結構優化設計在綠色建筑中的應用

關朝江 （安徽省建筑設計研究總院股份有限公司，安徽 合肥 230601）

0 前言

綠色建筑指在全壽周期內，最大限度地節約資源（節能、節地、節水、節材）、保護環境和減少污染，為人們提供健康、舒適和高效的使用空間，與自然和諧共生的建筑物[2]。而結構的優化設計，可以達到節約資源和提供舒適高效的使用空間的效果，促進綠色建筑的發展，符合當前國家的可持續發展道路。

1 具體工程概況

本工程為安徽省建筑設計研究總院股份有限公司的辦公樓，綠色建筑等級為三星級，位于安徽省合肥市蜀山區。建筑地上17層，地下2層，總建筑面積28040m2，長59.8m寬26m，高度74.7m，采用鋼筋混凝土框架剪力墻結構。建筑結構的安全等級為二級，結構的設計使用年限為50年，抗震設防類別為丙類，抗震設防烈度為7度，設計基本地震加速度值為0.10g，設計地震分組為第一組。

本工程根據《綠色建筑評價標準》（JGB/T 50378-2014）[2]及《綠色建筑設計導則》（DBHJ/T010-2014）[3]的相關規定，進行結構優化設計，達到節材效果，并為建筑空間的舒適、高效布置創造條件。本工程結構設計進行了基礎選型、結構體系、結構構件等優化比選，本文就結構構件的優化比選作詳細闡述。

2 結構構件優化

2.1 豎向構件布置

優化豎向結構布置，提高對建筑布局的適應性，為建筑功能變化和靈活使用創造條件。本工程標準層（圖1）為大空間辦公，中間框架柱對建筑使用功能影響較大，對是否取消建筑內部框架柱進行了優化對比，對比結果詳見表1。

圖1 標準層平面布置

內部的框架柱去留的方案優選比較 表1

通過優選比較，可以得出以下結論：①去除標準層中間4根框架柱，鋼筋用量增加6.4%，混凝土用量增加1.8%；②工位數增加12.5%，且視野開闊，在空間的使用上舒適性較好?？梢姽澕s資源和舒適高效的使用空間之間存在矛盾關系，需要進行方案優選，選出更加符合綠色建筑的結構方案。本工程使用空間增加的量高于材料增加的量，因此采用普通大跨框架。

2.2 抗側力構件布置

①優化豎向抗側移構件布置，其側向剛度沿豎向宜均勻變化、豎向抗側力構件的截面尺寸和材料強度宜自下而上逐漸減小、避免側向剛度和承載力突變。本工程F1層層高6000,F9層層高5700，其余各層層高4200，特別容易出現側向剛度不規則和樓層承載力突變，因此設計時在增大F1層、F9層剪力墻厚度、框架柱截面尺寸和減少相鄰層豎向構件截面尺寸之間進行優化比較，在各項計算控制指標滿足的情況下選用混凝土材料用量最小的布置方案。

②優化抗側移構件布置，抗側力構件的平面布置宜規則對稱，弱化中部結構剛度，增加結構的抗扭剛度，解決結構扭轉不規則。本工程平面凹凸規則，但平面呈矩形，X向抗側剛度大，Y向抗側剛度小，扭轉明顯，設計時進行以下優化：增大兩端Y向剪力墻厚度、減小X向墻厚，增大兩端框架梁截面、減少中間區框架梁截面，增加抗側移剛度。

優化前后的結果見表2。

通過表2可以得出，優化后的結構扭轉位移比、扭轉周期比均符合要求。對抗側力構件布置進行優化，滿足抗震概念設計，雖然材料用量變化不大，但避免了結構的不規則，提高了結構的抗震性能。

優化前后的結果比較 表2

2.3 樓蓋布置

本工程樓蓋結構確定采用鋼筋混凝土現澆梁板結構，在結構布置中對梁的布置方式、梁截面、板厚等進行優化比較，確定最合適、最節材的布置方式。主要遵循以下原則：

①梁布置方式首先應滿足建筑功能及空間要求，適應建筑使用及舒適要求。

②梁、板截面應滿足抗剪、抗彎、撓度等受力要求下，盡可能減小其截面，從而減少結構自重、減少材料的損耗。

③梁、板截面尺寸尚應考慮設備專業在樓板內預埋管線、設備管穿梁等需求。由于消防水管等對建筑凈高影響較大，在保證梁承載力條件下允許設備管穿梁，從而減少層高、減少建筑總高度、減少隔墻及外圍護結構的材料損耗，梁截面高度不宜小于設備穿管直徑的3倍。

以下列舉了標準層次梁的兩種布置方案，對比如圖2、圖3所示，對比結果見表3。

圖2 標準層平面布置方案一

圖3 標準層平面布置方案二

兩種結構布置方案比較 表3

通過表3的比較，可以得出單向次梁布置的方案一材料損耗小，燈具、噴淋點位布置更自由，Y向設備管穿梁最少，極大的減少施工的繁瑣程度，間接的減少模板和套管的損耗。

3 材料選用

本工程鋼筋選用HRB500和HRB400級高強鋼筋，以減少單位建筑面積的鋼筋用量，達到節材與節能減排的目的；選用預拌砂漿和預拌混凝土以減少環境污染、便于文明施工；豎向構件選用高強混凝土，減小截面尺寸，降低資源消耗，并減少面積占用。

4 結語

結構優化設計可以從構件布置、材料選用等方面考慮，達到節約資源、減少污染以及提供舒適高效的使用空間的效果，以提高綠色建筑的等級。為進一步的從結構上促進綠色建筑的發展，有必要對新材料和新技術在結構上的應用進行研究。