探究裝配式建筑結構設計中的剪力墻結構設計

張書娜ZHANG Shu-na；劉洋LIU Yang；崔立杰CUI Li-jie

（河北科技工程職業技術大學，邢臺054035）

0 引言

在我國城市化水平快速發展的今天，建筑行業的發展尤為迅速，各城市的工程建設以雨后春筍般的速度進行著。隨著人們安全防范意識的提升，房屋結構的施工質量始終作為人們重點關注的問題。如何提升裝配式房屋建筑在結構上的安全性、耐用性以及經濟性，已成為工程建筑公司在施工過程中亟需解決的問題。因此，在裝配式房屋建筑結構中采用剪力墻結構，可以有效的保障其結構安全性、耐用性、經濟性，有效的保證了人們的生命財產安全。

1 裝配式建筑結構的優勢

第一，有效降低了企業的施工成本。裝配式建筑結構與傳統的施工建筑相比，其在建筑過程中大量使用重量較輕的墻板，方便施工人員進行施工作業，由于該墻板價格低廉，拆裝方便，提高了施工作業的便利性，極大的降低了施工成本，提高了施工企業的經濟效益。第二，提高施工效率，縮短施工影響周期。裝配式建筑結構在房屋施工過程中，在保證房屋施工質量的同時，可以有效的提高施工時間，縮短施工周期，提升施工效率，進一步縮短對周邊環境的影響，提升施工企業的綜合影響力。第三，施工技術的簡單化。裝配式建筑結構在構造上采用模塊式的裝配結構，在施工過程中，施工人員按其模塊結構進行裝配，進一步降低了對施工人員的技術要求，提高了施工人員施工效率。裝配式建筑結構對施工人員數量進行有效的控制，在確保施工質量的同時，對現場的施工安全進行有效的把控，向綠色建筑發展邁向重要的一步。

2 裝配式建筑結構應用現狀介紹

在我國裝配式房屋建筑中分為：鋼結構裝配式建筑和混凝土結構裝配式建筑兩種，現對以下兩種裝配式房屋建筑的應用現狀進行介紹。

2.1 鋼結構裝配式建筑

第一，鋼結構裝配式建筑能較好應用在大跨度的房屋結構中，由于鋼本身具有較強的抗壓、抗拉特性。在房屋建筑中，大跨度結構采用鋼結構裝配，可以有效的保障房屋在空間布置上的靈活性，實現房屋在空間上的最大化利用。比如，鋼結構裝配式建筑普遍應用于大型的展覽館、體育場等大跨度的房屋結構中。第二，在房屋施工周期較短的大型房屋建筑中，大多采用鋼結構裝配。由于鋼結構裝配在施工過程中周期較短、方便快捷、效率高，多用于廠房、倉庫等大型房屋建筑中。第三，由于鋼結構裝配在施工過程中基礎造價相對較低，其自身結構輕，抗震性能較好，在多數高層房屋建筑中普遍采用鋼結構裝配。然而，鋼結構裝配式由于鋼本身不耐火，在房屋建筑中，其保溫、防腐、防火等施工工藝相對復雜，在裝配式房屋建筑中，特別是高層建筑中存在一定的弊端難以解決。

2.2 混凝土結構裝配式建筑

混凝土結構裝配式建筑分為裝配整體式和全裝配式。二者在其施工過程中，需人工對現澆混凝土結構進行處理，其主要施工步驟為：先選取合適的豎向構件，通過漿錨搭接或套筒灌漿的方式與豎向構件連在一起，將提前預制的梁和板安裝在其上方，促使其節點混凝土和澆筑梁板的疊合層共同形成整體的裝配式結構，從而形成了混凝土結構裝配式。在施工過程中，為了提升裝配結構的成功率，提升整體的施工進度及施工效率，對一些不是結構構件的施工，往往對其結構也采用裝配式施工，例如，預制的衛浴、預制的樓梯、預制的墻板等。目前，全裝配式的混凝土結構由于施工難度相對較高，在我國建筑施工中應用較少，而裝配整體式則在我國應用范圍較廣。然而，由于混凝土結構裝配式建筑施工步驟相對繁瑣，對施工人員的施工技術有一定的要求，從而提高了人工施工成本，降低了施工企業經濟效益。

3 裝配式建筑結構的設計要點分析

第一，在裝配式建筑結構的設計過程中，其設計在現場施工時的可行性及日后使用過程中的可用性，才是裝配式建筑結構的設計重點。房屋建筑要實現其質量的安全性和使用過程中的功能性，要求在設計時本著精細化、專業化、規范化的設計理念，將建筑物的優勢發揮到極致。同時，在設計時也要充分考慮其能耗的消耗，合理控制建筑的高度，對其結構的復雜性和不規則性控制在規范的范圍內。在設計裝配式建筑結構初期時，應對其結構布置、使用的建筑材料等進行綜合考慮，設計多個建筑方案，然后通過經濟性、安全性、使用性等方面進行綜合對比，選取最優方案。另外，還要對設計方案按照國家標準參數進行精確對比，使其在各方面符合國家標準，最大程度上確保設計方案在施工過程中，避免出現不可控的風險。

第二，在設計裝配式建筑結構初始規劃階段，要統籌設計公司、建設公司、監理公司的關系著手，綜合考慮裝配式建筑項目的經濟性、安全性、使用性。首先制定合理、規范的總體規劃，按照總體規劃要求，制定規范化、標準化的設計方案，根據方案內容設計處預制構件，并按照預制構件的不同特點、裝配效率、構件類型進行生產，從而滿足房屋建筑的施工需求。

第三，裝配式建筑結構預制件的設計要考慮現場需求進行設計。一是，在房屋建筑的樓板施工過程中，若現場搭設腳手架時，其結構件要考慮使用水平構件預制技術，從而有效的降低了施工成本。二是，當外墻采用保溫裝飾一體化結構時，應盡量降低外墻腳手架的使用次數，節約人力成本。三是，對承重內墻及非承重內墻采用預制方式進行施工。因此，在初期設計裝配式建筑結構預制件時，要制定多個設計方案，從中對建筑選材、結構件框架、設計類型、結構類型等方面進行技術對比和論證，按照經濟性、安全性、使用性原則，采用最優的設計方案，從整體上把控施工成本，提高企業的經濟效益。

4 剪力墻結構介紹

剪力墻結構按其性能，又被稱為抗震墻、擋風墻以及結構墻，其主要是指：在房屋建筑中，為了保持建筑物在結構上水平力的平衡，其房屋內力主要由鋼筋混凝土承載著，鋼筋混凝土板在承載建筑物的水平及豎向力形成的結構剪力墻，而結構剪力墻就是剪力墻結構。在現代化房屋施工過程中，剪力墻結構作為基礎的墻體結構，得到了普遍的運用。剪力墻結構在房屋建筑中分別承載著各種豎向載荷量和水平荷載量。同時與樓板和墻體作為建筑的主要受力結構，并作為建筑物重要的支撐性結構。在建筑物未被拆除之前，該結構嚴禁被破壞和拆除。經過無數次的實踐證明，剪力墻結構有效提升了建筑物的整體性能，能較好完成各種承載力試驗。因此，剪力墻結構有效提升了建筑物的穩定性和支撐性。同時，剪力墻結構可以極大的降低建筑物的鋼材使用量，緩解企業的用料成本，提高企業的經濟效益。

5 剪力墻結構的分類

剪力墻結構按照建筑物的地質情況、需求差異不同，根據其結構和形式可以分為不同的類別。第一，建筑物在支撐上要求一般級別時，剪力墻結構可以設計為整面的墻體，從而達到建筑物抗剪的效果。在將整面的墻體設計為剪力墻結構時，為了使其達到抗剪效果，必須將整面墻的85%以上的面積設計為剪力墻結構，再將外包線設計為拋物線的類型，以實現墻體能夠承載建筑物的豎向載荷，防止墻體的彎曲和變形。第二，在剪力墻上開設孔洞時，該孔洞在50%以下時，需要將孔洞設計為帶狀，各孔洞要均勻分布在墻體。為了提高建筑物墻體的穩定性和耐用性，需將墻體的雙肢進行加固處理，并使其符合抗扭曲和抗彎曲的施工要求。第三，在處理一些整體以四邊框的方式呈現抗剪力時，墻體本身容易出現易變性及不穩定性，遇到這種情況時，需要在設計施工時均勻加入連梁，提高墻體的穩定性。

6 建筑物采用剪力墻結構設計的原則

隨著剪力墻結構在建筑行業的普遍應用，有效的提高了建筑物的安全性和經濟性。在建筑物設計時，采用剪力墻結構設計應遵循以下原則。第一，分析墻體受力情況。在設計建筑物的剪力墻結構時，要先分析墻體整體的受力情況，其作為整體的平面結構，在承受水平方面的彎矩和剪力時，還承載著建筑物的豎向負荷。因而，需對墻體的整體受力情況進行詳細分析，從而更好的發揮剪力墻結構的作用。第二，采用平面內連接，杜絕平面外連接。在建筑物墻體設計時，要充分考慮到在同一個平面上，剪力墻結構的承載力和剛度是很大的。然而，當平面外剪力墻結構的承載力和剛度則是相反的。當剪力墻和墻面外的梁體處在連接的位置時，該位置由于承載力和剛度的不足，很容易出現墻體外彎的現象發生。對于一般房屋建筑而言，往往會忽略該平面外的承載力和剛度，房屋建筑墻體的承載力出現不足的情況，從而導致房屋建筑出現嚴重的安全隱患。因此，為了防止該隱患的發生，在設計剪力墻結構時，應采用平面內連接，杜絕平面外進行連接。在特殊情況下，建筑物需要對剪力墻平面外進行連接，當完成該連接后，需要嚴格按照施工作業標準，對連接處進行加固，確保剪力墻平面外連接處的安全性、穩固性。第三，合理調整連梁超限問題。在剪力墻結構施工時，剪力墻的連梁跨高往往會超出參數值2.5。為了防止墻體剪力或者彎矩超出安全值，當連梁跨高結構等于或超過參數值5時，要嚴格按照墻體框架標準，重新設計其結構，但不能折減連梁的剛度。當連梁跨高結構在參數值5和6之間時，則按照現場實際情況折減連梁的剛度，避免墻體出現剪力超限和彎矩。

7 剪力墻結構長度和厚度的選用事項

在房屋建筑中，剪力墻結構的長度和厚度與其結構的承載力有相輔相成的關聯，在剪力墻結構施工過程中，要尤其重視其結構的長度和厚度的選用。第一，剪力墻結構長度的選用。剪力墻結構長度即是剪力墻強肢的長度，主要是指：剪力墻結構的截面高度的參數，其參數直接影響著房屋建筑的安全性和穩定性。在設計過程中，剪力墻強肢的長度一般會選取在八米內。但是，為了防止墻體出現損壞和保證其結構的延伸效果，將剪力墻的高度和寬度按比例進行對比，對其相差比較明顯的位置采用彎曲的設計方案，導致在現場施工中出現了延伸性剪力墻結構，這樣可以有效的防止其彎曲對建筑物墻體的損壞。第二，剪力墻結構厚度的選用。在房屋建筑的設計結構中，剪力墻結構厚度要根據柱形受力和受力結構的特點進行選用，當出現其長度和寬度比較大時，要求施工人員要十分重視指標的選用。在我國建筑物抗震的相關規定中：剪力墻結構應根據現場情況加大墻體的厚度，但墻體厚度應根據房屋建筑的高度來制定。在房屋建筑結構設計中，也要根據現場實際情況進行確定，從而更準確的確定剪力墻結構的強肢軸壓比值，在保證剪力墻結構厚度的同時，增加建筑物的美觀。

8 建筑結構中剪力墻結構設計方法

8.1 加大現場調查，做好墻體保溫設計

在房屋建筑的剪力墻結構設計中，從結構性能控制的方面分析其保溫設計，要求房屋設計公司應加大現場的調查工作，做好墻體保溫的設計，并做好該結構的保溫控制工作。房屋設計公司在進行現場調查時，應根據業主的實際需求，結合施工現場的氣候環境、地理環境以及房屋建筑的規劃用途出發，對現場情況進行調查。在獲取最基礎的調查數據后，對房屋建筑結構進行保溫設計。從而，有效保障剪力墻結構設計中基礎結構設計的準確性，以及房屋建筑在功能結構方面的全面性。

8.2 對剪力墻結構設計細節進行優化

第一，對邊緣構件進行優化性約束管理。做好邊緣構件的管理工作，能有效的對剪力墻結構的承載力進行優化。比如，對邊緣構件的40%進行優化管理，可以有效的提高剪力墻的承載力；對邊緣構件的20%進行優化管理，可以有效的提高房屋建筑的抗震性。因此，在對剪力墻結構進行設計時，要選用性能較好的邊緣構件。比如，在其邊緣構件的設計和選用上應采用以下方法：當構件底部的軸壓比未能符合規范要求時，要及時添加其構造的邊緣構件；當構件底部的軸壓比超過規范要求時，對構造的邊緣構件進行優化管理，從而實現邊緣構件的最優化。第二，對剪力墻結構進行性能和強度的優化管理。在剪力墻結構設計中，要嚴格根據國家規范標準對其優化管理，確保配筋率符合規范標準。同時，也要結合房屋建筑的抗震性，優化管理剪力墻邊緣構件的實際數量，更好的優化房屋建筑的實用性能。第三，對剪力墻結構做好延性設計的優化管理。在對其進行延性優化設計時，應采用對稱設計、均衡布置的措施，提高裝配式建筑剪力墻結構在性能上的安全性和穩定性。

8.3 優化建筑中剪力墻結構的拆分設計

在設計高層房屋建筑時，對剪力墻結構拆分設計時，不能拆分剪力墻底部加強區的墻體。由于房屋底部加強區的抗震性能標準比較高，從而安裝了約束邊緣構件，其配筋也相對較高；而底部加強區及以上的位置，已到了標準層區域，其墻體的構造配筋配比相對統一且較低，在對剪力墻結構拆分時，可在該區域進行墻體拆分。同時在墻體拆分時，應注意避開建筑結構中保溫層，可對剪力墻結構的外墻進行拆分，避免施工過程中不必要的火災發生。另外，在安裝預制外墻過程中，無需使用整體腳手架、大型施工爬架等設備，選用簡單的安裝支架就可以完成其安裝需求。對預制帶洞口的剪力墻進行拆分時，要注意該洞口兩側的墻體寬度滿足200mm及以上。若洞口設計為門洞時，為了確保剪力墻墻體在吊裝、運輸期間的穩定性，對門洞臨時安裝型鋼進行固定。建筑設計師通常會使用結構軟件，對預制墻體水平接縫的承載力進行電腦計算。然而在設計期間，設計師會根據實際的配筋進行人為調整，調整后再根據規范標準進行修改。

8.4 對剪力墻結構設計進行優化定位

在剪力墻結構設計過程中，要優化剪力墻的布置方式，首先要提高剪力墻結構在設計時的安全性能和穩定性能。根據現場情況，提高房屋建筑的側向剛度，采用兩主軸方向等穩的方式進行雙向布置。要按照國家規范標準對剪力墻進行布置，同時要滿足其質心及剛心的要求，從而更好的控制墻體扭矩。另外，應把控好內外剪力墻的垂直設計，在把控設計中做到清晰、簡單，防止在剪力墻設計中出現繁雜的肢截面，做到符合房屋建筑的實際需求即可，也要避免在設計中發生上、下層突變剛度的現象。剪力墻結構中的洞口問題，應按照規范化標準進行優化，對門窗洞口的布置要做到上下對稱、成列的方式設計，構成連梁和墻肢，并且布置洞口時，墻肢剛度要防止出現差距較大現象。另外，也要布置好剪力墻中內收與外挑之間的距離。

8.5 優化抗震結構的設計工作

在剪力墻結構的抗震設計中，要從房屋建筑的安全性和穩定性出發，嚴格按照國家規范進行設計。在后期施工過程中，嚴格按照設計方案進行施工，發現設計缺陷時，及時整改，提高施工質量。在設計公司進行設計期間，設計人員應根據建筑的抗震結構，并結合控制軸壓比、應力計算、彈性剛度提升的方法，提高剪力墻結構之間應力的穩定性及均衡性，從而更好的實現建筑結構的抗震性能，提高其工程質量的安全性與穩定性。

9 結束語

在裝配式建筑結構設計及剪力墻結構設計中，應確定不同的設計重點，以及科學規范的設計理念，提升剪力墻結構設計工作的科學性、嚴謹性，從而更好的實現剪力墻結構的設計目標。因而，在日后的設計中應始終將安全性、穩定性放在首要位置，綜合考慮經濟性、持續性等因素，確保建筑工程健康、有序的發展。