建筑结构设计与可持续发展的整合策略分析

覃飞龙

（1.桂林金瓴建筑设计事务所，桂林 541000）

（2.广西硅谷建设集团有限公司，来宾 546100）

1 前言

建筑结构设计作为建筑设计中的核心要素之一，对于实现可持续发展目标起着至关重要的作用[1]。它不仅直接影响建筑物的稳定性和承载能力，还与能源效率、材料选择、碳足迹等方面密切相关。因此，在建筑结构设计中整合可持续发展的理念和策略，成为了推动建筑行业向可持续性发展的关键所在[2]。

2 建筑结构设计与可持续发展的关系

建筑结构设计在实现可持续发展目标的过程中起着重要作用。通过厘清结构设计对可持续发展的影响、结构材料选择与环境影响、结构系统对能源效率的影响以及结构优化导致碳足迹减少等方面的关系，可以揭示降低能源消耗、减少碳排放并提高建筑的可持续性的路径并制定相应的策略。

2.1 结构设计对可持续发展的影响

建筑结构设计在实现可持续发展目标方面扮演着重要角色。通过优化结构形式和采用高效的结构框架，可以显著降低能源消耗和碳足迹。传统的混凝土框架结构在建筑领域中有广泛的应用，然而，它们通常需要大量的混凝土和钢材，造成了巨大的资源消耗和环境影响。为了解决这一问题，装配式结构技术应运而生，成为一种可行的替代方案。装配式结构通过在工厂预制构件并在现场组装的方式，实现了快速、高效的施工过程。装配式结构采用模块化设计，可以减少现场施工时间和人工成本。它们具有优化的结构性能和材料利用率，减少了材料浪费。此外，装配式结构还可以提供更高的施工质量和稳定性，有效降低了工程风险。研究表明，与传统混凝土结构相比，采用装配式结构可以显著降低能耗和温室气体排放，对于实现建筑行业的碳达峰碳中和目标具有重要意义[3]。

2.2 结构材料选择与环境影响

传统的建筑材料，如混凝土和钢材，会产生大量的碳排放造成环境污染。然而，采用可持续建筑材料可以显著减少环境负荷。使用木头加工厂中的废弃木材或者可二次回收使用的木材（如南洋榉木、山樟木、兰地木等）作为结构材料具有明显的优势。树木通过光合作用吸收CO2，并将其储存为碳素，因此利用木材可以实现碳固定。1m2的木结构可以固定约0.9 吨的CO2[4]。木材固碳原理如图1 所示。木材还具有轻质、可再生性和良好的绝缘性能等特点，使其成为一种理想的可持续建筑材料选择。另外，使用回收再利用的材料也能减少资源消耗和环境污染。采用再生混凝土、再生钢材或工业废弃物制成的建筑材料可以有效减少原材料的需求，降低碳排放和能源消耗。

2.3 结构系统对能源效率的影响

不同的结构系统对建筑物的能源效率有着显著影响。采用高效的结构系统可以减少能源消耗，提高建筑的隔热性能和通风效果。采用双层玻璃幕墙、外部遮阳装置和隔热材料等技术可以改善建筑的隔热性能，减少冷暖气的能量损失。透明绝缘材料的应用也可以实现建筑外观的美观性和室内照明的自然采光效果，减少对照明系统的依赖。另外，结构系统还可以通过优化建筑的通风和空调系统来提高能源效率。例如，采用自然通风和利用可再生能源的供暖和制冷系统来减少对传统能源的依赖，降低能源消耗和碳排放。在一些新式建筑中，通过采用适当的通风和空调系统，可以将能源消耗降低20%以上。

2.4 结构优化导致碳足迹减少

结构优化是实现碳足迹减少的重要手段。通过使用先进的建模和分析工具，可以在不影响结构性能的前提下，最小化材料使用量和碳排放。一个典型的例子是混凝土框架结构的优化，传统的混凝土框架结构在设计时通常过于保守，导致材料的浪费和能源的浪费。通过采用先进的结构分析软件和优化算法，可以确定最优的结构形式、断面尺寸和材料配比。在混凝土结构的优化设计中，可以将碳足迹减少10%-30%，甚至更多[5]。其他类似的结构系统，如钢结构和木结构，也可以通过结构优化来减少碳足迹。通过使用建筑信息模型（BIM）、有限元分析和参数化设计等工具，结构工程师可以评估不同方案的环境影响，并选择最佳的设计方案。

3 建筑结构设计与可持续发展的整合方法

3.1 结构设计阶段的可持续因素考虑

在建筑结构设计阶段，通过综合考虑结构形式与节能设计的关联以及结构系统优化与最小化资源消耗，可以实现建筑结构设计与可持续发展目标的整合。

3.1.1 结构形式与节能设计的关联

跨度和柱网布置优化通过合理设置建筑的跨度和柱网布置，可以降低梁和柱的数量，减少结构材料使用量，从而降低能源消耗和碳排放。利用先进的结构分析软件和优化算法，可以评估不同结构形式的性能，并选择最佳的结构形式。外部遮阳装置与结构集成将外部遮阳装置与建筑结构集成设计，可以有效地控制太阳辐射和热传输，减轻空调负荷。例如，通过设计具有适当结构强度的屋顶遮阳板，既能提供遮阴效果，又能支撑自身荷载和其他负载。通过优化建筑空间布局，可以使房间更好地利用自然采光，减少对人工照明的依赖。结构设计应考虑窗户的位置、尺寸和朝向，最大程度上利用自然光线，并避免过度暴露于太阳直射。

3.1.2 结构系统优化与最小化资源消耗

结构系统的选择和优化对资源的消耗和环境影响至关重要。在结构设计阶段，可以采用多种方法实现结构系统优化与最小化资源消耗。结构材料与构件尺寸优化通过采用计算机模拟和优化工具，确定合适的结构材料配置和构件尺寸，最大限度地减少材料使用量，降低能源消耗和碳足迹。结构分析可以确定结构元素的最优断面尺寸，以满足强度和稳定性要求。在结构设计中，应综合考虑建筑的结构、机电、照明等系统的相互影响，实现整体系统的高效运行。例如，结构设计优化可以考虑为机电系统提供合适的支撑和通道空间，减少能源设备的占用面积，提高系统的效率。建筑信息模型（BIM）的应用使用BIM 技术可以在结构设计阶段进行全面的建筑模拟和分析，包括能耗模拟、碳排放分析等。借助BIM，设计团队可以更好地评估不同结构方案的可持续性，并提出相应的优化建议。将循环经济原则引入结构设计中，可以促使结构系统的设计、建造和运营过程中的资源循环利用。例如，采用可拆卸连接件，以便在建筑解体或改造时能够更好地回收和重复使用结构材料。采用集成设计方法，将结构设计与其他相关专业领域（如建筑物理学、机电工程等）融合在一起，实现系统性能的整体优化。通过协同工作和信息共享，可以识别潜在的节能机会和优化建议。通过使用辅助决策支持工具，如多目标优化算法、可视化技术等，可以帮助设计团队快速评估不同的结构设计方案，并找到最佳平衡点，实现可持续性目标。

3.2 可持续建筑材料的应用

通过整合可持续建筑材料的选择和应用，并结合可再生材料与循环经济原则，可以实现建筑结构设计与可持续发展目标的整合。评估材料的环境性能可以通过生命周期评估（LifeCycleAssessment，简称LCA）来实现。LCA 是一种系统性的方法，用于评估产品在整个生命周期内对环境产生的影响。该方法包含以下主要步骤：①明确评估的目标、边界和功能单位，确定所需数据和方法；②评估从原料采集到建材生产的环境影响，包括资源消耗和能源利用。资源消耗=∑(原料使用量×原料资源消耗系数)，能源利用=∑(原料使用量×原料能源利用系数)；③评估建材的制造和加工过程对环境的影响，包括碳排放和废物产生。碳排放=∑(排放量×排放因子)，废物产生=∑(废物量×废物处理因子)；④评估建筑材料在使用过程中的能源效率和环境影响；⑤评估建筑材料在使用寿命结束后的废弃处理方式，包括回收、再利用和处置的影响；⑥将数据进行汇总和分析，并与其他材料进行比较。通过对不同材料的环境性能进行综合考量，选择具有较低环境影响的建筑材料。LCA 的结果可以提供定量的环境性能数据，帮助决策者和设计团队在材料选择和应用过程中做出可持续的决策。同时，LCA也可以揭示材料生命周期各个阶段的环境热点，为制定减少环境影响的策略提供依据。

使用低能耗建筑材料选择具有良好隔热、保温和隔音性能的建筑材料可以有效地降低建筑的冷热负荷，从而减少对机械设备（如空调和供暖系统）的依赖，实现节能减排的目标。良好的隔热性能可以阻止室内外热量的传递，降低建筑物在高温或低温环境下的散热或传导，减少对加热和冷却系统的需求。常见的高效绝缘材料包括聚苯乙烯泡沫板（EPS）、聚氨酯泡沫板（PUR）等。这些材料具有较低的导热系数，可以有效地减少热量流失。保温性能是指建筑材料在阻止热量流动的同时，能够储存和释放热量，提供更舒适的室内环境。常见的保温材料包括玻璃纤维绝缘棉、聚乙烯发泡材料等。它们可以减少室内外温度差异，提供更稳定的室内温度。隔音性能是指建筑材料对声波的传递和吸收能力。选择具有良好隔音性能的建筑材料可以降低室内外噪音的传递，提供更加安静的室内环境。常见的隔音材料包括矿棉板、隔音玻璃等。此外，还有一些其他的低能耗建筑材料可供选择，如节能玻璃。节能玻璃通过采用特殊的涂层或空气夹层技术，可以减少热量的传递和阳光辐射进入建筑内部，提高建筑的能源效率。

可再生材料与循环经济原则上优先选择可再生材料，如竹材、麻材等，减少对有限资源的依赖。这些材料具有快速生长和可再生的特点，在合理管理下可以实现可持续利用。采用可拆卸连接件和模块化设计，使得建筑材料可以轻松拆卸和重复利用，实现循环经济原则的落地。在建筑结构设计中考虑废弃物的管理和再生利用，以减少对垃圾填埋场的依赖。将废弃材料进行分类和回收，参与再生利用过程，降低资源消耗和环境影响。采用智能材料和技术，可以实现建筑结构的自适应性和能源效率。例如，利用光敏材料调节建筑外立面的透光性，以响应环境条件的变化，并提供合适的采光和热控制。遵循相关的绿色认证和标准，如LEED、BREEAM等，将可持续建筑材料的选择和应用纳入评估体系。这些认证和标准提供了衡量建筑可持续性的指标，推动行业向更可持续的方向发展。

4 结论

通过将可持续建筑材料纳入结构设计中，可以实现建筑行业向更加环境友好和可持续的方向发展。这种整合策略不仅有助于减少资源消耗、碳排放和废弃物产生，还能提高建筑结构的能源效率、适应性和可持续性。然而，要实现建筑结构设计与可持续发展目标的整合，需要多方共同努力。建筑师、结构工程师、建材供应商以及政府等各方都应积极参与，推动可持续建筑材料的研发、应用和市场推广。同时，应加强行业内的合作和知识共享。通过不断探索和创新，可以找到更多有效的方法和技术，将建筑结构设计与可持续发展相结合。这有助于塑造一个可持续、更环保的建筑行业，为未来创造可持续的人居环境。