可持续结构设计

可持续结构设计方法

摘要

现代社会要求建筑在规划和设计阶段就应该考虑施工和运营时相关的能源

消耗。为了降低各个阶段的原材料需求量和能耗工程界一直在努力设计出更为可持续的建筑。目前，结构工程师在如何在设计中纳入可持续发展理念方面的指导非常有限。我们需要新的方法来解决建筑规划和设计阶段的环境影响、能源消耗和其他可持续性问题。本文调查和讨论了五种可持续结构设计方法:减少材料用料，减少材料生产能耗，减少能耗量，生命周期分析、列清单、评估，重复使用结构体系。本文的目的描述和解决所建议的设计方法，并确定哪种方法可设计出最为可持续的结构设计。最终得出结论没有任何一种方法是可以单独解决所有可持续结构设计中存在的问题的。此外还得出两种或两种以上的设计方法的组合有可能让专业的设计者设计出更加可持续的建筑。

关键词：结构系统，可持续发展，结构设计，建筑设计

简介

当建筑师和工程师为设计出最为可持续的建筑而作抉择时，工程的结构形式、体系和规模对问题有决定性作用。本文介绍了可持续设计的不同方面和方法以及介绍了他们对结构体系的影响。

结构工程师有多种方法设计结构构件和结构体系。从材料的选择到系统，结构体系和它的布局是建筑形式和结构性质的结合（通常这两个方面是不同的）。这里假设设计可持续结构的目的是设计出一种既满足业主也满足客户需求的结构，同时最大限度地降低环境影响和节约资源。对工程师、建筑师和类似的职业而言他们的目标是，降低各种建筑：低层建筑、高层建筑、小跨度桥梁、大跨度桥梁以及任何介于这之间的建筑对自然资源和环境的影响。本文为实现这一目标讨论和论述了五种方法。

方法1 降低建材用量

方法2 降低建材生产耗能

方法3 降低使用阶段能耗

方法4 生命周期分析/列清单/评估

方法5 增加结构体系重复利用

每种方法在可持续性方面都有优点和缺点。虽然每种方法有相同的最终目标，但是达到目的的方法可以不同，甚至可能对一个比较成功的可持续结构造成不利影响。应该指出的是本文讨论的设计方旨在解决结构方面的问题而不是非结构方面或者建筑材料方面的问题。解决非结构因素和构件对整体可持续性的影响不是本文的目的。因此，本文没讨论如玻璃这种非结构构件。

方法1：降低原料用量

这种方法的最终目的是减少所需原材料，从而减少工程对环境的影响。减少结构构件使用总量是可持续结构设计的目的之一（Moon 2008）。工程师可以从两种途径达到这中目的。其中之一是如Shi and Han（2009）所建议的一样，结构设计师可以结合各种不同的材料类型来设计出更加有效的结构构件和结构体

系从而减少自然资源使用量。类似地，优化一种构建模型并只使用一种结构构件是减少材料用量的另一种方法。

同样，建筑师减少材料用料的方法也有两种。一种是。相反，另一种方法是使布局本身尽可能适合建筑用途，且不制造多余空间（Trabbuco

2008）。但是大多数情况下建议的布局满足最大使用空间，第一种方法试图增大可用空间而第二种方法试图增大使用效率。

建筑师和工程师都可以通过减少材料用量来达到可持续设计。这种方法可以设计出满足使用要求的可持续建筑，并让建筑尽量牢固。

方法1的优点

这个主题的研究包括评价不同高度的相似建筑体系,确定和量化不同设计中材料用量的增加。此外，人们用侧抗力系统方面的研究来确定它们对总材料的影响。

材料用量最少的结构可以达到可持续发展的设计目标因为它对自然环境的影响最小。此外，这种方法可以促使结构工程师们使用最少的原料设计出更为高效和创新的作品。因此，工程师们可能需要评价和改进目前常规的设计理念和做法，并试着尽量少用建材。

方法1的缺点

虽然可以通过方法1达到对自然资源最为节约的目的，但是相应的分析和设计出这种方法的时间将会非常多。所需额外计算时间的长短取决于解决结构优化问题或体系中多种材料类型互相作用的反复性和复杂性。复杂性的增加会导致在设计阶段需要绘出更多有详细细节的施工图给承建方。总而言之，工程师需要花更多时间完成更复杂的计算，还要绘出更多图纸来给出更多细节。此外，由于想设计出更为可持续的结构需要更多其他资源，所以减少建材用量而做出的结构优化未必是最为可持续的。

由于图纸和细节的增多一个工程的审批过程将变得更长。这个过程可能也会导致建筑师，工程师和业主之间的纠纷，因为一方一个小小的改动可能需要其他两方完全重新设计。尽管像建筑信息建模（BIM）这种软件可以减少由改动引起的协调和修改设计图纸的时间，但是对一个复杂的结构做出微小的改动还是学要大量的时间的。设计阶段之后，施工阶段工期也会随着金钱的投入和安排所需劳动力的增加而增加。与此同时，随着设计复杂性的增多要求澄清施工设计，如要求提供资料的情况会增多。所有这些缺点都有可能增加项目的总投入。

方法2 降低原料生产耗能

除了结构体系设计本身，结构可持续还包含降低制造建筑材料过程中能源和自然资源的消耗。所有施工材料，包括钢铁、现浇钢筋混凝土、预应力/预制混凝土、木材、砖石都存在生产能源成本。这种成本可以随着年份、地点、国际市场的影响和环境法规的要求而变化。

在建筑材料生产的过程中，收集、提炼和混合阶段，都存在者可持续方面的问题。与此同时，这种方法的可持续性依赖于可以运用现代制造技术生产出具有与以往高能耗所生产出的建材相同或者相似的结构用途的材料。

这种方法要求工程师按其用途指定结构构件并在设计过程中选用生产时更为节省能源的材料。这种方法还要求各行各业精确量化能源消耗量从而改进目前的生产方式和减少能量消耗。建材产业应寻求建筑材料在生产技术和工艺上的发展。这种方法的另一个重要方面要求检测并减少由建材生产带来的排放。（Naik 2008）

方法2的优点

研究人员和业内专家最近几年一直努力从可持续发展的角度量化建筑材料的优点和缺点。通过提供和整理与建筑材料生产相关的能源消耗的数据，人们发现能量值与建筑材料的特性关系非常紧密。在可持续发展结构的设计过程中，方