探究装配式建筑结构设计中的剪力墙结构设计

张书娜ZHANG Shu-na；刘洋LIU Yang；崔立杰CUI Li-jie

（河北科技工程职业技术大学，邢台054035）

0 引言

在我国城市化水平快速发展的今天，建筑行业的发展尤为迅速，各城市的工程建设以雨后春笋般的速度进行着。随着人们安全防范意识的提升，房屋结构的施工质量始终作为人们重点关注的问题。如何提升装配式房屋建筑在结构上的安全性、耐用性以及经济性，已成为工程建筑公司在施工过程中亟需解决的问题。因此，在装配式房屋建筑结构中采用剪力墙结构，可以有效的保障其结构安全性、耐用性、经济性，有效的保证了人们的生命财产安全。

1 装配式建筑结构的优势

第一，有效降低了企业的施工成本。装配式建筑结构与传统的施工建筑相比，其在建筑过程中大量使用重量较轻的墙板，方便施工人员进行施工作业，由于该墙板价格低廉，拆装方便，提高了施工作业的便利性，极大的降低了施工成本，提高了施工企业的经济效益。第二，提高施工效率，缩短施工影响周期。装配式建筑结构在房屋施工过程中，在保证房屋施工质量的同时，可以有效的提高施工时间，缩短施工周期，提升施工效率，进一步缩短对周边环境的影响，提升施工企业的综合影响力。第三，施工技术的简单化。装配式建筑结构在构造上采用模块式的装配结构，在施工过程中，施工人员按其模块结构进行装配，进一步降低了对施工人员的技术要求，提高了施工人员施工效率。装配式建筑结构对施工人员数量进行有效的控制，在确保施工质量的同时，对现场的施工安全进行有效的把控，向绿色建筑发展迈向重要的一步。

2 装配式建筑结构应用现状介绍

在我国装配式房屋建筑中分为：钢结构装配式建筑和混凝土结构装配式建筑两种，现对以下两种装配式房屋建筑的应用现状进行介绍。

2.1 钢结构装配式建筑

第一，钢结构装配式建筑能较好应用在大跨度的房屋结构中，由于钢本身具有较强的抗压、抗拉特性。在房屋建筑中，大跨度结构采用钢结构装配，可以有效的保障房屋在空间布置上的灵活性，实现房屋在空间上的最大化利用。比如，钢结构装配式建筑普遍应用于大型的展览馆、体育场等大跨度的房屋结构中。第二，在房屋施工周期较短的大型房屋建筑中，大多采用钢结构装配。由于钢结构装配在施工过程中周期较短、方便快捷、效率高，多用于厂房、仓库等大型房屋建筑中。第三，由于钢结构装配在施工过程中基础造价相对较低，其自身结构轻，抗震性能较好，在多数高层房屋建筑中普遍采用钢结构装配。然而，钢结构装配式由于钢本身不耐火，在房屋建筑中，其保温、防腐、防火等施工工艺相对复杂，在装配式房屋建筑中，特别是高层建筑中存在一定的弊端难以解决。

2.2 混凝土结构装配式建筑

混凝土结构装配式建筑分为装配整体式和全装配式。二者在其施工过程中，需人工对现浇混凝土结构进行处理，其主要施工步骤为：先选取合适的竖向构件，通过浆锚搭接或套筒灌浆的方式与竖向构件连在一起，将提前预制的梁和板安装在其上方，促使其节点混凝土和浇筑梁板的叠合层共同形成整体的装配式结构，从而形成了混凝土结构装配式。在施工过程中，为了提升装配结构的成功率，提升整体的施工进度及施工效率，对一些不是结构构件的施工，往往对其结构也采用装配式施工，例如，预制的卫浴、预制的楼梯、预制的墙板等。目前，全装配式的混凝土结构由于施工难度相对较高，在我国建筑施工中应用较少，而装配整体式则在我国应用范围较广。然而，由于混凝土结构装配式建筑施工步骤相对繁琐，对施工人员的施工技术有一定的要求，从而提高了人工施工成本，降低了施工企业经济效益。

3 装配式建筑结构的设计要点分析

第一，在装配式建筑结构的设计过程中，其设计在现场施工时的可行性及日后使用过程中的可用性，才是装配式建筑结构的设计重点。房屋建筑要实现其质量的安全性和使用过程中的功能性，要求在设计时本着精细化、专业化、规范化的设计理念，将建筑物的优势发挥到极致。同时，在设计时也要充分考虑其能耗的消耗，合理控制建筑的高度，对其结构的复杂性和不规则性控制在规范的范围内。在设计装配式建筑结构初期时，应对其结构布置、使用的建筑材料等进行综合考虑，设计多个建筑方案，然后通过经济性、安全性、使用性等方面进行综合对比，选取最优方案。另外，还要对设计方案按照国家标准参数进行精确对比，使其在各方面符合国家标准，最大程度上确保设计方案在施工过程中，避免出现不可控的风险。

第二，在设计装配式建筑结构初始规划阶段，要统筹设计公司、建设公司、监理公司的关系着手，综合考虑装配式建筑项目的经济性、安全性、使用性。首先制定合理、规范的总体规划，按照总体规划要求，制定规范化、标准化的设计方案，根据方案内容设计处预制构件，并按照预制构件的不同特点、装配效率、构件类型进行生产，从而满足房屋建筑的施工需求。

第三，装配式建筑结构预制件的设计要考虑现场需求进行设计。一是，在房屋建筑的楼板施工过程中，若现场搭设脚手架时，其结构件要考虑使用水平构件预制技术，从而有效的降低了施工成本。二是，当外墙采用保温装饰一体化结构时，应尽量降低外墙脚手架的使用次数，节约人力成本。三是，对承重内墙及非承重内墙采用预制方式进行施工。因此，在初期设计装配式建筑结构预制件时，要制定多个设计方案，从中对建筑选材、结构件框架、设计类型、结构类型等方面进行技术对比和论证，按照经济性、安全性、使用性原则，采用最优的设计方案，从整体上把控施工成本，提高企业的经济效益。

4 剪力墙结构介绍

剪力墙结构按其性能，又被称为抗震墙、挡风墙以及结构墙，其主要是指：在房屋建筑中，为了保持建筑物在结构上水平力的平衡，其房屋内力主要由钢筋混凝土承载着，钢筋混凝土板在承载建筑物的水平及竖向力形成的结构剪力墙，而结构剪力墙就是剪力墙结构。在现代化房屋施工过程中，剪力墙结构作为基础的墙体结构，得到了普遍的运用。剪力墙结构在房屋建筑中分别承载着各种竖向载荷量和水平荷载量。同时与楼板和墙体作为建筑的主要受力结构，并作为建筑物重要的支撑性结构。在建筑物未被拆除之前，该结构严禁被破坏和拆除。经过无数次的实践证明，剪力墙结构有效提升了建筑物的整体性能，能较好完成各种承载力试验。因此，剪力墙结构有效提升了建筑物的稳定性和支撑性。同时，剪力墙结构可以极大的降低建筑物的钢材使用量，缓解企业的用料成本，提高企业的经济效益。

5 剪力墙结构的分类

剪力墙结构按照建筑物的地质情况、需求差异不同，根据其结构和形式可以分为不同的类别。第一，建筑物在支撑上要求一般级别时，剪力墙结构可以设计为整面的墙体，从而达到建筑物抗剪的效果。在将整面的墙体设计为剪力墙结构时，为了使其达到抗剪效果，必须将整面墙的85%以上的面积设计为剪力墙结构，再将外包线设计为抛物线的类型，以实现墙体能够承载建筑物的竖向载荷，防止墙体的弯曲和变形。第二，在剪力墙上开设孔洞时，该孔洞在50%以下时，需要将孔洞设计为带状，各孔洞要均匀分布在墙体。为了提高建筑物墙体的稳定性和耐用性，需将墙体的双肢进行加固处理，并使其符合抗扭曲和抗弯曲的施工要求。第三，在处理一些整体以四边框的方式呈现抗剪力时，墙体本身容易出现易变性及不稳定性，遇到这种情况时，需要在设计施工时均匀加入连梁，提高墙体的稳定性。

6 建筑物采用剪力墙结构设计的原则

随着剪力墙结构在建筑行业的普遍应用，有效的提高了建筑物的安全性和经济性。在建筑物设计时，采用剪力墙结构设计应遵循以下原则。第一，分析墙体受力情况。在设计建筑物的剪力墙结构时，要先分析墙体整体的受力情况，其作为整体的平面结构，在承受水平方面的弯矩和剪力时，还承载着建筑物的竖向负荷。因而，需对墙体的整体受力情况进行详细分析，从而更好的发挥剪力墙结构的作用。第二，采用平面内连接，杜绝平面外连接。在建筑物墙体设计时，要充分考虑到在同一个平面上，剪力墙结构的承载力和刚度是很大的。然而，当平面外剪力墙结构的承载力和刚度则是相反的。当剪力墙和墙面外的梁体处在连接的位置时，该位置由于承载力和刚度的不足，很容易出现墙体外弯的现象发生。对于一般房屋建筑而言，往往会忽略该平面外的承载力和刚度，房屋建筑墙体的承载力出现不足的情况，从而导致房屋建筑出现严重的安全隐患。因此，为了防止该隐患的发生，在设计剪力墙结构时，应采用平面内连接，杜绝平面外进行连接。在特殊情况下，建筑物需要对剪力墙平面外进行连接，当完成该连接后，需要严格按照施工作业标准，对连接处进行加固，确保剪力墙平面外连接处的安全性、稳固性。第三，合理调整连梁超限问题。在剪力墙结构施工时，剪力墙的连梁跨高往往会超出参数值2.5。为了防止墙体剪力或者弯矩超出安全值，当连梁跨高结构等于或超过参数值5时，要严格按照墙体框架标准，重新设计其结构，但不能折减连梁的刚度。当连梁跨高结构在参数值5和6之间时，则按照现场实际情况折减连梁的刚度，避免墙体出现剪力超限和弯矩。

7 剪力墙结构长度和厚度的选用事项

在房屋建筑中，剪力墙结构的长度和厚度与其结构的承载力有相辅相成的关联，在剪力墙结构施工过程中，要尤其重视其结构的长度和厚度的选用。第一，剪力墙结构长度的选用。剪力墙结构长度即是剪力墙强肢的长度，主要是指：剪力墙结构的截面高度的参数，其参数直接影响着房屋建筑的安全性和稳定性。在设计过程中，剪力墙强肢的长度一般会选取在八米内。但是，为了防止墙体出现损坏和保证其结构的延伸效果，将剪力墙的高度和宽度按比例进行对比，对其相差比较明显的位置采用弯曲的设计方案，导致在现场施工中出现了延伸性剪力墙结构，这样可以有效的防止其弯曲对建筑物墙体的损坏。第二，剪力墙结构厚度的选用。在房屋建筑的设计结构中，剪力墙结构厚度要根据柱形受力和受力结构的特点进行选用，当出现其长度和宽度比较大时，要求施工人员要十分重视指标的选用。在我国建筑物抗震的相关规定中：剪力墙结构应根据现场情况加大墙体的厚度，但墙体厚度应根据房屋建筑的高度来制定。在房屋建筑结构设计中，也要根据现场实际情况进行确定，从而更准确的确定剪力墙结构的强肢轴压比值，在保证剪力墙结构厚度的同时，增加建筑物的美观。

8 建筑结构中剪力墙结构设计方法

8.1 加大现场调查，做好墙体保温设计

在房屋建筑的剪力墙结构设计中，从结构性能控制的方面分析其保温设计，要求房屋设计公司应加大现场的调查工作，做好墙体保温的设计，并做好该结构的保温控制工作。房屋设计公司在进行现场调查时，应根据业主的实际需求，结合施工现场的气候环境、地理环境以及房屋建筑的规划用途出发，对现场情况进行调查。在获取最基础的调查数据后，对房屋建筑结构进行保温设计。从而，有效保障剪力墙结构设计中基础结构设计的准确性，以及房屋建筑在功能结构方面的全面性。

8.2 对剪力墙结构设计细节进行优化

第一，对边缘构件进行优化性约束管理。做好边缘构件的管理工作，能有效的对剪力墙结构的承载力进行优化。比如，对边缘构件的40%进行优化管理，可以有效的提高剪力墙的承载力；对边缘构件的20%进行优化管理，可以有效的提高房屋建筑的抗震性。因此，在对剪力墙结构进行设计时，要选用性能较好的边缘构件。比如，在其边缘构件的设计和选用上应采用以下方法：当构件底部的轴压比未能符合规范要求时，要及时添加其构造的边缘构件；当构件底部的轴压比超过规范要求时，对构造的边缘构件进行优化管理，从而实现边缘构件的最优化。第二，对剪力墙结构进行性能和强度的优化管理。在剪力墙结构设计中，要严格根据国家规范标准对其优化管理，确保配筋率符合规范标准。同时，也要结合房屋建筑的抗震性，优化管理剪力墙边缘构件的实际数量，更好的优化房屋建筑的实用性能。第三，对剪力墙结构做好延性设计的优化管理。在对其进行延性优化设计时，应采用对称设计、均衡布置的措施，提高装配式建筑剪力墙结构在性能上的安全性和稳定性。

8.3 优化建筑中剪力墙结构的拆分设计

在设计高层房屋建筑时，对剪力墙结构拆分设计时，不能拆分剪力墙底部加强区的墙体。由于房屋底部加强区的抗震性能标准比较高，从而安装了约束边缘构件，其配筋也相对较高；而底部加强区及以上的位置，已到了标准层区域，其墙体的构造配筋配比相对统一且较低，在对剪力墙结构拆分时，可在该区域进行墙体拆分。同时在墙体拆分时，应注意避开建筑结构中保温层，可对剪力墙结构的外墙进行拆分，避免施工过程中不必要的火灾发生。另外，在安装预制外墙过程中，无需使用整体脚手架、大型施工爬架等设备，选用简单的安装支架就可以完成其安装需求。对预制带洞口的剪力墙进行拆分时，要注意该洞口两侧的墙体宽度满足200mm及以上。若洞口设计为门洞时，为了确保剪力墙墙体在吊装、运输期间的稳定性，对门洞临时安装型钢进行固定。建筑设计师通常会使用结构软件，对预制墙体水平接缝的承载力进行电脑计算。然而在设计期间，设计师会根据实际的配筋进行人为调整，调整后再根据规范标准进行修改。

8.4 对剪力墙结构设计进行优化定位

在剪力墙结构设计过程中，要优化剪力墙的布置方式，首先要提高剪力墙结构在设计时的安全性能和稳定性能。根据现场情况，提高房屋建筑的侧向刚度，采用两主轴方向等稳的方式进行双向布置。要按照国家规范标准对剪力墙进行布置，同时要满足其质心及刚心的要求，从而更好的控制墙体扭矩。另外，应把控好内外剪力墙的垂直设计，在把控设计中做到清晰、简单，防止在剪力墙设计中出现繁杂的肢截面，做到符合房屋建筑的实际需求即可，也要避免在设计中发生上、下层突变刚度的现象。剪力墙结构中的洞口问题，应按照规范化标准进行优化，对门窗洞口的布置要做到上下对称、成列的方式设计，构成连梁和墙肢，并且布置洞口时，墙肢刚度要防止出现差距较大现象。另外，也要布置好剪力墙中内收与外挑之间的距离。

8.5 优化抗震结构的设计工作

在剪力墙结构的抗震设计中，要从房屋建筑的安全性和稳定性出发，严格按照国家规范进行设计。在后期施工过程中，严格按照设计方案进行施工，发现设计缺陷时，及时整改，提高施工质量。在设计公司进行设计期间，设计人员应根据建筑的抗震结构，并结合控制轴压比、应力计算、弹性刚度提升的方法，提高剪力墙结构之间应力的稳定性及均衡性，从而更好的实现建筑结构的抗震性能，提高其工程质量的安全性与稳定性。

9 结束语

在装配式建筑结构设计及剪力墙结构设计中，应确定不同的设计重点，以及科学规范的设计理念，提升剪力墙结构设计工作的科学性、严谨性，从而更好的实现剪力墙结构的设计目标。因而，在日后的设计中应始终将安全性、稳定性放在首要位置，综合考虑经济性、持续性等因素，确保建筑工程健康、有序的发展。