裝配式建筑結構設計中的剪力墻結構設計研究

文／馮東方 廣州地鐵設計研究院股份有限公司 廣東廣州 510010

引言：

建筑設計人員只有實現了因地制宜的剪力墻體系結構創新完善設計，才能確保展現出裝配式剪力墻的良好承重性能，對于建筑體系框架的設計實踐資源進行了科學的優化配置利用。由此可見，優化設計剪力墻的裝配式建筑墻體結構必須要建立在建筑立體結構模型的保障基礎上，采取實時性的墻體設計參數改進調整措施。

1.什么是剪力墻結構

在建筑體系結構的設計實踐工作中，建筑剪力墻的基本特征在于支撐建筑整體的框架結構組成部分，剪力墻的基本組成材料應當包含鋼混墻板與其他的裝配式構件。與梁體柱體組合形式的傳統建筑體系結構設計形式相比，建筑剪力墻更加能夠達到較小的墻體厚度與體積特征，顯著節約了裝配式的建筑設計布局空間資源。并且，建筑剪力墻整體上呈現更加優良的抗側性能指標，對于墻體表面部位的結構剛度予以合理的優化設計控制。剪力墻的建筑支撐體系由于外力因素的水平荷載影響，那么墻體原有的結構體系將會表現為某種幅度的彎曲性能改變。但是與此同時，建筑剪力墻本身具備更加良好的抗彎折性能參數，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，而不會損害到建筑原有的體系結構。

2.剪力墻結構設計的原則和優勢分析

2.1 原則

對于建筑剪力墻的組合設計實施過程而言，優化剪力墻結構的基本設計原則應當落實于合理選擇剪力墻的體系結構材料，并且還要準確計算剪力墻的各項結構參數指標[1]。建筑墻體的工程設計人員應當采取立體化的建筑構造模型，通過模擬得到剪力墻的完善設計方案。在目前的現狀下，合理改進剪力墻的裝配式墻體構造設計就是要集中落實與框架設計的技術人員協同，確保經過合理改進設計后的剪力墻能夠符合現行的抗震指標設計要求。剪力墻應當能夠防止表現為坍塌與裂縫的工程安全事故，重視剪力墻的抗風性能與抗震性能全面優化。

2.2 優勢

建筑剪力墻屬于特殊的建筑支撐墻體構造形式，剪力墻在目前階段的建筑結構優化設計中顯著的工程設計優勢。這是由于，建筑剪力墻的墻體結構能夠實現傳統墻體組合設計的空間體積縮小，在協同設計的技術支撐前提下，能夠確保組合設計后的墻體強度與剛度達到最基本的設計方案要求。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構也不會存在塌陷的安全事故風險。剪力墻的框架體系設計對于現階段的工程設計實踐資源進行了集約化的利用，有效防止了建筑設計的工程資源浪費后果。

3.裝配式建筑結構設計中的剪力墻結構設計要點分析

3.1 設定標準參數，確定符合裝配式建筑的設計要求

剪力墻在建筑整體結構中的布局設計位置必須得到因地制宜的優化，通過設定剪力墻的工程標準參數來實現建筑墻體的功能改進目標[2]。裝配式的建筑設計基本實踐思路應當體現在符合現行法規的技術規范指標，合理布置雙向式的裝配式剪力墻。設定標準的剪力墻體系設計參數，應當側重于裝配式建筑的獨特設計要求，并且還要切實維護裝配式建筑的業主安全利益。

圖1 建筑剪力墻的BIM 設計模型

3.2 調整系數，做好最大位移與層高比的調整

剪力墻的層高比與最大位移限度都屬于非常關鍵的墻體設計參數，那么決定了剪力墻的工程設計人員應當采取實時性的調整優化技術手段來提升剪力墻的整體荷載性能。剪力墻在最大限度內的層高比與位移參數應當得到因地制宜的改變，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換層與上層之間的剛度比系數設計：

表1 建筑剪力墻的轉換層與上層的剛度比例系數設計

3.3 合理布置剪力墻，把控剪力墻間距

剪力墻的各個結構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度才會獲得必要的提高[4]。具體針對于剪力墻的各個層次間隔距離在實施完善設計的過程中，應當致力于避免設計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導致剪力墻失去應有的支撐強度，而過于密集的墻體布局設計方案將會明顯增加剪力墻的設計資源消耗，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現必要的方案完善設計。

圖2 建筑剪力墻的框架體系結構

3.4 充分考慮連梁的超限調節，保證施工穩固性

剪力墻主要布置于高層的建筑體系結構，剪力墻如果明顯超出了預設的抗剪結構強度以及彎矩參數指標，那么墻體發生裂縫的安全隱患就會呈現增加的特征。按照目前現行的墻體設計技術指標規范，通常應當保證達到2.5 以上的連梁跨高比例參數。技術人員目前需要重點針對于剪力墻的連接墻體部位進行因地制宜的跨度與高度比例優化設計，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計長度調節控制措施之外，建筑設計人員還需側重于框架體系的耐熱性能與耐腐蝕性能優化設計。裝配式的建筑剪力墻結構目前已經展現出多個層面的設計實踐優勢，但是與此同時，裝配式的低層剪力墻結構由于存在較差的材料耐腐蝕性能與耐熱性能，那么就會容易造成民用建筑的框架體系發生較為明顯的腐蝕損壞。近些年以來，工程建筑領域的專業技術人員正在致力于積極探索民用建筑中的裝配式剪力墻結構完善優化方案，通過增設剪力墻結構的外部防腐涂層、增加防火建筑材料以及啟用智能化的建筑火情報警系統等方式來保障剪力墻結構的建筑使用安全，有效防范了建筑火災以及建筑結構腐蝕導致的不良影響。

3.5 剪力墻的肢體與柱形進行模型模擬與優化設計

模擬優化設計的重要實踐方法目前主要采用于剪力墻的肢體與柱體結構設計，墻體設計的工程技術人員必須要構建立體化的墻體結構模型，據此實現了針對墻體彎折程度以及其他參數指標的直觀設計效果。剪力墻的結構模擬設計不僅體現在優化肢體與柱體的結構方案設計，并且還需合理進行墻體裝飾涂料的選取。針對剪力墻結構的外部防腐涂層應當選取合理的防腐設計材料，從而實現了對于剪力墻結構整體使用期限的顯著延長。

圖3 剪力墻的結構模型圖

工程技術人員通過采取涂裝耐候鋼的特殊建筑材料，那么對于民用建筑設計的鋼材消耗數目實現了合理的控制降低，同時促進了剪力墻結構的整體使用壽命顯著延長。具體針對于裝配式剪力墻結構的建筑設計方案在全面落實前提下，大型工程建筑的設計技術人員需要做到合理采用建筑裝配式結構的創新設計方法，并且應當做到綜合考慮裝配式建筑物的空間分配布局、環保節能效益、建筑抗震性能等因素，采取因地制宜的建筑設計工藝優化方案。未來在大型建筑的工程技術完善發展趨勢下，建筑工程的技術人員還需要側重于改造現有的剪力墻結構設計實現方案。

具體在計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定為v，將垂直穿過水平接縫鋼筋的抗拉強度設計為f，將垂直穿過水平接縫鋼筋的橫截面積總和設計為a，將軸向壓力設計為N。在此前提下，可得剪力墻的滑移驗算公式為：V=0.6＊f＊a+0.8N。

圖4 混凝土剪力墻的結構應變模型

3.6 墻體配筋以及邊緣構件等材料的有效控制

建筑剪力墻的邊緣部位構件材料需要保證達到應有的堅固性能要求，確保采取合格的墻體配筋工藝材料來促進剪力墻的荷載性能提高。工程設計人員需要做到重點檢測剪力墻的邊緣構件材料強度，合理分配與安排剪力墻的配筋所在位置。剪力墻的邊緣結構件與墻體配筋的結構材料都需要確保達到良好的綠色環保特性指標，采取焊接組裝的設計工藝手段來杜絕剪力墻的工程設計污染。裝配式的建筑剪力墻結構能夠實現節能綠色的建筑設計優勢，根源主要在于裝配式的建筑體系結構設計依靠于焊接組裝工藝，有效防止了建筑固廢污染、大氣生態污染與噪聲污染的產生。剪力墻結構的工程建筑材料體現為環保清潔的明顯技術優勢，能夠防止存在水泥、混凝土與砂石的建筑固廢污染。裝配式的建筑設計優化方案總體上能夠達到超出30%左右的建筑材料節約目標，避免在組裝、使用與拆除民用建筑的全過程中導致建筑能耗與建筑污染后果。裝配式的建筑剪力墻結構本身具有較高的工業化程度，能夠優化民用建筑物的抗震性能，適合進行靈活的建筑空間分配布局。

4.剪力墻結構設計水平提升的對策

4.1 提高裝備，創新設計理念，落實剪力墻結構設計科學性

剪力墻的結構完善程度主要決定于墻體設計的方案科學性，那么現階段的剪力墻框架體系設計模式應當確保吻合創新設計的理念宗旨，積極促進剪力墻的裝配設計綜合水平提高[5]。提升剪力墻的設計科學性，關鍵應當落實于改善現有的墻體設計結構，科學分配與使用現有的墻體設計材料資源。建筑墻體節能的創新設計工藝應當普遍采用于建筑剪力墻的優化完善設計，確保實現了針對建筑墻體現有設計資源的節約利用，也降低了建筑墻體的總體設計成本。針對于高層建筑物的剪力墻體系結構在實施科學的改善設計時，應當確保采取優質的墻體建筑材料，從而保證了建筑剪力墻的墻體結構材料達到最佳的堅固安全性能。建筑剪力墻的裝飾設計材料必須具備優良的環保性能要求，避免采取具有毒害性的墻體裝飾結構材料。對于高層建筑物的外墻結構可以通過種植綠色植被的方式來進行墻體覆蓋設計，全面美化建筑墻體的直觀設計效果，降低了建筑墻體結構設計的資源成本投入。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，建筑物的剪力墻設計人員需要全面把控建筑墻體的各項設計要素，采取綜合性的設計實踐措施。

4.2 深入分析，強化研究力度，實現剪力墻結構設計水平提升

現階段的建筑設計人員應當側重于剪力墻的設計研究力度提高，通過深入實施剪力墻的設計技術改進來提升剪力墻的整體穩固程度。促進剪力墻的結構設計實踐水平提高，應當注重于綠色設計工藝的手段方法采取。建筑剪力墻設計的工程技術人員不僅需要全面考慮到環保建材以及綠色工藝方法的采取，并且還應當準確排查現有的建筑安全隱患。建筑設計的各個領域專業人員應當形成密切的信息溝通機制，確保從全方位的設計實踐角度入手來提升建筑整體品質。對于建筑隱蔽空間的工程質量隱患必須進行及時的查找，采取建筑信息化的建模設計技術方案來整改目前存在的建筑設計隱患。建筑設計資源應當得到最為科學的采用，通過實現資源優化配置組合的實踐技術方案，才能提升建筑設計的綜合質量效益。設計人員對于高層建筑物的具體朝向應當進行必要的整改，從而保證了建筑采光的自然能源得到更大程度的優化利用。建筑設計的工程技術人員對于建筑剪力墻的設計資源需要進行合理的配置利用，凸顯建筑節能設計與可持續設計的基本實踐思路。建筑節能與綠色設計的重要保障前提就是建筑質量必須得到全方位的檢測，建筑質量的工程監管措施應當置于綠色環保設計的核心地位。

4.3 提升專業素養，應用先進技術，促進裝配式建筑設計發展

裝配式的建筑體系結構目前亟待獲得必要的創新優化調整，全面促進建筑設計的技術人員業務素養提高。采取更加先進與科學的剪力墻創新設計工藝，節約利用剪力墻的建筑設計空間資源[6]。促進裝配式的剪力墻設計工藝實現全面的轉型發展，應當落實于自動化的墻體設計建模技術完善。可視化的剪力墻建模平臺系統能夠全面支撐實現動態化的建模設計目標，有效確保了建模設計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量效果。

結語：

經過分析可見，裝配式的剪力墻工程體系結構主要涉及到墻體框架的整體設計方案、柱體結構設計與墻體配筋的比例參數設計等，以上各個剪力墻設計的關鍵結構參數都要得到相應的調整完善。近些年以來，裝配式的工程建筑設計人員能夠正確采取智能化的墻體模型設計實現思路，深入研發得到剪力墻的優化設計方案。在此基礎上，目前針對于建筑剪力墻的結構體系設計應當側重于各個層面的建筑指標優化，切實防范與杜絕剪力墻體系構架的工程安全隱患。