化、精细化设计管理，减少资源浪费和能源消耗，降低施工工艺的复杂性。绿色建造理念充分考虑了人与自然的和谐相处，有利于优化工程结构空间。绿色建造理念的应用需要加强设计、生产、施工等全产业链的沟通协作，防止出现结构设计与实际施工脱节的问题，有利于优化资源配置，提高工程建设质量。

2 绿色建造理念在土木工程结构设计中的应用研究

2.1 选用绿色材料

减少材料用量、 提高材料利用率是实现绿色建造的重要途径。在土木工程结构设计中，应以减少材料资源和能源消耗为出发点，使用性能更好、效率更优的产品。土木工程结构中，钢筋混凝土结构体系比较常见，在钢筋的选择过程中，应保证钢材的力学性能、 工艺性能能够满足建造要求。采用高强钢筋，能够有效减少钢筋用量，改善梁柱节点钢筋密集的问题，有利于提高混凝土浇筑质量，减少返工作业。在结构设计过程中，可根据实际情况灵活选用高性能混凝土、高强混凝土、轻骨料混凝土、防水混凝土、碾压混凝土、纤维混凝土、聚合物混凝土等特种混凝土，控制混凝土的用量，满足结构功能和施工工艺要求，尽可能延长结构使用寿命。

另外，预拌砂浆属于新型节能绿色材料，能够保证产品质量的稳定性，减少现场搅拌作业产生的能耗和污染，具有较强的环保性和经济性。

2.2 新型模架技术

在土木工程施工过程中，混凝土浇筑需要模板工程的配合，传统的木模板和钢模板容易产生建筑垃圾，而且由于自重大，施工极为不便。为落实建筑垃圾减量化的绿色建造理念，新型模架技术得以应用发展，其中，以铝合金模板技术最为突出，在实际应用中展现出了可重复使用、施工便捷、综合价格低等优点。在铝模板表面涂抹聚合物后，能够减少模板表面混凝土的黏结量，减少混凝土资源浪费，提高混凝土结构的施工质量，因此，有必要将铝模板技术应用到土木工程结构设计中。

由于铝模板本质上是一种标准化模板，有利于减少材料损耗，降低生产能耗，所以，需要注意结构构件的标准化设计，严格控制各种结构构件的尺寸和模数，优化梁宽、梁高、墙厚、门洞大小等设计指标，同时，采用BIM 技术辅助配模设计和结构设计，通过碰撞检测、施工协调、施工模拟等功能及时发现拼装连接过程中可能存在的问题，针对性地进行模板设计优化，对主体结构构件进行调整。比如，在楼梯结构施工时，模架系统相对复杂，容易出现质量问题，可以通过虚拟仿真、碰撞检测、自动排版，解决楼梯配模设计问题，更好地发挥铝模板技术的应用优势[2]。

2.3 装配式结构

装配式结构是一种典型的绿色建造理念应用成果，该结构的制造过程从传统建造方式中的大量现场作业转移到工厂内进行，并将工厂加工制作好的结构配件运输到施工现场，通过可靠的连接方式装配而成。在理想状态下，装配式结构可以随着主体工程同步施工，体现出标准化设计、工厂化生产、装配化施工、信息化管理等特点，具有良好的节能环保效应。利用装配式结构进行土木工程结构设计，需要提高设计的标准化和管理的信息化水平，构件越标准，生产效率越高，生产成本越低，综合效益越好。所以，需要根据建筑功能要求和开间模数，合理设计、拆分结构构件，实现构件生产的标准化、模块化。

模块化结构设计通常包括整体设计、模块单元设计、连接设计3 个方面。

首先，要确定基本的结构类型，合理划分建筑平面布局，保证模块单元排列规则、尺寸合理，能够有效减少模块单元种类和数量；然后，进行结构整体设计，初步计算得到各轴线上需要的截面面积、强度、刚度等方面要求，确定截面组合构件的数量和排列方式，得到具体的受力构件平面布置。

模块单元设计则应该遵循模块化、通用化、集成化、工业化的基本原则，主要功能空间使用基本单元体，同一使用功能的基本单元体应具有互换性和通用性。单元与其他构件组合后要成为合理的结构体系，单元之间组合后应该具有系统性，能够满足工程结构可靠性设计标准。在设备集中的功能空间，为了保证结构防水效果、降低模块单元设计难度，一般不采用后装修的方式，需要将结构设计与装修设计同步考虑，同步实施。模块单元设计要充分分析生产、运输、施工等方面的影响，必须加强受力状态分析验算，能够同时满足结构整体设计和连接设计要求，具备良好的力学性能，采用开敞式模块单元设计方式，更好地解决实际需求。

连接设计影响着模块单元的角部节点尺寸、样式，是模块单元有效拼接的重要保障。所以，节点连接是模块化结构设计的关键。节点设计的重难点在于柱结构之间的连接，必须保证竖向连接的连续性，才能使模块化结构具备良好的抗震性能，可以采用榫接和螺栓结合的方式解决这个问题。

2.4 结构与保温一体化技术

根据相关统计，围护结构产生的传热损失占工程总耗热量的70%以上，而在围护结构传热损失中，外墙占比达到1/4左右，所以，围护结构的保温隔热设计至关重要。传统的外墙保温一般采用外墙外保温构造设计，在建筑主体结构施工完成后再进行保温层施工，这样不但要消耗大量的黏结、饰面、加固材料，而且对细节构造保温处理要求较高，很容易出现保温薄弱部位。采用保温与结构一体化设计，能够实现结构承重与保温双重作用，在主体结构施工后，不需要再做保温层，而且保温层与建筑结构具有同等寿命。所以，在工程结构设计时，需要同步进行结构与保温设计，将混凝土承重结构与复合保温板复合而成。由于复合保温板具有良好的强度、刚度、整体性，可以作为混凝土浇筑外侧模板使用，有效减少模板用量，达到节材、节能的效果[3]。

2.5 剪力墙结构优化

剪力墙结构体系在高层建筑设计中比较常见，具有较强的侧向刚度，能够有效抵抗水平荷载。但是，剪力墙结构平面布置不灵活，间距相对较小，结构自重比较大，在设计时，需要根据剪力墙的空间分布进行优化调整，既能满足侧向刚度需求，又要实现绿色建造效果。剪力墙结构设计应该遵循强墙肢、弱连梁、强剪弱弯等基本原则，严格控制剪压比、轴压比，尽可能提高剪力墙的延性，保证剪力墙结构的安全性和稳定性。进行结构优化时，结构墙布置平面两个方向要均匀，能够保持竖向构件的连续性，具备良好的抗震、抗风性能，最大限度地利用材料的力学性能，科学合理地进行结构与截面设计。

优化设计过程中，需要全面核查结构试算结果，避免出现过于冒险、过于保守的情况。对于剪力墙位置的优化，采用强周边、弱中部、多长墙、少短墙的优化布置原则，尽量使用规则形状墙肢，减少复杂形状墙肢，这样有助于剪力墙结构的稳定性。墙肢应沿着高度方向均匀变化，而且各墙肢的轴压比比较接近。充分利用数学优化理论和计算机应用技术，选择结构设计中的某些设计变量，在满足约束条件的情况下，建立数学模型，确定目标函数，经过求解获得最优方案，将被动的结构优化设计转变为主动控制过程，在结构安全、成本节约之间获取平衡点，增加工程结构绿色设计水平，减少结构体系碳排放。

2.6 BI M技术的应用

在BIM 模型中，涵盖了结构构件的具体信息，不仅包括截面尺寸、材料应用、位置分布等方面，还能对整体结构进行分析计算，实现可视化成果表达，能够从各个方面、各个角度查看工程实体各种信息。在选择建模软件时，要充分考虑软件的兼容性，需要与其他结构分析软件协同进行模型计算分析。保证建模软件与结构分析软件的完美链接，有利于提高协同设计效率。钢筋碰撞是结构设计常见的问题，如果钢结构节点螺栓与钢筋发生碰撞，很难解决，所以，结构设计时进行钢筋碰撞检测十分必要。利用BIM 技术生成结构的三维钢筋图，可以直观地查看钢筋碰撞问题，而且在Navisworks 等相关软件支持下，可自动进行碰撞检测，生成碰撞检测报告，快速解决钢筋碰撞问题。将BIM 结构模型与其他专业模型进行协同设计，可以避免设计信息传达错误的问题。在某个部分发生改变后，其他专业模型与之相对应的部分也会做出调整，大大提高了设计质量和效率。

3 结语

综上所述，绿色建造是基于绿色建筑理念发展而来，涵盖策划、设计、施工等不同阶段，需要积极采用新技术、新工艺、新材料，减少工程实施过程中的资源消耗量，降低对周边环境的影响。在土木工程结构设计中，采用绿色建造理念，能够从源头上把控技术应用效果，减少结构主体建造的碳排放量，产生更好的经济效益和环保效益。