關于綠色建筑的高層剪力墻結構優化設計

【摘要】針對綠色建筑理念下的高層建筑剪力墻結構設計，對其初步優化設計和二次優化設計進行深入分析，并提出相應的優化設計途徑，以此為實際的高層建筑剪力墻結構設計與優化提供參考借鑒，使其滿足綠色建筑建設標準，更好的推動綠色建筑理念的發展與完善。

【關鍵詞】綠色建筑;高層建筑;剪力墻;結構優化設計

根據綠色建筑理念對高層建筑的剪力墻結構實施優化設計，其核心在于在符合建筑使用功能與結構體系抗震性能前提下，盡可能減少材料消耗，以此減少整個結構體系施工實際碳排量。對于高層建筑，其結構性能會受到很多因素的影響與控制，如周期及周期比、振型有效系數和頂點位移等。為高層建筑的剪力墻結構實施以綠色建筑理念為基礎的優化設計，能使優化以后得到的方案充分體現出綠色環保性、安全性及經濟合理性。

1、初步優化

在以綠色建筑理念為基礎對高層建筑的剪力墻結構實施優化設計時，因設計涉及很多變量，而且不同設計變量和結構體系抗震性能與其施工中的碳排量保持十分復雜的相互關系，所以往往要通過反復調整才可以實現減少碳排量這一根本目標。基于此，對高層建筑的剪力墻結構而言，需在分析和校核的同時進行綜合及優選[1]。

如前所述，對高層建筑中剪力墻結構實施數量及布置形式的優化設計以后，可以在滿足各項規范要求的基礎上，減少結構體系施工產生的碳排量，進而使結構體系達到綠色，提高其綠色度。根據綠色建筑理念對高層建筑剪力墻結構實施設計與優化時，需要先確定適宜的布置形式與數量，其方法為：使剛度變化部位、樓梯間和電梯間等處的剪力墻保持不變，對結構內部某些剪力墻實際長度進行適當減少，則對于帶翼緣構造的剪力墻，對其翼緣長度進行適當增加，將剪力墻的墻肢設計成T字形或工字形（圖1），另外為防止產生鞭梢效應，對頂層的電梯井應保留，不能予以削弱。

利用這一方法對原有的結構模型實施優化可以得到全新的模型，根據原模型和新模型中標準層接頭體系實際平面布置情況，中部剪力墻無論是數量還是長度都明顯減小，這樣可以在保證建筑使用功能的基礎上，使結構平面布置變得更為靈活。新模型與原模型比較，原模型每個樓層的墻肢長度都能減少12.6m，在優化設計前，原模型中每層墻肢的長度在147.05m左右，相較于優化之前，減少了8.6%左右[2]。新模型剛度比原模型略小，實際受到的地震力將有所減小，進而使結構整體受力性能與剛度均更為合理。在碳排量方面，新模型比原模型少2.8%左右。由此可見，優化效果比較明顯，驗證了先對剪力墻結構布置形式與數量實施優化設計的做法是合理可行的，可減少結構體系施工產生的碳排量，充分體現出方案的綠色環保性、結構安全性與經濟合理性。

2、二次優化

通過對原模型的優化使其成為新模型的這一過程中，只對高層建筑中剪力墻結構實施了布置形式與數量上的優化。在原模型中剪力墻結構布置形式與數量都保持不變的基礎上，對標準層中剪力墻結構厚度進行改變，采用四個模型來計算和分析，這四個模型的剪力墻結構厚度分別為300mm、250mm、220mm和200mm，在這四個模型當中，以厚度為250mm的模型作為原模型。根據計算結果可以看出，伴隨剪力墻結構厚度不斷減小，剪力墻結構剛度不斷減小，施工產生的碳排量也隨之減少，而且結構抗震性能依然可以滿足規范提出的要求。比如，相較于原模型，剪力墻結構厚度為200mm的模型，其碳排量進一步減少。可見，適當減小墻厚能起到減少剪力墻結構施工產生的碳排量的作用[3]。

通過上述分析可以看出，完成對剪力墻結構體系具體布置形式及數量的優化以后，剪力墻依然有一定優化空間，因此應在新模型基礎上實施二次優化，而對于二次優化的內容，以對剪力墻結構厚度和材料強度進行優化為主，具體方法為：基于規范確定的范圍，減小內部與周邊局部墻體，尤其是軸壓比相對較小的墻肢的實際厚度，在這種情況下，采用SETWE軟件進行建模計算能確定會導致局部墻肢實際軸壓比超出限度及部分連梁超筋等設計問題。同時通過調節計算，確保結構體系抗震指標達到規范的要求。采用以上方法對新模型進行優化，可得到模型三。在模型三中，剪力墻布置形式和新模型基本相同，根據剪力墻結構厚度及其對結構施工產生的碳排量與性能造成的影響，其標準層剪力墻結構厚度以200mm為主，基于此，根據試算結果，對性能無法達到要求的墻肢與連梁應在材料方面予以加強，其中，混凝土材料的強度等級為C30和C40，受力筋為HPB400和HPB335。

3、優化設計途徑

通過以上分析可以看出，只對剪力墻結構布置形式與數量實施優化，能減少2.8%左右的碳排量;若只對剪力墻結構厚度實施優化，即將剪力墻結構厚度從250mm優化到200mm后，能使碳排量的減少程度從9.5%增加至15.0%左右。可見，每完成一步優化，都能減少一次碳排量。在剪力墻結構設計過程中需要考慮很多影響因素，首先，應滿足建筑基本使用功能要求，其次，應滿足現行技術規范提出的所有性能要求[4]。由此可以看出，結構設計有很多不同的影響因素，實際工作十分繁瑣，在這種情況下，為了給結構設計人員提供可靠參考，需要在綠色建筑理論基礎上制定有效的高層建筑剪力墻結構優化設計途徑，具體如下。

（1）以建筑專業提出的要求、技術規范要求和按照以往工程經驗確定的剪力墻結構布置形式與數量為依據，構建專門用于結構數值分析的數學模型，將其用于結構的后續分析和計算，確定結構體系自身各項特性，包括內力特性、動力特性與變形特性。

（2）對高層建筑中剪力墻結構布置布置與數量實施初步的優化設計，對剛度變化部位、樓梯間和電梯間等處的剪力墻予以保留，而減少結構中某些剪力墻實際長度，對于帶有翼緣結構的剪力墻，對其翼緣的長度進行適當增加，并將剪力墻的墻肢設計成T字形或工字形，另外為防止鞭梢效應的產生，應使頂層的電梯井保持不變。在完成初步優化以后，還要對結構施以深入的分析計算，以確定結構體系在初步優化完成后的各項使用性能[5]。

（3）對高層建筑剪力墻結構的厚度實施二次優化，以分析計算結果為依據，在規范允許的范圍內對內部和周邊某些剪力墻，尤其是軸壓比相對較小的墻肢進行厚度調整。在完成這一優化設計后，同樣要對結構施以深入的分析計算，以確定結構體系在初步優化完成后的各項使用性能[6]。

（4）完成以上二次優化設計后，針對可能導致局部墻肢實際軸壓比超出允許限度與部分連梁超筋等設計問題的因素，可通過對鋼筋與混凝土等的優化來達到規范提出的要求，并經過反復的調節計算，使結構體系各項技術指標都達到規范和設計的要求。

（5）完成以上優化設計后，對結構體系施工產生的碳排量進行計算，然后根據計算結果選定實際碳排量相對較小且結構性能滿足要求的方案，將其作為較優方案。對于這一較優方案，實際上就是以綠色建筑理念為基礎的高層建筑剪力墻結構體系優化設計得出的最佳方案。

結語：

綜上所述，通過分析提出以綠色建筑理念為基礎的高層建筑剪力墻結構體系優化設計思路和途徑，以此為實際的高層建筑工程剪力墻結構體系設計，使其滿足綠色建筑要求提供切實可行且有效的方法。

參考文獻：

[1]賴從圣.綠色建筑的高層剪力墻結構優化設計[J].中國戰略新興產業，2017（40）：98.

[2]胡樺.綠色建筑的高層剪力墻結構優化設計[J].建材與裝飾，2017（38）：55-56.

[3]袁振華.分析綠色建筑的高層剪力墻結構優化設計[J].建材與裝飾，2016（20）：14-15.

[4]陸小軍，周成.高層住宅剪力墻結構優化設計[J].江西建材，2015（01）：51.

[5]趙體棟，申紀偉.高層住宅剪力墻結構優化設計[J].山西建筑，2016（34）：45-46.

[6]趙忠營.淺論高層住宅剪力墻結構優化設計[J].中國新技術新產品，2018（05）：55-56.

作者簡介：

魏亞平（1981.12-），男，本科，工程師，主要從事建筑結構設計工作。