建筑结构全面优化设计的系统思考

王秋利

（河北金泰建筑设计有限公司 河北 邯郸 056000）

建筑结构全面优化设计的系统思考

王秋利

（河北金泰建筑设计有限公司 河北 邯郸 056000）

随着经济的快速发展，城乡建设规模和单体建筑规模越来越大，对自然资源的需求和使用急剧增加。建立节约型社会，合理利用资源，减少废物排放，增加能源循环利用，对供应者和需求者提出了更高的要求。通过系统思考，对建筑结构进行优化设计，从建筑构成所需要的外部环境、建筑布局、水资源的利用到结构材料选择，构件布置，结构选型等因素进行分析，探讨建筑结构优化设计的方向方法，为建筑结构设计及实施者提供参考。

系统思考；建筑结构；优化设计；节能环保

0 前言

建立节能环保型社会成为国家的建设理念，随着经济的发展，人们对生存环境的要求越来越高，建筑优化设计不仅能符合社会的要求，同时能够满足建设者和需求者的需要，为投资者实现控制建设成本，满足使用者建筑功能性、舒适性，生态环境需求。借助有效的设计技术手段，采用新技术，新材料，尽可能减少资源消耗，提高经济效益，从而实现社会整体效益最大化。因此，在社会推进节能环保的大环境下，在科技快速发展的今天，建筑结构优化设计有着必然的需求。

1 建筑消耗资源的优化设计

1.1 土地集约化

中国是人口大国，土地资源相当紧缺，城市建设与工业化进程与土地供给的矛盾比较突出，并有此产生的环境危机日益呈现。在建设实践中，合理开发土地，符合节约用地的要求。通过优化设计，合理布置地下地上建筑布局，挖掘土地价值，采用新型轻薄材料，减少建筑构件所占空间。

1.2 水资源集约化

工农业用水与生活用水急剧增加，水资源供需矛盾日益突出，我国人均水资源十分有限，在建筑设计中应综合考虑雨水收集，废水净化，设置循环用水、分质用水和中水使用系统。

1.3 能源集约化

建筑运营耗能是非常可观的，目前国内30%电力是供给建筑使用的，随着人们对物质生活追求的提高，建筑用能所占的比例将会增加。上海世博会伦敦建筑馆展现了零碳建筑，这表明，建筑设计通过使用新技术，提高能源集约化利用程度，结合自然条件，充分利用风能、地热能、太阳能，会大量减少对不可再生资源的消耗，同时会降低人们日常生活费用，取得较好的社会效益和经济效益。

2 建筑材料的优化设计

2.1 结构材料的应用

建筑结构的各个构件都体现着力学承载力的特征，提供承载力的本体为建筑材料，在建筑发展史中，砖石、木头、钢筋混凝土等材料在不同时期分别作为当时的建筑主材，通过工程实践表明，目前钢筋混凝是良好的主要结构材料，充分利用钢筋的抗拉强度和混凝土的抗压强度，通过合理的配置，使结构构件具有良好的强度、刚性、延展性。在建筑结构主体中，柱、墙承担着竖向荷载，采用高标号的混凝土，可以减少柱截面积，节约材料，减轻重量，增加使用空间；梁板为受弯构件，采用高强度钢筋，可以减少钢筋使用量；在设计过程中，采用合理构件截面，取用适宜的配筋率，可以充分发挥钢筋与混凝土复合材料的性能；对于超高层建筑，结构转换层，大跨度建筑，采用型钢混凝土或预应力混凝土等，可以取得良好的经济效益，并更好地符合功能需要。对于钢筋混凝土板，不宜采用较高标号的混凝土，这是因为高标号混凝土容易收缩变形，并且高标号混凝土要求的钢筋含量较高，不符合结构的经济型。随着科技进步，新材料不断出现，本着安全性，适用性经济型，环保性等综合考虑，系统优化，合理使用传统建材或新建材。

2.2 建筑保温性及保温材料

建筑的热能消耗占据建筑用能的较大比例，国家的建筑节能标准虽然经过多次提高，但仍然与欧盟等西方国家的标准有一定的差距。在设计过程中，通过下列几方面的分析应用，可以提高建筑的保温性：①提高建筑的密闭性，使保温材料对建筑四周全面覆盖，不形成冷桥节点，对构件之间的缝隙采取适当的方法进行密闭封堵，最大限度减少室内外空气冷热对流，对室内空间分割适当进行保温隔绝；②改善建筑体型系数，通过对空间布置及外观的合理修改，减少外墙与空气的接触面积；③采用具有良好保温性能和性价比的建筑材料，新技术新材料不断出现，通过比较，适当选择。

2.3 建材的环保性及循环利用

建材的环保性是继经济性之后的更高要求，随着技术的发展，环保型建材不仅有着明显的社会效益，还常常伴有更好的经济性。在优化设计过程中，应充分考虑添建、新建建筑的具体条件，采用循环再利用和环保型材料，这不仅有利于环境，对提高建筑经济性也很有意义。再利用表现在对原有建筑的改造利用，以及对原有照明设施，管道，电器，结构构件，砖石等再次使用；循环表现在对使用过的建材再加工而从新使用，比如用建筑垃圾生产的垃圾砖、用废旧塑料生产的PE管道，在建材的使用中有着良好的经济性。

3 结构主体优化设计

3.1 结构体系的选择

结构体系是指结构构件抵抗外部作用的组成方式。民用建筑结构体系种类主要有：砖混结构、框架结构、剪力墙结构、框剪结构、筒体结构等。对于不同层数不同功能要求的住宅，应选用不同的结构体系，正确的选用结构体系，对建筑的功能、外立面选择、管道间布置和建设成本都有很大的影响。砖混结构适合多层建筑，它的特点是横向刚度大，整体性好，但空间不灵活，其经济性与其它体系相比有很大的优势。框架结构适应性较强，空间布置非常灵活，适合大空间的功能要求，亦可采用填充墙将空间进行分割。剪力墙结构适用于高层住宅，对于多层建筑竖向荷载控制着结构设计，对于高层建筑，尽管竖向荷载对结构设计起着重要影响，但横向荷载起着决定性的作用，剪力墙是主要的抗侧力构件，剪力墙的的合理布局对抗震性能和建筑的经济性有很大影响。框剪结构应用比较广泛，它吸收了框架结构空间布置灵活的优点，同时吸收了剪力墙抵抗横向荷载的优点，在设计实践中，公共建筑，底商住宅，框剪结构有很强的实用性，并有良好的经济性。筒体结构主要适合高层和超高层结构。

3.2 结构构件的布置

结构构件是承担荷载的载体，它不仅承担着外部的荷载，其本身质量对结构主体也产生极其重要的影响，结构构件的合理布置，可使建筑功能更加适用，同时可以减少建筑成本。构件设置主要有柱、墙、梁、楼板等设计，柱墙的布置间距对经济性有很大影响，间距过小，不仅影响建筑空间的使用，而且材料承载能力不能充分发挥，同时浪费了建材，增加了重量，增加了造价；间距过大，对结构整体性不利，横向构件就会承担很大的弯矩，导致构件截面加剧增大，空间受到影响，安全性降低。高层建筑剪力墙是抗侧力构件，适量、均匀、对称布置剪力墙，有利于整体性、经济性、抗震性能。梁与柱墙根据结构特点进行铰接或刚接，通过梁格划分与楼板连接，从而形成空间结构体系。布置常规梁，经济性较好，但影响建筑层高；布置宽扁梁，经济性差些，但能减少梁的截面高度，增加建筑物净高，在建筑总高度限制的情况下，可增加层数，在地下水位较高的情况下，建设地下建筑可以减少下挖深度。梁格的适当划分，影响楼板的厚度，楼板在安全的前提下，尽量不要加厚，楼板的平面面积较大，加厚楼板，不仅增加了建材费用，而且增加了结构重量，这些荷载将进一步增加梁、柱、基础所承受的荷载，增加了结构成本，并对抗震不利。

3.3 结构的概念设计

建筑尤其是高层建筑抗震的概念设计非常重要，竖向荷载与建筑物高度的一次方成正比，横向荷载与建筑物高度的二次方成正比，高层建筑的横向荷载有着决定的作用。剪力墙应均匀、对称、双向布置，从而减少结构的扭转影响，同时增加结构的抗扭刚度。结构构件受力力求均匀，体型宜简单，有时应为了结构布置而改变建筑布局。建筑质量与构件竖向布置变化应均匀。建筑外墙应适当加厚，边缘构件及角部适当加强，构造构件及配筋应按规范配置。通过对结构主体多次试算，优化调整构件布置，使结构整体性，抗震性更加合理，同时降低工程造价。

4 结语

全面的建筑结构优化设计，涉及的内容比较广泛，通过对各个层面进行分析研究，系统思考，实现功能适用、安全可靠，成本减低、节能环保的目标，从而满足使用者功能性，舒适性的需要，符合投资者经济性的要求，保障社会的生态环境，环保，持续，较高的社会效益，在优化设计过程中，既不能过分强调经济性，降低技术，减少材料，同时也反对以为重视技术，采用新材料，忽略建筑成本。

［1］解振华.大力发展循环经济[J].求实，2003（13）.

［2］徐培福.复杂高层建筑结构设计[M].北京:中国建筑工业出版社,2005.

［3］孙国正.优化设计及应用[M].北京:人民交通出版社,2004.

［4］JGJ3-2002高层建筑混凝土结构技术规程[S].北京:中国建筑工业出版社,2002.

王秋利（1968—），男，河北大名人，河北金泰建筑设计有限公司，工程师，学士，研究方向为建筑结构。

王静］