装配式建筑结构剪力墙结构设计方法

文／贾莉莉、梁孟松 北京新华创空间建筑工程设计研究院有限公司济南分公司 山东济南 250000

1.装配式建筑概述

随着社会经济的发展和科学技术的进步，装配式建筑逐渐成为了现代建筑行业的重要分支。本文将概述装配式建筑的定义、特点、背景与趋势、模块化设计与制造、装配施工过程、优势与挑战、环保与可持续性以及国际与国内发展状况[1]。装配式建筑是指将建筑结构中的部分或全部构件在工厂中进行预制，然后运输到施工现场进行组装、连接和固定，最终形成完整建筑的一种建筑方式。其主要特点包括标准化设计、工厂化生产、装配化施工、一体化装修和信息化管理。随着城市化进程的加速和建筑行业的快速发展，传统建筑方式已经难以满足现代建筑业的高效、绿色、环保的需求。在这种情况下，装配式建筑逐步得到关注，成为建筑行业转型升级的重要方向。据统计，截止到2021 年，全国装配式建筑面积已达到3.4 亿平方米，预计到2030 年，全国装配式建筑面积将占新建建筑面积的30%以上。

在装配式建筑中，模块化设计是一种重要的方法。它将建筑整体划分为多个标准模块，每个模块在工厂中进行预制生产，然后运输到施工现场进行组装。这种设计方式具有提高生产效率、降低成本、提高工程质量等优点，但也存在模块化程度难以把握、设计灵活度不足等问题。装配式建筑的施工过程主要包括以下步骤：第一步是在工厂中预制建筑构件；第二步是将预制构件运输到施工现场；第三步是在施工现场进行构件的组装和连接；最后一步是进行固定和完成内部装修。在施工过程中，需要注意的事项包括提高工人的技能水平、优化施工组织和保证构件的质量等。

装配式建筑的优势主要表现在以下几个方面：提高生产效率、降低成本、提高工程质量、缩短工期、减少环境污染等。然而，装配式建筑也面临着一些挑战，例如：预制构件的生产质量不稳定、运输和安装过程中易出现损坏、与传统施工方式的配合问题等。为了解决这些挑战，需要加强质量管理和施工协调，同时也需要进一步完善相关政策和规范。装配式建筑具有显著的环保和可持续性优势。首先，通过工厂化生产，可以大幅度减少现场施工造成的环境污染。其次，装配式建筑可以节约能源和资源，因为它们采用了高效的保温和隔热材料，有助于降低建筑能耗。此外，装配式建筑的废弃物处理和再利用方面也具有很大潜力，符合循环经济的原则。据研究，与传统建筑相比，装配式建筑在整个生命周期内可以减少约20%的碳排放。全球范围内，许多国家已经广泛采用了装配式建筑技术，尤其是在欧洲和北美地区。例如，瑞典的住宅建筑中有超过90%是采用装配式建筑技术建造的。而在国内，装配式建筑也逐渐得到推广和应用。多个城市已经出台了支持装配式建筑发展的政策，并在保障性住房等领域进行了试点工程。据统计，至2022 年，全国已有超过30 个省市出台了关于推动装配式建筑发展的相关政策。总的来说，装配式建筑凭借其高效、环保和可持续性的优势，已经成为现代建筑业发展的重要方向。随着相关政策的支持和市场需求的推动，装配式建筑在未来还将有更广阔的发展前景。

2.装配式剪力墙结构特点

装配式剪力墙结构住宅是一种采用预制墙板、施工速度快、质量稳定、节能环保等优点的住宅形式。下面分别介绍这些特点。

2.1 预制墙板

预制墙板是指在工厂内生产的混凝土墙板，具有精度高、质量稳定、施工速度快等优点。在住宅建设中，采用预制墙板可以大大缩短施工周期，同时减少现场作业，提高施工效率。预制墙板的生产采用先进的工艺和设备，能够保证墙板的质量和精度，减少现场的修补和调整工作[2]。

2.2 施工速度快

装配式剪力墙结构住宅的施工速度比传统住宅要快很多。由于大部分构件都是在工厂内生产的，施工现场只需要进行简单的装配和连接，因此可以大大缩短施工周期。同时，由于装配式住宅的施工过程比较简单，对施工人员的技能要求也相对较低，有利于降低工人的劳动强度，提高施工效率。

2.3 质量稳定

装配式剪力墙结构住宅的质量比传统住宅更加稳定。由于大部分构件都是预制生产的，因此可以很好地控制混凝土配合比、浇筑和养护等环节，保证构件的质量和精度。在施工过程中，装配式住宅的连接方式多采用可靠的机械连接方式，能够保证结构的整体性和稳定性。

2.4 节能环保

装配式剪力墙结构住宅具有很好的节能环保优势。首先，预制构件的生产过程中可以采取措施降低能耗和减少环境污染。例如，优化混凝土配合比，使用高效节能的建材和设备等。其次，装配式住宅的施工过程比较简单，可以减少现场的扬尘和噪音等对环境的影响。最后，装配式住宅在使用过程中可以采取措施降低能耗，例如使用保温材料和提高窗户的气密性等。

3.装配式建筑中剪力墙结构的设计要求

随着建筑工业化的不断发展，装配式建筑逐渐成为现代建筑的主流。其中，剪力墙结构作为装配式建筑的重要组成部分，对于保证建筑整体性和稳定性具有至关重要的作用[3]。

3.1 基础设计要求

在剪力墙结构的基础设计中，应着重考虑墙体的厚度、混凝土强度等级和纵筋配筋率等因素。首先，墙体厚度应根据建筑物的安全等级和抗震烈度进行确定，同时满足结构刚度和稳定性的要求。其次，混凝土强度等级应与墙体的厚度相匹配，一般采用高强度等级的混凝土，以提高结构的承载能力和耐久性。最后，纵筋配筋率是影响剪力墙结构性能的重要因素，需根据墙体的厚度和混凝土强度等级进行合理设计。

3.2 结构设计要求

剪力墙结构的设计步骤应包括结构布置、钢筋混凝土的使用、连接部位的细节处理等。在结构布置方面，应充分考虑建筑物的平面和立面形状，合理安排剪力墙的位置和走向，以实现最佳的结构承载和抗震性能。钢筋混凝土的使用应满足建筑物的设计要求，根据实际情况进行选材和配比。同时，连接部位的细节处理也是关键，应采取有效的措施提高连接部位的强度和稳定性。

3.3 材料选择要求

适合剪力墙结构设计的材料种类及规格包括墙体材料、连接材料、灌浆材料等。墙体材料一般采用预制混凝土板或带肋板的预制墙板，要求具有高强度、耐久性和防火性能。连接材料应选用高性能的钢筋连接件，以保证结构整体的稳定性和抗震性能。灌浆材料一般采用水泥基灌浆料，要求具有高强度、流动性和微膨胀性。

3.4 连接构造要求

剪力墙结构的连接构造设计应包括水平连接和垂直连接的设计及其可靠性分析。水平连接应采用焊接或螺栓连接等方式，确保剪力墙板之间的水平向承载力和稳定性。垂直连接应考虑墙板与楼板、梁等其他构件的连接，可采用插筋、焊接或螺栓连接等方式，确保垂直向承载力和抗震性能。同时，应进行连接构造的可靠性分析，采用有限元等方法对连接部位进行受力模拟分析，确保连接部位的安全性和稳定性。

3.5 防水处理要求

剪力墙结构的防水处理措施应关注容易漏水的部位及密封措施、防水涂料的使用等。墙板的接缝处、板端和板边缘应是防水处理的重点部位，一般可采用硅酮密封胶或聚氨酯密封胶等防水材料进行密封。同时，应根据建筑物的使用功能和环境条件选择合适的防水涂料，如聚合物水泥防水涂料、聚氨酯防水涂料等，以提高墙体的防水性能[4]。

3.6 人性化设计要求

在剪力墙结构设计中考虑人性化的需求是十分重要的。应从人体工程学、美观度、通风、采光等方面进行综合考虑，以满足居住者对建筑空间的需求和舒适度要求。例如，在墙体厚度和结构布置方面应考虑建筑空间的利用效率和居住者的舒适度；选用具有美观度和通风性能良好的墙体材料；利用采光窗和通风口提高室内通风和采光效果等。

3.7 施工工艺要求

实施剪力墙结构施工的工艺流程和要点包括混凝土浇筑、钢筋加工、模板使用等。混凝土浇筑前应进行模板安装和钢筋连接等准备工作，确保模板安装牢固、位置准确，钢筋连接符合设计要求。浇筑时，应按照先柱、梁后板的顺序进行浇筑，确保混凝土浇筑密实、表面平整。钢筋加工应按照设计要求进行下料、成型和连接，确保钢筋的品种、规格和质量符合要求。模板使用应合理选择模板材料和脱模剂，确保模板的周转使用次数和脱模效果满足施工要求。同时，应严格控制施工过程中的质量检验和验收，确保每个工序的质量符合规范和设计要求。总之，装配式建筑中的剪力墙结构设计是关系到整个建筑安全性和稳定性的关键环节。在设计过程中，需要多方面进行全面考虑和合理规划，以确保剪力墙结构的安全性、稳定性和经济性。同时，应注重提高设计人员的专业素质和技术水平，确保设计成果的质量和可靠性。

4.装配式建筑结构剪力墙结构设计方法

4.1 剪力墙结构设计

剪力墙结构设计是装配式建筑结构设计的核心之一，其设计原则和步骤如下：

（1）确定结构方案。根据建筑物的使用功能、平面布局和抗震要求，合理选择剪力墙的结构形式和布置。

（2）进行荷载分析。根据建筑物的实际情况，计算作用于剪力墙上的水平荷载和竖向荷载，为后续的结构设计提供依据。

（3）进行结构分析。采用合适的计算方法，对剪力墙结构进行静力或动力分析，以确定结构的承载能力、刚度和稳定性。

（4）进行构件设计。根据结构分析结果，对剪力墙的各个构件进行设计，包括墙身、墙柱和墙梁等，确保其具有足够的强度、刚度和稳定性。

（5）进行连接设计。确定剪力墙与其他结构构件的连接方式，保证其传力明确、可靠，并满足抗震要求。

（6）进行细部设计。对剪力墙结构中的一些细部进行设计，如洞口、缝槽等，以确保结构整体的性能和稳定性。

4.2 装配式结构连接

装配式结构连接是实现装配式建筑结构整体性和稳定性的关键环节。常用的装配式结构连接方法包括焊接、栓接、螺栓连接和预应力连接等。在选择连接方法时，需要根据结构的形式、材料特性以及施工条件等因素进行综合考虑。在剪力墙结构中，墙梁与墙柱之间的连接通常采用焊接或螺栓连接，而墙梁与墙身之间的连接则可采用焊接或螺栓连接配合斜向支撑等构造措施[5]。对于墙柱之间的连接，可采用焊接或螺栓连接的方式，并设置相应的构造措施以增强结构的整体性。

在装配式结构连接的设计过程中，需要考虑以下几点：

（1）传力路径的明确性。保证每个连接件都能够将作用力有效地传递到相应的构件上，从而保证整体结构的承载能力和稳定性。

（2）连接件的可更换性。对于一些易于损坏的连接件，如螺栓、焊缝等，需要保证其可更换性，以方便维修和养护。

（3）施工的可操作性。在满足结构性能的前提下，应尽量选择施工简便、易于操作的连接方式，以降低施工难度和提高施工效率。

4.3 材料选择与性能要求

材料选择与性能要求是装配式建筑结构剪力墙设计的重要环节。在选择材料时，需要根据建筑物的使用功能、荷载大小以及施工条件等因素进行综合考虑。常用的剪力墙结构材料包括钢筋、混凝土、钢板等，这些材料具有各自的特点和优势[6]。

在材料选择过程中，需要考虑以下几点：

（1）材料的力学性能。材料的强度、刚度和稳定性是影响结构性能的关键因素，需要根据实际情况进行选择和优化。

（2）材料的耐久性。对于一些重要构件或关键部位，需要选择耐久性较好的材料，以保证结构的使用寿命和安全性。

（3）材料的环保性。尽量选择可再生、可循环利用的材料，以降低对环境的负面影响。

4.4 能耗与抗震性能

能耗与抗震性能是装配式建筑结构剪力墙设计的关键指标之一。在设计过程中，需要综合考虑建筑物的使用功能、地震烈度、场地条件等因素，以满足结构的低能耗和优良抗震性能的要求。

在能耗设计方面，需要通过优化结构体系、选用高强度材料等措施来降低结构的基本周期和地震烈度指标，以达到减少地震作用对结构的影响的目的。此外，还可采用隔热、保温等措施来提高建筑物的能量保持能力[7]。

4.5 设计软件与应用

设计软件是装配式建筑结构剪力墙设计的重要工具之一。常用的设计软件包括AutoCAD、Revit、Sketchup等，这些软件具有不同的特点和适用范围。在选择设计软件时，需要根据实际情况进行综合考虑。

4.6 剪力墙预制墙体连接接缝技术的应用原则

在剪力墙预制墙体连接接缝技术的施工过程中，为了确保墙体的质量和安全性，需要遵循以下应用原则：

（1）缝隙控制：在施工过程中，应控制好缝隙，保证接缝处的紧密性和安全性。这可以通过选择合适的施工材料、优化施工工艺和加强施工监管等方式来实现。接缝处应无明显缝隙，防止出现漏水、漏气等问题。

（2）垂直度控制：应控制好墙体表面的垂直度和水平度，避免凹凸不平或倾斜现象，以保证接缝处的紧密性和安全性。在施工过程中，可以使用激光垂准仪、红外线水平仪等工具来辅助施工，确保墙体的垂直度和水平度。

（3）钢筋连接：应采用钢筋连接技术，确保墙体钢筋的良好连接，并保证墙体的整体性和安全性。钢筋连接可以采用焊接、螺栓连接等方式，具体方法应根据设计要求和施工条件进行选择。钢筋连接处应进行防腐处理，以延长墙体的使用寿命。

（4）接缝处理：在接缝处应使用专用胶水、腻子和密封材料等，保证接缝处的严密性和防水性。应选择性能优异的材料，并进行精细的施工，确保接缝处不渗水、不漏气，满足建筑物的防水和密封要求。

（5）安装顺序：应遵循一定的安装顺序，例如从下至上、从左至右等，以确保墙体的安装质量。在施工过程中，应根据实际情况进行合理的安排，确保墙体的安装顺利进行。

（6）重复检测：在施工过程中应进行重复检测，及时发现错误并进行修正，以确保墙体的质量和安全性。检测内容应包括墙体表面质量、接缝处质量、钢筋连接情况等，以确保墙体的整体性和稳定性[8]。

（7）维护与保养：剪力墙预制墙体连接接缝技术也需要维护和保养。在墙体安装完成后，应避免重物压坏墙体、保持墙面整洁等。在特殊环境下，应采取相应的保护措施，防止墙体受到损坏或污染。

（8）抗震性能：剪力墙预制墙体连接接缝技术具有较好的抗震性能，应确保施工质量和材料质量，以保证墙体的抗震性能。在施工过程中，应按照设计要求进行施工，并选用高强度、具有良好抗震性能的材料，以确保墙体在地震作用下的稳定性。

结语：

综上所述，装配式建筑结构剪力墙结构设计方法对整个建筑的结构安全性、稳定性和经济性具有重要影响。在设计过程中，需要全面考虑剪力墙结构设计、装配式结构连接、材料选择与性能要求、能耗与抗震性能等方面。通过综合运用各种设计手段和方法，可以优化装配式建筑结构剪力墙设计，提高建筑的品质和效益。