绿色建筑结构设计探析

【摘 要】随着居住生态危机（如城市雾霾、温室效应等）的加剧和绿色运动的蓬勃发展,绿色建筑作为第三代建筑思潮已受到社会的广泛关注.绿色建筑不是单纯的在建筑内部或外部种植植物进行环境绿化,而是一种节能、轻污染、尊重自然回归自然的建筑思路.而建筑结构设计作为建筑方案中的一个重要部分,结构设计也须适应绿色潮流.本文就绿色建筑结构设计进行了分析和探讨.

【关 键 词】建筑结构设计；绿色；设计思路

前言

近年来,城市雾霾、温室效应等影响人类居住的生态危机进一步加剧,这给正在快速发展的城市敲响了警钟,人们对城市未来发展方向也有了更多的思考,此时,提出了绿色建筑这一概念.从绿色建筑的设计风格和方法探讨到绿色建设中生态影响的计算,从各种建筑材料对环境影响的绿色分类到不同绿色建筑评估指标系统的分析,绿色建筑作为第三代建筑思潮正涌动在建筑设计界.相比于此,建筑结构设计对“绿色”的响应就没有那么激烈,这符合了结构设计师的沉稳性格.但面对现今的社会和生态,可持续发展、节能减排的绿色建筑结构是必然的发展趋势,需要更多的人加以关注并投入研究.

一、绿色建筑结构的特点

绿色建筑与其他一般的建筑有明显的不同,主要有节能性、审美和谐性、系统综合性、健康性和环保性五大特性[1],而绿色建筑结构设计也应符合绿色建筑的这些特点要求,要求结构设计最大程度地辅助绿色建筑本身达到节能减排、环保的目标.绿色建筑结构除了上述绿色建筑特点要求外,还应结合结构设计的两个重要特性,安全性和经济性.经分析,绿色建筑结构相比一般建筑结构应有以下三个特点.

1.节能性

据统计,全球能量的50%用于工业、交通和其它行业,45%用于建筑物的采暖、空调和照明,5%则用于建筑物的构造.可见,与建筑相关的能耗约占全球全部能耗的一半.因此,建筑节能研究在绿色建筑体系营造中占有突出的地位.绿色建筑结构必须具备节能特性.

2.环保性

绿色一词表面意思就是生态环保,不对自然环境产生过多的污染.绿色建筑结构充分利用合理的结构类型、材料,在建筑物建成后,在较长的时期保持环保.

3.经济可持续性

建筑如果过分追求外观,不考虑强制使用高成本的某种结构体系带来的经济问题,那么这样的建筑势必给社会和人民带来过重的负担,违背了绿色建筑的节能环保、经济适用的原则.为支持起绿色建筑的这一目标,绿色建筑结构也具备经济性和可持续性.

二、绿色建筑结构的设计原则

根据建设的实际需要和人们对绿色建筑追求,设计理念随之不断提升,建筑的结构形式是丰富多彩的,高层建筑结构形式更是复杂化、多样化,绿色建筑结构概念更加清晰,结构形式也越发多样,其中绿色高层建筑结构的设计方式也逐步成熟.相比一般建筑结构设计,绿色建筑结构设计应遵循建筑结构整体性原则、合理适中原则、尊重自然原则等.

1.结构整体性原则

绿色建筑设计应把自身当做一个开放的体系与自然界构成一个整体,应追求环境效益最大化,局部利益应当服从整体利益,暂时性利益应当服从长远利益.在绿色建筑结构设计中,应与建筑设计构成一个有机整体,结构充分符合建筑的整体效应.绿色结构可以使绿色建筑达到设计的各项目标.如绿色建筑招商局的南海意酷的屋项实现拔风目标对屋顶结构的要求,又如华南理工大学图书资料的夏式遮阳（由夏昌世先生设计）要求窗体附近结构如何处理等等.

2.合理适中原则

绿色建筑结构遵循合理适中的原则,合理的结构体系,适中的经济成本,这些要求也是对结构具备绿色特性的表现.如果结构体系富余度大,势必造成过多的建设成本,对社会形成了过多的资源浪费,无法达到节能的效果,就谈不上绿色了.所以绿色结构是在保证结构安全性的情况下合理的节省资源消耗,特别是对自然依赖性较强的资源.

3.尊重自然原则

绿色建筑的显著特点就是能够与环境完美的相融合,使二者和谐统一.建筑结构设计中优先考量自然、生态,改变过去人类是自然中心的错误意识,尊重自然法则,维护生态平衡,注重生态环保.建筑结构设计中每一步都应力求做到与环境和谐统一,因为建筑本就取之于自然,所以最终必定会回归到自然中去,这也是第三代建筑思潮的核心.

4.绿色建筑结构设计思路

1.绿色建筑结构选型

结构选型对于绿色建筑的呼应可以发生在更高的层面上以确保建筑在与自然共生条件下的可持续建造性.事实上,一个基于绿色设计的结构体系相比传统建造体系可以极大减轻建筑活动对环境负荷的压力,同时结构选型在建筑生命周期的规划中可以承担非常积极的角色.正确的结构选型能有效地形成环保节能的结构体系,为绿色建筑提供“健康的骨骼”.绿色建筑结构选择正确的选型是关键.

2.选择绿色结构建材

绿色建材是绿色建筑各项功能目标实现的基础支撑,对绿色建材的选用很大程度上决定了建筑的绿色程度.同样选择绿色结构建材形成的结构设计方案更加有效产生绿色效果.绿色结构本身材料应为绿色建材,具有可持续发展的潜力,从而确保建筑可持续发展,同时绿色结构的构成单元具有可代替性,即当结构出现缺陷时,能及时方便有效地更换,因而结构的使用年限得以延长,同时维修的频度和造价大大降低[2].

3.重点开发钢结构的绿色性

钢结构拥有其他结构类型所不具备的优秀特点,可以成为绿色结构的重要结构类型.力学性能清楚,抗震性能好,钢材延性好,耐久性好,这使得能利用钢材塑性变形耗能,建筑震害少、震害轻；钢结构建筑自重较轻,减轻地基受力.节能、节水、环保、减排、安装简单、建设工期短,运输过程中对环境污染小,易拆除,可重复利用、材料可循环利用等优点,符合了绿色建筑的要求.综上所述,钢结构具有轻、快、好、省的优点,目前是绿色建筑最佳的结构形式,应重点开发钢结构的绿色性.4.开拓创新,开发新的绿色结构设计软件

当今,科学技术突飞猛进,绿色建筑的兴起,对结构计算的要求也越发复杂,结构设计理论和程序有时达不到设计要求,需要高新科技设计软件来完成设计.由于力学模型比较复杂,难以精密计算结构构件的受力情况,或对绿色建筑结构目标的效果分析无法精确,则绿色结构得不到保证.这就需要重新开发新的设计软件,使结构设计达到进一步完善.

5.工程案例分析

1.绿色结构选型案例分析

法兰克福商业银行,在这个欧洲第一栋生态高层建筑的项目招标书中业主明确提出应创造出“与使用功能的价值同样重要的建筑使用环境”,要求设计师在规定的三角形基地内保证所有银行员工在办公区均能欣赏到大楼中的空中花园.法兰克福银行大楼首创的角筒—错层空腹桁架结构体系,它取消核心筒而代之以建筑平面角区处的三个竖向角筒,大楼的整体空间形式因此改成在三角形大楼的每一侧都由每8层办公楼区之间加插一4个层楼净高的空中花园所组成,而大楼三面的空中花园都是按顺时针方向往上盘旋错层相接来设置,每一层的任何位置,办公人员都可以抬头欣赏到绿色花园.这就是绿色建筑结构选型,正是对绿色设计目标的执着追求,史无前例地设计出这样的一种绿色结构体系.现代建筑许多经典高层结构体系出现,但很多都无法达到生态绿色的效果,这值我们在结构选型关注和思考.

2.绿色结构建材案例分析

绿色建筑结构体系主要分为几大类型：一是从节约能源与资源的角度出发,以粉煤灰、矿渣等工业废渣为主要成分的砌体结构；二是以绿色高性能混凝土为主要成分的混凝土结构（包括预应力混凝土结构）；三是高性能钢结构.

以上所提建筑结构的建材目前阶段都是初步探索,或是原有建材上的优化升级,都局限于现有结构体系与理论,没有充分挖掘绿色建材的潜能.特别是绿色高性能混凝土,人们只研究了它的材料性能、工程性能,而没有研究其力学性能.理论上,绿色高性能混凝土结构应有更优的力学性能和耐久性能,相比普通的混凝土有着不同数量级的飞越.绿色高性能结构体系应该作为一种独立的、新型的结构体系加以研究.绿色高性能混凝土结构减少环境污染并提高其抵抗污染的能力,延长建筑的使用年限,是今后发展的核心.

结语

总而言之,绿色建筑结构设计是绿色建筑的重要组成部分,是今后结构设计的必然发展趋势.建筑结构设计者要遵守相关规范下,具有与时俱进的思想,不断探索更新设计理念,开创新的技术,建立绿色建筑结构体系.绿色建筑结构是建筑业可持续发展的又一核心,是绿色建筑的有力保障.