建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計與可持續(xù)發(fā)展的整合策略分析

覃飛龍

（1.桂林金瓴建筑設(shè)計事務(wù)所，桂林 541000）

（2.廣西硅谷建設(shè)集團有限公司，來賓 546100）

1 前言

建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計作為建筑設(shè)計中的核心要素之一，對于實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展目標(biāo)起著至關(guān)重要的作用[1]。它不僅直接影響建筑物的穩(wěn)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(guān)。因此，在建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計中整合可持續(xù)發(fā)展的理念和策略，成為了推動建筑行業(yè)向可持續(xù)性發(fā)展的關(guān)鍵所在[2]。

2 建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計與可持續(xù)發(fā)展的關(guān)系

建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計在實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展目標(biāo)的過程中起著重要作用。通過厘清結(jié)構(gòu)設(shè)計對可持續(xù)發(fā)展的影響、結(jié)構(gòu)材料選擇與環(huán)境影響、結(jié)構(gòu)系統(tǒng)對能源效率的影響以及結(jié)構(gòu)優(yōu)化導(dǎo)致碳足跡減少等方面的關(guān)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(xù)性的路徑并制定相應(yīng)的策略。

2.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計對可持續(xù)發(fā)展的影響

建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計在實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展目標(biāo)方面扮演著重要角色。通過優(yōu)化結(jié)構(gòu)形式和采用高效的結(jié)構(gòu)框架，可以顯著降低能源消耗和碳足跡。傳統(tǒng)的混凝土框架結(jié)構(gòu)在建筑領(lǐng)域中有廣泛的應(yīng)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(huán)境影響。為了解決這一問題，裝配式結(jié)構(gòu)技術(shù)應(yīng)運而生，成為一種可行的替代方案。裝配式結(jié)構(gòu)通過在工廠預(yù)制構(gòu)件并在現(xiàn)場組裝的方式，實現(xiàn)了快速、高效的施工過程。裝配式結(jié)構(gòu)采用模塊化設(shè)計，可以減少現(xiàn)場施工時間和人工成本。它們具有優(yōu)化的結(jié)構(gòu)性能和材料利用率，減少了材料浪費。此外，裝配式結(jié)構(gòu)還可以提供更高的施工質(zhì)量和穩(wěn)定性，有效降低了工程風(fēng)險。研究表明，與傳統(tǒng)混凝土結(jié)構(gòu)相比，采用裝配式結(jié)構(gòu)可以顯著降低能耗和溫室氣體排放，對于實現(xiàn)建筑行業(yè)的碳達峰碳中和目標(biāo)具有重要意義[3]。

2.2 結(jié)構(gòu)材料選擇與環(huán)境影響

傳統(tǒng)的建筑材料，如混凝土和鋼材，會產(chǎn)生大量的碳排放造成環(huán)境污染。然而，采用可持續(xù)建筑材料可以顯著減少環(huán)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(jié)構(gòu)材料具有明顯的優(yōu)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(xiàn)碳固定。1m2的木結(jié)構(gòu)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(zhì)、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(xù)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(huán)境污染。采用再生混凝土、再生鋼材或工業(yè)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(jié)構(gòu)系統(tǒng)對能源效率的影響

不同的結(jié)構(gòu)系統(tǒng)對建筑物的能源效率有著顯著影響。采用高效的結(jié)構(gòu)系統(tǒng)可以減少能源消耗，提高建筑的隔熱性能和通風(fēng)效果。采用雙層玻璃幕墻、外部遮陽裝置和隔熱材料等技術(shù)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(yīng)用也可以實現(xiàn)建筑外觀的美觀性和室內(nèi)照明的自然采光效果，減少對照明系統(tǒng)的依賴。另外，結(jié)構(gòu)系統(tǒng)還可以通過優(yōu)化建筑的通風(fēng)和空調(diào)系統(tǒng)來提高能源效率。例如，采用自然通風(fēng)和利用可再生能源的供暖和制冷系統(tǒng)來減少對傳統(tǒng)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(dāng)?shù)耐L(fēng)和空調(diào)系統(tǒng)，可以將能源消耗降低20%以上。

2.4 結(jié)構(gòu)優(yōu)化導(dǎo)致碳足跡減少

結(jié)構(gòu)優(yōu)化是實現(xiàn)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(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)的優(yōu)化，傳統(tǒng)的混凝土框架結(jié)構(gòu)在設(shè)計時通常過于保守，導(dǎo)致材料的浪費和能源的浪費。通過采用先進的結(jié)構(gòu)分析軟件和優(yōu)化算法，可以確定最優(yōu)的結(jié)構(gòu)形式、斷面尺寸和材料配比。在混凝土結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計中，可以將碳足跡減少10%-30%，甚至更多[5]。其他類似的結(jié)構(gòu)系統(tǒng)，如鋼結(jié)構(gòu)和木結(jié)構(gòu)，也可以通過結(jié)構(gòu)優(yōu)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(shù)化設(shè)計等工具，結(jié)構(gòu)工程師可以評估不同方案的環(huán)境影響，并選擇最佳的設(shè)計方案。

3 建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計與可持續(xù)發(fā)展的整合方法

3.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計階段的可持續(xù)因素考慮

在建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計階段，通過綜合考慮結(jié)構(gòu)形式與節(jié)能設(shè)計的關(guān)聯(lián)以及結(jié)構(gòu)系統(tǒng)優(yōu)化與最小化資源消耗，可以實現(xiàn)建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計與可持續(xù)發(fā)展目標(biāo)的整合。

3.1.1 結(jié)構(gòu)形式與節(jié)能設(shè)計的關(guān)聯(lián)

跨度和柱網(wǎng)布置優(yōu)化通過合理設(shè)置建筑的跨度和柱網(wǎng)布置，可以降低梁和柱的數(shù)量，減少結(jié)構(gòu)材料使用量，從而降低能源消耗和碳排放。利用先進的結(jié)構(gòu)分析軟件和優(yōu)化算法，可以評估不同結(jié)構(gòu)形式的性能，并選擇最佳的結(jié)構(gòu)形式。外部遮陽裝置與結(jié)構(gòu)集成將外部遮陽裝置與建筑結(jié)構(gòu)集成設(shè)計，可以有效地控制太陽輻射和熱傳輸，減輕空調(diào)負荷。例如，通過設(shè)計具有適當(dāng)結(jié)構(gòu)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(yōu)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(jié)構(gòu)設(shè)計應(yīng)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(jié)構(gòu)系統(tǒng)優(yōu)化與最小化資源消耗

結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的選擇和優(yōu)化對資源的消耗和環(huán)境影響至關(guān)重要。在結(jié)構(gòu)設(shè)計階段，可以采用多種方法實現(xiàn)結(jié)構(gòu)系統(tǒng)優(yōu)化與最小化資源消耗。結(jié)構(gòu)材料與構(gòu)件尺寸優(yōu)化通過采用計算機模擬和優(yōu)化工具，確定合適的結(jié)構(gòu)材料配置和構(gòu)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(jié)構(gòu)分析可以確定結(jié)構(gòu)元素的最優(yōu)斷面尺寸，以滿足強度和穩(wěn)定性要求。在結(jié)構(gòu)設(shè)計中，應(yīng)綜合考慮建筑的結(jié)構(gòu)、機電、照明等系統(tǒng)的相互影響，實現(xiàn)整體系統(tǒng)的高效運行。例如，結(jié)構(gòu)設(shè)計優(yōu)化可以考慮為機電系統(tǒng)提供合適的支撐和通道空間，減少能源設(shè)備的占用面積，提高系統(tǒng)的效率。建筑信息模型（BIM）的應(yīng)用使用BIM 技術(shù)可以在結(jié)構(gòu)設(shè)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(shè)計團隊可以更好地評估不同結(jié)構(gòu)方案的可持續(xù)性，并提出相應(yīng)的優(yōu)化建議。將循環(huán)經(jīng)濟原則引入結(jié)構(gòu)設(shè)計中，可以促使結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的設(shè)計、建造和運營過程中的資源循環(huán)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(fù)使用結(jié)構(gòu)材料。采用集成設(shè)計方法，將結(jié)構(gòu)設(shè)計與其他相關(guān)專業(yè)領(lǐng)域（如建筑物理學(xué)、機電工程等）融合在一起，實現(xiàn)系統(tǒng)性能的整體優(yōu)化。通過協(xié)同工作和信息共享，可以識別潛在的節(jié)能機會和優(yōu)化建議。通過使用輔助決策支持工具，如多目標(biāo)優(yōu)化算法、可視化技術(shù)等，可以幫助設(shè)計團隊快速評估不同的結(jié)構(gòu)設(shè)計方案，并找到最佳平衡點，實現(xiàn)可持續(xù)性目標(biāo)。

3.2 可持續(xù)建筑材料的應(yīng)用

通過整合可持續(xù)建筑材料的選擇和應(yīng)用，并結(jié)合可再生材料與循環(huán)經(jīng)濟原則，可以實現(xiàn)建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計與可持續(xù)發(fā)展目標(biāo)的整合。評估材料的環(huán)境性能可以通過生命周期評估（LifeCycleAssessment，簡稱LCA）來實現(xiàn)。LCA 是一種系統(tǒng)性的方法，用于評估產(chǎn)品在整個生命周期內(nèi)對環(huán)境產(chǎn)生的影響。該方法包含以下主要步驟：①明確評估的目標(biāo)、邊界和功能單位，確定所需數(shù)據(jù)和方法；②評估從原料采集到建材生產(chǎn)的環(huán)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(shù))，能源利用=∑(原料使用量×原料能源利用系數(shù))；③評估建材的制造和加工過程對環(huán)境的影響，包括碳排放和廢物產(chǎn)生。碳排放=∑(排放量×排放因子)，廢物產(chǎn)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(huán)境影響；⑤評估建筑材料在使用壽命結(jié)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(shù)據(jù)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(huán)境性能進行綜合考量，選擇具有較低環(huán)境影響的建筑材料。LCA 的結(jié)果可以提供定量的環(huán)境性能數(shù)據(jù)，幫助決策者和設(shè)計團隊在材料選擇和應(yīng)用過程中做出可持續(xù)的決策。同時，LCA也可以揭示材料生命周期各個階段的環(huán)境熱點，為制定減少環(huán)境影響的策略提供依據(jù)。

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(shè)備（如空調(diào)和供暖系統(tǒng)）的依賴，實現(xiàn)節(jié)能減排的目標(biāo)。良好的隔熱性能可以阻止室內(nèi)外熱量的傳遞，降低建筑物在高溫或低溫環(huán)境下的散熱或傳導(dǎo)，減少對加熱和冷卻系統(tǒng)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(dǎo)熱系數(shù)，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(nèi)環(huán)境。常見的保溫材料包括玻璃纖維絕緣棉、聚乙烯發(fā)泡材料等。它們可以減少室內(nèi)外溫度差異，提供更穩(wěn)定的室內(nèi)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(nèi)外噪音的傳遞，提供更加安靜的室內(nèi)環(huán)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(jié)能玻璃。節(jié)能玻璃通過采用特殊的涂層或空氣夾層技術(shù)，可以減少熱量的傳遞和陽光輻射進入建筑內(nèi)部，提高建筑的能源效率。

可再生材料與循環(huán)經(jīng)濟原則上優(yōu)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(xiàn)可持續(xù)利用。采用可拆卸連接件和模塊化設(shè)計，使得建筑材料可以輕松拆卸和重復(fù)利用，實現(xiàn)循環(huán)經(jīng)濟原則的落地。在建筑結(jié)構(gòu)設(shè)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(huán)境影響。采用智能材料和技術(shù)，可以實現(xiàn)建筑結(jié)構(gòu)的自適應(yīng)性和能源效率。例如，利用光敏材料調(diào)節(jié)建筑外立面的透光性，以響應(yīng)環(huán)境條件的變化，并提供合適的采光和熱控制。遵循相關(guān)的綠色認證和標(biāo)準，如LEED、BREEAM等，將可持續(xù)建筑材料的選擇和應(yīng)用納入評估體系。這些認證和標(biāo)準提供了衡量建筑可持續(xù)性的指標(biāo)，推動行業(yè)向更可持續(xù)的方向發(fā)展。

4 結(jié)論

通過將可持續(xù)建筑材料納入結(jié)構(gòu)設(shè)計中，可以實現(xiàn)建筑行業(yè)向更加環(huán)境友好和可持續(xù)的方向發(fā)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(chǎn)生，還能提高建筑結(jié)構(gòu)的能源效率、適應(yīng)性和可持續(xù)性。然而，要實現(xiàn)建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計與可持續(xù)發(fā)展目標(biāo)的整合，需要多方共同努力。建筑師、結(jié)構(gòu)工程師、建材供應(yīng)商以及政府等各方都應(yīng)積極參與，推動可持續(xù)建筑材料的研發(fā)、應(yīng)用和市場推廣。同時，應(yīng)加強行業(yè)內(nèi)的合作和知識共享。通過不斷探索和創(chuàng)新，可以找到更多有效的方法和技術(shù)，將建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計與可持續(xù)發(fā)展相結(jié)合。這有助于塑造一個可持續(xù)、更環(huán)保的建筑行業(yè)，為未來創(chuàng)造可持續(xù)的人居環(huán)境。