绿色建筑高层剪力墙结构优化的设计技巧

李 阳

（甘肃宏图建筑设计有限公司，甘肃 兰州 730000）

1 引言

结合绿色建筑施工理念来开展高层建筑剪力墙结构优化设计的过程中，一方面要不影响建筑物整体的使用功能以及抗震性，另一方面也要秉承绿色原则减少设计过程中的能源消耗和碳排放量。在高层建筑设计的过程中，整体的性能容易受到其他因素的影响。因此，一定要因地制宜，根据高层建筑的实际情况做好设计工作，确保建筑设计方案的科学性和合理性。

2 绿色建筑以及剪力墙的概念含义分析

2.1 绿色建筑的含义分析

所谓的绿色建筑，即在修建建筑工程的过程中，要秉承可持续发展原则，在减少资源消耗的基础上，减少施工各个环节对自然环境产生的影响。例如在具体的施工过程中，要减少对土地资源、水资源产生的影响，同时也要充分节约建筑材料。秉承上述观念建造的建筑，往往被称为绿色建筑。在倡导可持续发展观念的今天，绿色建筑成为未来建筑工程的必然发展趋势，和传统的建筑工程项目进行对比可知，绿色建筑不仅可以有效减少对自然环境产生的影响，提升住户的入住体验性和舒适性，另一方面也可以最大程度实现对自然资源的节约。一般情况下，绿色建筑的室内结构布置科学完善，很少应用大面积的合成材料，多数材料也较为安全环保。同时，绿色建筑也可以减少对自然能源的消耗，通过利用太阳能等自然资源来实现房屋保暖。当前，绿色建筑以及普及，绿色建筑通过实现人、建筑以及环境的和谐共生来为住户营造安全、绿色、舒适的居住环境。

此外，在建筑工程项目中科学地应用绿色环保理念，不仅可以有效缓解地皮和增长的人口数量之间的矛盾，另一方面还可以彰显生态环境的优越性。现阶段的绿色建筑已经不再局限于建筑中增加绿色植物那样简单了，而是要通过对自然资源的科学利用，引入先进的绿色施工技术以及应用绿色低碳的施工材料来提升建筑工程项目身的质量。可以说，绿色建筑不仅是未来建筑行业的发展趋势，同时也是未来人居环境的发展大方向，绿色建筑的普及和推广对促进社会可持续发展具有显著的意义和作用。

2.2 剪力墙的概念分析

在建筑工程项目设计阶段，尤其是针对建筑的基础结构进行设计的过程中，一方面要求建筑基础结构的质量，另一方面要求其符合施工工艺。当前，很多高层建筑结构中都会应用到剪力墙结构。和其他的基础结构对比，剪力墙结构无论是自身的支撑力还是稳定性都较高。同时，考虑到高层建筑对抗震性和抗风性有着较高要求，应用剪力墙设计可以最大限度削弱强风和地震对建筑主体结构产生的影响。结合大量的工程项目施工案例进行分析后发现，框架剪力墙结构可以显著提升建筑物的整体质量。

所谓的剪力墙结构即用砼墙板来替代原来框架结构中的梁柱，即用砼墙板来承担各个方向产生的荷载力，以此来提升建筑的稳定性。在针对剪力墙结构进行设计的过程中，需要根据工程项目的实际情况以及设计需求进行设计。一般情况下，剪力墙设计分为需要开洞和无需开洞这两类。针对需要进行开洞设计的剪力墙结构，其设计的过程中需要注意以下几方面：首先要确保墙体整体的承压水平；其次要确保墙体结构的稳定性。如果建筑物的墙体性能符合该要求，则可以进行开洞设计。针对后者进行设计的过程中，则需要考虑以下几方面：首先，可以根据工程需要进行开口较小设计；其次，可以设计多个规律分布的开口；最后则可以根据建筑工程施工要求进行最大开口设计。但是需要注意，无论应用何种设计类型，都要根据工程项目的具体需求开展，同时也要做好工程项目墙体承压能力计算工作，并根据最终的计算数值科学选择设计方案。

3 剪力墙分类

（1）实体墙。剪力墙的类型较多，在建筑施工过程中，如果墙体的开口面积低于整体面积的15%，则可以将其称之为实体墙。这类墙体在受力时，其变形呈现弯曲以及无反弯等特征。实体墙整体的受力呈现线性分布状态。

（2）整体小开口剪力墙。在剪力墙中，开口面积超过15%且依然呈现较小开口的剪力墙称为整体小开口剪力墙，和前者对比，这类墙体不存在反弯点，但是存在突变变形，墙体受力的过程中需要考虑其弯矩情况。

（3）双肢或多肢剪力墙。该墙体整体开口较大，且开口呈现规律排列，其被称为双肢或多肢剪力墙，这类墙体往往存在突变，但是不存在反弯点。

（4）壁式框架。这种剪力墙形式的开口最大，且有许多反弯点，在层间构造中出现了弯矩应力突变。

4 剪力墙的设计原则分析

高层建筑之所以采用剪力墙结构的核心目的在于提升建筑基础结构的安全性和稳定性，鉴于此，在设计剪力墙方案的过程中，一定要考虑其位移限制情况，同时在设计的过程中还要考虑框架结构的作用。因此，在设计的过程中，要求剪力墙的位移限制一定要满足工程项目实际需求，同时也要尽量减少剪力墙数目。

4.1 楼层最小剪力系数的调整原则

在实际的设计过程中，要最大限度减少剪力墙的数量，同时要进一步强化剪力墙的整体结构，如可以通过提升剪力墙水平方向的刚度和控制剪力墙的层间系数等方式来对其稳固性能进行优化。同时，要充分满足短肢剪力墙底部的第一振型结构在地震影响下倾覆力矩不超过四成的要求。这样设计的优势包含以下几方面：①可以最大限度降低建筑结构主体的重量；②可以有效节约工程造价成本；③最大限度减少地震对高层建筑产生的危害。

4.2 楼层层间最大位移与层高之比的调整原则

在开展剪力墙设计的过程中，一定要充分考虑楼层之间的跨度数值和楼层之间的高度比值。通过计算上述比值，可以精确计算出地震条件下建筑主体结构的位移情况，然后在此基础上对剪力墙结构的规格进行优化和调整。通过上述设计，即可以在不减少弯曲变形的前提下将其构成一个整体。在高层建筑基础结构的设计过程中，除了要考虑楼板的扭转数据之外，还要参考其剪切变形情况。其中剪切变形数值和建筑物的垂直构件数量有着直接的关系，但是如果垂直构件的布置位置不合理，也可能会对扭转数据产生影响，进而导致建筑层间位移数值不符合设计要求。由此可见，在进行剪力墙设计的过程中，一定要充分做好层间位移比和层高比的优化工作。

5 具体的工程案例分析

5.1 项目概况

为了更好地开展剪力墙设计工作，笔者结合具体的工程项目施工案例进行分析。本工程案例位于我国北方某地区，该工程项目为住宅小区，其总体占地面积约为116 696 m2。项目有两栋多层住宅以及两幢高层住宅构成。多层住宅和高层住宅均拥有地下室。其中多层住宅的第一层为停车场和商业网点。在针对高建筑工程项目进行设计的过程中，首先要对其结构布置展开优化设计，设计师根据原有的计算模型，代入到设计方案之中，发现工程项目的机构布置情况可以进行以下几方面的调整和优化：第一，原有设计的过程中，其部分梁上线荷载数值为9 kN/m，则需要对其结构自重进行优化和调整。第二，本工程案例之中，其中部分楼板的整体跨度较低，本工程项目楼板厚度为毫米，厚度较大，需要重点针对卫生间和厨房区域进行优化设计。第三，原来的设计中，墙肢较多，配筋较多，抗侧效率较低，影响工程项目最终的造价成本。第四，在原来的设计中，建筑第一层到顶层的墙体厚度为200 mm，其中部分墙体的厚度超过250 mm，整体的厚度数值偏高。

因此可以从以下几方面进行优化：第一，对梁上线荷载进行优化，经过计算后得出（12×0.2+20×0.015×2）×（3.0- 0.4）=7.8 kN/m。在建筑的门窗等区域，可以结合实际情况进行调整。第二，针对短跨方向不足3.5 m的双向楼板，其厚度可以降低为100 mm；第三，可以对墙体布置情况进行优化，如可以通过减少小墙肢、减少配筋等方式来提升墙体整体的利用率。第四，除底部加强区及其上一层外，调整后混凝土整墙墙厚均为180 mm，既减轻结构自重，又节约混凝土用量。如下表1所示，为调整后的整体计算指标对比情况。

表1 整体计算指标对比

5.2 优化设计

从绿色建筑的层面出发，在针对高层建筑的剪力墙结构进行设计的过程中，考虑到设计过程中的各类影响因素较多，所以在实际的设计过程中，要考虑不同设计变量和建筑结构整体性能之间的相互关系。因此，可以通过不断对各设计参数进行优化和调整来实现绿色建筑设计目标。鉴于此，高层建筑剪力墙结构设计过程中，一定要充分做好分析和校对工作，然后在此基础上进行综合化设计。如可以通过对高层建筑剪力墙结构的数目和布置方式进行优化等方式来迎合绿色建筑设计理念。通过该方法，一方面可以有效减少建筑工程项目施工阶段的碳排放数量，另一方面还可以有效提升高层建筑结构的稳定性和安全性。同时，从绿色建筑角度出发针对高层建筑的剪力墙结构进行优化设计的过程中，要针对其整体的布局结构和数量进行明确。如可以通过保持剪力墙刚度数值不变，楼梯间和电梯间数值不变以及适当减少内部剪力墙数目的方式来提升其稳定性。

5.3 二次优化设计

为了进一步对高层建筑剪力墙进行优化，需要在原来模型优化设计的基础上，对剪力墙的结构设计和数目设计进行整体优化。在原来的模型之中，剪力墙结构的布置类型以及数量基本上都保持不变，仅仅针对标准层中的剪力墙结构厚度进行优化设计。如可以应用四个不同类型的模型来进行设计。在这四个模型下剪力墙的厚度数值如下：300 mm、250 mm、220 mm以及200 mm。在四个模型之中，其中厚度为250 mm的模型为原模型结构，根据计算分析结果可知，随着剪力墙结构厚度的降低，其剪力墙的结构刚度数值也发生变化，二者呈现正相关关系。同时，在该模型下，施工过程中产生的能源消耗也在不断下降。但是建筑物整体的结构性能以及抗震性能均符合施工要求。举例来说，和原来的模型进行对比分析后发现，如果剪力墙的结构厚度为200 mm，其自身的碳排放数量较低。由此科技推断出，通过科学减少剪力墙的厚度可以实现绿色施工的目标。此外，根据上述分析可知，通过对剪力墙结构体系以及整体的布置形式的优化，发现剪力墙依然存在一定的设计优化空间，因此可以对其开展二次优化工作。在进行二次优化的过程中，可以从剪力墙的结构厚度以及材料强度入手进行优化。具体的优化方法如下：

首先，根据工程设计方案规定的范围，适当减少内部和周围部分的前提，特别是缩减轴压较低的墙体的厚度。如设计人员可以利用先进的SETWE 软件进行建模来对墙体的厚度进行优化设计。

其次，通过对模型参数的优化设计，可以确保建筑物整体抗震性能符合施工要求。应用以上优化方法可以获得模型三，在模型三之中，剪力墙的设计方式基本上和新模型一致，由于剪力墙结构的厚度以及对建筑的碳排量和性能的影响，一般采用200 mm的标准层剪力墙结构，因此，在试验结果的基础上，对不符合设计要求的墙体和连梁，应采用C30、C40、HPB335、HPB400加固。

最后，经过综合分析后发现，通过对高层建筑剪力墙结构的布置方式和数目进行优化，至少可以减少3%左右的碳排放数量，如果只对剪力墙结构的厚度进行优化，即将其厚度数值从原来的250 mm，减少到200 mm，至少可以减少15%左右的碳排放数量。由此可以基本上得出，科学的优化设计方案可以有效减少工程项目施工过程中产生的碳排放数量。在针对高层建筑剪力墙结构进行设计的过程中，要综合考虑多方面的因素：第一，需要充分考虑建筑物整体的功能需求；第二，要根据施工设计要求和规范严格施工。

6 结束语

综上所述，由于土地资源日益减少，以及社会对生态环境的重视，使得建筑发展更趋绿色，而剪力墙结构的优化设计在这一过程中起到了重要的作用。随着时代的发展，为了保证结构的安全，需要在实际的绿色建筑工程中推广使用强度高、重量轻的剪力墙。然而，在实际工程中，剪力墙仍有许多不足之处，有待于深入的研究和分析，以期对中国建筑业的发展起到促进作用。