綠色建造理念在土木工程結構設計中的應用探討

劉振磊

（中鐵十四局集團第四工程有限公司，濟南 250000）

1 綠色建造理念與土木工程結構設計

1.1 綠色建造理念

推廣綠色建造需要不斷完善綠色建造的相關規(guī)范和標準，推動技術創(chuàng)新應用，充分發(fā)揮綠色設計的龍頭作用，引領綠色技術的應用發(fā)展，實現(xiàn)資源節(jié)約、環(huán)境保護、和諧共處的目標。

1.2 土木工程結構設計

土木工程結構設計是采用結構語言表達設計思想的過程，重點工作內容在于基礎設計、上部結構設計、細部構造設計等方面，需要經過結構方案設計、結構計算、施工圖設計等階段。根據(jù)建筑重要程度、工程地質勘查報告、場地類別等確定結構形式，布置結構的承重體系和受力構件，并采用科學方法針對結構荷載、構件尺寸、內力作用等方面進行計算，最終輸出設計成果文件[1]。

1.3 綠色建造理念與土木工程結構設計的聯(lián)系

綠色建造理念是以綠色設計、 綠色施工為基礎，遵循節(jié)水、節(jié)地、節(jié)能、節(jié)材、環(huán)境保護等基本要求，將綠色建造落實到土木工程結構設計中，具有非常重要的現(xiàn)實意義，有利于提高工程結構設計水平，加強系統(tǒng)化、精細化設計管理，減少資源浪費和能源消耗，降低施工工藝的復雜性。綠色建造理念充分考慮了人與自然的和諧相處，有利于優(yōu)化工程結構空間。綠色建造理念的應用需要加強設計、生產、施工等全產業(yè)鏈的溝通協(xié)作，防止出現(xiàn)結構設計與實際施工脫節(jié)的問題，有利于優(yōu)化資源配置，提高工程建設質量。

2 綠色建造理念在土木工程結構設計中的應用研究

2.1 選用綠色材料

減少材料用量、 提高材料利用率是實現(xiàn)綠色建造的重要途徑。在土木工程結構設計中，應以減少材料資源和能源消耗為出發(fā)點，使用性能更好、效率更優(yōu)的產品。土木工程結構中，鋼筋混凝土結構體系比較常見，在鋼筋的選擇過程中，應保證鋼材的力學性能、 工藝性能能夠滿足建造要求。采用高強鋼筋，能夠有效減少鋼筋用量，改善梁柱節(jié)點鋼筋密集的問題，有利于提高混凝土澆筑質量，減少返工作業(yè)。在結構設計過程中，可根據(jù)實際情況靈活選用高性能混凝土、高強混凝土、輕骨料混凝土、防水混凝土、碾壓混凝土、纖維混凝土、聚合物混凝土等特種混凝土，控制混凝土的用量，滿足結構功能和施工工藝要求，盡可能延長結構使用壽命。

另外，預拌砂漿屬于新型節(jié)能綠色材料，能夠保證產品質量的穩(wěn)定性，減少現(xiàn)場攪拌作業(yè)產生的能耗和污染，具有較強的環(huán)保性和經濟性。

2.2 新型模架技術

在土木工程施工過程中，混凝土澆筑需要模板工程的配合，傳統(tǒng)的木模板和鋼模板容易產生建筑垃圾，而且由于自重大，施工極為不便。為落實建筑垃圾減量化的綠色建造理念，新型模架技術得以應用發(fā)展，其中，以鋁合金模板技術最為突出，在實際應用中展現(xiàn)出了可重復使用、施工便捷、綜合價格低等優(yōu)點。在鋁模板表面涂抹聚合物后，能夠減少模板表面混凝土的黏結量，減少混凝土資源浪費，提高混凝土結構的施工質量，因此，有必要將鋁模板技術應用到土木工程結構設計中。

由于鋁模板本質上是一種標準化模板，有利于減少材料損耗，降低生產能耗，所以，需要注意結構構件的標準化設計，嚴格控制各種結構構件的尺寸和模數(shù)，優(yōu)化梁寬、梁高、墻厚、門洞大小等設計指標，同時，采用BIM 技術輔助配模設計和結構設計，通過碰撞檢測、施工協(xié)調、施工模擬等功能及時發(fā)現(xiàn)拼裝連接過程中可能存在的問題，針對性地進行模板設計優(yōu)化，對主體結構構件進行調整。比如，在樓梯結構施工時，模架系統(tǒng)相對復雜，容易出現(xiàn)質量問題，可以通過虛擬仿真、碰撞檢測、自動排版，解決樓梯配模設計問題，更好地發(fā)揮鋁模板技術的應用優(yōu)勢[2]。

2.3 裝配式結構

裝配式結構是一種典型的綠色建造理念應用成果，該結構的制造過程從傳統(tǒng)建造方式中的大量現(xiàn)場作業(yè)轉移到工廠內進行，并將工廠加工制作好的結構配件運輸?shù)绞┕がF(xiàn)場，通過可靠的連接方式裝配而成。在理想狀態(tài)下，裝配式結構可以隨著主體工程同步施工，體現(xiàn)出標準化設計、工廠化生產、裝配化施工、信息化管理等特點，具有良好的節(jié)能環(huán)保效應。利用裝配式結構進行土木工程結構設計，需要提高設計的標準化和管理的信息化水平，構件越標準，生產效率越高，生產成本越低，綜合效益越好。所以，需要根據(jù)建筑功能要求和開間模數(shù)，合理設計、拆分結構構件，實現(xiàn)構件生產的標準化、模塊化。

模塊化結構設計通常包括整體設計、模塊單元設計、連接設計3 個方面。

首先，要確定基本的結構類型，合理劃分建筑平面布局，保證模塊單元排列規(guī)則、尺寸合理，能夠有效減少模塊單元種類和數(shù)量；然后，進行結構整體設計，初步計算得到各軸線上需要的截面面積、強度、剛度等方面要求，確定截面組合構件的數(shù)量和排列方式，得到具體的受力構件平面布置。

模塊單元設計則應該遵循模塊化、通用化、集成化、工業(yè)化的基本原則，主要功能空間使用基本單元體，同一使用功能的基本單元體應具有互換性和通用性。單元與其他構件組合后要成為合理的結構體系，單元之間組合后應該具有系統(tǒng)性，能夠滿足工程結構可靠性設計標準。在設備集中的功能空間，為了保證結構防水效果、降低模塊單元設計難度，一般不采用后裝修的方式，需要將結構設計與裝修設計同步考慮，同步實施。模塊單元設計要充分分析生產、運輸、施工等方面的影響，必須加強受力狀態(tài)分析驗算，能夠同時滿足結構整體設計和連接設計要求，具備良好的力學性能，采用開敞式模塊單元設計方式，更好地解決實際需求。

連接設計影響著模塊單元的角部節(jié)點尺寸、樣式，是模塊單元有效拼接的重要保障。所以，節(jié)點連接是模塊化結構設計的關鍵。節(jié)點設計的重難點在于柱結構之間的連接，必須保證豎向連接的連續(xù)性，才能使模塊化結構具備良好的抗震性能，可以采用榫接和螺栓結合的方式解決這個問題。

2.4 結構與保溫一體化技術

根據(jù)相關統(tǒng)計，圍護結構產生的傳熱損失占工程總耗熱量的70%以上，而在圍護結構傳熱損失中，外墻占比達到1/4左右，所以，圍護結構的保溫隔熱設計至關重要。傳統(tǒng)的外墻保溫一般采用外墻外保溫構造設計，在建筑主體結構施工完成后再進行保溫層施工，這樣不但要消耗大量的黏結、飾面、加固材料，而且對細節(jié)構造保溫處理要求較高，很容易出現(xiàn)保溫薄弱部位。采用保溫與結構一體化設計，能夠實現(xiàn)結構承重與保溫雙重作用，在主體結構施工后，不需要再做保溫層，而且保溫層與建筑結構具有同等壽命。所以，在工程結構設計時，需要同步進行結構與保溫設計，將混凝土承重結構與復合保溫板復合而成。由于復合保溫板具有良好的強度、剛度、整體性，可以作為混凝土澆筑外側模板使用，有效減少模板用量，達到節(jié)材、節(jié)能的效果[3]。

2.5 剪力墻結構優(yōu)化

剪力墻結構體系在高層建筑設計中比較常見，具有較強的側向剛度，能夠有效抵抗水平荷載。但是，剪力墻結構平面布置不靈活，間距相對較小，結構自重比較大，在設計時，需要根據(jù)剪力墻的空間分布進行優(yōu)化調整，既能滿足側向剛度需求，又要實現(xiàn)綠色建造效果。剪力墻結構設計應該遵循強墻肢、弱連梁、強剪弱彎等基本原則，嚴格控制剪壓比、軸壓比，盡可能提高剪力墻的延性，保證剪力墻結構的安全性和穩(wěn)定性。進行結構優(yōu)化時，結構墻布置平面兩個方向要均勻，能夠保持豎向構件的連續(xù)性，具備良好的抗震、抗風性能，最大限度地利用材料的力學性能，科學合理地進行結構與截面設計。

優(yōu)化設計過程中，需要全面核查結構試算結果，避免出現(xiàn)過于冒險、過于保守的情況。對于剪力墻位置的優(yōu)化，采用強周邊、弱中部、多長墻、少短墻的優(yōu)化布置原則，盡量使用規(guī)則形狀墻肢，減少復雜形狀墻肢，這樣有助于剪力墻結構的穩(wěn)定性。墻肢應沿著高度方向均勻變化，而且各墻肢的軸壓比比較接近。充分利用數(shù)學優(yōu)化理論和計算機應用技術，選擇結構設計中的某些設計變量，在滿足約束條件的情況下，建立數(shù)學模型，確定目標函數(shù)，經過求解獲得最優(yōu)方案，將被動的結構優(yōu)化設計轉變?yōu)橹鲃涌刂七^程，在結構安全、成本節(jié)約之間獲取平衡點，增加工程結構綠色設計水平，減少結構體系碳排放。

2.6 BI M技術的應用

在BIM 模型中，涵蓋了結構構件的具體信息，不僅包括截面尺寸、材料應用、位置分布等方面，還能對整體結構進行分析計算，實現(xiàn)可視化成果表達，能夠從各個方面、各個角度查看工程實體各種信息。在選擇建模軟件時，要充分考慮軟件的兼容性，需要與其他結構分析軟件協(xié)同進行模型計算分析。保證建模軟件與結構分析軟件的完美鏈接，有利于提高協(xié)同設計效率。鋼筋碰撞是結構設計常見的問題，如果鋼結構節(jié)點螺栓與鋼筋發(fā)生碰撞，很難解決，所以，結構設計時進行鋼筋碰撞檢測十分必要。利用BIM 技術生成結構的三維鋼筋圖，可以直觀地查看鋼筋碰撞問題，而且在Navisworks 等相關軟件支持下，可自動進行碰撞檢測，生成碰撞檢測報告，快速解決鋼筋碰撞問題。將BIM 結構模型與其他專業(yè)模型進行協(xié)同設計，可以避免設計信息傳達錯誤的問題。在某個部分發(fā)生改變后，其他專業(yè)模型與之相對應的部分也會做出調整，大大提高了設計質量和效率。

3 結語

綜上所述，綠色建造是基于綠色建筑理念發(fā)展而來，涵蓋策劃、設計、施工等不同階段，需要積極采用新技術、新工藝、新材料，減少工程實施過程中的資源消耗量，降低對周邊環(huán)境的影響。在土木工程結構設計中，采用綠色建造理念，能夠從源頭上把控技術應用效果，減少結構主體建造的碳排放量，產生更好的經濟效益和環(huán)保效益。