綠色建筑高層剪力墻結構優化的設計技巧

李 陽

（甘肅宏圖建筑設計有限公司，甘肅 蘭州 730000）

1 引言

結合綠色建筑施工理念來開展高層建筑剪力墻結構優化設計的過程中，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計過程中的能源消耗和碳排放量。在高層建筑設計的過程中，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，根據高層建筑的實際情況做好設計工作，確保建筑設計方案的科學性和合理性。

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，要秉承可持續發展原則，在減少資源消耗的基礎上，減少施工各個環節對自然環境產生的影響。例如在具體的施工過程中，要減少對土地資源、水資源產生的影響，同時也要充分節約建筑材料。秉承上述觀念建造的建筑，往往被稱為綠色建筑。在倡導可持續發展觀念的今天，綠色建筑成為未來建筑工程的必然發展趨勢，和傳統的建筑工程項目進行對比可知，綠色建筑不僅可以有效減少對自然環境產生的影響，提升住戶的入住體驗性和舒適性，另一方面也可以最大程度實現對自然資源的節約。一般情況下，綠色建筑的室內結構布置科學完善，很少應用大面積的合成材料，多數材料也較為安全環保。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現房屋保暖。當前，綠色建筑以及普及，綠色建筑通過實現人、建筑以及環境的和諧共生來為住戶營造安全、綠色、舒適的居住環境。

此外，在建筑工程項目中科學地應用綠色環保理念，不僅可以有效緩解地皮和增長的人口數量之間的矛盾，另一方面還可以彰顯生態環境的優越性。現階段的綠色建筑已經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利用，引入先進的綠色施工技術以及應用綠色低碳的施工材料來提升建筑工程項目身的質量。可以說，綠色建筑不僅是未來建筑行業的發展趨勢，同時也是未來人居環境的發展大方向，綠色建筑的普及和推廣對促進社會可持續發展具有顯著的意義和作用。

2.2 剪力墻的概念分析

在建筑工程項目設計階段，尤其是針對建筑的基礎結構進行設計的過程中，一方面要求建筑基礎結構的質量，另一方面要求其符合施工工藝。當前，很多高層建筑結構中都會應用到剪力墻結構。和其他的基礎結構對比，剪力墻結構無論是自身的支撐力還是穩定性都較高。同時，考慮到高層建筑對抗震性和抗風性有著較高要求，應用剪力墻設計可以最大限度削弱強風和地震對建筑主體結構產生的影響。結合大量的工程項目施工案例進行分析后發現，框架剪力墻結構可以顯著提升建筑物的整體質量。

所謂的剪力墻結構即用砼墻板來替代原來框架結構中的梁柱，即用砼墻板來承擔各個方向產生的荷載力，以此來提升建筑的穩定性。在針對剪力墻結構進行設計的過程中，需要根據工程項目的實際情況以及設計需求進行設計。一般情況下，剪力墻設計分為需要開洞和無需開洞這兩類。針對需要進行開洞設計的剪力墻結構，其設計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；其次要確保墻體結構的穩定性。如果建筑物的墻體性能符合該要求，則可以進行開洞設計。針對后者進行設計的過程中，則需要考慮以下幾方面：首先，可以根據工程需要進行開口較小設計；其次，可以設計多個規律分布的開口；最后則可以根據建筑工程施工要求進行最大開口設計。但是需要注意，無論應用何種設計類型，都要根據工程項目的具體需求開展，同時也要做好工程項目墻體承壓能力計算工作，并根據最終的計算數值科學選擇設計方案。

3 剪力墻分類

（1）實體墻。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體墻。這類墻體在受力時，其變形呈現彎曲以及無反彎等特征。實體墻整體的受力呈現線性分布狀態。

（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，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，且開口呈現規律排列，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。

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

4 剪力墻的設計原則分析

高層建筑之所以采用剪力墻結構的核心目的在于提升建筑基礎結構的安全性和穩定性，鑒于此，在設計剪力墻方案的過程中，一定要考慮其位移限制情況，同時在設計的過程中還要考慮框架結構的作用。因此，在設計的過程中，要求剪力墻的位移限制一定要滿足工程項目實際需求，同時也要盡量減少剪力墻數目。

4.1 樓層最小剪力系數的調整原則

在實際的設計過程中，要最大限度減少剪力墻的數量，同時要進一步強化剪力墻的整體結構，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等方式來對其穩固性能進行優化。同時，要充分滿足短肢剪力墻底部的第一振型結構在地震影響下傾覆力矩不超過四成的要求。這樣設計的優勢包含以下幾方面：①可以最大限度降低建筑結構主體的重量；②可以有效節約工程造價成本；③最大限度減少地震對高層建筑產生的危害。

4.2 樓層層間最大位移與層高之比的調整原則

在開展剪力墻設計的過程中，一定要充分考慮樓層之間的跨度數值和樓層之間的高度比值。通過計算上述比值，可以精確計算出地震條件下建筑主體結構的位移情況，然后在此基礎上對剪力墻結構的規格進行優化和調整。通過上述設計，即可以在不減少彎曲變形的前提下將其構成一個整體。在高層建筑基礎結構的設計過程中，除了要考慮樓板的扭轉數據之外，還要參考其剪切變形情況。其中剪切變形數值和建筑物的垂直構件數量有著直接的關系，但是如果垂直構件的布置位置不合理，也可能會對扭轉數據產生影響，進而導致建筑層間位移數值不符合設計要求。由此可見，在進行剪力墻設計的過程中，一定要充分做好層間位移比和層高比的優化工作。

5 具體的工程案例分析

5.1 項目概況

為了更好地開展剪力墻設計工作，筆者結合具體的工程項目施工案例進行分析。本工程案例位于我國北方某地區，該工程項目為住宅小區，其總體占地面積約為116 696 m2。項目有兩棟多層住宅以及兩幢高層住宅構成。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網點。在針對高建筑工程項目進行設計的過程中，首先要對其結構布置展開優化設計，設計師根據原有的計算模型，代入到設計方案之中，發現工程項目的機構布置情況可以進行以下幾方面的調整和優化：第一，原有設計的過程中，其部分梁上線荷載數值為9 kN/m，則需要對其結構自重進行優化和調整。第二，本工程案例之中，其中部分樓板的整體跨度較低，本工程項目樓板厚度為毫米，厚度較大，需要重點針對衛生間和廚房區域進行優化設計。第三，原來的設計中，墻肢較多，配筋較多，抗側效率較低，影響工程項目最終的造價成本。第四，在原來的設計中，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，整體的厚度數值偏高。

因此可以從以下幾方面進行優化：第一，對梁上線荷載進行優化，經過計算后得出（12×0.2+20×0.015×2）×（3.0- 0.4）=7.8 kN/m。在建筑的門窗等區域，可以結合實際情況進行調整。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行優化，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，除底部加強區及其上一層外，調整后混凝土整墻墻厚均為180 mm，既減輕結構自重，又節約混凝土用量。如下表1所示，為調整后的整體計算指標對比情況。

表1 整體計算指標對比

5.2 優化設計

從綠色建筑的層面出發，在針對高層建筑的剪力墻結構進行設計的過程中，考慮到設計過程中的各類影響因素較多，所以在實際的設計過程中，要考慮不同設計變量和建筑結構整體性能之間的相互關系。因此，可以通過不斷對各設計參數進行優化和調整來實現綠色建筑設計目標。鑒于此，高層建筑剪力墻結構設計過程中，一定要充分做好分析和校對工作，然后在此基礎上進行綜合化設計。如可以通過對高層建筑剪力墻結構的數目和布置方式進行優化等方式來迎合綠色建筑設計理念。通過該方法，一方面可以有效減少建筑工程項目施工階段的碳排放數量，另一方面還可以有效提升高層建筑結構的穩定性和安全性。同時，從綠色建筑角度出發針對高層建筑的剪力墻結構進行優化設計的過程中，要針對其整體的布局結構和數量進行明確。如可以通過保持剪力墻剛度數值不變，樓梯間和電梯間數值不變以及適當減少內部剪力墻數目的方式來提升其穩定性。

5.3 二次優化設計

為了進一步對高層建筑剪力墻進行優化，需要在原來模型優化設計的基礎上，對剪力墻的結構設計和數目設計進行整體優化。在原來的模型之中，剪力墻結構的布置類型以及數量基本上都保持不變，僅僅針對標準層中的剪力墻結構厚度進行優化設計。如可以應用四個不同類型的模型來進行設計。在這四個模型下剪力墻的厚度數值如下：300 mm、250 mm、220 mm以及200 mm。在四個模型之中，其中厚度為250 mm的模型為原模型結構，根據計算分析結果可知，隨著剪力墻結構厚度的降低，其剪力墻的結構剛度數值也發生變化，二者呈現正相關關系。同時，在該模型下，施工過程中產生的能源消耗也在不斷下降。但是建筑物整體的結構性能以及抗震性能均符合施工要求。舉例來說，和原來的模型進行對比分析后發現，如果剪力墻的結構厚度為200 mm，其自身的碳排放數量較低。由此科技推斷出，通過科學減少剪力墻的厚度可以實現綠色施工的目標。此外，根據上述分析可知，通過對剪力墻結構體系以及整體的布置形式的優化，發現剪力墻依然存在一定的設計優化空間，因此可以對其開展二次優化工作。在進行二次優化的過程中，可以從剪力墻的結構厚度以及材料強度入手進行優化。具體的優化方法如下：

首先，根據工程設計方案規定的范圍，適當減少內部和周圍部分的前提，特別是縮減軸壓較低的墻體的厚度。如設計人員可以利用先進的SETWE 軟件進行建模來對墻體的厚度進行優化設計。

其次，通過對模型參數的優化設計，可以確保建筑物整體抗震性能符合施工要求。應用以上優化方法可以獲得模型三，在模型三之中，剪力墻的設計方式基本上和新模型一致，由于剪力墻結構的厚度以及對建筑的碳排量和性能的影響，一般采用200 mm的標準層剪力墻結構，因此，在試驗結果的基礎上，對不符合設計要求的墻體和連梁，應采用C30、C40、HPB335、HPB400加固。

最后，經過綜合分析后發現，通過對高層建筑剪力墻結構的布置方式和數目進行優化，至少可以減少3%左右的碳排放數量，如果只對剪力墻結構的厚度進行優化，即將其厚度數值從原來的250 mm，減少到200 mm，至少可以減少15%左右的碳排放數量。由此可以基本上得出，科學的優化設計方案可以有效減少工程項目施工過程中產生的碳排放數量。在針對高層建筑剪力墻結構進行設計的過程中，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，要根據施工設計要求和規范嚴格施工。

6 結束語

綜上所述，由于土地資源日益減少，以及社會對生態環境的重視，使得建筑發展更趨綠色，而剪力墻結構的優化設計在這一過程中起到了重要的作用。隨著時代的發展，為了保證結構的安全，需要在實際的綠色建筑工程中推廣使用強度高、重量輕的剪力墻。然而，在實際工程中，剪力墻仍有許多不足之處，有待于深入的研究和分析，以期對中國建筑業的發展起到促進作用。