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砌体和钢筋混凝土框架结构的可持续性的案例研究

摘要：

即使可以通过限制使用石灰石和使用大量能源对环境造成的负面影响来取得重要的经济效益，但是在考虑建筑物的可持续性时通常不会考虑建筑物的结构设计所产生的影响。在为特定主题进行适当的结构方案设计时，主要的优化标准是实现成本和施工时间的优化，但结构的美观性以及其他建筑影响也可以考虑在内。本文旨在建立所研究的结构方案（带有砌体填充墙的钢筋混凝土框架结构和带有钢筋混凝土系梁和支柱的承重砌体墙）与其对环境造成的影响之间的关系。本文对三到七层楼的建筑进行了比较研究，因为住宅通常用设计成这些层数。对于具有不同层数的同一建筑物，本文分别使用了两种不同的结构解决方案，从而根据现行的罗马尼亚规范获得了总共8个设计结构。本文对建筑物的环境影响进行了评估，考虑了建造所研究的建筑物（包括内墙和外墙）所需的材料，还对获得的结果进行成本分析，以便获得环境影响与每种解决方案的成本之间的对应关系。研究结果展示了这两种结构解决方案下，随着层数的增加，对建筑物的环境和成本的影响产生的变化。由于环境影响也随着层数的变化而变化，在比较中考虑到的所有主要LCA指标都存在差异：能源，空气和水中的固体排放，自然资源消耗和废物产生。比较这些结果可以得出一种对环境的影响较小的更具可持续性的结构解决方案。

关键词：结构的可持续性；砌体墙；钢筋混凝土框架；环境影响；生命周期分析（LCA）；成本分析

1.介绍

由于技术优势和计算简便性，当前的社会和公共建筑经常使用带有砖石填充墙的钢筋混凝土框架结构。从结构的角度来看，带有钢筋混凝土横梁和支柱的承重砌体墙在控制地震产生的位移方面可能会有显著的优势。但从材料使用的角度来看，两种结构的差异主要体现在不同材料间协同工作的方式上。结构的设计方案可能会受到地震条件、布局和几何形状、工艺条件等多种技术条件的影响，但在设计方案的决策过程中，结构设计师的个人喜好也起着非常重要的作用。从技术上讲，结构的设计过程受现有的结构规范和标准的约束，而且还必须考虑到理事会指令89/108 / EEC [1]（已实施为特定法律）规定的基本要求。基本要求包括“卫生，健康和环境”以及“能源经济”，但是对于结构工程师来说，没有一种实用的设计工具能够在设计时量化上述要求来帮助设计人员进行符合要求的设计。如果设计人员考虑到并以减少最终结构对环境的影响为目的进行设计，那么设计的难度就更大了。即使全球范围内的专家对环境影响的关注和责任日益增加，以期获得一种对环境影响较小的可持续结构，即使存在识别和控制环境影响以及改善环境绩效的理论工具（ISO 14000标准系列[2]），但仍缺乏通用的方法。

获得可持续结构系统最有效的方法是使用生命周期分析（LCA）评估其影响， Danatzko [3]，Gonzales [4]等人在进行的研究中也对此进行了强调。在基于LCA的方法中，考虑结构对整个生命周期的影响时，正如欧洲框架标准EN 15643-1：2010 [5]和EN 15643-2：2011 [6]所规范的，生命周期最好从摇篮到坟墓的过程变成从摇篮到摇篮的圆（图1）。

图1.所需的建筑材料生命周期。 [7]

结构的可持续性评估还有一个缺点是缺乏绝对值来读取结果，因为结果只能通过比较来评估，因此需要从一组评估的解决方案中选择可能的最佳方案[8]。结构解决方案对环境的影响取决于所用材料的类型、数量和质量、实现过程、服务期限、维护需求和报废过程[9] [10][11]。 现有的研究（Danatzko [12]，Puskas [13] [7]，Naik [14]，Struble [15]等）都在强调所用结构系统对环境的影响，但同时也强调了所用结构系统的材料[16]对整体可持续性的具体结构也具有较高的影响力。

2. 设计规格和研究结构

为了实现结构系统之间的比较并确定建筑物层数对经济和环境的影响，本文考虑了一种典型的楼层建筑布局（图2）。考虑到楼层数的增加会对给定的布局造成一定影响，这里把层数设置为三层到七层（图3）。

由于施工成本、技术条件、施工时间和建筑条件等方面存在差异，对于结构设计人员而言，如何在带有砌体填充墙的钢筋混凝土框架结构与带有钢筋混凝土系梁和支柱的承重砌体墙结构之间进行选择仍是一个始终没有解决的难题，基于此原因，降低结构解决方案对环境的影响尚未能够成为在设计中被广泛考虑的条件。

在通常情况下，对设计有利的方案一般在施工阶段会产生较大的不便。为了符合设计规范的要求，在结构数量的设计上会产生不同[8]。

图2.不同级别的建筑布局[7]

必须通过执行完整的结构设计过程对两种结构解决方案进行进一步评估才能得到结果。为了更公平地进行比较，本实验中在钢筋混凝土框架结构中，不使用轻质材料的隔墙转而使用砖石结构的内墙和外墙来减少冲击。由于适用于不同结构系统的规范存在差异，在砌体结构中，两种结构类型的壁厚由于它们不同的结构作用而不同。

为了进行研究，本实验将建筑物放置在地震区域，区域特征为恒定频谱加速度分支的周期上限Tc = 0.7秒，设计地面加速度ag = 0.15g。为设计建立的延性等级为中等延性。 荷载（永久荷载和可变荷载）取相同的值，那么结果的差异就仅是结构自身重量差异造成的。

在研究过程中，因为材料质量的变化可能引起经济和环境影响的重大差异，因此假设使用的材料的质量是不变的[8]。

图3.典型的结构截面

3. 结构解决方案的成本比较

本实验所研究结构的总价格是考虑了建筑物所在位置的市场价格计算得出的。表1至表5列出了材料的数量和总价格。这些表还列出了数量和相应价格的差异，同时考虑了带有砌体填充墙的钢筋混凝土框架结构的基准值。

表1. 3个楼层的物料数量

表2. 4个楼层的物料数量

表3. 5个楼层的物料数量

表4. 6个楼层的物料数量

表5. 7个楼层的物料数量

从表格中可以看到，对于所研究的楼层数，两种结构变体之间的砌体数量的差异没有显着变化（为16％），但是混凝土，模板和钢筋数量的变化更为显著。 在成本方面; 如果在三层楼的情况下，带有砌体填充墙的钢筋混凝土框架结构更具成本效益，但是随着层数的增加，使用带有钢筋混凝土梁和柱的承重砖砌墙结构成为具有成本效益的解决方案（图 4）

图4不同楼层数量的成本比较

4.环境影响评价

对已研究的结构变体的环境影响分析通过使用Athena建筑影响估算器进行[17]。 使用此工具，可以根据嵌入的物料数量来评估影响。 对于所有方案，设定预期的使用寿命以及所有方案的服务和维护条件均不发生变化。

材料数量从表1到表5中可以得出。所研究结构的总能耗显示在表6中。总能耗的比较变化在图5中显示。

表6.研究结构的总能耗

图5.总能耗的比较演变

楼层数量3至7的两种结构性解决方案的向大气排放的排放量（选择性）如图6所示。除了数量相对于楼层数量的线性增加外，更大的排放量是由承受荷载引起的。其中带有钢筋混凝土系梁和支柱的承重砌体墙的结构的数值相较而言更高。

图6.大气排放物的比较演变

图7显示了所研究的结构解决方案在其使用寿命期间产生的固体废物排放量。类似的，带有钢筋混凝土系梁和支柱的承重砌体墙结构的数值相较而言更大，而且总体的材料数量也较大。

图7.土地排放的比较演变[kg]

5.结论

通过成本比较可以看到，两种结构变体的成本几乎都呈线性增长。 对于三层楼，带有砌体填充墙的钢筋混凝土框架结构似乎是更具成本效益的解决方案，但随着层数的增加，此解决方案的成本将比带有钢筋混凝土系梁和支柱的承重砌体墙的成本增长更加迅速。 从经济的角度来看，传统情况下四到七层建筑使用带有钢筋混凝土系梁和支柱的承重砌体墙确实更有优势。但从环境影响的角度来看，无论分析标准如何，具有成本效益的承重砌体墙结构似乎都是更具危害性的解决方案：在能耗、二氧化碳和一氧化碳的排放、挥发性有机化合物的排放、混凝土固体废物、高炉粉尘或固体废物的填埋等方面都更加不利于环境。这个结果是在整体结构中使用承重砌体墙结构（尤其是砌体本身）更多才能得出的结论。总而言之，本次研究提出了一个典型的长期难题：在设计类似建筑物的情况下，应该考虑可持续性的哪一方面内容。当然，在设计可持续的结构解决方案时，也可以考虑其他标准，尽管找到一个显而易见更优的选择似乎并不简单。

不得不提的是，本次研究结果根据的是特定位置的建筑物特征，其他地方进行实验所获得的值可能会因当地条件而异。即使本研究强调了不同结构解决方案之间的差异，也可以通过比较不同结构解决方案来获得结果。

参考文献

[1] Council Directive 89/108/EEC, http://eur-lex.europa.eu/.

[2] ISO 14000 standard family, http:/hvww.iso.org/iso/home/standards/management-standards/iso14000.htm.

[3] Danatzko JM, Sezen H. Sustainable Structural Design Methodologies. Practice Periodical on Structural Design and Construction, Vol. 16, Issue 4 2011, doi: 10.1061/(ASCE)SC.1943-5576.0000095.

[4] Gonzalez M, hulakowski M, Breitenbach L, birch F. A case study about embodied energy in concrete and structural masonry buildings. Revista de la Construccion Journal of Construction 2014, 13(2), p. 9-14.

[5] Sustainability of construction works-Sustainability assessment of buildings-Part 1: General framework. EN 15643-1:2010, European Committee for Standardization (CEN). http:/hvww.cen.eu.

[6] Sustainability of construction works-Assessment of buildings-Part 2: Framework for the assessment of environmental performance. EN 15643-2:2011, European Committee for Standardization (CEN). http:/hvww.cen.eu.

[7] Puskas A, Virag J, Moga LM, Szilagyi H, Bindea M, Kollo SZA. Environmental impact of masonry and RC frame structures. Advances in Environmental Sciences, Development and Chemistry, Santorini Island, Greece 2014, p. 324-329.

[8] Puskas A, Moga LM. Sustainability of building. Relationship between economy and sustainability for a multi-storey reinforced concrete frame structure. WIT Transactions on Ecology and The Environment, Vol. 176, WIT Press, 2013.

[9] Foraboschi P, Mercanzin M, Trabucco M. Sustainable structural design of tall buildings based on embodied energy. Energy and Buildings Volume 68, Part人January 2014, p. 254-269.

[10] Wanga N, Adeli H. Sustainable building design. Journal of Civil Engineering and Management Volume 20, Issue 1, 2014, p. 1-10.

[ 11] Burnett J. Sustainability and Sustainable Buildings. HKIE Transactions Volume 14, Issue

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