简述绿色建筑的结构优化设计

岳永志

【摘要】通过对新版绿色建筑评价标准中结构设计的内容分析，阐述结构优化设计在绿色建筑中的作用（节省建设资金，节约资源，保护环境）；绿色建筑中结构优化设计方法，包括对地基基础、结构体系、结构构件的优化设计。

【关键词】绿色建筑；结构优化设计

随着社会经济的快速发展，人们对居住环境要求的提高，对自身身体健康也越来越重视，基于此使得绿色建筑成为未来建筑领域的发展趋势。绿色建筑是在建筑的全寿命周期内，最大限度地节约资源（节能、节地、节水、节材）、保护环境和减少污染，为人们提供健康、适用和高效的使用空间，与自然和谐共生的建筑。那么如何实现绿色建筑呢？通常人们认为在绿色建筑的策划、设计和实施中，结构设计相比建筑、暖通、给排水、电气等其他专业，发挥的作用较小。而国家标准新版《绿色建筑评价标准》（GB/T50378-2014）对旧版标准（2006版）在结构设计方面进行了必要的提升与补充。修订的重点包括突出结构设计的重要性，而结构设计的关键就在于结构优化设计。以下从两个方面来论述绿色建筑的结构优化设计。

1、结构优化设计在绿色建筑中的作用

从绿色建筑造价方面分析。众所周知，绿色建筑与一般建筑相比建设成本略高，根据研究统计一星、二星级绿色建筑每平方米要增加50至100元左右，三星级绿色建筑要增加200元左右。从工程造价方面分析，建筑施工阶段大约决定了建安造价的20%，建筑设计阶段大约决定了建安造价的80%。而建筑设计阶段的结构设计就决定了整个建安造价的40%到60%以上，对于住宅来说大概是60%以上，对于公建大概是50%以上。同时，和发达国家相比，我国的建筑平均用钢量大大高于他们。与社会平均水平相比，经过结构优化的住宅和公建的钢筋混凝土工程项目，一般每平方米工程造价可以节省60到170元，钢结构或城市综合体潜力更大。由此可见，在节省建设资金方面，绿色建筑的关键环节是绿色建筑设计，绿色建筑设计的关键环节是结构优化设计。所以，结构优化设计是实现绿色建筑的重要途径。

从节约资源，保护环境、减少污染方面分析。目前，钢筋混凝土结构依然是我国建筑工程中的主导结构。我国的绝大部分建筑采用的是现浇的钢筋混凝土结构，大量的使用水泥、砂石、钢筋，其中水泥消耗了大量的能源，造成了大量的污染，国内砂石和铁矿石的资源在日益枯竭。最后建筑寿命终了拆除时，其废弃的渣块屑又难以回收再利用，将有巨大的垃圾需要处理，造成环境的大负荷。因此迫切的需要减少材料的用量，降低资源消耗，减少钢材、水泥的消耗，减少生产过程中的碳和其他污染物的排放，减小对环境的影响。而结构优化设计在降低建筑钢筋、混凝土消耗具有关键作用。

2、绿色建筑中结构优化设计方法

在国家标准新版《绿色建筑评价标准》（GB/T50378-2014）中，结构设计优化被提升为绿色建筑节材部分的最重要的内容。结构优化设计包括：对地基基础、结构体系、结构构件三个方面进行优化达到节材效果。

地基基础优化方面。地基基础是建筑结构主要的组成部分，关系到整个建筑结构安全性与经济性，多高层建筑下的基础厚重、混凝土和钢筋用量都很大，优化空间也很大，通过优化设计在建筑基础设计的安全性和经济性之间寻求一个合理的平衡点是结构基础优化的目的。首先从基础造型和布置开始，通过结构计算来验证基础方案的准确性和可行性，再根据规范和实际工程经验对建筑材料的选用进行合理的分析，使其得到充分的利用。基础工程的造价在整个建筑工程造价中所占的比例较高，尤其在地质条件比较复杂的情况下。因此在建筑基础优化中遵循合理造型、计算准确、材尽其用、符合规范的原则，对建筑基础设计进行合理、细致的优化，能够起到降低工程造价、节约资源的作用。

结构体系优化方面。目前，我国的建筑结构体系，从承重构件材料的类型来划分，主要分为木结构、砌体结构、钢结构、钢筋混凝土结构等四个主要结构体系。木结构是以上四种结构体系中最理想的绿色建筑体系。但由于我国的国情特点和木结构自身特点，在我国建筑领域占比重极小。砌体结构优化相对而言设计计算性不强，主要是概念设计优化和构造设计优化。可遵循以下原则：优先采用横墙承重或纵横共同承重；纵横墙的布置应均匀对称；纵横墙竖向应上、下连续，不宜采用上刚下柔的结构；钢结构以钢材制作为主的结构，属于绿色建筑结构体系，未来发展前景广阔。钢结构优化可遵循以下原则：选择结构平面布置合理的钢结构方案，方案结构的传力途径与受力尽可能简单、明确；加强设计连接节点优化；完善整体布置和构件设计。

钢筋混凝土结构是现今我国建筑工程中的主导结构。结构设计方案的优化的方法可分为截面优化、形状优化、拓扑优化、布局优化以及满应力优化等。结构设计优化可遵循以下原则：精确计算荷载值，准确理解规范；结构与建筑专业协调；合理的选用钢筋和混凝土标号；对结构体系的优化重点查看结构布置是否沿建筑高度采取了变截面或变壁厚或变材料强度等措施。总之，在优化设计的过程中，要以建筑结构的安全性、适用性和耐久性为基础，合理地确定结构的可靠度水平，采取最经济的手段，使结构具有各种预期的功能。

结构构件优化方面。结构构件设计比较具体，可定量分析，把握单体构件的设计也是实现总体优化设计的基础环节。钢筋的强度、混凝土的性能、构件的高度和宽度、箍筋的间距等方面的设计都影响结构构件的性能。不具备实用功能装饰性构件在建筑中大量应用，在施工中较少采用工业化生产的预制构件，都影响工程的造价。建筑功能、柱网跨度、荷载大小等因素对整体结构的优化具有影响。最后，需要重点查看结构优化文件中构件的应力比或柱轴压比、层间位移角等是否合理。

总之，结构优化设计是實现绿色建筑的重要方法，可以为绿色建筑节省资金，为社会节约资源、保护环境、减少污染，具有经济效益和社会效益价值。随着现代科技水平的发展进步，建筑信息模型（Building Information Modeling，BIM）等新的技术手段已运用到结构优化设计中来，使得结构优化设计技术手段更加丰富，在遵循“经济、适用、合理”的设计原则下，结构优化设计将为绿色建筑发挥更大的作用。

参考文献

[1]中华人民共和国住建部.绿色建筑评价标准（GB/T50378-2014）[S].北京：中国建筑工业出版社，2014.

[2]韩继红，廖琳.绿色建筑评价标准-节材与材料资源利用建设科技，2015（04）：26-29.