綠色建筑的高層剪力墻結構優化設計

林永洪

寧夏中房實業集團有限公司

1 引言

根據綠色建筑理念對高層建筑的剪力墻結構實施優化設計，其核心在于在符合建筑使用功能與結構體系抗震性能前提下，盡可能減少材料消耗，以此減少整個結構體系施工實際碳排量。對于高層建筑，其結構性能會受到很多因素的影響與控制，如周期及周期比、振型有效系數和頂點位移等。為高層建筑的剪力墻結構實施以綠色建筑理念為基礎的優化設計，能使優化以后得到的方案充分體現出綠色環保性、安全性及經濟合理性。

2 綠色建筑以及剪力墻的概念含義

2.1 綠色建筑

建筑工程施工使用期限內，對資源進行最大限度的節約，例如土地資源、水資源、建筑材料等，對環境盡可能地保障以便最大限度地降低污染，為人們建造舒適、健康以及高效的建筑物，同時與自然和諧共處的建筑，即綠色建筑。綠色建筑能大大降低建筑施工對生態環境以及資源產生的干擾，盡可能地實現對自然資源的高效節約。其室內布置非常合理，合成材料使用的時候非常少，能對陽光進行全面利用，對能源進行節省，為居住人員營造一種與自然親近的氛圍。其主要目標在于實現人、建筑與自然環境和諧共處，在運用天然條件以及人工方式建造健康、良好的居住環境的基礎上，對自然環境的破壞與使用要盡可能地控制和減少，全面呈現向大自然索取以及回報之間的平衡。以綠色環保為基礎的建筑，不僅可以滿足人們日益增長的住房需求，還可以實現與自然生態環境和諧相處的優越性。綠色環保理念已不再是要求將綠色植物過多的增添在人們生活環境中，而是對居住環境要求是無害化，而綠色建筑則完美地將生態友好和環境保護的概念推向了極致。為促進資源與環境的可持續發展，國家也花費了更多的時間以及精力，對綠色建筑行業的發展以及進步進行高度關注。

2.2 剪力墻

在建筑設計的過程中需要對整個工程的基礎結構進行建設，保證這一建筑結構的平衡與穩固，這時剪力墻的設計應運而生。由于這一設計具有較強的支撐力，能夠在一定程度上減緩強風，地震等對于建筑結構的影響。因此，在實踐中的應用越來越多，建筑工程也就具備了更加穩定的特點，工程質量得以保證。此外，這一設計的應用，在實踐中還能夠幫助提高工程的施工速度，提高整個工程的施工效率。剪力墻結構是，用鋼筋混凝土墻板來代替框架結構中的梁柱，能承擔各類荷載引起的內力，并能有效控制結構的水平力，這種用鋼筋混凝土墻板來承受豎向和水平力的結構稱為剪力墻結構。剪力墻在實踐中的具體應用應當根據工程的不同特點與需求進行不同的設計，在實踐中分為需要進行開洞的剪力墻與不需要進行開洞的剪力墻。對于前者而言，在實踐中的應用需要符合幾點條件：第一，墻體承受壓力的能力強；第二，墻體穩定性能強。只有滿足上述情況，才能在實踐中應用剪力墻時不進行開洞設計。對于后者而言，在實踐中的應用又分為不同的幾種情況：第一，開口較小的設計；第二，進行多個開口設計并且規律分布的設計；第三，開口最大的設計。不同的設計需要通過具體的工程需求進行設計，在對工程與墻體所需求的承重壓力進行平衡計算之后，判斷需要進行何種設計。

3 實際案例研究

3.1 項目介紹

該工程位于銀川市上海路北側，天平街西側，總用地面積54947m2，總建筑面積116696m2（包括地下室面積23286m2）。項目包括7層和9層多層住宅、11層小高層住宅、18層高層住宅、商業網點、社區辦公用房、物管用房。地下一層為停車場，局部為設備用房。

（1）優化模型參數。

表1

（2）優化結構布置。按原設計計算模型，結構布置存在以下可調整之處：①原設計部分梁上線荷載輸入值為9kN∕m，輸入值偏大，增加結構自重；②部分樓板跨度較小，樓板厚度為110mm，樓板厚度偏大。例如走廊、衛生間、廚房等；③原設計小墻肢偏多，小墻肢均為邊緣構件，配筋較多，且抗側效率較低，不經濟；④原設計首層至頂層的墻體厚度均為200mm，個別墻厚250mm，墻體厚度偏大。

優化后做法：①梁上線荷載為（12×0.2+20×0.015×2）×（3.0-0.4）=7.8kN∕m，有門窗處應根據實際情況進行修正；②建議短跨方向跨度小于3.5m的雙向樓板、跨度小于3m的單向樓板厚度均調整為100mm；③調整墻體布置，提高墻體利用率，盡量取消小墻肢，減少邊緣構件數量，減少鋼筋；④除底部加強區及其上一層外，調整后混凝土整墻墻厚均為180mm，既減輕結構自重，又節約混凝土用量。

通過模型參數、結構布置、荷載取值對原設計模型進行了優化。

表2 為調整前后整體計算指標對比

（3）優化地基處理方案。該項目1#、3#、4#、9#、10#這5棟樓，各樓均為地上18層，地下一層。原設計基礎底板厚度為1.0m，筏板自墻邊外挑0.5m。

原設計1#、4#、10#樓采用CFG樁復合地基方案，樁徑500mm，樁間距1.50m，三角形布樁，有效樁長為10m，單樁承載力特征值為480kN，復合地基承載力特征值為330kN，單個樓397根樁，合計1191根樁。

3#、9#樓采用級配砂石換填墊層地基方案，3#樓換填厚度為3.70m，9#樓換填厚度為1.70m～4.20m，每邊外擴1∕2墊層厚度，壓實系數為0.97，換填后承載力特征值為330kPa。

原設計1#、4#、10#樓采用CFG樁復合地基，3#、9#樓采用換填，原設計地基方案的造價高，工期長。

3.2 初步優化設計

基于綠色建筑理念對高層建筑剪力墻結構進行優化設計的過程中，因為設計關聯的變量諸多，與此同時不同設計變量以及結構體系抗震性與高層建筑施工中的碳排量保持非常煩瑣的相互關系，為此，通常要進行反復調整才能達到降低碳排量這一實際目標。在此基礎上，就高層建筑剪力墻結構來說，需要在分析以及校核的同時進行綜合和優先選擇。在優化設計高層建筑中剪力墻結構數量以及布置形式后，能夠在符合各項規范要求的前提下，對結構體系施工出現的碳排量進行減少，從而促使結構體系實現綠色，提升結構體系綠色度?；诰G色建筑理念，對高層建筑剪力墻結構進行優化設計過程中，需對適當的布局形式和數量先進行明確，其方式是：保持剪力墻剛度變化、樓梯間、電梯間等不變，適當減少結構內部部分剪力墻的實際長度。

3.3 二次優化設計

通過對原模型的優化使其成為新模型的這一過程中，只對高層建筑中剪力墻結構實施了布置形式與數量上的優化。在原模型中剪力墻結構布置形式與數量都保持不變的基礎上，對標準層中剪力墻結構厚度進行改變，采用四個模型來計算和分析，這四個模型的剪力墻結構厚度分別為300mm、250mm、220mm和200mm，在這四個模型當中，以厚度為250mm的模型作為原模型。根據計算結果可以看出，伴隨剪力墻結構厚度不斷減小，剪力墻結構剛度不斷減小，施工產生的碳排量也隨之減少，而且結構抗震性能依然可以滿足規范提出的要求。比如，相較于原模型，剪力墻結構厚度為200mm的模型，其碳排量進一步減少?？梢?，適當減小墻厚能起到減少剪力墻結構施工產生的碳排量的作用。

通過上述分析可以看出，完成對剪力墻結構體系具體布置形式及數量的優化以后，剪力墻依然有一定優化空間，因此應在新模型基礎上實施二次優化，而對于二次優化的內容，以對剪力墻結構厚度和材料強度進行優化為主，具體方法為：基于規范確定的范圍，減小內部與周邊局部墻體，尤其是軸壓比相對較小的墻肢的實際厚度，在這種情況下，采用SETWE軟件進行建模計算能確定會導致局部墻肢實際軸壓比超出限度及部分連梁超筋等設計問題。同時通過調節計算，確保結構體系抗震指標達到規范的要求。采用以上方法對新模型進行優化，可得到模型三。在模型三中，剪力墻布置形式和新模型基本相同，根據剪力墻結構厚度及其對結構施工產生的碳排量與性能造成的影響，其標準層剪力墻結構厚度以200mm為主，基于此，根據試算結果，對性能無法達到要求的墻肢與連梁應在材料方面予以加強，其中，混凝土材料的強度等級為C30和C40，受力筋為HPB400和HPB335。

通過以上分析可以看出，只對剪力墻結構布置形式與數量實施優化，能減少2.8%左右的碳排量；若只對剪力墻結構厚度實施優化，即將剪力墻結構厚度從250mm優化到200mm后，能使碳排量的減少程度從9.5%增加至15.0%左右?？梢?，每完成一步優化，都能減少一次碳排量。在剪力墻結構設計過程中需要考慮很多影響因素，首先，應滿足建筑基本使用功能要求，其次，應滿足現行技術規范提出的所有性能要求。由此可以看出，結構設計有很多不同的影響因素，實際工作十分煩瑣，在這種情況下，為了給結構設計人員提供可靠參考，需要在綠色建筑理論基礎上制定有效的高層建筑剪力墻結構優化設計途徑。

4 結束語

土地資源不斷縮小的現況和社會對于生態環保理念的高度重視，推動我國的建筑發展進一步朝著綠色的方向發展，剪力墻結構的優化設計也在中間發揮了突出的作用。在時代發展的大背景下，出于對建筑安全性的考慮，必須要將具有強度高而且輕便優勢的剪力墻更廣泛地應用到綠色建筑的實際施工過程中去。但是剪力墻的應用還存在諸多的缺陷，還需要進一步的探討分析，只有這樣才能更進一步地推動建筑行業的發展。