基于绿色节能理念的建筑结构优化研究

谢卫军

（中海油石化工程有限公司）

1 建筑结构优化设计中存在的问题

1.1 基础结构优化设计中的问题

基础结构优化设计是指对建筑的桩基础、扩大基础、钢筋混凝土基础等不同类别的基础结构进行优化设计，使得建筑基础结构的耐久性、安全性、经济性符合相关标准规范。当前，建筑结构优化设计中存在一些影响结构功能与性能的问题，主要体现在，其一，建筑地基基础沉降不均，以筏形基础为例，基础结构的上部刚度较大，可以在一定程度上改善筏形基础的筏板受力状态，但基础结构上部存在次应力会影响筏形基础的功能与性能[1]。若是桩基础布桩时无法精准测算弯矩作用下承台底部边桩的受力情况，桩基础的设计标准将下降。其二，基础结构优化设计时，部分设计单位未能结合工程所在区域的岩土工程地质情况合理设计地下空间，未能为地下储藏室、地下车库留足空间，未能实现土地资源的集约化、合理化、高效化利用。其三，建筑基础结构优化设计时未能充分考量沉降缝设置、地基基础选型、地下埋深参数等，导致基础结构优化设计标准不高，后期容易产生地基沉降等质量问题[2]。其四，建筑基础结构优化设计方案的编制与现场实际工程地质状况吻合度不高，地基基础选型与基础结构优化设计方案未能经过充分的比较分析与论证研究，缺少科学论证依据支持。

1.2 结构体系优化设计中的问题

建筑结构体系包括混凝土结构体系、砌体结构体系等，其优化设计中的问题主要体现在材料选型不合理、结构设计不科学方面。其一，建筑结构体系优化设计时，不少设计单位考虑到混凝土的抗拉强度不高，会优先选用钢筋混凝土结构，材料的配比与搅拌过程存在大量的砂石与水泥浪费问题，钢筋混凝土结构应用也较容易导致结构性裂缝。在特殊的建筑布局以及现场气候环境条件下，混凝土结构的补强修复存在诸多困难，限制了混凝土结构在建筑结构体系优化设计中的应用[3]。其二，建筑结构体系优化设计时对施工材料的混合使用把控不严格，例如一些设计单位选用砌体结构体系时，未能科学设置圈梁与构造柱，混凝土与钢筋的配比不科学，导致建筑横向与竖向的刚度存在分布不均衡问题，建筑的抗震性能与力学性能降低，安全隐患增加。此外，部分设计人员在开展建筑结构体系优化设计时，未能充分集成结构分析结果与建筑空间布局优化结构体系设计方案，导致设计方案中的施工材料配置过多，材料浪费现象严重，配件与相配材料用量设计不合理[4]。

1.3 结构构件优化设计中的问题

建筑结构优化设计的目标是在满足建筑使用的功能性需求的同时，提高建筑物的耐久性与安全性。结构构件的优化设计是建筑结构设计中非常重要的一个环节，涉及楼板、屋顶、梁、柱子、墙壁等诸多构件，用于承受建筑结构体系的基础沉降、内部荷载以及地震、强风等带来的外部荷载[5]。但是当前建筑结构构件优化设计中存在构件设计不合理，构件体系抗力不足等问题。例如构件的高度设计过低、宽度设计过薄、混凝土保护层厚度不足、箍筋间距过小、混凝土强度标准不同等，都会影响建筑结构的抗震性与耐久性[6]。此外，建筑结构构件优化设计中，若是对建筑功能、柱网跨度、荷载大小等缺乏综合考量，结构构件的材料用量将增加，建筑结构构件优化设计的节能性不足。

2 绿色节能理念在建筑结构优化设计中的应用

2.1 绿色节能理念下建筑结构优化设计原则

2.1.1 节约原则

建筑结构优化设计应遵循节约原则，着眼于建筑结构设计中存在的资源浪费、环境污染问题进行结构性优化设计，在充分利用土地资源、提高空间集约化与利用率的基础上降低建筑结构设计方案的能耗量与材料用量，减少暖通空调系统与照明系统的使用，推进建筑使用过程中的节水节电[7]。

2.1.2 舒适原则

建筑结构优化设计应充分考虑建筑的功能特点以及空间布局，在结构设计中充分运用自然资源如自然光、自然风等，为建筑采光、采暖与通风提供更加舒适天然的环境，满足建筑多样、丰富的功能设计需要。同时，建筑结构优化设计应通过空间结构的合理利用与最大化处理为住户提供更舒适的居住空间。

2.1.3 整体和谐原则

绿色节能理念下的建筑结构优化设计应充分体现与自然环境的整体和谐性、与生态系统可持续发展的整体平衡性。结构设计应结合现场的气候环境条件因地制宜，如纬度较低、气候常年炎热湿润的区域，其建筑结构多采用外廊式，内部以大开间、通透式为主，满足室内通风与防潮的需要，改善建筑室内居住环境[8]。如在我国季风性气候为主的区域，其建筑结构设计时应采用向南向西15°设计，利用当地一年四季的主导风向提高建筑室内的自然通风条件，减少暖通空调系统的使用。

2.2 建筑结构优化设计方案

2.2.1 建筑整体与局部结构优化

建筑结构是由柱、墙、基础、梁、板等建筑构件构成的骨架结构，可以承受各构件的相互作用力以及外部荷载力。在建筑结构优化设计时，应对各个局部结构进行优化设计。在基础结构优化设计上，应根据现场实际岩土工程地质情况以及建筑层高与功能特点等选择适宜的地基基础类型，充分利用地下空间设计储藏室与停车场，合理设计桩基础埋深、设置沉降缝，并通过科学地对比论证确定最终基础结构设计方案。在结构体系优化设计上，当前常用的建筑结构体系包括混合结构体系、框架结构体系、剪力墙结构体系、框架剪力墙结构体系等，其中混合结构体系具有较好的侧向刚度，其平面柔性不足，更多应用于层数在6 层内的建筑工程；框架结构体系具有良好的力学性能，对于水平与垂直方向的载荷具有较好的承受能力，更多应用于层数在15层内的建筑工程；剪力墙结构体系的侧向刚度优于混合结构体系，但其空间布局受限，墙体之间空间狭小，不适宜用于公共建筑工程。结构体系优化设计应综合考虑建筑的层高、层数、平立面、荷载、柱网大小等选择适宜的结构体系，积极采用新型结构。例如，可以使用格子墙，这是一种自压缩的非振动结构，通过混凝土和结构梁的有效结合，可以在膜壳中形成新型的混凝土墙。在使用格子墙时，应根据建筑墙的需要调整膜壳的形状[9]。同时，应计算抗压强度，防水抗冻性数据，以确保结构设计的效果。在结构构件优化设计上，应尽可能选用工业化批量生产的预制构件，一方面可以减少构件定制化加工生产产生的资源浪费与环境污染，保证建筑结构优化设计的节能性要求；一方面可以通过高精度的结构构件提高建筑结构优化设计的精度与质量。

2.2.2 建筑结构阶段性优化与寿命优化

建筑结构优化设计应充分考虑建筑结构的阶段性优化，通过概念优化设计、结构布置设计、构件截面设计、地基基础设计、构造措施设计等环节完成建筑结构的优化设计。根据建筑功能特点科学确定建筑结构布置方式后，需对建筑结构的受力情况进行量化分析，以确定最优的结构参数，保证建筑结构的耐久性与安全性。以钢结构设计为例，设计人员需要有效控制建筑物的自重，有效地调整垂直结构元件的载荷和重力，并确保建筑工程的安全性和质量，充分发挥钢结构的施工优势。钢结构阶段性优化设计需要多方面综合考虑，首先，在竖向结构荷载设计方面，设计人员需要明白每个建筑物的自重和其高度具有不可分割的函数关系，建筑物在轴线力作用下也会产生弯矩效应，钢结构设计时应科学分析，合理规划建筑物的水平和垂直方向荷载，以确保这两个方向的荷载平衡和整个结构的稳定性。其次，在超高层建筑钢结构设计过程中，设计师应科学设计偏心受力构件中轴向作用点至形心的距离，明确钢结构偏心差产生不均匀力矩，可能会导致建筑工程整体安全性出现问题。最后，在钢结构优化设计过程中，应善于利用BIM技术建立三维立体模型，并使用信息技术来验证设计的正确性，以确保钢结构的安全及对生态环境的保护。在结构参数设计与优化时，可利用数学规划法与有限元软件，通过参数估计与有限元软件的无限逼近功能迭代得到参数的最优解，实现结构参数的优化设计。设计人员应立足建筑结构的整体使用期限，对建筑结构设计方案在不同阶段内的合理性进行论证，切实延长建筑工程的整体使用期限。

2.2.3 建筑结构协调优化

建筑结构协调优化是指建筑结构设计与建筑整体设计相互协调，建筑结构与建筑整体的重心、刚心与质心应当正确交叠，以免交叠度不足而影响建筑结构的实用性。在功能上满足建筑的功能特点，在性能上保证建筑的力学性能、耐久性、安全性与经济性。例如，在对建筑上部结构进行设计时，可利用软件构建上部结构模型，并通过模型计算分析确定平面刚度中心点以及楼层整体结构重心，同时调整软件中的建筑结构参数使得二者交叠重合，提高建筑的安全性与抗震性能。建筑结构设计应尽可能简洁简约，因装饰性构件无法承担导光、载物、遮阳等功能，应减少装饰性构件在建筑结构设计中的使用，构建物资循环利用体系，减少资源浪费。在对墙体、门窗、屋面等围护结构设计时，可以采用绿色屋顶建设建筑设计方案，将种植介质层、排水层、过滤层、防水混凝土面层、防水层和保温层进行集成，保证整体的绿色效果，以及运用饰面板、水泥砂浆、挤塑聚苯乙烯泡沫板、加气混凝土砌块的组合地板结构，减少热桥效应，提高围护结构的保温性与耐久性。

3 结语

在建筑结构优化设计深入渗透绿色节能理念，从概念设计、基础结构设计、结构体系设计、结构构件设计等方面秉持节能、环保、和谐、舒适的设计理念，最大化利用土地、光照、自然风等资源，可以有效缓解建筑工程高能耗、高污染等问题，减少建筑工程施工与使用带来的资源浪费与环境污染，为住户提供更加舒适、便捷的居住环境。