装配式建筑结构设计中的剪力墙结构设计

郑僱招

（重庆市长寿建筑设计院，重庆 401220）

0 引言

在城市化建设的进程中，建筑物的结构形式越来越新颖，人们对建筑物的要求也越来越高，国内外众多学者都对装配式建筑结构进行研究。周炯从装配式建筑结构出发，对CL 结构体系、SW 建筑体系、WZ 复合墙等进行研究，探索了剪力墙结构的设计要点。马倩研究了装配式建筑设计的要点，对框架设计、剪力墙结构设计、构件拆分设计等进行研究，阐述了相关的技术要求。本研究从前人的研究基础出发，结合具体案例，重点研究装配式建筑结构剪力墙结构的设计内容、运用方法。

1 装配式建筑结构和剪力墙结构

1.1 装配式建筑结构

装配式建筑结构是一种提前制作建筑构件，进而按照设计要求实施装配的建筑形式。在装配式建筑的建造过程中，建设单位需要通过工厂生产标准化的预制构件，包括楼梯、阳台、楼板等，所有的预制构件都需要从工厂运输到施工现场，施工人员需要进行连接，提高施工效率。在装配式建筑结构的施工中，建设单位需要高度重视建筑构件的标准性和规范性，应用先进的构件连接方式，提高建筑结构的稳定性。当前，我国城市建设中的装配式建筑结构越来越多，这种建筑形式大大缩短了建筑物的施工周期，具有节约能源资源、节约土地、节省建筑材料的优势，能够进行全面推广[1]。

1.2 剪力墙结构

在装配式建筑结构中，剪力墙从基础部位直达建筑顶部，高度能够达到上百米，宽度通常为几米到几十米。相比较于普通墙而言，剪力墙的厚度较小，为200～300mm，最小能够达到160mm。当前，剪力墙结构可以分为实体墙、整体小开口剪力墙，壁式框架剪力墙、双肢剪力墙、多肢剪力墙等，不同类型的剪力墙结构在应用中能够发挥不同的功能，设计人员需要结合建筑物的整体结构，选择不同类型的剪力墙，采用科学的剪力墙设计方法，全面提高剪力墙的抗震性能，增强建筑结构的美观性[2]。

2 装配式建筑结构中剪力墙结构的设计内容

2.1 预制墙体设计

对于装配式建筑结构设计而言，设计人员首先要做好预制墙体的设计，发挥剪力墙结构的作用。在设计工作开始前，设计人员要全面分析装配式建筑结构中剪力墙的设计诉求，综合考虑装配式建筑结构的整体受力情况，把握好剪力墙结构需要承担的作用和价值[3]。

例如，郑州市某住宅小区全部采用装配式剪力墙结构体系，该项目总用地面积为15 077.5m2，建筑总面积51 000m2。其中，5＃楼建筑的长度为54.4m，宽为13.6m，地上共有21层，地下共有2 层，标准层的单层面积为624.36m2，层高为2.9m，总建筑面积为14 568.52m2，建筑高度为61.2m。该建筑的剪力墙厚度为200mm，楼板的厚度为140mm。在剪力墙混凝土的强度等级方面，基础顶～3 层为C40，3～4 层为C35，5 层～屋面层为C30。在预制墙体的设计中，设计人员需要对预制墙水平缝受剪承载力进行验算，严格按照《装配式环筋扣合锚接混凝土剪力墙结构技术规程》中的相关规定，通过VuE ≤0.6fyAsd+0.8N 完成验算。结合该公式，设计人员需要对建筑物中剪力墙的最小轴力和竖向配筋面积进行计算。在5＃楼，某预制剪力墙的最小轴力N ＝1 645.84kN，竖向配筋的面积Asd ＝1 810.8mm2，该剪力墙在地震作用下的最大剪力为VuE ＝559.04kN，与下层预制墙连接的水平缝受剪承载力设计值为1 707.8kN，所以VuE ＜V，该剪力墙的设计符合规范要求。

在剪力墙结构的荷载计算方面，设计人员可以从恒荷载、活荷载量、线荷载三个方面进行计算。首先，在恒荷载方面，设计人员需要对建筑中的楼板、卫生间等位置进行恒荷载量计算。其次，在活荷载量的计算中，设计人员需要根据《工程结构通用规范》（GB55001-2021）来确定，荷载情况如表1 所示。

表1 建筑主要部分标准荷载数值

最后，在线荷载的计算方面，设计人员需要按照相关公式进行计算，具体的公式为：

线荷载＝重度（kN/m³）×宽度（m）×高度（m） （1）

在预制墙体的设计中，设计人员需要高度重视预制墙体自身的受力情况，科学设计受力点，同时还需要关注套筒预埋区域、钢筋预留距离等，为后期预制墙体的运用奠定基础。

2.2 预制构件设计

在剪力墙结构设计方面，设计人员还需要完成预制构件的设计，保证预制构件能够在后期得到可靠运用，避免预制构件出现偏差。对于剪力墙结构而言，预制构件的标准化程度、质量决定了后期的施工质量，同时还会影响整个建筑工程的质量。为此，设计人员首先需要确定出所有预制构件的类型，然后结合剪力墙结构在装配式建筑中的具体分布情况，确定预制构件的预制方式。例如，在装配式建筑的预制外墙体中，就需要使用预制混凝土夹心保温构件，该构件能够提高剪力墙的保温性能，降低该部位的热量损失。另外，在预制构件的设计方面，设计人员还需要综合考虑具体的参数信息，提高设计的精准性。对于装配式建筑而言，设计人员需要把握好不同构件的参数标准，确定好各类预制构件的尺寸，另外还要科学设计构件的数量，方便后期的施工。

2.3 竖向连接设计

在装配式建筑中，剪力墙结构的设计包含了竖向连接设计，只有全面做好竖向连接设计，才能提高剪力墙结构的稳定性，消除安全隐患。当前，剪力墙结构的竖向连接设计主要包含机械连接、套筒灌浆连接、浆锚连接等方式。其中，机械连接方式主要利用了带肋钢筋和连接接头之间的摩擦力，能够起到良好的连接效果。在具体的设计当中，设计人员需要高度重视钢筋材料的优化使用，设计规格粗大的钢筋，同时对相应的套筒材料进行搭配，确保后期施工能够取得理想的连接效果，避免出现不稳定、不协调的问题。在预制装配剪力墙结构的上下层连接方面，设计人员需要运用半刚性的连接手段，保证剪力墙结构的完整性，防止上下层出现偏差。

2.4 水平连接设计

作为装配式建筑结构剪力墙结构的设计人员，除了要做好竖向连接设计之外，还需要重点做好水平连接设计，避免水平连接出现问题。在具体的设计当中，设计人员需要关注钢筋的搭接方式，充分考虑剪力墙结构在后续施工中的要求，降低施工难度。当前，“水平钢筋预留直线锚固”是一种常见的水平连接设计，设计人员需要结合构件的特点，合理设置钢筋材料，确保水平连接形成良好的咬合效果，提高水平连接的稳定性。此外，在水平连接设计方面，设计人员还需要关注钢筋锚固长度不足的问题，结合剪力墙水平连接的需求以及整体的结构参数，科学配置钢筋锚固。

2.5 叠合板设计

对于装配式建筑结构而言，叠合板式混凝土的连接方式能够有效提高装配式建筑整体的抗震性能，增强建筑的稳定性。在剪力墙结构的设计方面，设计师必须高度重视叠合板设计。叠合板设计必须考虑预制板的接缝长度、结构，设计人员需要充分掌握这些内容，做好单向板、双向板的规划，完成具体的设计方案。通常情况下，从预制板的接缝节点来说，接缝节点有两种，一种是非贯穿节点，另一种是贯穿节点[4]。不同的接缝节点需要采用不同的连接方式，例如，非贯穿节点的情况就可以运用预制板直接完成连接，无需使用钢筋，采用单向板的连接方法；贯穿节点的情况则需要采用浇筑混凝土的方法连接，采用双向板模式。在整个设计过程中，设计人员需要严格计算预制构件的数量，保证剪力墙结构的设计符合工程项目的造价要求，提高装配式建筑工程的经济效益。作为设计人员，需要注意双向板的加筋计算，保证双向板的加筋强度始终低于单向板，运用双向板来设计叠合板，提高设计的科学性。

2.6 抗震设计

剪力墙结构的抗震设计至关重要，抗震设计的目标是确保剪力墙结构在地震中不会受到较大损坏，把损坏程度控制在一定范围内。我国《建筑抗震设计规范》中明确规定了建筑物的抗震设计目标，可以简单概括为“小震不坏，中震可修、大震不倒”。作为设计人员，需要深入研究抗震设计规范，从多个方面开展建筑抗震设计。对于装配式建筑结构而言，剪力墙结构的稳定性决定了整个工程的抗震性能，为此，设计人员需要高度重视剪力墙结构的抗震设计，提高整个结构体系的安全性。在设计过程中，设计人员需要对建筑工程项目所在区域开展调查，掌握区域内的地震加速度、地震周期、地质条件等，综合确定建筑场地的地震特性，了解该区域对建筑工程项目提出的抗震设防烈度，从而明确剪力墙结构设计的要求，做好细节设计。作为设计人员，需要在剪力墙结构的抗震设计中计算剪力墙结构的振型及周期，综合衡量结构性能，有效控制结构的扭转效应。此外，设计人员还需要考虑楼层剪力以及倾覆弯矩、剪力墙结构的位移比，从多个方面开展抗震设计，全面提高剪力墙结构的抗震性能。

3 装配式建筑中剪力墙结构的具体运用

3.1 SW 建筑体系的运用

SW 是Sandwich Wall 的缩写，在装配式建筑结构的设计中，SW 建筑体系比较新颖，具有低能耗、保温性能高、防火性良好的特征，实际应用比较广泛。在SW 建筑体系中，夹膜喷涂混凝土夹芯剪力墙是整个结构中最主要的受力部位，中间的夹层部分需要应用保温板，然后设计双面的钢丝网架，将中间夹层的保温板和两侧的混凝土连接起来。SW 建筑技术需要提前预制好钢网夹芯板，混凝土部分的施工需要分两次进行。在第一次施工中，施工人员需要在夹芯板的表面喷涂一层混凝土，从而形成夹芯剪力墙，第二次则需要采取夹模后浇的方法，在夹芯墙的两端完成混凝土浇筑[5]。当前，很多别墅、民居、多层建筑中都使用了SW 建筑技术，该技术要求建筑高度≤24m，能够有效提高建筑的抗震要求，应用前景十分广阔。

3.2 WZ 建筑体系的应用

WZ 体系是指钢筋网架——混凝土组合结构夹芯板剪力墙结构节能建筑体系，技术核心是运用具有钢筋——混凝土正交平面桁架式组合网架结构的承重抗剪多功能WZ 板（聚苯乙烯夹心板）作为楼板和墙板，构建出具有组合网架夹心剪力墙结构的建筑。WZ 体系不用粘土砖，能够大幅度提高建筑物的节能效果，降低建筑物的造价。在装配式建筑结构的剪力墙结构设计中，设计人员可以应用WZ 建筑体系，该建筑体系具有整体性高、抗震性强、自重轻等特点，在应用过程中具有较高的工业化水平，适应装配式的施工方式。在WZ 建筑体系中，WZ复合墙夹芯层和混凝土板能够通过正交桁架的钢筋网架结构实现连接，然后再进行混凝土浇筑，使网架当中的弦杆方格相互连接，形成复合墙板结构。为进一步提高WZ 复合墙的承载力和稳定性，设计人员可以在WZ 复合墙的基础上应用碳纤维增强锥形蜂窝网格夹芯墙，优化WZ 建筑体系的运用效果。当前，WZ 建筑体系主要应用于低层、多层、小高层、高层建筑当中，大约可以降低30%的造价。

3.3 CL 结构体系复合剪力墙的运用

CL 建筑结构体系是“Composite Light-weight building system”的缩写，也被称为复合保温钢筋焊接网架混凝土剪力墙，这种建筑结构由钢丝网架保温夹芯板和混凝土土层组成，是一种抗震性能良好的剪力墙结构体系。针对装配式建筑的剪力墙结构设计而言，设计人员可以使用CL 结构体系复合剪力墙。在该结构体系中，CL 网架板是主要的承重构件，石膏板代替了以往的钢模板和抹灰，内隔墙部分使用石膏空心砌块砌筑，承载力较高。CL 结构体系保温墙的耐久性良好，建筑保温的寿命较长，可以解决当前外挂保温层技术、外墙粘贴保温层技术存在的问题，防止保温层出现裂缝、空鼓、渗漏、脱落等问题。

4 优化装配式结构中剪力墙结构设计的实践路径

4.1 预制装配式框架结构设计

在装配式建筑结构中，框架结构体系至关重要。通常情况下，框架结构的质量比剪力墙结构的质量要轻，材料运输比较方便，预制叠合梁、预制叠合板等框架结构都是从工厂流水线中生产出来的，标准化程度较高，在现场施工中，施工人员只需进行焊接和浇筑，就可以完成整个框架施工。在框架结构设计中，设计人员需要高度关注焊接设计，充分考虑焊接部分能够承受的压力，结合不同位置选取不同的焊接技术。为保证框架结构的承载力，设计人员还需要重视轴力、剪力的设计，做好计算工作。此外，框架结构设计还需要增强整体结构的平整性，设计人员需要让框架内部结构中梁、柱的中心线处于同一平面当中，在梁和柱的交接处用刚接点的方法进行交接，这样可以进一步提高结构的稳定性。

4.2 预制装配剪力墙结构设计

预制装配剪力墙结构是建筑物的主要受力结构，包含了剪力墙和梁板部分。在当前的剪力墙结构中，全预制剪力墙和半预制剪力墙是主要的结构形式，设计人员需要在剪力墙结构设计中遵循《建筑抗震设计规范》以及《高层建筑混凝土结构技术规程》，结合建筑物的整体需求，对剪力墙的位置进行设计，合理安排横纵结构，用预制轻质填充物或预制承重板设计内部墙体。另外，设计人员还需要对竖向的抗侧力构件进行设计，将浇筑连接带和受力钢筋浆锚融为一体，增强结构设计的稳定性、整体性。为提高剪力墙结构的抗震能力，设计人员需要高度重视构件的连接设计[6]。例如，当同一楼层的建筑施工中出现了预制剪力墙、现浇剪力墙，设计人员就必须优化抗震设计，通过公式对剪力墙水平接缝的承载力进行计算，提高剪力墙结构的抗震性能。

4.3 开展装配式建筑立面设计

在装配式建筑结构的设计中，设计人员需要遵循整体性的设计原则，将框架设计、剪力墙设计、建筑立面设计结合起来，提高建筑结构的整体设计效果。在装配式建筑立面的设计中，设计人员需要让水平和垂直方向的结构互相组合起来，在水平结构中将外墙分割开，在垂直结构当中高度重视凸出的预制构件，设计好外部的细节，发挥预制构件的作用。在装配式建筑立面设计方面，设计人员不但要提高施工的合理性，还要对设计环节进行全方位管理，不断优化立面设计方式，使建筑物符合新时代人们的审美需求。

5 结论

综上所述，剪力墙结构在装配式建筑中非常重要，设计人员需要科学使用剪力墙结构的设计方法，应用SW 建筑体系、WZ 建筑体系、CL 结构体系，对装配式建筑的框架结构、剪力墙结构、建筑立面等进行优化设计，提高建筑结构的稳定性。在实际的设计工作中，设计人员需要科学计算预制墙水平缝受剪承载力，对预制构件进行设计，做好竖向设计和水平设计等，将设计工作落实到位。