关于绿色建筑的高层剪力墙结构优化设计

【摘要】针对绿色建筑理念下的高层建筑剪力墙结构设计，对其初步优化设计和二次优化设计进行深入分析，并提出相应的优化设计途径，以此为实际的高层建筑剪力墙结构设计与优化提供参考借鉴，使其满足绿色建筑建设标准，更好的推动绿色建筑理念的发展与完善。

【关键词】绿色建筑;高层建筑;剪力墙;结构优化设计

根据绿色建筑理念对高层建筑的剪力墙结构实施优化设计，其核心在于在符合建筑使用功能与结构体系抗震性能前提下，尽可能减少材料消耗，以此减少整个结构体系施工实际碳排量。对于高层建筑，其结构性能会受到很多因素的影响与控制，如周期及周期比、振型有效系数和顶点位移等。为高层建筑的剪力墙结构实施以绿色建筑理念为基础的优化设计，能使优化以后得到的方案充分体现出绿色环保性、安全性及经济合理性。

1、初步优化

在以绿色建筑理念为基础对高层建筑的剪力墙结构实施优化设计时，因设计涉及很多变量，而且不同设计变量和结构体系抗震性能与其施工中的碳排量保持十分复杂的相互关系，所以往往要通过反复调整才可以实现减少碳排量这一根本目标。基于此，对高层建筑的剪力墙结构而言，需在分析和校核的同时进行综合及优选[1]。

如前所述，对高层建筑中剪力墙结构实施数量及布置形式的优化设计以后，可以在满足各项规范要求的基础上，减少结构体系施工产生的碳排量，进而使结构体系达到绿色，提高其绿色度。根据绿色建筑理念对高层建筑剪力墙结构实施设计与优化时，需要先确定适宜的布置形式与数量，其方法为：使刚度变化部位、楼梯间和电梯间等处的剪力墙保持不变，对结构内部某些剪力墙实际长度进行适当减少，则对于带翼缘构造的剪力墙，对其翼缘长度进行适当增加，将剪力墙的墙肢设计成T字形或工字形（图1），另外为防止产生鞭梢效应，对顶层的电梯井应保留，不能予以削弱。

利用这一方法对原有的结构模型实施优化可以得到全新的模型，根据原模型和新模型中标准层接头体系实际平面布置情况，中部剪力墙无论是数量还是长度都明显减小，这样可以在保证建筑使用功能的基础上，使结构平面布置变得更为灵活。新模型与原模型比较，原模型每个楼层的墙肢长度都能减少12.6m，在优化设计前，原模型中每层墙肢的长度在147.05m左右，相较于优化之前，减少了8.6%左右[2]。新模型刚度比原模型略小，实际受到的地震力将有所减小，进而使结构整体受力性能与刚度均更为合理。在碳排量方面，新模型比原模型少2.8%左右。由此可见，优化效果比较明显，验证了先对剪力墙结构布置形式与数量实施优化设计的做法是合理可行的，可减少结构体系施工产生的碳排量，充分体现出方案的绿色环保性、结构安全性与经济合理性。

2、二次优化

通过对原模型的优化使其成为新模型的这一过程中，只对高层建筑中剪力墙结构实施了布置形式与数量上的优化。在原模型中剪力墙结构布置形式与数量都保持不变的基础上，对标准层中剪力墙结构厚度进行改变，采用四个模型来计算和分析，这四个模型的剪力墙结构厚度分别为300mm、250mm、220mm和200mm，在这四个模型当中，以厚度为250mm的模型作为原模型。根据计算结果可以看出，伴随剪力墙结构厚度不断减小，剪力墙结构刚度不断减小，施工产生的碳排量也随之减少，而且结构抗震性能依然可以满足规范提出的要求。比如，相较于原模型，剪力墙结构厚度为200mm的模型，其碳排量进一步减少。可见，适当减小墙厚能起到减少剪力墙结构施工产生的碳排量的作用[3]。

通过上述分析可以看出，完成对剪力墙结构体系具体布置形式及数量的优化以后，剪力墙依然有一定优化空间，因此应在新模型基础上实施二次优化，而对于二次优化的内容，以对剪力墙结构厚度和材料强度进行优化为主，具体方法为：基于规范确定的范围，减小内部与周边局部墙体，尤其是轴压比相对较小的墙肢的实际厚度，在这种情况下，采用SETWE软件进行建模计算能确定会导致局部墙肢实际轴压比超出限度及部分连梁超筋等设计问题。同时通过调节计算，确保结构体系抗震指标达到规范的要求。采用以上方法对新模型进行优化，可得到模型三。在模型三中，剪力墙布置形式和新模型基本相同，根据剪力墙结构厚度及其对结构施工产生的碳排量与性能造成的影响，其标准层剪力墙结构厚度以200mm为主，基于此，根据试算结果，对性能无法达到要求的墙肢与连梁应在材料方面予以加强，其中，混凝土材料的强度等级为C30和C40，受力筋为HPB400和HPB335。

3、优化设计途径

通过以上分析可以看出，只对剪力墙结构布置形式与数量实施优化，能减少2.8%左右的碳排量;若只对剪力墙结构厚度实施优化，即将剪力墙结构厚度从250mm优化到200mm后，能使碳排量的减少程度从9.5%增加至15.0%左右。可见，每完成一步优化，都能减少一次碳排量。在剪力墙结构设计过程中需要考虑很多影响因素，首先，应满足建筑基本使用功能要求，其次，应满足现行技术规范提出的所有性能要求[4]。由此可以看出，结构设计有很多不同的影响因素，实际工作十分繁琐，在这种情况下，为了给结构设计人员提供可靠参考，需要在绿色建筑理论基础上制定有效的高层建筑剪力墙结构优化设计途径，具体如下。

（1）以建筑专业提出的要求、技术规范要求和按照以往工程经验确定的剪力墙结构布置形式与数量为依据，构建专门用于结构数值分析的数学模型，将其用于结构的后续分析和计算，确定结构体系自身各项特性，包括内力特性、动力特性与变形特性。

（2）对高层建筑中剪力墙结构布置布置与数量实施初步的优化设计，对刚度变化部位、楼梯间和电梯间等处的剪力墙予以保留，而减少结构中某些剪力墙实际长度，对于带有翼缘结构的剪力墙，对其翼缘的长度进行适当增加，并将剪力墙的墙肢设计成T字形或工字形，另外为防止鞭梢效应的产生，应使顶层的电梯井保持不变。在完成初步优化以后，还要对结构施以深入的分析計算，以确定结构体系在初步优化完成后的各项使用性能[5]。

（3）对高层建筑剪力墙结构的厚度实施二次优化，以分析计算结果为依据，在规范允许的范围内对内部和周边某些剪力墙，尤其是轴压比相对较小的墙肢进行厚度调整。在完成这一优化设计后，同样要对结构施以深入的分析计算，以确定结构体系在初步优化完成后的各项使用性能[6]。

（4）完成以上二次优化设计后，针对可能导致局部墙肢实际轴压比超出允许限度与部分连梁超筋等设计问题的因素，可通过对钢筋与混凝土等的优化来达到规范提出的要求，并经过反复的调节计算，使结构体系各项技术指标都达到规范和设计的要求。

（5）完成以上优化设计后，对结构体系施工产生的碳排量进行计算，然后根据计算结果选定实际碳排量相对较小且结构性能满足要求的方案，将其作为较优方案。对于这一较优方案，实际上就是以绿色建筑理念为基础的高层建筑剪力墙结构体系优化设计得出的最佳方案。

结语：

综上所述，通过分析提出以绿色建筑理念为基础的高层建筑剪力墙结构体系优化设计思路和途径，以此为实际的高层建筑工程剪力墙结构体系设计，使其满足绿色建筑要求提供切实可行且有效的方法。

参考文献：

[1]赖从圣.绿色建筑的高层剪力墙结构优化设计[J].中国战略新兴产业，2017（40）：98.

[2]胡桦.绿色建筑的高层剪力墙结构优化设计[J].建材与装饰，2017（38）：55-56.

[3]袁振华.分析绿色建筑的高层剪力墙结构优化设计[J].建材与装饰，2016（20）：14-15.

[4]陆小军，周成.高层住宅剪力墙结构优化设计[J].江西建材，2015（01）：51.

[5]赵体栋，申纪伟.高层住宅剪力墙结构优化设计[J].山西建筑，2016（34）：45-46.

[6]赵忠营.浅论高层住宅剪力墙结构优化设计[J].中国新技术新产品，2018（05）：55-56.

作者简介：

魏亚平（1981.12-），男，本科，工程师，主要从事建筑结构设计工作。