装配式建筑结构设计中的剪力墙结构设计研究

文／冯东方 广州地铁设计研究院股份有限公司 广东广州 510010

引言：

建筑设计人员只有实现了因地制宜的剪力墙体系结构创新完善设计，才能确保展现出装配式剪力墙的良好承重性能，对于建筑体系框架的设计实践资源进行了科学的优化配置利用。由此可见，优化设计剪力墙的装配式建筑墙体结构必须要建立在建筑立体结构模型的保障基础上，采取实时性的墙体设计参数改进调整措施。

1.什么是剪力墙结构

在建筑体系结构的设计实践工作中，建筑剪力墙的基本特征在于支撑建筑整体的框架结构组成部分，剪力墙的基本组成材料应当包含钢混墙板与其他的装配式构件。与梁体柱体组合形式的传统建筑体系结构设计形式相比，建筑剪力墙更加能够达到较小的墙体厚度与体积特征，显著节约了装配式的建筑设计布局空间资源。并且，建筑剪力墙整体上呈现更加优良的抗侧性能指标，对于墙体表面部位的结构刚度予以合理的优化设计控制。剪力墙的建筑支撑体系由于外力因素的水平荷载影响，那么墙体原有的结构体系将会表现为某种幅度的弯曲性能改变。但是与此同时，建筑剪力墙本身具备更加良好的抗弯折性能参数，从而决定了剪力墙能够承受住更大比例的外界压力荷载作用，而不会损害到建筑原有的体系结构。

2.剪力墙结构设计的原则和优势分析

2.1 原则

对于建筑剪力墙的组合设计实施过程而言，优化剪力墙结构的基本设计原则应当落实于合理选择剪力墙的体系结构材料，并且还要准确计算剪力墙的各项结构参数指标[1]。建筑墙体的工程设计人员应当采取立体化的建筑构造模型，通过模拟得到剪力墙的完善设计方案。在目前的现状下，合理改进剪力墙的装配式墙体构造设计就是要集中落实与框架设计的技术人员协同，确保经过合理改进设计后的剪力墙能够符合现行的抗震指标设计要求。剪力墙应当能够防止表现为坍塌与裂缝的工程安全事故，重视剪力墙的抗风性能与抗震性能全面优化。

2.2 优势

建筑剪力墙属于特殊的建筑支撑墙体构造形式，剪力墙在目前阶段的建筑结构优化设计中显著的工程设计优势。这是由于，建筑剪力墙的墙体结构能够实现传统墙体组合设计的空间体积缩小，在协同设计的技术支撑前提下，能够确保组合设计后的墙体强度与刚度达到最基本的设计方案要求。即便在外界荷载压力明显增加的情况下，剪力墙的框架支撑结构也不会存在塌陷的安全事故风险。剪力墙的框架体系设计对于现阶段的工程设计实践资源进行了集约化的利用，有效防止了建筑设计的工程资源浪费后果。

3.装配式建筑结构设计中的剪力墙结构设计要点分析

3.1 设定标准参数，确定符合装配式建筑的设计要求

剪力墙在建筑整体结构中的布局设计位置必须得到因地制宜的优化，通过设定剪力墙的工程标准参数来实现建筑墙体的功能改进目标[2]。装配式的建筑设计基本实践思路应当体现在符合现行法规的技术规范指标，合理布置双向式的装配式剪力墙。设定标准的剪力墙体系设计参数，应当侧重于装配式建筑的独特设计要求，并且还要切实维护装配式建筑的业主安全利益。

图1 建筑剪力墙的BIM 设计模型

3.2 调整系数，做好最大位移与层高比的调整

剪力墙的层高比与最大位移限度都属于非常关键的墙体设计参数，那么决定了剪力墙的工程设计人员应当采取实时性的调整优化技术手段来提升剪力墙的整体荷载性能。剪力墙在最大限度内的层高比与位移参数应当得到因地制宜的改变，避免存在剪力墙的层次高度布局误差缺陷[3]。

下表为建筑剪力墙的转换层与上层之间的刚度比系数设计：

表1 建筑剪力墙的转换层与上层的刚度比例系数设计

3.3 合理布置剪力墙，把控剪力墙间距

剪力墙的各个结构层次间隔距离只有得到了精确的限定，那么剪力墙的整体荷载强度才会获得必要的提高[4]。具体针对于剪力墙的各个层次间隔距离在实施完善设计的过程中，应当致力于避免设计过大或者过小的墙体间隔距离。这是由于，过大的墙体间隔距离将会导致剪力墙失去应有的支撑强度，而过于密集的墙体布局设计方案将会明显增加剪力墙的设计资源消耗，因此必须要综合考虑到剪力墙的轴线方向以及轴线所在位置来实现必要的方案完善设计。

图2 建筑剪力墙的框架体系结构

3.4 充分考虑连梁的超限调节，保证施工稳固性

剪力墙主要布置于高层的建筑体系结构，剪力墙如果明显超出了预设的抗剪结构强度以及弯矩参数指标，那么墙体发生裂缝的安全隐患就会呈现增加的特征。按照目前现行的墙体设计技术指标规范，通常应当保证达到2.5 以上的连梁跨高比例参数。技术人员目前需要重点针对于剪力墙的连接墙体部位进行因地制宜的跨度与高度比例优化设计，避免存在墙体抗剪程度的削弱后果。除了剪力墙的连接梁设计长度调节控制措施之外，建筑设计人员还需侧重于框架体系的耐热性能与耐腐蚀性能优化设计。装配式的建筑剪力墙结构目前已经展现出多个层面的设计实践优势，但是与此同时，装配式的低层剪力墙结构由于存在较差的材料耐腐蚀性能与耐热性能，那么就会容易造成民用建筑的框架体系发生较为明显的腐蚀损坏。近些年以来，工程建筑领域的专业技术人员正在致力于积极探索民用建筑中的装配式剪力墙结构完善优化方案，通过增设剪力墙结构的外部防腐涂层、增加防火建筑材料以及启用智能化的建筑火情报警系统等方式来保障剪力墙结构的建筑使用安全，有效防范了建筑火灾以及建筑结构腐蚀导致的不良影响。

3.5 剪力墙的肢体与柱形进行模型模拟与优化设计

模拟优化设计的重要实践方法目前主要采用于剪力墙的肢体与柱体结构设计，墙体设计的工程技术人员必须要构建立体化的墙体结构模型，据此实现了针对墙体弯折程度以及其他参数指标的直观设计效果。剪力墙的结构模拟设计不仅体现在优化肢体与柱体的结构方案设计，并且还需合理进行墙体装饰涂料的选取。针对剪力墙结构的外部防腐涂层应当选取合理的防腐设计材料，从而实现了对于剪力墙结构整体使用期限的显著延长。

图3 剪力墙的结构模型图

工程技术人员通过采取涂装耐候钢的特殊建筑材料，那么对于民用建筑设计的钢材消耗数目实现了合理的控制降低，同时促进了剪力墙结构的整体使用寿命显著延长。具体针对于装配式剪力墙结构的建筑设计方案在全面落实前提下，大型工程建筑的设计技术人员需要做到合理采用建筑装配式结构的创新设计方法，并且应当做到综合考虑装配式建筑物的空间分配布局、环保节能效益、建筑抗震性能等因素，采取因地制宜的建筑设计工艺优化方案。未来在大型建筑的工程技术完善发展趋势下，建筑工程的技术人员还需要侧重于改造现有的剪力墙结构设计实现方案。

具体在计算剪力墙的水平抗滑移性能过程中，主要将水平接缝部位的抗剪承载力设定为v，将垂直穿过水平接缝钢筋的抗拉强度设计为f，将垂直穿过水平接缝钢筋的横截面积总和设计为a，将轴向压力设计为N。在此前提下，可得剪力墙的滑移验算公式为：V=0.6＊f＊a+0.8N。

图4 混凝土剪力墙的结构应变模型

3.6 墙体配筋以及边缘构件等材料的有效控制

建筑剪力墙的边缘部位构件材料需要保证达到应有的坚固性能要求，确保采取合格的墙体配筋工艺材料来促进剪力墙的荷载性能提高。工程设计人员需要做到重点检测剪力墙的边缘构件材料强度，合理分配与安排剪力墙的配筋所在位置。剪力墙的边缘结构件与墙体配筋的结构材料都需要确保达到良好的绿色环保特性指标，采取焊接组装的设计工艺手段来杜绝剪力墙的工程设计污染。装配式的建筑剪力墙结构能够实现节能绿色的建筑设计优势，根源主要在于装配式的建筑体系结构设计依靠于焊接组装工艺，有效防止了建筑固废污染、大气生态污染与噪声污染的产生。剪力墙结构的工程建筑材料体现为环保清洁的明显技术优势，能够防止存在水泥、混凝土与砂石的建筑固废污染。装配式的建筑设计优化方案总体上能够达到超出30%左右的建筑材料节约目标，避免在组装、使用与拆除民用建筑的全过程中导致建筑能耗与建筑污染后果。装配式的建筑剪力墙结构本身具有较高的工业化程度，能够优化民用建筑物的抗震性能，适合进行灵活的建筑空间分配布局。

4.剪力墙结构设计水平提升的对策

4.1 提高装备，创新设计理念，落实剪力墙结构设计科学性

剪力墙的结构完善程度主要决定于墙体设计的方案科学性，那么现阶段的剪力墙框架体系设计模式应当确保吻合创新设计的理念宗旨，积极促进剪力墙的装配设计综合水平提高[5]。提升剪力墙的设计科学性，关键应当落实于改善现有的墙体设计结构，科学分配与使用现有的墙体设计材料资源。建筑墙体节能的创新设计工艺应当普遍采用于建筑剪力墙的优化完善设计，确保实现了针对建筑墙体现有设计资源的节约利用，也降低了建筑墙体的总体设计成本。针对于高层建筑物的剪力墙体系结构在实施科学的改善设计时，应当确保采取优质的墙体建筑材料，从而保证了建筑剪力墙的墙体结构材料达到最佳的坚固安全性能。建筑剪力墙的装饰设计材料必须具备优良的环保性能要求，避免采取具有毒害性的墙体装饰结构材料。对于高层建筑物的外墙结构可以通过种植绿色植被的方式来进行墙体覆盖设计，全面美化建筑墙体的直观设计效果，降低了建筑墙体结构设计的资源成本投入。建筑剪力墙必须保证具备良好的墙体保温性能、承重性能与隔热性能，建筑物的剪力墙设计人员需要全面把控建筑墙体的各项设计要素，采取综合性的设计实践措施。

4.2 深入分析，强化研究力度，实现剪力墙结构设计水平提升

现阶段的建筑设计人员应当侧重于剪力墙的设计研究力度提高，通过深入实施剪力墙的设计技术改进来提升剪力墙的整体稳固程度。促进剪力墙的结构设计实践水平提高，应当注重于绿色设计工艺的手段方法采取。建筑剪力墙设计的工程技术人员不仅需要全面考虑到环保建材以及绿色工艺方法的采取，并且还应当准确排查现有的建筑安全隐患。建筑设计的各个领域专业人员应当形成密切的信息沟通机制，确保从全方位的设计实践角度入手来提升建筑整体品质。对于建筑隐蔽空间的工程质量隐患必须进行及时的查找，采取建筑信息化的建模设计技术方案来整改目前存在的建筑设计隐患。建筑设计资源应当得到最为科学的采用，通过实现资源优化配置组合的实践技术方案，才能提升建筑设计的综合质量效益。设计人员对于高层建筑物的具体朝向应当进行必要的整改，从而保证了建筑采光的自然能源得到更大程度的优化利用。建筑设计的工程技术人员对于建筑剪力墙的设计资源需要进行合理的配置利用，凸显建筑节能设计与可持续设计的基本实践思路。建筑节能与绿色设计的重要保障前提就是建筑质量必须得到全方位的检测，建筑质量的工程监管措施应当置于绿色环保设计的核心地位。

4.3 提升专业素养，应用先进技术，促进装配式建筑设计发展

装配式的建筑体系结构目前亟待获得必要的创新优化调整，全面促进建筑设计的技术人员业务素养提高。采取更加先进与科学的剪力墙创新设计工艺，节约利用剪力墙的建筑设计空间资源[6]。促进装配式的剪力墙设计工艺实现全面的转型发展，应当落实于自动化的墙体设计建模技术完善。可视化的剪力墙建模平台系统能够全面支撑实现动态化的建模设计目标，有效确保了建模设计得到的建筑立体化图纸吻合建筑使用功能的要求，提升剪力墙的施工质量效果。

结语：

经过分析可见，装配式的剪力墙工程体系结构主要涉及到墙体框架的整体设计方案、柱体结构设计与墙体配筋的比例参数设计等，以上各个剪力墙设计的关键结构参数都要得到相应的调整完善。近些年以来，装配式的工程建筑设计人员能够正确采取智能化的墙体模型设计实现思路，深入研发得到剪力墙的优化设计方案。在此基础上，目前针对于建筑剪力墙的结构体系设计应当侧重于各个层面的建筑指标优化，切实防范与杜绝剪力墙体系构架的工程安全隐患。