剪力墙结构的优化设计研究

吴 俊

（武汉袁培煌建筑设计事务所，湖北 武汉 430062）

随着我国经济的发展和建筑设计的多样化，建筑结构很复杂，越来越多的高层建筑工程、高层建筑结构中，由于大尺寸施工技术要求相对较高，其结构设计是非常重要的在整个设计系统中，不同的结构方案的选择，直接关系到建筑平面布局、立面形状，施工技术要求及投资成本。因此，应根据项目的实际情况，对方案进行有针对性的优化和改进，合理选择优化思路和方案。

1 剪力墙结构概念设计

高层建筑抗震设计中，由于其结构的复杂性和地震作用时的地震地面运动的不确定性，材料特性和结构差异和其他不可预见的因素，导致高层结构计算分析的简化模型(软件)可能与实际效果有一定的差距，因此，在设计，虽然计算分析是不可避免的，也是设计的重要基础，但这往往不能满足结构设计安全、可靠的要求，还必须十分重视概念设计。概念设计是基于大量的事故分析、多年来国内外地震破坏分析、定量和定性分析的仿真实验，以及分析、归纳和总结国内外长期设计和使用经验。这些原则、规则和方法往往是根本性的、整体性的、全球性的和关键性的。概念设计要求建筑师和结构工程师的建筑设计应注意规则和条例的规定有关结构概念设计，设计师不能简单地由软件计算陷阱，如果严重不规则结构，总体性能差，只根据软件设计，难以保证结构的抗震性能，结构设计人员应根据自己的经验和知识，从宏观调控方案、结构加固措施等方面，了解结构损伤的机理和过程，根据不同结构体系的特点，加强结构关键部位和薄弱环节，提高结构整体性能。地震破坏是指简单对称的建筑物在地震中受到破坏的可能性较小，地震反应容易估计。因此，合理的建筑物形状、布置和抗震结构措施在抗震设计中具有十分重要的意义。

2 高层建筑剪力墙结构设计需要遵循的原则

2.1 坚持诚信原则

高层建筑剪力墙结构设计时，应从整体的角度考虑剪力墙的具体位置和高度。一般来说，剪力墙垂直高度的设计应使其高于或等于建筑的总高度，如果发生了变化在纵向方向的剪力墙，对剪力墙厚度和类型的需要，混凝土等级等等各个方面的调整，这样你可以合理地减少墙肢，改善整个墙的横向强度，避免因应力集中问题引起的楼板刚度变化。

2.2 控制了剪力墙的外弯矩

在高层建筑剪力墙结构设计中，有效控制剪力墙的外弯矩是十分必要的，因为控制剪力墙的外弯矩可以提高建筑整体结构稳定性的保证。在控制剪力墙外弯矩时，可以通过增加壁柱和竖向墙肢来控制。同时，对于截面面积较小的楼板梁，可以采用铰接或半刚性连接的方法来控制墙肢的外弯矩。

2.3 短剪力墙结构不能完全采用

高层建筑结构设计应合理采用短剪力墙结构。由于这种结构不能很好地抵抗水平压力，不适合高层建筑的设计。如果需要大量这样的结构，则需要更多的圆柱体来提高剪力墙的整体刚度。

3 剪力墙结构优化设计过程分析

3.1 优化基本设计方案

基础方案在剪力墙结构设计中起着至关重要的作用。因此，相关设计人员在设计基本方案时，尤其要对可能出现的质量问题进行预防和处理，进行全面的调查、分析和研究。在基础方案设计过程中，需要调查的项目较多，其中主要调查的项目包括施工区域的水文条件和地质条件。同时，应规范科学合理的设计技术标准，并对工程施工前后的布置进行现场勘察，以便设计出具有较高可行性、安全性的基本方案。

3.2 合理配置剪力墙加筋暗柱

现阶段，我国应根据国家相关法律和行业相关规定，合理设置一级剪力墙、二级剪力墙和三级剪力墙的加固部位，设置适当数量的暗柱和端柱。该措施不仅可以进一步提高当今社会对建筑抗震性能的要求，而且可以有效提高建筑在施工过程中的安全性和稳定性。此外，设置合理的黑暗中剪力墙边缘构件，如列，列可以有效地减少地震的地震波能量结构的稳定性，同时边缘的影响，由于其成分有较强的抗拉能力，所以也将进一步加强其他适当结构的整体稳定性，提高整体建筑物的抗震性能。

3.3 科学控制剪力墙的数量

剪力墙在建筑结构设计中，它的主要目的是建立能更好地承受风荷载和地震水平荷载的过程，但根据长期施工经验，建立了太多的建筑结构的剪力墙，效果不是很好，所以要控制建筑的剪力墙结构。在施工过程中，为了有效减轻建筑结构的重量，有效提高其抗震效果，应尽可能控制剪力墙的数量。一般情况下，剪力墙在施工期间，其布置原则是对称均匀的，其数量根据施工的总体情况而定，数量合适。基于上述结果，多目标算法和结构和组件控制指数脚本嵌入到优化平台，多目标优化，约束条件和设计变量集。经过几次迭代的优化算法，优化结果替换回配筋计算和比较传统的设计软件，并将相关优化结果作为最终的剪力墙构型。该方法实际上属于一定约束下的结构拟拓扑优化。

4 结语

综上所述，随着我国经济社会的发展，城市人口密度不断增加，而新土地的日益短缺，高层建筑的发展已成为历史的必然和时代的趋势。据有关统计，我国高层建筑80%为住宅建筑，其中钢筋混凝土剪力墙结构所占比例在90%以上。因此，对剪力墙结构体系的优化，如剪力墙的数量、布置和大小的优化工作，即剪力墙布置多少，以及在什么位置上最大限度地发挥剪力墙的作用，这些都应作为当前关注的重点。数据表明，优化后的结构设计方案成本一般比传统的[2]设计方案低5% ～30%。因此，研究高层剪力墙结构体系的结构优化设计，可以使资源更加合理优化配置，具有良好的社会经济效益。