綠色建筑高層剪力墻結(jié)構(gòu)優(yōu)化的設(shè)計(jì)技巧

李 陽

（甘肅宏圖建筑設(shè)計(jì)有限公司，甘肅 蘭州 730000）

1 引言

結(jié)合綠色建筑施工理念來開展高層建筑剪力墻結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)的過程中，一方面要不影響建筑物整體的使用功能以及抗震性，另一方面也要秉承綠色原則減少設(shè)計(jì)過程中的能源消耗和碳排放量。在高層建筑設(shè)計(jì)的過程中，整體的性能容易受到其他因素的影響。因此，一定要因地制宜，根據(jù)高層建筑的實(shí)際情況做好設(shè)計(jì)工作，確保建筑設(shè)計(jì)方案的科學(xué)性和合理性。

2 綠色建筑以及剪力墻的概念含義分析

2.1 綠色建筑的含義分析

所謂的綠色建筑，即在修建建筑工程的過程中，要秉承可持續(xù)發(fā)展原則，在減少資源消耗的基礎(chǔ)上，減少施工各個環(huán)節(jié)對自然環(huán)境產(chǎn)生的影響。例如在具體的施工過程中，要減少對土地資源、水資源產(chǎn)生的影響，同時也要充分節(jié)約建筑材料。秉承上述觀念建造的建筑，往往被稱為綠色建筑。在倡導(dǎo)可持續(xù)發(fā)展觀念的今天，綠色建筑成為未來建筑工程的必然發(fā)展趨勢，和傳統(tǒng)的建筑工程項(xiàng)目進(jìn)行對比可知，綠色建筑不僅可以有效減少對自然環(huán)境產(chǎn)生的影響，提升住戶的入住體驗(yàn)性和舒適性，另一方面也可以最大程度實(shí)現(xiàn)對自然資源的節(jié)約。一般情況下，綠色建筑的室內(nèi)結(jié)構(gòu)布置科學(xué)完善，很少應(yīng)用大面積的合成材料，多數(shù)材料也較為安全環(huán)保。同時，綠色建筑也可以減少對自然能源的消耗，通過利用太陽能等自然資源來實(shí)現(xiàn)房屋保暖。當(dāng)前，綠色建筑以及普及，綠色建筑通過實(shí)現(xiàn)人、建筑以及環(huán)境的和諧共生來為住戶營造安全、綠色、舒適的居住環(huán)境。

此外，在建筑工程項(xiàng)目中科學(xué)地應(yīng)用綠色環(huán)保理念，不僅可以有效緩解地皮和增長的人口數(shù)量之間的矛盾，另一方面還可以彰顯生態(tài)環(huán)境的優(yōu)越性?，F(xiàn)階段的綠色建筑已經(jīng)不再局限于建筑中增加綠色植物那樣簡單了，而是要通過對自然資源的科學(xué)利用，引入先進(jìn)的綠色施工技術(shù)以及應(yīng)用綠色低碳的施工材料來提升建筑工程項(xiàng)目身的質(zhì)量?？梢哉f，綠色建筑不僅是未來建筑行業(yè)的發(fā)展趨勢，同時也是未來人居環(huán)境的發(fā)展大方向，綠色建筑的普及和推廣對促進(jìn)社會可持續(xù)發(fā)展具有顯著的意義和作用。

2.2 剪力墻的概念分析

在建筑工程項(xiàng)目設(shè)計(jì)階段，尤其是針對建筑的基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)的過程中，一方面要求建筑基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)的質(zhì)量，另一方面要求其符合施工工藝。當(dāng)前，很多高層建筑結(jié)構(gòu)中都會應(yīng)用到剪力墻結(jié)構(gòu)。和其他的基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)對比，剪力墻結(jié)構(gòu)無論是自身的支撐力還是穩(wěn)定性都較高。同時，考慮到高層建筑對抗震性和抗風(fēng)性有著較高要求，應(yīng)用剪力墻設(shè)計(jì)可以最大限度削弱強(qiáng)風(fēng)和地震對建筑主體結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的影響。結(jié)合大量的工程項(xiàng)目施工案例進(jìn)行分析后發(fā)現(xiàn)，框架剪力墻結(jié)構(gòu)可以顯著提升建筑物的整體質(zhì)量。

所謂的剪力墻結(jié)構(gòu)即用砼墻板來替代原來框架結(jié)構(gòu)中的梁柱，即用砼墻板來承擔(dān)各個方向產(chǎn)生的荷載力，以此來提升建筑的穩(wěn)定性。在針對剪力墻結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)的過程中，需要根據(jù)工程項(xiàng)目的實(shí)際情況以及設(shè)計(jì)需求進(jìn)行設(shè)計(jì)。一般情況下，剪力墻設(shè)計(jì)分為需要開洞和無需開洞這兩類。針對需要進(jìn)行開洞設(shè)計(jì)的剪力墻結(jié)構(gòu)，其設(shè)計(jì)的過程中需要注意以下幾方面：首先要確保墻體整體的承壓水平；其次要確保墻體結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。如果建筑物的墻體性能符合該要求，則可以進(jìn)行開洞設(shè)計(jì)。針對后者進(jìn)行設(shè)計(jì)的過程中，則需要考慮以下幾方面：首先，可以根據(jù)工程需要進(jìn)行開口較小設(shè)計(jì)；其次，可以設(shè)計(jì)多個規(guī)律分布的開口；最后則可以根據(jù)建筑工程施工要求進(jìn)行最大開口設(shè)計(jì)。但是需要注意，無論應(yīng)用何種設(shè)計(jì)類型，都要根據(jù)工程項(xiàng)目的具體需求開展，同時也要做好工程項(xiàng)目墻體承壓能力計(jì)算工作，并根據(jù)最終的計(jì)算數(shù)值科學(xué)選擇設(shè)計(jì)方案。

3 剪力墻分類

（1）實(shí)體墻。剪力墻的類型較多，在建筑施工過程中，如果墻體的開口面積低于整體面積的15%，則可以將其稱之為實(shí)體墻。這類墻體在受力時，其變形呈現(xiàn)彎曲以及無反彎等特征。實(shí)體墻整體的受力呈現(xiàn)線性分布狀態(tài)。

（2）整體小開口剪力墻。在剪力墻中，開口面積超過15%且依然呈現(xiàn)較小開口的剪力墻稱為整體小開口剪力墻，和前者對比，這類墻體不存在反彎點(diǎn)，但是存在突變變形，墻體受力的過程中需要考慮其彎矩情況。

（3）雙肢或多肢剪力墻。該墻體整體開口較大，且開口呈現(xiàn)規(guī)律排列，其被稱為雙肢或多肢剪力墻，這類墻體往往存在突變，但是不存在反彎點(diǎn)。

（4）壁式框架。這種剪力墻形式的開口最大，且有許多反彎點(diǎn)，在層間構(gòu)造中出現(xiàn)了彎矩應(yīng)力突變。

4 剪力墻的設(shè)計(jì)原則分析

高層建筑之所以采用剪力墻結(jié)構(gòu)的核心目的在于提升建筑基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)的安全性和穩(wěn)定性，鑒于此，在設(shè)計(jì)剪力墻方案的過程中，一定要考慮其位移限制情況，同時在設(shè)計(jì)的過程中還要考慮框架結(jié)構(gòu)的作用。因此，在設(shè)計(jì)的過程中，要求剪力墻的位移限制一定要滿足工程項(xiàng)目實(shí)際需求，同時也要盡量減少剪力墻數(shù)目。

4.1 樓層最小剪力系數(shù)的調(diào)整原則

在實(shí)際的設(shè)計(jì)過程中，要最大限度減少剪力墻的數(shù)量，同時要進(jìn)一步強(qiáng)化剪力墻的整體結(jié)構(gòu)，如可以通過提升剪力墻水平方向的剛度和控制剪力墻的層間系數(shù)等方式來對其穩(wěn)固性能進(jìn)行優(yōu)化。同時，要充分滿足短肢剪力墻底部的第一振型結(jié)構(gòu)在地震影響下傾覆力矩不超過四成的要求。這樣設(shè)計(jì)的優(yōu)勢包含以下幾方面：①可以最大限度降低建筑結(jié)構(gòu)主體的重量；②可以有效節(jié)約工程造價成本；③最大限度減少地震對高層建筑產(chǎn)生的危害。

4.2 樓層層間最大位移與層高之比的調(diào)整原則

在開展剪力墻設(shè)計(jì)的過程中，一定要充分考慮樓層之間的跨度數(shù)值和樓層之間的高度比值。通過計(jì)算上述比值，可以精確計(jì)算出地震條件下建筑主體結(jié)構(gòu)的位移情況，然后在此基礎(chǔ)上對剪力墻結(jié)構(gòu)的規(guī)格進(jìn)行優(yōu)化和調(diào)整。通過上述設(shè)計(jì)，即可以在不減少彎曲變形的前提下將其構(gòu)成一個整體。在高層建筑基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)過程中，除了要考慮樓板的扭轉(zhuǎn)數(shù)據(jù)之外，還要參考其剪切變形情況。其中剪切變形數(shù)值和建筑物的垂直構(gòu)件數(shù)量有著直接的關(guān)系，但是如果垂直構(gòu)件的布置位置不合理，也可能會對扭轉(zhuǎn)數(shù)據(jù)產(chǎn)生影響，進(jìn)而導(dǎo)致建筑層間位移數(shù)值不符合設(shè)計(jì)要求。由此可見，在進(jìn)行剪力墻設(shè)計(jì)的過程中，一定要充分做好層間位移比和層高比的優(yōu)化工作。

5 具體的工程案例分析

5.1 項(xiàng)目概況

為了更好地開展剪力墻設(shè)計(jì)工作，筆者結(jié)合具體的工程項(xiàng)目施工案例進(jìn)行分析。本工程案例位于我國北方某地區(qū)，該工程項(xiàng)目為住宅小區(qū)，其總體占地面積約為116 696 m2。項(xiàng)目有兩棟多層住宅以及兩幢高層住宅構(gòu)成。多層住宅和高層住宅均擁有地下室。其中多層住宅的第一層為停車場和商業(yè)網(wǎng)點(diǎn)。在針對高建筑工程項(xiàng)目進(jìn)行設(shè)計(jì)的過程中，首先要對其結(jié)構(gòu)布置展開優(yōu)化設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)師根據(jù)原有的計(jì)算模型，代入到設(shè)計(jì)方案之中，發(fā)現(xiàn)工程項(xiàng)目的機(jī)構(gòu)布置情況可以進(jìn)行以下幾方面的調(diào)整和優(yōu)化：第一，原有設(shè)計(jì)的過程中，其部分梁上線荷載數(shù)值為9 kN/m，則需要對其結(jié)構(gòu)自重進(jìn)行優(yōu)化和調(diào)整。第二，本工程案例之中，其中部分樓板的整體跨度較低，本工程項(xiàng)目樓板厚度為毫米，厚度較大，需要重點(diǎn)針對衛(wèi)生間和廚房區(qū)域進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。第三，原來的設(shè)計(jì)中，墻肢較多，配筋較多，抗側(cè)效率較低，影響工程項(xiàng)目最終的造價成本。第四，在原來的設(shè)計(jì)中，建筑第一層到頂層的墻體厚度為200 mm，其中部分墻體的厚度超過250 mm，整體的厚度數(shù)值偏高。

因此可以從以下幾方面進(jìn)行優(yōu)化：第一，對梁上線荷載進(jìn)行優(yōu)化，經(jīng)過計(jì)算后得出（12×0.2+20×0.015×2）×（3.0- 0.4）=7.8 kN/m。在建筑的門窗等區(qū)域，可以結(jié)合實(shí)際情況進(jìn)行調(diào)整。第二，針對短跨方向不足3.5 m的雙向樓板，其厚度可以降低為100 mm；第三，可以對墻體布置情況進(jìn)行優(yōu)化，如可以通過減少小墻肢、減少配筋等方式來提升墻體整體的利用率。第四，除底部加強(qiáng)區(qū)及其上一層外，調(diào)整后混凝土整墻墻厚均為180 mm，既減輕結(jié)構(gòu)自重，又節(jié)約混凝土用量。如下表1所示，為調(diào)整后的整體計(jì)算指標(biāo)對比情況。

表1 整體計(jì)算指標(biāo)對比

5.2 優(yōu)化設(shè)計(jì)

從綠色建筑的層面出發(fā)，在針對高層建筑的剪力墻結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)的過程中，考慮到設(shè)計(jì)過程中的各類影響因素較多，所以在實(shí)際的設(shè)計(jì)過程中，要考慮不同設(shè)計(jì)變量和建筑結(jié)構(gòu)整體性能之間的相互關(guān)系。因此，可以通過不斷對各設(shè)計(jì)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化和調(diào)整來實(shí)現(xiàn)綠色建筑設(shè)計(jì)目標(biāo)。鑒于此，高層建筑剪力墻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過程中，一定要充分做好分析和校對工作，然后在此基礎(chǔ)上進(jìn)行綜合化設(shè)計(jì)。如可以通過對高層建筑剪力墻結(jié)構(gòu)的數(shù)目和布置方式進(jìn)行優(yōu)化等方式來迎合綠色建筑設(shè)計(jì)理念。通過該方法，一方面可以有效減少建筑工程項(xiàng)目施工階段的碳排放數(shù)量，另一方面還可以有效提升高層建筑結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性和安全性。同時，從綠色建筑角度出發(fā)針對高層建筑的剪力墻結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)的過程中，要針對其整體的布局結(jié)構(gòu)和數(shù)量進(jìn)行明確。如可以通過保持剪力墻剛度數(shù)值不變，樓梯間和電梯間數(shù)值不變以及適當(dāng)減少內(nèi)部剪力墻數(shù)目的方式來提升其穩(wěn)定性。

5.3 二次優(yōu)化設(shè)計(jì)

為了進(jìn)一步對高層建筑剪力墻進(jìn)行優(yōu)化，需要在原來模型優(yōu)化設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，對剪力墻的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和數(shù)目設(shè)計(jì)進(jìn)行整體優(yōu)化。在原來的模型之中，剪力墻結(jié)構(gòu)的布置類型以及數(shù)量基本上都保持不變，僅僅針對標(biāo)準(zhǔn)層中的剪力墻結(jié)構(gòu)厚度進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。如可以應(yīng)用四個不同類型的模型來進(jìn)行設(shè)計(jì)。在這四個模型下剪力墻的厚度數(shù)值如下：300 mm、250 mm、220 mm以及200 mm。在四個模型之中，其中厚度為250 mm的模型為原模型結(jié)構(gòu)，根據(jù)計(jì)算分析結(jié)果可知，隨著剪力墻結(jié)構(gòu)厚度的降低，其剪力墻的結(jié)構(gòu)剛度數(shù)值也發(fā)生變化，二者呈現(xiàn)正相關(guān)關(guān)系。同時，在該模型下，施工過程中產(chǎn)生的能源消耗也在不斷下降。但是建筑物整體的結(jié)構(gòu)性能以及抗震性能均符合施工要求。舉例來說，和原來的模型進(jìn)行對比分析后發(fā)現(xiàn)，如果剪力墻的結(jié)構(gòu)厚度為200 mm，其自身的碳排放數(shù)量較低。由此科技推斷出，通過科學(xué)減少剪力墻的厚度可以實(shí)現(xiàn)綠色施工的目標(biāo)。此外，根據(jù)上述分析可知，通過對剪力墻結(jié)構(gòu)體系以及整體的布置形式的優(yōu)化，發(fā)現(xiàn)剪力墻依然存在一定的設(shè)計(jì)優(yōu)化空間，因此可以對其開展二次優(yōu)化工作。在進(jìn)行二次優(yōu)化的過程中，可以從剪力墻的結(jié)構(gòu)厚度以及材料強(qiáng)度入手進(jìn)行優(yōu)化。具體的優(yōu)化方法如下：

首先，根據(jù)工程設(shè)計(jì)方案規(guī)定的范圍，適當(dāng)減少內(nèi)部和周圍部分的前提，特別是縮減軸壓較低的墻體的厚度。如設(shè)計(jì)人員可以利用先進(jìn)的SETWE 軟件進(jìn)行建模來對墻體的厚度進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。

其次，通過對模型參數(shù)的優(yōu)化設(shè)計(jì)，可以確保建筑物整體抗震性能符合施工要求。應(yīng)用以上優(yōu)化方法可以獲得模型三，在模型三之中，剪力墻的設(shè)計(jì)方式基本上和新模型一致，由于剪力墻結(jié)構(gòu)的厚度以及對建筑的碳排量和性能的影響，一般采用200 mm的標(biāo)準(zhǔn)層剪力墻結(jié)構(gòu)，因此，在試驗(yàn)結(jié)果的基礎(chǔ)上，對不符合設(shè)計(jì)要求的墻體和連梁，應(yīng)采用C30、C40、HPB335、HPB400加固。

最后，經(jīng)過綜合分析后發(fā)現(xiàn)，通過對高層建筑剪力墻結(jié)構(gòu)的布置方式和數(shù)目進(jìn)行優(yōu)化，至少可以減少3%左右的碳排放數(shù)量，如果只對剪力墻結(jié)構(gòu)的厚度進(jìn)行優(yōu)化，即將其厚度數(shù)值從原來的250 mm，減少到200 mm，至少可以減少15%左右的碳排放數(shù)量。由此可以基本上得出，科學(xué)的優(yōu)化設(shè)計(jì)方案可以有效減少工程項(xiàng)目施工過程中產(chǎn)生的碳排放數(shù)量。在針對高層建筑剪力墻結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)的過程中，要綜合考慮多方面的因素：第一，需要充分考慮建筑物整體的功能需求；第二，要根據(jù)施工設(shè)計(jì)要求和規(guī)范嚴(yán)格施工。

6 結(jié)束語

綜上所述，由于土地資源日益減少，以及社會對生態(tài)環(huán)境的重視，使得建筑發(fā)展更趨綠色，而剪力墻結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)在這一過程中起到了重要的作用。隨著時代的發(fā)展，為了保證結(jié)構(gòu)的安全，需要在實(shí)際的綠色建筑工程中推廣使用強(qiáng)度高、重量輕的剪力墻。然而，在實(shí)際工程中，剪力墻仍有許多不足之處，有待于深入的研究和分析，以期對中國建筑業(yè)的發(fā)展起到促進(jìn)作用。