王秋利

（河北金泰建筑設(shè)計(jì)有限公司 河北 邯鄲 056000）

建筑結(jié)構(gòu)全面優(yōu)化設(shè)計(jì)的系統(tǒng)思考

王秋利

（河北金泰建筑設(shè)計(jì)有限公司 河北 邯鄲 056000）

隨著經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，城鄉(xiāng)建設(shè)規(guī)模和單體建筑規(guī)模越來(lái)越大，對(duì)自然資源的需求和使用急劇增加。建立節(jié)約型社會(huì)，合理利用資源，減少?gòu)U物排放，增加能源循環(huán)利用，對(duì)供應(yīng)者和需求者提出了更高的要求。通過(guò)系統(tǒng)思考，對(duì)建筑結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，從建筑構(gòu)成所需要的外部環(huán)境、建筑布局、水資源的利用到結(jié)構(gòu)材料選擇，構(gòu)件布置，結(jié)構(gòu)選型等因素進(jìn)行分析，探討建筑結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)的方向方法，為建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及實(shí)施者提供參考。

系統(tǒng)思考；建筑結(jié)構(gòu)；優(yōu)化設(shè)計(jì)；節(jié)能環(huán)保

0 前言

建立節(jié)能環(huán)保型社會(huì)成為國(guó)家的建設(shè)理念，隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，人們對(duì)生存環(huán)境的要求越來(lái)越高，建筑優(yōu)化設(shè)計(jì)不僅能符合社會(huì)的要求，同時(shí)能夠滿足建設(shè)者和需求者的需要，為投資者實(shí)現(xiàn)控制建設(shè)成本，滿足使用者建筑功能性、舒適性，生態(tài)環(huán)境需求。借助有效的設(shè)計(jì)技術(shù)手段，采用新技術(shù)，新材料，盡可能減少資源消耗，提高經(jīng)濟(jì)效益，從而實(shí)現(xiàn)社會(huì)整體效益最大化。因此，在社會(huì)推進(jìn)節(jié)能環(huán)保的大環(huán)境下，在科技快速發(fā)展的今天，建筑結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)有著必然的需求。

1 建筑消耗資源的優(yōu)化設(shè)計(jì)

1.1 土地集約化

中國(guó)是人口大國(guó)，土地資源相當(dāng)緊缺，城市建設(shè)與工業(yè)化進(jìn)程與土地供給的矛盾比較突出，并有此產(chǎn)生的環(huán)境危機(jī)日益呈現(xiàn)。在建設(shè)實(shí)踐中，合理開(kāi)發(fā)土地，符合節(jié)約用地的要求。通過(guò)優(yōu)化設(shè)計(jì)，合理布置地下地上建筑布局，挖掘土地價(jià)值，采用新型輕薄材料，減少建筑構(gòu)件所占空間。

1.2 水資源集約化

工農(nóng)業(yè)用水與生活用水急劇增加，水資源供需矛盾日益突出，我國(guó)人均水資源十分有限，在建筑設(shè)計(jì)中應(yīng)綜合考慮雨水收集，廢水凈化，設(shè)置循環(huán)用水、分質(zhì)用水和中水使用系統(tǒng)。

1.3 能源集約化

建筑運(yùn)營(yíng)耗能是非?？捎^的，目前國(guó)內(nèi)30%電力是供給建筑使用的，隨著人們對(duì)物質(zhì)生活追求的提高，建筑用能所占的比例將會(huì)增加。上海世博會(huì)倫敦建筑館展現(xiàn)了零碳建筑，這表明，建筑設(shè)計(jì)通過(guò)使用新技術(shù)，提高能源集約化利用程度，結(jié)合自然條件，充分利用風(fēng)能、地?zé)崮?、太?yáng)能，會(huì)大量減少對(duì)不可再生資源的消耗，同時(shí)會(huì)降低人們?nèi)粘Ｉ钯M(fèi)用，取得較好的社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益。

2 建筑材料的優(yōu)化設(shè)計(jì)

2.1 結(jié)構(gòu)材料的應(yīng)用

建筑結(jié)構(gòu)的各個(gè)構(gòu)件都體現(xiàn)著力學(xué)承載力的特征，提供承載力的本體為建筑材料，在建筑發(fā)展史中，磚石、木頭、鋼筋混凝土等材料在不同時(shí)期分別作為當(dāng)時(shí)的建筑主材，通過(guò)工程實(shí)踐表明，目前鋼筋混凝是良好的主要結(jié)構(gòu)材料，充分利用鋼筋的抗拉強(qiáng)度和混凝土的抗壓強(qiáng)度，通過(guò)合理的配置，使結(jié)構(gòu)構(gòu)件具有良好的強(qiáng)度、剛性、延展性。在建筑結(jié)構(gòu)主體中，柱、墻承擔(dān)著豎向荷載，采用高標(biāo)號(hào)的混凝土，可以減少柱截面積，節(jié)約材料，減輕重量，增加使用空間；梁板為受彎構(gòu)件，采用高強(qiáng)度鋼筋，可以減少鋼筋使用量；在設(shè)計(jì)過(guò)程中，采用合理構(gòu)件截面，取用適宜的配筋率，可以充分發(fā)揮鋼筋與混凝土復(fù)合材料的性能；對(duì)于超高層建筑，結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換層，大跨度建筑，采用型鋼混凝土或預(yù)應(yīng)力混凝土等，可以取得良好的經(jīng)濟(jì)效益，并更好地符合功能需要。對(duì)于鋼筋混凝土板，不宜采用較高標(biāo)號(hào)的混凝土，這是因?yàn)楦邩?biāo)號(hào)混凝土容易收縮變形，并且高標(biāo)號(hào)混凝土要求的鋼筋含量較高，不符合結(jié)構(gòu)的經(jīng)濟(jì)型。隨著科技進(jìn)步，新材料不斷出現(xiàn)，本著安全性，適用性經(jīng)濟(jì)型，環(huán)保性等綜合考慮，系統(tǒng)優(yōu)化，合理使用傳統(tǒng)建材或新建材。

2.2 建筑保溫性及保溫材料

建筑的熱能消耗占據(jù)建筑用能的較大比例，國(guó)家的建筑節(jié)能標(biāo)準(zhǔn)雖然經(jīng)過(guò)多次提高，但仍然與歐盟等西方國(guó)家的標(biāo)準(zhǔn)有一定的差距。在設(shè)計(jì)過(guò)程中，通過(guò)下列幾方面的分析應(yīng)用，可以提高建筑的保溫性：①提高建筑的密閉性，使保溫材料對(duì)建筑四周全面覆蓋，不形成冷橋節(jié)點(diǎn)，對(duì)構(gòu)件之間的縫隙采取適當(dāng)?shù)姆椒ㄟM(jìn)行密閉封堵，最大限度減少室內(nèi)外空氣冷熱對(duì)流，對(duì)室內(nèi)空間分割適當(dāng)進(jìn)行保溫隔絕；②改善建筑體型系數(shù)，通過(guò)對(duì)空間布置及外觀的合理修改，減少外墻與空氣的接觸面積；③采用具有良好保溫性能和性價(jià)比的建筑材料，新技術(shù)新材料不斷出現(xiàn)，通過(guò)比較，適當(dāng)選擇。

2.3 建材的環(huán)保性及循環(huán)利用

建材的環(huán)保性是繼經(jīng)濟(jì)性之后的更高要求，隨著技術(shù)的發(fā)展，環(huán)保型建材不僅有著明顯的社會(huì)效益，還常常伴有更好的經(jīng)濟(jì)性。在優(yōu)化設(shè)計(jì)過(guò)程中，應(yīng)充分考慮添建、新建建筑的具體條件，采用循環(huán)再利用和環(huán)保型材料，這不僅有利于環(huán)境，對(duì)提高建筑經(jīng)濟(jì)性也很有意義。再利用表現(xiàn)在對(duì)原有建筑的改造利用，以及對(duì)原有照明設(shè)施，管道，電器，結(jié)構(gòu)構(gòu)件，磚石等再次使用；循環(huán)表現(xiàn)在對(duì)使用過(guò)的建材再加工而從新使用，比如用建筑垃圾生產(chǎn)的垃圾磚、用廢舊塑料生產(chǎn)的PE管道，在建材的使用中有著良好的經(jīng)濟(jì)性。

3 結(jié)構(gòu)主體優(yōu)化設(shè)計(jì)

3.1 結(jié)構(gòu)體系的選擇

結(jié)構(gòu)體系是指結(jié)構(gòu)構(gòu)件抵抗外部作用的組成方式。民用建筑結(jié)構(gòu)體系種類主要有：磚混結(jié)構(gòu)、框架結(jié)構(gòu)、剪力墻結(jié)構(gòu)、框剪結(jié)構(gòu)、筒體結(jié)構(gòu)等。對(duì)于不同層數(shù)不同功能要求的住宅，應(yīng)選用不同的結(jié)構(gòu)體系，正確的選用結(jié)構(gòu)體系，對(duì)建筑的功能、外立面選擇、管道間布置和建設(shè)成本都有很大的影響。磚混結(jié)構(gòu)適合多層建筑，它的特點(diǎn)是橫向剛度大，整體性好，但空間不靈活，其經(jīng)濟(jì)性與其它體系相比有很大的優(yōu)勢(shì)?？蚣芙Y(jié)構(gòu)適應(yīng)性較強(qiáng)，空間布置非常靈活，適合大空間的功能要求，亦可采用填充墻將空間進(jìn)行分割。剪力墻結(jié)構(gòu)適用于高層住宅，對(duì)于多層建筑豎向荷載控制著結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，對(duì)于高層建筑，盡管豎向荷載對(duì)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)起著重要影響，但橫向荷載起著決定性的作用，剪力墻是主要的抗側(cè)力構(gòu)件，剪力墻的的合理布局對(duì)抗震性能和建筑的經(jīng)濟(jì)性有很大影響?？蚣艚Y(jié)構(gòu)應(yīng)用比較廣泛，它吸收了框架結(jié)構(gòu)空間布置靈活的優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)吸收了剪力墻抵抗橫向荷載的優(yōu)點(diǎn)，在設(shè)計(jì)實(shí)踐中，公共建筑，底商住宅，框剪結(jié)構(gòu)有很強(qiáng)的實(shí)用性，并有良好的經(jīng)濟(jì)性。筒體結(jié)構(gòu)主要適合高層和超高層結(jié)構(gòu)。

3.2 結(jié)構(gòu)構(gòu)件的布置

結(jié)構(gòu)構(gòu)件是承擔(dān)荷載的載體，它不僅承擔(dān)著外部的荷載，其本身質(zhì)量對(duì)結(jié)構(gòu)主體也產(chǎn)生極其重要的影響，結(jié)構(gòu)構(gòu)件的合理布置，可使建筑功能更加適用，同時(shí)可以減少建筑成本。構(gòu)件設(shè)置主要有柱、墻、梁、樓板等設(shè)計(jì)，柱墻的布置間距對(duì)經(jīng)濟(jì)性有很大影響，間距過(guò)小，不僅影響建筑空間的使用，而且材料承載能力不能充分發(fā)揮，同時(shí)浪費(fèi)了建材，增加了重量，增加了造價(jià)；間距過(guò)大，對(duì)結(jié)構(gòu)整體性不利，橫向構(gòu)件就會(huì)承擔(dān)很大的彎矩，導(dǎo)致構(gòu)件截面加劇增大，空間受到影響，安全性降低。高層建筑剪力墻是抗側(cè)力構(gòu)件，適量、均勻、對(duì)稱布置剪力墻，有利于整體性、經(jīng)濟(jì)性、抗震性能。梁與柱墻根據(jù)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)進(jìn)行鉸接或剛接，通過(guò)梁格劃分與樓板連接，從而形成空間結(jié)構(gòu)體系。布置常規(guī)梁，經(jīng)濟(jì)性較好，但影響建筑層高；布置寬扁梁，經(jīng)濟(jì)性差些，但能減少梁的截面高度，增加建筑物凈高，在建筑總高度限制的情況下，可增加層數(shù)，在地下水位較高的情況下，建設(shè)地下建筑可以減少下挖深度。梁格的適當(dāng)劃分，影響樓板的厚度，樓板在安全的前提下，盡量不要加厚，樓板的平面面積較大，加厚樓板，不僅增加了建材費(fèi)用，而且增加了結(jié)構(gòu)重量，這些荷載將進(jìn)一步增加梁、柱、基礎(chǔ)所承受的荷載，增加了結(jié)構(gòu)成本，并對(duì)抗震不利。

3.3 結(jié)構(gòu)的概念設(shè)計(jì)

建筑尤其是高層建筑抗震的概念設(shè)計(jì)非常重要，豎向荷載與建筑物高度的一次方成正比，橫向荷載與建筑物高度的二次方成正比，高層建筑的橫向荷載有著決定的作用。剪力墻應(yīng)均勻、對(duì)稱、雙向布置，從而減少結(jié)構(gòu)的扭轉(zhuǎn)影響，同時(shí)增加結(jié)構(gòu)的抗扭剛度。結(jié)構(gòu)構(gòu)件受力力求均勻，體型宜簡(jiǎn)單，有時(shí)應(yīng)為了結(jié)構(gòu)布置而改變建筑布局。建筑質(zhì)量與構(gòu)件豎向布置變化應(yīng)均勻。建筑外墻應(yīng)適當(dāng)加厚，邊緣構(gòu)件及角部適當(dāng)加強(qiáng)，構(gòu)造構(gòu)件及配筋應(yīng)按規(guī)范配置。通過(guò)對(duì)結(jié)構(gòu)主體多次試算，優(yōu)化調(diào)整構(gòu)件布置，使結(jié)構(gòu)整體性，抗震性更加合理，同時(shí)降低工程造價(jià)。

4 結(jié)語(yǔ)

全面的建筑結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)，涉及的內(nèi)容比較廣泛，通過(guò)對(duì)各個(gè)層面進(jìn)行分析研究，系統(tǒng)思考，實(shí)現(xiàn)功能適用、安全可靠，成本減低、節(jié)能環(huán)保的目標(biāo)，從而滿足使用者功能性，舒適性的需要，符合投資者經(jīng)濟(jì)性的要求，保障社會(huì)的生態(tài)環(huán)境，環(huán)保，持續(xù)，較高的社會(huì)效益，在優(yōu)化設(shè)計(jì)過(guò)程中，既不能過(guò)分強(qiáng)調(diào)經(jīng)濟(jì)性，降低技術(shù)，減少材料，同時(shí)也反對(duì)以為重視技術(shù)，采用新材料，忽略建筑成本。

［1］解振華.大力發(fā)展循環(huán)經(jīng)濟(jì)[J].求實(shí)，2003（13）.

［2］徐培福.復(fù)雜高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)[M].北京:中國(guó)建筑工業(yè)出版社,2005.

［3］孫國(guó)正.優(yōu)化設(shè)計(jì)及應(yīng)用[M].北京:人民交通出版社,2004.

［4］JGJ3-2002高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程[S].北京:中國(guó)建筑工業(yè)出版社,2002.

王秋利（1968—），男，河北大名人，河北金泰建筑設(shè)計(jì)有限公司，工程師，學(xué)士，研究方向?yàn)榻ㄖY(jié)構(gòu)。

王靜］