剪力墻結構住宅優化設計

文/陳海鵬 北京市建筑設計研究院有限公司 北京 100045

1、前言

剪力墻結構以剛度大、整體性好、用鋼量省及便于分割等優點，備受設計者的青睞。開發商在住宅項目的開發中，房屋的單位面積用鋼量大小是影響土建造價的決定性因素，最終直接影響經濟效益。設計人員在保證設計成果符合結構安全、規范的前提下，做到單位面積鋼筋量處于一個合理水平，不僅是設計者的職責，也是衡量設計單位技術水平和市場競爭力高低的重要標志。

2、方案設計

方案設計是一個工程設計開始，同時也是工程造價的決定性階段。在同一標準的情況下，不同的戶型會產生不同的造價；即使看起來相似的戶型，不同的方案設計，工程造價也會產生很大的差別。

2.1 建筑方案平面設計

在進行方案平面戶型設計時，設計師應充分考慮建筑的功能、業主的要求和外形美觀外，同時將結構概念設計融入到方案設計，這是一個重要環節。方案設計師根據結構概念理解，在方案設計中充分考慮結構的合理性，減少一些復雜的造型、立面設計，充分與甲方溝通，做成一個結構合理、造型簡潔、美觀的建筑，這樣就能得到業主的好評，也能節省工程造價。

在方案設計中，不同的平面設計會產生不用的戶型布置，將涉及到墻的位置、梁布置的位置，會產生不同工程造價。方案設計過程中，在滿足使用功能下，盡量將戶型做的簡單、規則、對稱和減小偏心，這樣可以使剪力墻布置合理，使用較少的梁將整個房間分割幾個規則的板塊，減少暗柱的數量，從而節省用鋼量，減少造價。

2.2 建筑方案的豎向設計

方案設計中，豎向設計也是一項節省工程造價重要因素。規范中要求豎向體型宜規則、均勻，避免有過大的外挑和收進；結構側向剛度宜下大上小，逐漸均勻變化。建筑物的豎向布置規則性和均勻性，對結構的指標影響極大。若豎向不規則出現過大的外挑，出現薄弱層將會增加某些構件的抗震等級，進行內力放大，增大用鋼量；過多的不規則有時候還要進行超限審查，將會增加工程的難度和工程造價。反之，規則且豎向比較均勻的建筑，用鋼量少，造價少。

3、剪力墻設計

方案設計完成后，進入施工圖階段，剪力墻選擇、布置方式及布置位置成為節約用鋼量的重要環節。

3.1 剪力墻選擇

一般來說，剪力墻的布置位置和布置形式由建筑的平面形狀和建筑的高度所決定。層數較少的高層住宅建筑可以采用短肢剪力墻結構體系。對于層數較少的住宅建筑若采用傳統的現澆剪力墻結構，由于各墻肢的實際軸壓一般會比計算值偏小，墻體又多為構造配筋，就會導致墻體的承載力不能充分發揮出來。而采用短肢剪力墻結構，就可以很好地解決上述問題。在7度區，層數較少的高層住宅建筑采用短肢剪力墻結構,可以將結構頂點位移、周期、水平地震剪力等控制在合理范圍以內。合理采用短肢墻可以將部分混凝土墻用磚墻替換，減輕墻體自重，降低結構剛度，因此，其地震反應降低了，工程費用也隨之降低，另外還加大了結構的延性，提高結構的抗震性。

3.2 剪力墻布置

剪力墻結構中全部水平力和豎向力都是由剪力墻承擔，根據規范要求首先應將剪力墻均勻布置在建筑物的周邊、樓梯間、電梯間、平面形狀變化和豎向荷載較大等部位；平面形狀凹凸較大時，宜在凸出部分的端部附近布置剪力墻。在抗震結構中，還應避免單方向有墻的情況，并應使兩個方向的側向剛度相近，即兩個方向的自振周期相近。剪力墻布置要形狀簡單，盡量布置成L型。

剪力墻上面的門窗、洞口應各層對齊，形成明確的墻肢和連梁，在計算過程中使模型簡單、明確，計算簡單和傳力明確。在抗震設計中，如剪力墻出現上下不對齊洞口的剪力墻，形成錯位剪力墻，不僅使墻肢不規則，傳力方式不明確，而且在洞口錯層部位會形成薄弱環節，對抗震尤為不利。

剪力墻結構設計中，建筑主要受力構件剪力墻應沿建筑通高布置，不宜出現較大的剛度突變。控制剪力墻平面外的彎矩，在剪力墻平外面搭設梁時，應采取增設沿軸線方向的平面外墻肢或者扶壁柱，減小平面外產生的彎矩對墻肢不利影響。對于受力較小的梁可以采取鉸接的方式釋放掉彎矩，減小影響。

在高層剪力墻結構中，剪力墻的鋼筋量的大小與暗柱的比例成正比，暗柱的數量、暗柱的形狀就成為節省造價的關鍵因素。在剪力墻設計時，要充分考慮到暗柱的布置形式，盡量使暗柱規則、上下對齊。

4、設計細節

在完成方案設計和剪力墻設計后，主要用鋼量已經定下來，在后續的計算過程中，節約的數量不會太大，但通過細節設計也可以節約一些。

4.1 模型的精度控制

模型的精度控制只要體現在兩個方面：一個是荷載的取值，這個要求我們設計人員在前期模型根據建筑條件的不同情況選取不同的荷載值，例如我們在輸入梁間荷載時，應根據窗洞的大小輸入不同的荷載數值。在一個就是模型計算結果的精度控制，根據上面結構的布置合理的布置層間位移角、位移比及軸壓比等參數，使他們在滿足規范的前提下，控制在一個合理的范圍內，如我們在做高層剪力墻住宅時控制層間位移角在滿足規范1/1000的前提下，調整上部剪力墻的布置形式和墻肢長短調整層間位移角在1/1100左右。

4.2 鋼筋的歸并

在計算模型調整完成之后，在施工圖繪制時，歸并鋼筋成為節約用鋼量的下一個因素。鋼筋歸并主要體現在豎向，在進行梁柱歸并時，應該根據豎向的梁、柱的配筋差距大小，合理的分層進行配筋；在畫施工圖過程中，合理控制實際配筋和計算配筋值的大小，使配筋結果更合理、更經濟。

4.3 規范中構造鋼筋的配置

高層剪力墻結構構造配筋，根據規范的要求合理的使用最小值。如板的配筋，我們一般根據混凝土結構設計規范8.5節受彎構件0.2%的最小配筋率進行配筋，但有時候為了節省鋼筋，我們也可以按著注示里面的第二條進行配筋[2]。

板混凝土標號取C25，鋼筋等級為三級，板厚為100mm的板底構造鋼筋最小配筋率：，則取，可以采用6/8@200滿足規范要求。

板混凝土標號取C30，鋼筋等級為三級，板厚為100mm的板底構造鋼筋最小配筋率：，配筋為6/8@200滿足規范要求，比用8@200節約了22%。，則取

5、設計實例

河北某11層剪力墻結構，板的混凝土等級為C30，墻混土等級C30，墻抗震等級為三級，建筑面積為6666.94平方米。因方案設計已經完成，不能進行優化；經上述方式對墻和板配筋優化后為表5-1，節省3.2 kg/m2，達到優化設計的要求，節約工程造價。

表5-1 優化前工程鋼筋量

結論：

在設計高層住宅剪力墻結構中，在保證結構安全的前提下，將建筑外觀簡潔、美觀等優點充分發揮出來的前提下，做到最大降低工程造價，是每個設計人員應該重視的前提。本文從方案布置中水平設計和豎向設計、剪力墻選擇、剪力墻設計及細節設計等三個方面對如何進行優化，節省用鋼量做出分析，希望能得到同行中的其他設計人員指點和借鑒。