建筑結構設計與可持續發展的整合策略分析

覃飛龍

（1.桂林金瓴建筑設計事務所，桂林 541000）

（2.廣西硅谷建設集團有限公司，來賓 546100）

1 前言

建筑結構設計作為建筑設計中的核心要素之一，對于實現可持續發展目標起著至關重要的作用[1]。它不僅直接影響建筑物的穩定性和承載能力，還與能源效率、材料選擇、碳足跡等方面密切相關。因此，在建筑結構設計中整合可持續發展的理念和策略，成為了推動建筑行業向可持續性發展的關鍵所在[2]。

2 建筑結構設計與可持續發展的關系

建筑結構設計在實現可持續發展目標的過程中起著重要作用。通過厘清結構設計對可持續發展的影響、結構材料選擇與環境影響、結構系統對能源效率的影響以及結構優化導致碳足跡減少等方面的關系，可以揭示降低能源消耗、減少碳排放并提高建筑的可持續性的路徑并制定相應的策略。

2.1 結構設計對可持續發展的影響

建筑結構設計在實現可持續發展目標方面扮演著重要角色。通過優化結構形式和采用高效的結構框架，可以顯著降低能源消耗和碳足跡。傳統的混凝土框架結構在建筑領域中有廣泛的應用，然而，它們通常需要大量的混凝土和鋼材，造成了巨大的資源消耗和環境影響。為了解決這一問題，裝配式結構技術應運而生，成為一種可行的替代方案。裝配式結構通過在工廠預制構件并在現場組裝的方式，實現了快速、高效的施工過程。裝配式結構采用模塊化設計，可以減少現場施工時間和人工成本。它們具有優化的結構性能和材料利用率，減少了材料浪費。此外，裝配式結構還可以提供更高的施工質量和穩定性，有效降低了工程風險。研究表明，與傳統混凝土結構相比，采用裝配式結構可以顯著降低能耗和溫室氣體排放，對于實現建筑行業的碳達峰碳中和目標具有重要意義[3]。

2.2 結構材料選擇與環境影響

傳統的建筑材料，如混凝土和鋼材，會產生大量的碳排放造成環境污染。然而，采用可持續建筑材料可以顯著減少環境負荷。使用木頭加工廠中的廢棄木材或者可二次回收使用的木材（如南洋櫸木、山樟木、蘭地木等）作為結構材料具有明顯的優勢。樹木通過光合作用吸收CO2，并將其儲存為碳素，因此利用木材可以實現碳固定。1m2的木結構可以固定約0.9 噸的CO2[4]。木材固碳原理如圖1 所示。木材還具有輕質、可再生性和良好的絕緣性能等特點，使其成為一種理想的可持續建筑材料選擇。另外，使用回收再利用的材料也能減少資源消耗和環境污染。采用再生混凝土、再生鋼材或工業廢棄物制成的建筑材料可以有效減少原材料的需求，降低碳排放和能源消耗。

2.3 結構系統對能源效率的影響

不同的結構系統對建筑物的能源效率有著顯著影響。采用高效的結構系統可以減少能源消耗，提高建筑的隔熱性能和通風效果。采用雙層玻璃幕墻、外部遮陽裝置和隔熱材料等技術可以改善建筑的隔熱性能，減少冷暖氣的能量損失。透明絕緣材料的應用也可以實現建筑外觀的美觀性和室內照明的自然采光效果，減少對照明系統的依賴。另外，結構系統還可以通過優化建筑的通風和空調系統來提高能源效率。例如，采用自然通風和利用可再生能源的供暖和制冷系統來減少對傳統能源的依賴，降低能源消耗和碳排放。在一些新式建筑中，通過采用適當的通風和空調系統，可以將能源消耗降低20%以上。

2.4 結構優化導致碳足跡減少

結構優化是實現碳足跡減少的重要手段。通過使用先進的建模和分析工具，可以在不影響結構性能的前提下，最小化材料使用量和碳排放。一個典型的例子是混凝土框架結構的優化，傳統的混凝土框架結構在設計時通常過于保守，導致材料的浪費和能源的浪費。通過采用先進的結構分析軟件和優化算法，可以確定最優的結構形式、斷面尺寸和材料配比。在混凝土結構的優化設計中，可以將碳足跡減少10%-30%，甚至更多[5]。其他類似的結構系統，如鋼結構和木結構，也可以通過結構優化來減少碳足跡。通過使用建筑信息模型（BIM）、有限元分析和參數化設計等工具，結構工程師可以評估不同方案的環境影響，并選擇最佳的設計方案。

3 建筑結構設計與可持續發展的整合方法

3.1 結構設計階段的可持續因素考慮

在建筑結構設計階段，通過綜合考慮結構形式與節能設計的關聯以及結構系統優化與最小化資源消耗，可以實現建筑結構設計與可持續發展目標的整合。

3.1.1 結構形式與節能設計的關聯

跨度和柱網布置優化通過合理設置建筑的跨度和柱網布置，可以降低梁和柱的數量，減少結構材料使用量，從而降低能源消耗和碳排放。利用先進的結構分析軟件和優化算法，可以評估不同結構形式的性能，并選擇最佳的結構形式。外部遮陽裝置與結構集成將外部遮陽裝置與建筑結構集成設計，可以有效地控制太陽輻射和熱傳輸，減輕空調負荷。例如，通過設計具有適當結構強度的屋頂遮陽板，既能提供遮陰效果，又能支撐自身荷載和其他負載。通過優化建筑空間布局，可以使房間更好地利用自然采光，減少對人工照明的依賴。結構設計應考慮窗戶的位置、尺寸和朝向，最大程度上利用自然光線，并避免過度暴露于太陽直射。

3.1.2 結構系統優化與最小化資源消耗

結構系統的選擇和優化對資源的消耗和環境影響至關重要。在結構設計階段，可以采用多種方法實現結構系統優化與最小化資源消耗。結構材料與構件尺寸優化通過采用計算機模擬和優化工具，確定合適的結構材料配置和構件尺寸，最大限度地減少材料使用量，降低能源消耗和碳足跡。結構分析可以確定結構元素的最優斷面尺寸，以滿足強度和穩定性要求。在結構設計中，應綜合考慮建筑的結構、機電、照明等系統的相互影響，實現整體系統的高效運行。例如，結構設計優化可以考慮為機電系統提供合適的支撐和通道空間，減少能源設備的占用面積，提高系統的效率。建筑信息模型（BIM）的應用使用BIM 技術可以在結構設計階段進行全面的建筑模擬和分析，包括能耗模擬、碳排放分析等。借助BIM，設計團隊可以更好地評估不同結構方案的可持續性，并提出相應的優化建議。將循環經濟原則引入結構設計中，可以促使結構系統的設計、建造和運營過程中的資源循環利用。例如，采用可拆卸連接件，以便在建筑解體或改造時能夠更好地回收和重復使用結構材料。采用集成設計方法，將結構設計與其他相關專業領域（如建筑物理學、機電工程等）融合在一起，實現系統性能的整體優化。通過協同工作和信息共享，可以識別潛在的節能機會和優化建議。通過使用輔助決策支持工具，如多目標優化算法、可視化技術等，可以幫助設計團隊快速評估不同的結構設計方案，并找到最佳平衡點，實現可持續性目標。

3.2 可持續建筑材料的應用

通過整合可持續建筑材料的選擇和應用，并結合可再生材料與循環經濟原則，可以實現建筑結構設計與可持續發展目標的整合。評估材料的環境性能可以通過生命周期評估（LifeCycleAssessment，簡稱LCA）來實現。LCA 是一種系統性的方法，用于評估產品在整個生命周期內對環境產生的影響。該方法包含以下主要步驟：①明確評估的目標、邊界和功能單位，確定所需數據和方法；②評估從原料采集到建材生產的環境影響，包括資源消耗和能源利用。資源消耗=∑(原料使用量×原料資源消耗系數)，能源利用=∑(原料使用量×原料能源利用系數)；③評估建材的制造和加工過程對環境的影響，包括碳排放和廢物產生。碳排放=∑(排放量×排放因子)，廢物產生=∑(廢物量×廢物處理因子)；④評估建筑材料在使用過程中的能源效率和環境影響；⑤評估建筑材料在使用壽命結束后的廢棄處理方式，包括回收、再利用和處置的影響；⑥將數據進行匯總和分析，并與其他材料進行比較。通過對不同材料的環境性能進行綜合考量，選擇具有較低環境影響的建筑材料。LCA 的結果可以提供定量的環境性能數據，幫助決策者和設計團隊在材料選擇和應用過程中做出可持續的決策。同時，LCA也可以揭示材料生命周期各個階段的環境熱點，為制定減少環境影響的策略提供依據。

使用低能耗建筑材料選擇具有良好隔熱、保溫和隔音性能的建筑材料可以有效地降低建筑的冷熱負荷，從而減少對機械設備（如空調和供暖系統）的依賴，實現節能減排的目標。良好的隔熱性能可以阻止室內外熱量的傳遞，降低建筑物在高溫或低溫環境下的散熱或傳導，減少對加熱和冷卻系統的需求。常見的高效絕緣材料包括聚苯乙烯泡沫板（EPS）、聚氨酯泡沫板（PUR）等。這些材料具有較低的導熱系數，可以有效地減少熱量流失。保溫性能是指建筑材料在阻止熱量流動的同時，能夠儲存和釋放熱量，提供更舒適的室內環境。常見的保溫材料包括玻璃纖維絕緣棉、聚乙烯發泡材料等。它們可以減少室內外溫度差異，提供更穩定的室內溫度。隔音性能是指建筑材料對聲波的傳遞和吸收能力。選擇具有良好隔音性能的建筑材料可以降低室內外噪音的傳遞，提供更加安靜的室內環境。常見的隔音材料包括礦棉板、隔音玻璃等。此外，還有一些其他的低能耗建筑材料可供選擇，如節能玻璃。節能玻璃通過采用特殊的涂層或空氣夾層技術，可以減少熱量的傳遞和陽光輻射進入建筑內部，提高建筑的能源效率。

可再生材料與循環經濟原則上優先選擇可再生材料，如竹材、麻材等，減少對有限資源的依賴。這些材料具有快速生長和可再生的特點，在合理管理下可以實現可持續利用。采用可拆卸連接件和模塊化設計，使得建筑材料可以輕松拆卸和重復利用，實現循環經濟原則的落地。在建筑結構設計中考慮廢棄物的管理和再生利用，以減少對垃圾填埋場的依賴。將廢棄材料進行分類和回收，參與再生利用過程，降低資源消耗和環境影響。采用智能材料和技術，可以實現建筑結構的自適應性和能源效率。例如，利用光敏材料調節建筑外立面的透光性，以響應環境條件的變化，并提供合適的采光和熱控制。遵循相關的綠色認證和標準，如LEED、BREEAM等，將可持續建筑材料的選擇和應用納入評估體系。這些認證和標準提供了衡量建筑可持續性的指標，推動行業向更可持續的方向發展。

4 結論

通過將可持續建筑材料納入結構設計中，可以實現建筑行業向更加環境友好和可持續的方向發展。這種整合策略不僅有助于減少資源消耗、碳排放和廢棄物產生，還能提高建筑結構的能源效率、適應性和可持續性。然而，要實現建筑結構設計與可持續發展目標的整合，需要多方共同努力。建筑師、結構工程師、建材供應商以及政府等各方都應積極參與，推動可持續建筑材料的研發、應用和市場推廣。同時，應加強行業內的合作和知識共享。通過不斷探索和創新，可以找到更多有效的方法和技術，將建筑結構設計與可持續發展相結合。這有助于塑造一個可持續、更環保的建筑行業，為未來創造可持續的人居環境。