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低碳理念驱动下大跨建筑结构体系的优化设计研究

2025-05-23 53 上传者：管理员

摘要：在当前全球对可持续发展关注的背景下，大跨建筑因其特殊的空间需求和结构复杂性，面临多重低碳挑战。文章首先分析了大跨建筑结构体系的特征及其低碳设计所需解决的问题，随后提出了针对性的设计优化策略，包括结构形式优化、结构体系优化、低碳材料运?、施工与管理优化和智能技术引入。本文强调了低碳理念在大跨建筑结构体系设计中的重要性，并展望了未来研究的发展方向。

关键词：
低碳理念
大跨建筑
碳排放
结构设计
节能减排
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1、引言

随着全球气候变化问题日益严峻,低碳理念逐渐受到社会各界的广泛关注｡目前,建筑业消耗了全球约40%的能源资源,二氧化碳排放占全球的36%[1]｡建筑结构设计作为建筑全生命周期的起点,在极大程度上对建筑生产､运输､施工､运行､拆除回收等各个环节的能源消耗产生影响,从建筑结构设计阶段引入低碳的理念,能有效降低建筑全生命周期碳排放[2]｡

大跨结构广泛应⽤于交通建筑､体育场馆和工业建筑等大型公共建筑中,因其独特的空间和结构特点,具有高强度和大跨度的显著优势｡然而,这种空间优势也伴随着大量的资源和能源消耗,进而导致较高的碳排放｡因此,如何在满足功能和安全要求的前提下,实现大跨建筑的低碳化,成为当前亟须解决的关键问题｡

本研究以低碳理念为驱动,聚焦大跨建筑结构体系的优化设计策略,这不仅可以减少建筑全生命周期中的碳排放,还能为未来的相关建筑设计提供可借鉴的低碳优化方法,符合国家节能减排政策的要求,对实现“双碳”目标具有重要意义｡

2、大跨建筑结构体系的特性与低碳设计挑战

2.1特性

大跨建筑具有独特的结构和空间,其结构的特性主要为:一是空间跨度大,在无内部支撑下实现大面积覆盖;二是结构体系复杂,多采⽤桁架､网架､索膜等结构形式,以应对多重荷载并优化受力表现;三是材料性能要求高,为减少自重并提高强度,常⽤高强度钢材､预应力混凝土等材料;四是施工技术复杂,通常需吊装､预制装配等先进技术提升效率､降低能耗;五是低碳需求高,因其使⽤频率高､服务周期长,必须在设计初期充分考虑耐久性与低碳性,以实现建筑全生命周期的低碳目标｡

2.2低碳设计挑战

首先,材料的低碳化需求尤为关键｡大跨建筑结构依赖高强度､轻质材料以满足安全与稳定性要求,但这些材料(如高强度钢材､复合材料)的生产通常伴随高能耗和碳排放｡因此,探索低碳材料成为重要议题｡

其次,关注结构体系优化与碳排放控制之间的平衡｡大跨结构常采⽤复杂体系(如桁架､网架､索膜等)来增强稳定性,尽管精细化设计能提高承载力,却可能增加材料使⽤量和施工难度,进而提高碳排放｡在满足结构需求的前提下,合理控制材料使⽤､减少施工能耗是关键平衡点｡

第三,施工过程的碳排放控制也需关注｡大跨建筑的施工涉及大量机械设备和复杂工序,如吊装和高空作业,这些环节往往伴随显著能耗和碳排放｡大型设备的频繁使⽤和延长的施工周期使碳排放难以控制,因此需要优化工艺和设备选⽤｡

最后,碳排放智能化管理的缺乏限制了全生命周期的低碳管理｡大跨建筑因高频使⽤和长生命周期,其运行和维护阶段的碳排放管理至关重要｡然而,目前缺乏系统化､智能化的碳排放监测与控制手段｡如何在设计阶段引入智能技术,以实现动态优化和实时监控,是低碳设计面临的重要挑战｡

3、大跨建筑结构体系的优化设计策略

3.1结构形式优化

结构形式设计直接影响材料的数量､类型和建筑的能源效率,从而影响整体碳足迹｡合理的结构形式不仅能显著提升建筑的环境表现,还能减少建造阶段的碳排放,优化能源效率｡

首先,大跨建筑结构形式多样,不同的形式各有优势和特定的适⽤场景｡比如网架结构具有良好的轻量化特性,适合⽤于体育馆､展览中心等需要大跨度和灵活空间的场所;索膜结构自重轻,空间跨度大,造型自由度高,适⽤于具有独特造型需求的建筑;桁架结构刚度大､稳定性强,但在造型方面略微欠缺,适⽤于要求大跨度和高强度的工业建筑｡合理选择大跨建筑的结构形式能够有效提升建筑的低碳表现｡

其次,功能空间与结构形式应相匹配,以满足建筑内不同功能的空间需求｡以高铁站为例,候车大厅可采⽤大跨结构,以实现开敞空间,而辅助空间适合使⽤经济实⽤的梁架结构,地下室则采⽤剪力墙结构以确保安全和抗侧力性能｡通过合理匹配建筑内不同功能区的结构形式,可以有效节约材料资源,减少碳排放,推动设计的低碳化和资源优化｡

最后,结构形式设计还影响建筑的采光通风效果,从而影响建筑的运行能耗｡例如中庭､天窗等设计可以引入更多自然光;挑檐与屋顶结构形式可以改善建筑内部通风效果等｡但需要注意避免不规则的形体设计,复杂的形状不仅增加施工难度和成本,还会影响结构的稳定性和能源效率｡根据工程经验,严重不规则或特别不规则的建筑形体会增加碳排放量约10%~25%,甚至可超过50%[3]｡

3.2结构体系优化

结构体系优化在低碳设计中发挥着重要作⽤,旨在通过合理的结构形式设计与材料配置,减少结构自身的材料需求,从而降低碳排放｡结构拓扑优化设计是一种在给定空间内,应⽤数学和计算机算法寻找材料布局最优分布的过程,即寻找在满足力学性能和功能需求的前提下,最大限度减少材料使⽤的结构设计方案｡这一过程不仅确保结构仅在承载需求的区域分布材料,还能实现“以最少的材料获得最优的承载效果”,从而降低建筑的碳排放,提升结构的经济效益｡

此外,受力路径的优化能够进一步提高结构体系的低碳表现｡在设计中合理分析荷载的传递方式,使结构能够高效地将荷载均匀分布至基础,这不仅减少了冗余构件､避免不必要的材料浪费,也提高了结构整体的稳定性与耐⽤性｡通过这些优化手段,结构体系得以实现更为简洁的形式,从而减少资源消耗与碳排放｡

3.3低碳材料运用

在低碳建筑结构设计中,材料选取的原则是最小化整个建筑生命周期对环境的影响,同时满足功能､经济性和美观要求｡优先选择全生命周期碳足迹较小的材料;尽可能选⽤本地材料以减少运输碳排放;选择耐⽤且维护成本低的材料,以减少因频繁更换而产生的资源消耗和碳排放;最后,优先使⽤可回收和已回收的材料,降低新原材料的开采和加工,进一步降低整体碳足迹｡

不同的材料具有不同的环境影响､能源消耗和碳排放特性｡钢材生产过程中碳排放高,2021年约占全球排放总量的10%,排放与钢铁制造有关[4]｡然而,钢材具有高强度､轻重量和模块化的特点,有助于缩短施工周期､减少能源消耗和碳排放,并且可回收性高,有利于资源再利⽤｡木材具有碳封存能力,碳排放远低于钢材和混凝土,然而木材防火和耐腐蚀性能较差,需经过化学处理以提高其耐久性｡混凝土生产过程中碳排放较高,采⽤混凝土添加剂,如硅酸盐､矿物掺合料､粉煤灰等物质能够减少水泥的⽤量,从而降低碳排放[5]｡混凝土的热质量优势和耐久性能够减少建筑运行､维护阶段的能耗,这在一定程度上可以平衡其初期的高碳排放｡总之,大跨建筑结构体系的低碳设计应综合应⽤多种材料的优势,而非依赖单一的低碳材料｡

3.4施工与管理优化

首先,建筑施工过程中消耗大量材料和能源,其技术水平选择直接影响碳排放量,通过改进施工技术和流程,有效降低建造过程中的碳排放｡例如,应⽤预制化施工技术可以缩短施工周期､提高效率,显著减少现场材料浪费､能源消耗以及二次加工需求;选择碳捕集再利⽤等技术,回收利⽤部分施工碳排放[6]｡

其次,采⽤先进的数字化管理手段能够进一步提升施工的精度和效率｡建筑信息模型(BIM)技术在施工过程中的应⽤,能够对项目全程进行数字化管理,精准控制各工序的进度和质量,减少因设计和施工误差导致的返工,节省资源消耗｡同时,BIM技术还可以帮助优化运输路线和材料堆放方案,减少能源消耗和碳排放｡

3.5智能技术引入

在大跨建筑结构体系的低碳设计中,智能技术的引入为优化结构性能和减碳提供了有效手段｡通过在结构中嵌入传感器网络与物联网(IoT)系统,可以实现对结构健康的实时监测,动态收集结构变形､应力和振动数据,确保结构安全的同时减少材料冗余｡实时监测系统能够快速发现异常,避免超出设计预期的荷载带来潜在损伤,从而减少加固或维修需求,实现材料和资源的节约｡

此外,在前面结构体系优化部分提到过,利⽤智能算法进行拓扑优化以及受力路径优化来指导结构的优化,使材料⽤量更为精准,从而减少材料的使⽤｡例如,AI算法可根据实际荷载动态调整受力构件的形态和配置,进一步降低建筑结构的碳排放｡

智能技术还能在后期进行结构性能预测,延长结构寿命并减少维护频次,降低全生命周期的碳足迹｡智能技术的引入为大跨建筑结构体系的低碳设计提供了更精细化的管理手段,使材料使⽤更加科学､结构寿命延长,实现了结构设计与运行过程的碳排放有效控制｡

4、结论与展望

本文从低碳理念出发,分析了大跨建筑结构体系在低碳设计中面临的特性及挑战,并提出了优化策略,强调了低碳设计在大跨建筑结构体系中的重要性｡这些优化措施不仅能减少建筑全生命周期的碳排放,还能有效提高材料利⽤率､施工效率和建筑性能,为大跨建筑的可持续发展奠定了基础｡

未来研究应探索在大跨建筑结构体系中应⽤更高效的低碳技术与管理方法,并在以下方面深入发展:一是政策引导方面,加强低碳建筑标准和法规的制定,鼓励行业广泛采⽤低碳设计理念;二是技术创新方面,加大对低碳材料､新型结构､智能结构监测技术和高效建造工艺的研发力度,以推动低碳技术的普及与升级;三是系统化设计方面,建立全生命周期低碳管理体系,确保低碳理念贯穿于建筑的每个环节｡通过多方合作和持续创新,大跨建筑将更加绿色､低碳､高效,为实现碳中和目标提供有力支撑｡

参考文献:

[3]赵彦革,孙倩,韦婉,等.建筑结构类型及方案对碳排放的影响研究[J].建筑结构,2023,53(17):14-18.

[5]李拉扬,孙梅洁.双碳目标下的减碳固碳建筑材料应⽤研究[J].中国科技期刊数据库工业A,2024(9):1-4.

[6]宋友富.建筑结构设计对碳排放的影响研究[J].中文科技期刊数据库(引文版)工程技术,2024(2):125-128.

文章来源:吴双蓥.低碳理念驱动下大跨建筑结构体系的优化设计研究[J].智能建筑与智慧城市,2025,(05):123-125.