低碳環(huán)保理念下的高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)分析

高飛

前言

現(xiàn)代高層建筑主體結(jié)構(gòu)多采用鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，消耗了大量的水泥，石子等自然資源，在鋼筋混凝土拆除的過程中這些材料不可回收且難處理，也給環(huán)境造成不小的壓力。低碳環(huán)保理念下的高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是對建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案的經(jīng)濟(jì)性、實(shí)用性、環(huán)保性、舒適性進(jìn)行分析的一個非常重要的環(huán)節(jié)，一定程度上影響了工程造價(jià)，降低了對周圍環(huán)境的破壞，通過新技術(shù)、新產(chǎn)品、新工藝實(shí)現(xiàn)了節(jié)能減排，可有效促進(jìn)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和社會的進(jìn)步。

1 低碳環(huán)保理念的特征

低碳環(huán)保理念是當(dāng)今社會常提到的一個名詞，具有鮮明的特點(diǎn)：①低碳環(huán)保理念以降低環(huán)境污染，減少對環(huán)境的破壞為目的；②低碳環(huán)保理念重視對技術(shù)的創(chuàng)新，通過新技術(shù)、新產(chǎn)品、新方法來實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排；③低碳環(huán)保理念的應(yīng)用，可以有效的促進(jìn)社會的發(fā)展，經(jīng)濟(jì)的進(jìn)步，為人類文明的發(fā)展起到重要作用。低碳環(huán)保理念在高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用也一樣，具體體現(xiàn)在以下幾個方面：

（1）節(jié)約資源能源：以低碳環(huán)保理念為設(shè)計(jì)指導(dǎo)，對于新材料、新產(chǎn)品、新技術(shù)的應(yīng)用會更加重視，如高層鋼結(jié)構(gòu)及裝配整體式高層混凝土結(jié)構(gòu)等，從而有效的降低資源能源的消耗，降低對環(huán)境污染的壓力。

（2）營造新的環(huán)境：在建筑結(jié)構(gòu)施工的過程中，由于新材料、新技術(shù)、新工藝等的應(yīng)用，性能優(yōu)越，一定程度能夠更有效率的開展工作，方便施工。如高層鋼結(jié)構(gòu)及裝配整體式高層混凝土結(jié)構(gòu)，大部分的施工作業(yè)在工廠進(jìn)行，工地現(xiàn)場只是進(jìn)行拼裝作業(yè)，大大縮短了工程建設(shè)周期。

（3）提高生活品質(zhì)：低碳環(huán)保理念下的新型建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)產(chǎn)品，開發(fā)新型技術(shù)，如在室外鋪裝過程中利用水體循環(huán)和蒸發(fā)等原理，減少熱島效應(yīng)，加強(qiáng)雨水應(yīng)用，降低城市耗水量，有利于人們生活環(huán)境的進(jìn)一步改善，從而使我們生活空間更加舒適。

2 低碳環(huán)保理念下的高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)注意事項(xiàng)

2.1 選取合適的材料

高層建筑要想有好的結(jié)構(gòu)，或者說，高層建筑的設(shè)計(jì)者要想設(shè)計(jì)出美觀舒適安全的高層建筑，就必須要選取合適的建筑材料。所謂的合適，是指在低碳環(huán)保下，注重材料的強(qiáng)度和彈塑性。如果建筑材料強(qiáng)度和彈塑性達(dá)不到要求，這樣高層建筑就起不到防震作用，也可能會瞬間傾塌。其次優(yōu)化外墻技術(shù)，外墻是維護(hù)結(jié)構(gòu)的主體部分，其耗能較大，占整個建筑能耗的25%左右，高層鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)及剪力墻結(jié)構(gòu)，采用的均為質(zhì)地較輕，保溫隔熱較好的材料，但是材料的性質(zhì)影響了外墻的壽命，傳統(tǒng)的外保溫材料結(jié)構(gòu)復(fù)雜，且抗震效果不好，因此在選擇外墻材料時不僅要有保溫效果，更要抗震性能強(qiáng)，結(jié)構(gòu)性好的材料，能夠承受住外部裝置的荷載以及有震動的鑿刨裝修等。因此，在選取材料的時候一定要注意，確保材料的使用性能滿足要求，而且要注重材料的低碳環(huán)保性能。

2.2 選擇合適的建筑形體

建筑形體在高層建筑中也占據(jù)十分重要的位置，建筑形體越大耗能越多，應(yīng)盡量選擇體形系數(shù)較小的平面形狀，因?yàn)樗軌蚶闷湫∏晒饣耐庑螠p少建筑物整體及局部的風(fēng)壓體型系數(shù)，結(jié)構(gòu)體系的布置能夠更加合理，更加節(jié)約。

2.3 選取合適的結(jié)構(gòu)體系

在低碳理念下，選擇合適的結(jié)構(gòu)體系如鋼結(jié)構(gòu)裝配式體系和鋼筋混凝土裝配式體系等，隨著經(jīng)濟(jì)和社會的發(fā)展鋼結(jié)構(gòu)體系已經(jīng)被運(yùn)用到各種大型的建筑結(jié)構(gòu)體系中來，但鋼結(jié)構(gòu)在住宅中的應(yīng)用很少，沒有被廣泛推廣開，該結(jié)構(gòu)體系重量較輕，具有較好的抗震性能，且能重復(fù)利用，在低碳環(huán)保理念下應(yīng)被大量推廣，還能夠給整個高層建筑增添美感，更加符合大眾的口味和審美。鋼筋混凝土裝配式體系，在節(jié)能減排的背景下近幾年讓大家有了新的認(rèn)識，裝配式結(jié)構(gòu)體系具有抗震性能好，承重體系和非承重（圍護(hù)體系）體系有較好的銜接，結(jié)構(gòu)質(zhì)量能夠很好地控制，能夠減少對環(huán)境的污染，施工速度較快等特點(diǎn)。

2.4 充分利用自然資源

充分利用建筑空間自然通風(fēng)原理，建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)最大限度的利用自然通風(fēng)，這就要求結(jié)構(gòu)體系設(shè)計(jì)能夠配合好建筑本身盡量實(shí)現(xiàn)這個要求，同時做好優(yōu)化建筑位置及朝向設(shè)計(jì)，充分利用自然資源，降低使用采暖設(shè)備和空調(diào)系統(tǒng)。因此，對于高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)者來說結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)會決定著這個高層建筑的低碳性和可持續(xù)性以及舒適性。特別是低碳環(huán)保理念的應(yīng)用，更應(yīng)該注重細(xì)節(jié)，對于新技術(shù)、新產(chǎn)品、新工藝的應(yīng)用，能夠使我們的結(jié)構(gòu)體系更加人性化。

3 低碳環(huán)保理念下的高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原則及要點(diǎn)

3.1 高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的經(jīng)濟(jì)性和合理性

高層建筑設(shè)計(jì)出來的初衷就是為了進(jìn)行土地資源的節(jié)約和空間資源的節(jié)省，讓人民生活舒適的情況下還能做到節(jié)省能源。建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是為建筑架起骨架，在建筑方案確定的前提下，結(jié)構(gòu)方案應(yīng)在安全的前提下，采用合理的，經(jīng)濟(jì)的結(jié)構(gòu)形式，并達(dá)到節(jié)能減排的效果。通過對設(shè)計(jì)方案的努力改正和檢查，降低施工的花費(fèi)，積極配合施工工作，確保低碳環(huán)保理念能夠在高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中發(fā)揮應(yīng)用的作用，通過經(jīng)濟(jì)、環(huán)保、科學(xué)的設(shè)計(jì)方案，使高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)更加合理。

3.2 合理利用概念設(shè)計(jì)

對于結(jié)構(gòu)工程設(shè)計(jì)師來說，高層建筑結(jié)構(gòu)的概念設(shè)計(jì)貫穿著整個設(shè)計(jì)過程中，是整個結(jié)構(gòu)分析和設(shè)計(jì)的靈魂，根據(jù)地震災(zāi)害和工程經(jīng)驗(yàn)等形成的基本設(shè)計(jì)原則和設(shè)計(jì)思想，進(jìn)行建筑結(jié)構(gòu)的總體布置并確定細(xì)部構(gòu)造的過程。所以高層建筑結(jié)構(gòu)的概念設(shè)計(jì)是要將整個高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)貫穿于整個建筑設(shè)計(jì)，建筑方案制定的過程中應(yīng)當(dāng)盡量選用規(guī)則的平面布置；在場地選擇中應(yīng)當(dāng)有所避開對抗震不利的地方；建筑結(jié)構(gòu)體系和材料的選擇還應(yīng)當(dāng)綜合考慮結(jié)構(gòu)的承重性及延性，確保結(jié)構(gòu)具有較好的抗震性能，并以概念判斷計(jì)算結(jié)果的合理性并進(jìn)行必要的調(diào)整。

3.3 做好高層建筑結(jié)構(gòu)延性設(shè)計(jì)

高層建筑結(jié)構(gòu)的延性能夠?qū)拐鹌鸬經(jīng)Q定性作用。所謂的高層建筑的結(jié)構(gòu)延性包括材料延性，構(gòu)件延性和結(jié)構(gòu)延性，也就是高層建筑結(jié)構(gòu)的材料，構(gòu)件和結(jié)構(gòu)的變形能力。如高層鋼結(jié)構(gòu)，鋼材本身具有較好的塑性性能，且質(zhì)量較輕，水平地震作用和豎向地震作用相比鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)較小，且鋼結(jié)構(gòu)具有很強(qiáng)的韌性，在地震過程中能夠吸收較多的地震能量，是一種很好地結(jié)構(gòu)延性體系，即使在大震下也會使得高層建筑屹立不倒而危及人身安全，但是由于造價(jià)的原因至今沒有在高層住宅上廣為應(yīng)用?，F(xiàn)如今，人們對于高層建筑要求越來越高，致使很多高層建筑設(shè)計(jì)師把高層建筑設(shè)計(jì)得越來越復(fù)雜，如果高層建筑結(jié)構(gòu)的延性不好，就不能保證高層建筑結(jié)構(gòu)的變形能力，導(dǎo)致高層建筑在地震過程中出現(xiàn)破壞和倒塌。

3.4 確保高層建筑結(jié)構(gòu)軸向變形的合理性

隨著高層建筑高度的不斷增加。在這種趨勢下，由于建筑材料的多元化，高層建筑結(jié)構(gòu)軸向變形問題就顯得十分突出。因此在如今的超高層建筑中，豎向的荷載大幅度的增加，就會使得高層建筑結(jié)構(gòu)中的中墻柱體在自身徐變發(fā)生的過程中隨著荷載的不斷增加而發(fā)生軸向變形，直接影響到高層建筑的穩(wěn)定性，因此在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和后期施工過程中，應(yīng)采取有效的措施保證中墻柱的軸向變形控制在合理的范圍。

4 結(jié)語

綜上所述，高層建筑不僅緩解了土地資源緊張，還讓人們的生活更加現(xiàn)代化，還帶動了相關(guān)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。但是在高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的過程中，對于低碳環(huán)保理念的應(yīng)用，應(yīng)該科學(xué)合理，在確保建筑結(jié)構(gòu)可靠的安全性和抗震性能等基本要求的前提下，采用新技術(shù)、新材料、新工藝，新方法來提高建筑結(jié)構(gòu)的經(jīng)濟(jì)性、實(shí)用性、舒適性，促進(jìn)建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的可持續(xù)性發(fā)展。