裝配式建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的剪力墻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)研究

文／馮東方 廣州地鐵設(shè)計(jì)研究院股份有限公司 廣東廣州 510010

引言：

建筑設(shè)計(jì)人員只有實(shí)現(xiàn)了因地制宜的剪力墻體系結(jié)構(gòu)創(chuàng)新完善設(shè)計(jì)，才能確保展現(xiàn)出裝配式剪力墻的良好承重性能，對(duì)于建筑體系框架的設(shè)計(jì)實(shí)踐資源進(jìn)行了科學(xué)的優(yōu)化配置利用。由此可見，優(yōu)化設(shè)計(jì)剪力墻的裝配式建筑墻體結(jié)構(gòu)必須要建立在建筑立體結(jié)構(gòu)模型的保障基礎(chǔ)上，采取實(shí)時(shí)性的墻體設(shè)計(jì)參數(shù)改進(jìn)調(diào)整措施。

1.什么是剪力墻結(jié)構(gòu)

在建筑體系結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)實(shí)踐工作中，建筑剪力墻的基本特征在于支撐建筑整體的框架結(jié)構(gòu)組成部分，剪力墻的基本組成材料應(yīng)當(dāng)包含鋼混墻板與其他的裝配式構(gòu)件。與梁體柱體組合形式的傳統(tǒng)建筑體系結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)形式相比，建筑剪力墻更加能夠達(dá)到較小的墻體厚度與體積特征，顯著節(jié)約了裝配式的建筑設(shè)計(jì)布局空間資源。并且，建筑剪力墻整體上呈現(xiàn)更加優(yōu)良的抗側(cè)性能指標(biāo)，對(duì)于墻體表面部位的結(jié)構(gòu)剛度予以合理的優(yōu)化設(shè)計(jì)控制。剪力墻的建筑支撐體系由于外力因素的水平荷載影響，那么墻體原有的結(jié)構(gòu)體系將會(huì)表現(xiàn)為某種幅度的彎曲性能改變。但是與此同時(shí)，建筑剪力墻本身具備更加良好的抗彎折性能參數(shù)，從而決定了剪力墻能夠承受住更大比例的外界壓力荷載作用，而不會(huì)損害到建筑原有的體系結(jié)構(gòu)。

2.剪力墻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的原則和優(yōu)勢(shì)分析

2.1 原則

對(duì)于建筑剪力墻的組合設(shè)計(jì)實(shí)施過程而言，優(yōu)化剪力墻結(jié)構(gòu)的基本設(shè)計(jì)原則應(yīng)當(dāng)落實(shí)于合理選擇剪力墻的體系結(jié)構(gòu)材料，并且還要準(zhǔn)確計(jì)算剪力墻的各項(xiàng)結(jié)構(gòu)參數(shù)指標(biāo)[1]。建筑墻體的工程設(shè)計(jì)人員應(yīng)當(dāng)采取立體化的建筑構(gòu)造模型，通過模擬得到剪力墻的完善設(shè)計(jì)方案。在目前的現(xiàn)狀下，合理改進(jìn)剪力墻的裝配式墻體構(gòu)造設(shè)計(jì)就是要集中落實(shí)與框架設(shè)計(jì)的技術(shù)人員協(xié)同，確保經(jīng)過合理改進(jìn)設(shè)計(jì)后的剪力墻能夠符合現(xiàn)行的抗震指標(biāo)設(shè)計(jì)要求。剪力墻應(yīng)當(dāng)能夠防止表現(xiàn)為坍塌與裂縫的工程安全事故，重視剪力墻的抗風(fēng)性能與抗震性能全面優(yōu)化。

2.2 優(yōu)勢(shì)

建筑剪力墻屬于特殊的建筑支撐墻體構(gòu)造形式，剪力墻在目前階段的建筑結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)中顯著的工程設(shè)計(jì)優(yōu)勢(shì)。這是由于，建筑剪力墻的墻體結(jié)構(gòu)能夠?qū)崿F(xiàn)傳統(tǒng)墻體組合設(shè)計(jì)的空間體積縮小，在協(xié)同設(shè)計(jì)的技術(shù)支撐前提下，能夠確保組合設(shè)計(jì)后的墻體強(qiáng)度與剛度達(dá)到最基本的設(shè)計(jì)方案要求。即便在外界荷載壓力明顯增加的情況下，剪力墻的框架支撐結(jié)構(gòu)也不會(huì)存在塌陷的安全事故風(fēng)險(xiǎn)。剪力墻的框架體系設(shè)計(jì)對(duì)于現(xiàn)階段的工程設(shè)計(jì)實(shí)踐資源進(jìn)行了集約化的利用，有效防止了建筑設(shè)計(jì)的工程資源浪費(fèi)后果。

3.裝配式建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的剪力墻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要點(diǎn)分析

3.1 設(shè)定標(biāo)準(zhǔn)參數(shù)，確定符合裝配式建筑的設(shè)計(jì)要求

剪力墻在建筑整體結(jié)構(gòu)中的布局設(shè)計(jì)位置必須得到因地制宜的優(yōu)化，通過設(shè)定剪力墻的工程標(biāo)準(zhǔn)參數(shù)來實(shí)現(xiàn)建筑墻體的功能改進(jìn)目標(biāo)[2]。裝配式的建筑設(shè)計(jì)基本實(shí)踐思路應(yīng)當(dāng)體現(xiàn)在符合現(xiàn)行法規(guī)的技術(shù)規(guī)范指標(biāo)，合理布置雙向式的裝配式剪力墻。設(shè)定標(biāo)準(zhǔn)的剪力墻體系設(shè)計(jì)參數(shù)，應(yīng)當(dāng)側(cè)重于裝配式建筑的獨(dú)特設(shè)計(jì)要求，并且還要切實(shí)維護(hù)裝配式建筑的業(yè)主安全利益。

圖1 建筑剪力墻的BIM 設(shè)計(jì)模型

3.2 調(diào)整系數(shù)，做好最大位移與層高比的調(diào)整

剪力墻的層高比與最大位移限度都屬于非常關(guān)鍵的墻體設(shè)計(jì)參數(shù)，那么決定了剪力墻的工程設(shè)計(jì)人員應(yīng)當(dāng)采取實(shí)時(shí)性的調(diào)整優(yōu)化技術(shù)手段來提升剪力墻的整體荷載性能。剪力墻在最大限度內(nèi)的層高比與位移參數(shù)應(yīng)當(dāng)?shù)玫揭虻刂埔说母淖?，避免存在剪力墻的層次高度布局誤差缺陷[3]。

下表為建筑剪力墻的轉(zhuǎn)換層與上層之間的剛度比系數(shù)設(shè)計(jì)：

表1 建筑剪力墻的轉(zhuǎn)換層與上層的剛度比例系數(shù)設(shè)計(jì)

3.3 合理布置剪力墻，把控剪力墻間距

剪力墻的各個(gè)結(jié)構(gòu)層次間隔距離只有得到了精確的限定，那么剪力墻的整體荷載強(qiáng)度才會(huì)獲得必要的提高[4]。具體針對(duì)于剪力墻的各個(gè)層次間隔距離在實(shí)施完善設(shè)計(jì)的過程中，應(yīng)當(dāng)致力于避免設(shè)計(jì)過大或者過小的墻體間隔距離。這是由于，過大的墻體間隔距離將會(huì)導(dǎo)致剪力墻失去應(yīng)有的支撐強(qiáng)度，而過于密集的墻體布局設(shè)計(jì)方案將會(huì)明顯增加剪力墻的設(shè)計(jì)資源消耗，因此必須要綜合考慮到剪力墻的軸線方向以及軸線所在位置來實(shí)現(xiàn)必要的方案完善設(shè)計(jì)。

圖2 建筑剪力墻的框架體系結(jié)構(gòu)

3.4 充分考慮連梁的超限調(diào)節(jié)，保證施工穩(wěn)固性

剪力墻主要布置于高層的建筑體系結(jié)構(gòu)，剪力墻如果明顯超出了預(yù)設(shè)的抗剪結(jié)構(gòu)強(qiáng)度以及彎矩參數(shù)指標(biāo)，那么墻體發(fā)生裂縫的安全隱患就會(huì)呈現(xiàn)增加的特征。按照目前現(xiàn)行的墻體設(shè)計(jì)技術(shù)指標(biāo)規(guī)范，通常應(yīng)當(dāng)保證達(dá)到2.5 以上的連梁跨高比例參數(shù)。技術(shù)人員目前需要重點(diǎn)針對(duì)于剪力墻的連接墻體部位進(jìn)行因地制宜的跨度與高度比例優(yōu)化設(shè)計(jì)，避免存在墻體抗剪程度的削弱后果。除了剪力墻的連接梁設(shè)計(jì)長(zhǎng)度調(diào)節(jié)控制措施之外，建筑設(shè)計(jì)人員還需側(cè)重于框架體系的耐熱性能與耐腐蝕性能優(yōu)化設(shè)計(jì)。裝配式的建筑剪力墻結(jié)構(gòu)目前已經(jīng)展現(xiàn)出多個(gè)層面的設(shè)計(jì)實(shí)踐優(yōu)勢(shì)，但是與此同時(shí)，裝配式的低層剪力墻結(jié)構(gòu)由于存在較差的材料耐腐蝕性能與耐熱性能，那么就會(huì)容易造成民用建筑的框架體系發(fā)生較為明顯的腐蝕損壞。近些年以來，工程建筑領(lǐng)域的專業(yè)技術(shù)人員正在致力于積極探索民用建筑中的裝配式剪力墻結(jié)構(gòu)完善優(yōu)化方案，通過增設(shè)剪力墻結(jié)構(gòu)的外部防腐涂層、增加防火建筑材料以及啟用智能化的建筑火情報(bào)警系統(tǒng)等方式來保障剪力墻結(jié)構(gòu)的建筑使用安全，有效防范了建筑火災(zāi)以及建筑結(jié)構(gòu)腐蝕導(dǎo)致的不良影響。

3.5 剪力墻的肢體與柱形進(jìn)行模型模擬與優(yōu)化設(shè)計(jì)

模擬優(yōu)化設(shè)計(jì)的重要實(shí)踐方法目前主要采用于剪力墻的肢體與柱體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，墻體設(shè)計(jì)的工程技術(shù)人員必須要構(gòu)建立體化的墻體結(jié)構(gòu)模型，據(jù)此實(shí)現(xiàn)了針對(duì)墻體彎折程度以及其他參數(shù)指標(biāo)的直觀設(shè)計(jì)效果。剪力墻的結(jié)構(gòu)模擬設(shè)計(jì)不僅體現(xiàn)在優(yōu)化肢體與柱體的結(jié)構(gòu)方案設(shè)計(jì)，并且還需合理進(jìn)行墻體裝飾涂料的選取。針對(duì)剪力墻結(jié)構(gòu)的外部防腐涂層應(yīng)當(dāng)選取合理的防腐設(shè)計(jì)材料，從而實(shí)現(xiàn)了對(duì)于剪力墻結(jié)構(gòu)整體使用期限的顯著延長(zhǎng)。

圖3 剪力墻的結(jié)構(gòu)模型圖

工程技術(shù)人員通過采取涂裝耐候鋼的特殊建筑材料，那么對(duì)于民用建筑設(shè)計(jì)的鋼材消耗數(shù)目實(shí)現(xiàn)了合理的控制降低，同時(shí)促進(jìn)了剪力墻結(jié)構(gòu)的整體使用壽命顯著延長(zhǎng)。具體針對(duì)于裝配式剪力墻結(jié)構(gòu)的建筑設(shè)計(jì)方案在全面落實(shí)前提下，大型工程建筑的設(shè)計(jì)技術(shù)人員需要做到合理采用建筑裝配式結(jié)構(gòu)的創(chuàng)新設(shè)計(jì)方法，并且應(yīng)當(dāng)做到綜合考慮裝配式建筑物的空間分配布局、環(huán)保節(jié)能效益、建筑抗震性能等因素，采取因地制宜的建筑設(shè)計(jì)工藝優(yōu)化方案。未來在大型建筑的工程技術(shù)完善發(fā)展趨勢(shì)下，建筑工程的技術(shù)人員還需要側(cè)重于改造現(xiàn)有的剪力墻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)方案。

具體在計(jì)算剪力墻的水平抗滑移性能過程中，主要將水平接縫部位的抗剪承載力設(shè)定為v，將垂直穿過水平接縫鋼筋的抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)為f，將垂直穿過水平接縫鋼筋的橫截面積總和設(shè)計(jì)為a，將軸向壓力設(shè)計(jì)為N。在此前提下，可得剪力墻的滑移驗(yàn)算公式為：V=0.6＊f＊a+0.8N。

圖4 混凝土剪力墻的結(jié)構(gòu)應(yīng)變模型

3.6 墻體配筋以及邊緣構(gòu)件等材料的有效控制

建筑剪力墻的邊緣部位構(gòu)件材料需要保證達(dá)到應(yīng)有的堅(jiān)固性能要求，確保采取合格的墻體配筋工藝材料來促進(jìn)剪力墻的荷載性能提高。工程設(shè)計(jì)人員需要做到重點(diǎn)檢測(cè)剪力墻的邊緣構(gòu)件材料強(qiáng)度，合理分配與安排剪力墻的配筋所在位置。剪力墻的邊緣結(jié)構(gòu)件與墻體配筋的結(jié)構(gòu)材料都需要確保達(dá)到良好的綠色環(huán)保特性指標(biāo)，采取焊接組裝的設(shè)計(jì)工藝手段來杜絕剪力墻的工程設(shè)計(jì)污染。裝配式的建筑剪力墻結(jié)構(gòu)能夠?qū)崿F(xiàn)節(jié)能綠色的建筑設(shè)計(jì)優(yōu)勢(shì)，根源主要在于裝配式的建筑體系結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)依靠于焊接組裝工藝，有效防止了建筑固廢污染、大氣生態(tài)污染與噪聲污染的產(chǎn)生。剪力墻結(jié)構(gòu)的工程建筑材料體現(xiàn)為環(huán)保清潔的明顯技術(shù)優(yōu)勢(shì)，能夠防止存在水泥、混凝土與砂石的建筑固廢污染。裝配式的建筑設(shè)計(jì)優(yōu)化方案總體上能夠達(dá)到超出30%左右的建筑材料節(jié)約目標(biāo)，避免在組裝、使用與拆除民用建筑的全過程中導(dǎo)致建筑能耗與建筑污染后果。裝配式的建筑剪力墻結(jié)構(gòu)本身具有較高的工業(yè)化程度，能夠優(yōu)化民用建筑物的抗震性能，適合進(jìn)行靈活的建筑空間分配布局。

4.剪力墻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)水平提升的對(duì)策

4.1 提高裝備，創(chuàng)新設(shè)計(jì)理念，落實(shí)剪力墻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)科學(xué)性

剪力墻的結(jié)構(gòu)完善程度主要決定于墻體設(shè)計(jì)的方案科學(xué)性，那么現(xiàn)階段的剪力墻框架體系設(shè)計(jì)模式應(yīng)當(dāng)確保吻合創(chuàng)新設(shè)計(jì)的理念宗旨，積極促進(jìn)剪力墻的裝配設(shè)計(jì)綜合水平提高[5]。提升剪力墻的設(shè)計(jì)科學(xué)性，關(guān)鍵應(yīng)當(dāng)落實(shí)于改善現(xiàn)有的墻體設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)，科學(xué)分配與使用現(xiàn)有的墻體設(shè)計(jì)材料資源。建筑墻體節(jié)能的創(chuàng)新設(shè)計(jì)工藝應(yīng)當(dāng)普遍采用于建筑剪力墻的優(yōu)化完善設(shè)計(jì)，確保實(shí)現(xiàn)了針對(duì)建筑墻體現(xiàn)有設(shè)計(jì)資源的節(jié)約利用，也降低了建筑墻體的總體設(shè)計(jì)成本。針對(duì)于高層建筑物的剪力墻體系結(jié)構(gòu)在實(shí)施科學(xué)的改善設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)當(dāng)確保采取優(yōu)質(zhì)的墻體建筑材料，從而保證了建筑剪力墻的墻體結(jié)構(gòu)材料達(dá)到最佳的堅(jiān)固安全性能。建筑剪力墻的裝飾設(shè)計(jì)材料必須具備優(yōu)良的環(huán)保性能要求，避免采取具有毒害性的墻體裝飾結(jié)構(gòu)材料。對(duì)于高層建筑物的外墻結(jié)構(gòu)可以通過種植綠色植被的方式來進(jìn)行墻體覆蓋設(shè)計(jì)，全面美化建筑墻體的直觀設(shè)計(jì)效果，降低了建筑墻體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的資源成本投入。建筑剪力墻必須保證具備良好的墻體保溫性能、承重性能與隔熱性能，建筑物的剪力墻設(shè)計(jì)人員需要全面把控建筑墻體的各項(xiàng)設(shè)計(jì)要素，采取綜合性的設(shè)計(jì)實(shí)踐措施。

4.2 深入分析，強(qiáng)化研究力度，實(shí)現(xiàn)剪力墻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)水平提升

現(xiàn)階段的建筑設(shè)計(jì)人員應(yīng)當(dāng)側(cè)重于剪力墻的設(shè)計(jì)研究力度提高，通過深入實(shí)施剪力墻的設(shè)計(jì)技術(shù)改進(jìn)來提升剪力墻的整體穩(wěn)固程度。促進(jìn)剪力墻的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)實(shí)踐水平提高，應(yīng)當(dāng)注重于綠色設(shè)計(jì)工藝的手段方法采取。建筑剪力墻設(shè)計(jì)的工程技術(shù)人員不僅需要全面考慮到環(huán)保建材以及綠色工藝方法的采取，并且還應(yīng)當(dāng)準(zhǔn)確排查現(xiàn)有的建筑安全隱患。建筑設(shè)計(jì)的各個(gè)領(lǐng)域?qū)I(yè)人員應(yīng)當(dāng)形成密切的信息溝通機(jī)制，確保從全方位的設(shè)計(jì)實(shí)踐角度入手來提升建筑整體品質(zhì)。對(duì)于建筑隱蔽空間的工程質(zhì)量隱患必須進(jìn)行及時(shí)的查找，采取建筑信息化的建模設(shè)計(jì)技術(shù)方案來整改目前存在的建筑設(shè)計(jì)隱患。建筑設(shè)計(jì)資源應(yīng)當(dāng)?shù)玫阶顬榭茖W(xué)的采用，通過實(shí)現(xiàn)資源優(yōu)化配置組合的實(shí)踐技術(shù)方案，才能提升建筑設(shè)計(jì)的綜合質(zhì)量效益。設(shè)計(jì)人員對(duì)于高層建筑物的具體朝向應(yīng)當(dāng)進(jìn)行必要的整改，從而保證了建筑采光的自然能源得到更大程度的優(yōu)化利用。建筑設(shè)計(jì)的工程技術(shù)人員對(duì)于建筑剪力墻的設(shè)計(jì)資源需要進(jìn)行合理的配置利用，凸顯建筑節(jié)能設(shè)計(jì)與可持續(xù)設(shè)計(jì)的基本實(shí)踐思路。建筑節(jié)能與綠色設(shè)計(jì)的重要保障前提就是建筑質(zhì)量必須得到全方位的檢測(cè)，建筑質(zhì)量的工程監(jiān)管措施應(yīng)當(dāng)置于綠色環(huán)保設(shè)計(jì)的核心地位。

4.3 提升專業(yè)素養(yǎng)，應(yīng)用先進(jìn)技術(shù)，促進(jìn)裝配式建筑設(shè)計(jì)發(fā)展

裝配式的建筑體系結(jié)構(gòu)目前亟待獲得必要的創(chuàng)新優(yōu)化調(diào)整，全面促進(jìn)建筑設(shè)計(jì)的技術(shù)人員業(yè)務(wù)素養(yǎng)提高。采取更加先進(jìn)與科學(xué)的剪力墻創(chuàng)新設(shè)計(jì)工藝，節(jié)約利用剪力墻的建筑設(shè)計(jì)空間資源[6]。促進(jìn)裝配式的剪力墻設(shè)計(jì)工藝實(shí)現(xiàn)全面的轉(zhuǎn)型發(fā)展，應(yīng)當(dāng)落實(shí)于自動(dòng)化的墻體設(shè)計(jì)建模技術(shù)完善?？梢暬募袅Ｆ脚_(tái)系統(tǒng)能夠全面支撐實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)化的建模設(shè)計(jì)目標(biāo)，有效確保了建模設(shè)計(jì)得到的建筑立體化圖紙吻合建筑使用功能的要求，提升剪力墻的施工質(zhì)量效果。

結(jié)語：

經(jīng)過分析可見，裝配式的剪力墻工程體系結(jié)構(gòu)主要涉及到墻體框架的整體設(shè)計(jì)方案、柱體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與墻體配筋的比例參數(shù)設(shè)計(jì)等，以上各個(gè)剪力墻設(shè)計(jì)的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)參數(shù)都要得到相應(yīng)的調(diào)整完善。近些年以來，裝配式的工程建筑設(shè)計(jì)人員能夠正確采取智能化的墻體模型設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)思路，深入研發(fā)得到剪力墻的優(yōu)化設(shè)計(jì)方案。在此基礎(chǔ)上，目前針對(duì)于建筑剪力墻的結(jié)構(gòu)體系設(shè)計(jì)應(yīng)當(dāng)側(cè)重于各個(gè)層面的建筑指標(biāo)優(yōu)化，切實(shí)防范與杜絕剪力墻體系構(gòu)架的工程安全隱患。