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范和標準，推動技術創新應用，充分發揮綠色設計的龍頭作用，引領綠色技術的應用發展，實現資源節約、環境保護、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系

綠色建造理念是以綠色設計、 綠色施工為基礎，遵循節水、節地、節能、節材、環境保護等基本要求，將綠色建造落實到土木工程結構設計中，具有非常重要的現實意義，有利于提高工程結構設計水平，加強系統化、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、施工等全產業鏈的溝通協作，防止出現結構設計與實際施工脫節的問題，有利于優化資源配置，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點，使用性能更好、效率更優的產品。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。在結構設計過程中，可根據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能綠色材料，能夠保證產品質量的穩定性，減少現場攪拌作業產生的能耗和污染，具有較強的環保性和經濟性。

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展，其中，以鋁合金模板技術最為突出，在實際應用中展現出了可重復使用、施工便捷、綜合價格低等優點。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，優化梁寬、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、施工協調、施工模擬等功能及時發現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，模架系統相對復雜，容易出現質量問題，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，更好地發揮鋁模板技術的應用優勢[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建造方式中的大量現場作業轉移到工廠內進行，并將工廠加工制作好的結構配件運輸到施工現場，通過可靠的連接方式裝配而成。在理想狀態下，裝配式結構可以隨著主體工程同步施工，體現出標準化設計、工廠化生產、裝配化施工、信息化管理等特點，具有良好的節能環保效應。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，需要根據建筑功能要求和開間模數，合理設計、拆分結構構件，實現構件生產的標準化、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則、尺寸合理，能夠有效減少模塊單元種類和數量；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點尺寸、樣式，是模塊單元有效拼接的重要保障。所以，節點連接是模塊化結構設計的關鍵。節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

根據相關統計，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，而且對細節構造保溫處理要求較高，很容易出現保溫薄弱部位。采用保溫與結構一體化設計，能夠實現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，達到節材、節能的效果[3]。

2.5 剪力墻結構優化

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，需要根據剪力墻的空間分布進行優化調整，既能滿足側向剛度需求，又要實現綠色建造效果。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定性。進行結構優化時，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。

優化設計過程中，需要全面核查結構試算結果，避免出現過于冒險、過于保守的情況。對于剪力墻位置的優化，采用強周邊、弱中部、多長墻、少短墻的優化布置原則，盡量使用規則形狀墻肢，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。充分利用數學優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，建立數學模型，確定目標函數，經過求解獲得最優方案，將被動的結構優化設計轉變為主動控制過程，在結構安全、成本節約之間獲取平衡點，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，如果鋼結構節點螺栓與鋼筋發生碰撞，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模型進行協同設計，可以避免設計信息傳達錯誤的問題。在某個部分發生改變后，其他專業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保效益。