探究裝配式建筑結(jié)構(gòu)設計中的剪力墻結(jié)構(gòu)設計

張書娜ZHANG Shu-na；劉洋LIU Yang；崔立杰CUI Li-jie

（河北科技工程職業(yè)技術大學，邢臺054035）

0 引言

在我國城市化水平快速發(fā)展的今天，建筑行業(yè)的發(fā)展尤為迅速，各城市的工程建設以雨后春筍般的速度進行著。隨著人們安全防范意識的提升，房屋結(jié)構(gòu)的施工質(zhì)量始終作為人們重點關注的問題。如何提升裝配式房屋建筑在結(jié)構(gòu)上的安全性、耐用性以及經(jīng)濟性，已成為工程建筑公司在施工過程中亟需解決的問題。因此，在裝配式房屋建筑結(jié)構(gòu)中采用剪力墻結(jié)構(gòu)，可以有效的保障其結(jié)構(gòu)安全性、耐用性、經(jīng)濟性，有效的保證了人們的生命財產(chǎn)安全。

1 裝配式建筑結(jié)構(gòu)的優(yōu)勢

第一，有效降低了企業(yè)的施工成本。裝配式建筑結(jié)構(gòu)與傳統(tǒng)的施工建筑相比，其在建筑過程中大量使用重量較輕的墻板，方便施工人員進行施工作業(yè)，由于該墻板價格低廉，拆裝方便，提高了施工作業(yè)的便利性，極大的降低了施工成本，提高了施工企業(yè)的經(jīng)濟效益。第二，提高施工效率，縮短施工影響周期。裝配式建筑結(jié)構(gòu)在房屋施工過程中，在保證房屋施工質(zhì)量的同時，可以有效的提高施工時間，縮短施工周期，提升施工效率，進一步縮短對周邊環(huán)境的影響，提升施工企業(yè)的綜合影響力。第三，施工技術的簡單化。裝配式建筑結(jié)構(gòu)在構(gòu)造上采用模塊式的裝配結(jié)構(gòu)，在施工過程中，施工人員按其模塊結(jié)構(gòu)進行裝配，進一步降低了對施工人員的技術要求，提高了施工人員施工效率。裝配式建筑結(jié)構(gòu)對施工人員數(shù)量進行有效的控制，在確保施工質(zhì)量的同時，對現(xiàn)場的施工安全進行有效的把控，向綠色建筑發(fā)展邁向重要的一步。

2 裝配式建筑結(jié)構(gòu)應用現(xiàn)狀介紹

在我國裝配式房屋建筑中分為：鋼結(jié)構(gòu)裝配式建筑和混凝土結(jié)構(gòu)裝配式建筑兩種，現(xiàn)對以下兩種裝配式房屋建筑的應用現(xiàn)狀進行介紹。

2.1 鋼結(jié)構(gòu)裝配式建筑

第一，鋼結(jié)構(gòu)裝配式建筑能較好應用在大跨度的房屋結(jié)構(gòu)中，由于鋼本身具有較強的抗壓、抗拉特性。在房屋建筑中，大跨度結(jié)構(gòu)采用鋼結(jié)構(gòu)裝配，可以有效的保障房屋在空間布置上的靈活性，實現(xiàn)房屋在空間上的最大化利用。比如，鋼結(jié)構(gòu)裝配式建筑普遍應用于大型的展覽館、體育場等大跨度的房屋結(jié)構(gòu)中。第二，在房屋施工周期較短的大型房屋建筑中，大多采用鋼結(jié)構(gòu)裝配。由于鋼結(jié)構(gòu)裝配在施工過程中周期較短、方便快捷、效率高，多用于廠房、倉庫等大型房屋建筑中。第三，由于鋼結(jié)構(gòu)裝配在施工過程中基礎造價相對較低，其自身結(jié)構(gòu)輕，抗震性能較好，在多數(shù)高層房屋建筑中普遍采用鋼結(jié)構(gòu)裝配。然而，鋼結(jié)構(gòu)裝配式由于鋼本身不耐火，在房屋建筑中，其保溫、防腐、防火等施工工藝相對復雜，在裝配式房屋建筑中，特別是高層建筑中存在一定的弊端難以解決。

2.2 混凝土結(jié)構(gòu)裝配式建筑

混凝土結(jié)構(gòu)裝配式建筑分為裝配整體式和全裝配式。二者在其施工過程中，需人工對現(xiàn)澆混凝土結(jié)構(gòu)進行處理，其主要施工步驟為：先選取合適的豎向構(gòu)件，通過漿錨搭接或套筒灌漿的方式與豎向構(gòu)件連在一起，將提前預制的梁和板安裝在其上方，促使其節(jié)點混凝土和澆筑梁板的疊合層共同形成整體的裝配式結(jié)構(gòu)，從而形成了混凝土結(jié)構(gòu)裝配式。在施工過程中，為了提升裝配結(jié)構(gòu)的成功率，提升整體的施工進度及施工效率，對一些不是結(jié)構(gòu)構(gòu)件的施工，往往對其結(jié)構(gòu)也采用裝配式施工，例如，預制的衛(wèi)浴、預制的樓梯、預制的墻板等。目前，全裝配式的混凝土結(jié)構(gòu)由于施工難度相對較高，在我國建筑施工中應用較少，而裝配整體式則在我國應用范圍較廣。然而，由于混凝土結(jié)構(gòu)裝配式建筑施工步驟相對繁瑣，對施工人員的施工技術有一定的要求，從而提高了人工施工成本，降低了施工企業(yè)經(jīng)濟效益。

3 裝配式建筑結(jié)構(gòu)的設計要點分析

第一，在裝配式建筑結(jié)構(gòu)的設計過程中，其設計在現(xiàn)場施工時的可行性及日后使用過程中的可用性，才是裝配式建筑結(jié)構(gòu)的設計重點。房屋建筑要實現(xiàn)其質(zhì)量的安全性和使用過程中的功能性，要求在設計時本著精細化、專業(yè)化、規(guī)范化的設計理念，將建筑物的優(yōu)勢發(fā)揮到極致。同時，在設計時也要充分考慮其能耗的消耗，合理控制建筑的高度，對其結(jié)構(gòu)的復雜性和不規(guī)則性控制在規(guī)范的范圍內(nèi)。在設計裝配式建筑結(jié)構(gòu)初期時，應對其結(jié)構(gòu)布置、使用的建筑材料等進行綜合考慮，設計多個建筑方案，然后通過經(jīng)濟性、安全性、使用性等方面進行綜合對比，選取最優(yōu)方案。另外，還要對設計方案按照國家標準參數(shù)進行精確對比，使其在各方面符合國家標準，最大程度上確保設計方案在施工過程中，避免出現(xiàn)不可控的風險。

第二，在設計裝配式建筑結(jié)構(gòu)初始規(guī)劃階段，要統(tǒng)籌設計公司、建設公司、監(jiān)理公司的關系著手，綜合考慮裝配式建筑項目的經(jīng)濟性、安全性、使用性。首先制定合理、規(guī)范的總體規(guī)劃，按照總體規(guī)劃要求，制定規(guī)范化、標準化的設計方案，根據(jù)方案內(nèi)容設計處預制構(gòu)件，并按照預制構(gòu)件的不同特點、裝配效率、構(gòu)件類型進行生產(chǎn)，從而滿足房屋建筑的施工需求。

第三，裝配式建筑結(jié)構(gòu)預制件的設計要考慮現(xiàn)場需求進行設計。一是，在房屋建筑的樓板施工過程中，若現(xiàn)場搭設腳手架時，其結(jié)構(gòu)件要考慮使用水平構(gòu)件預制技術，從而有效的降低了施工成本。二是，當外墻采用保溫裝飾一體化結(jié)構(gòu)時，應盡量降低外墻腳手架的使用次數(shù)，節(jié)約人力成本。三是，對承重內(nèi)墻及非承重內(nèi)墻采用預制方式進行施工。因此，在初期設計裝配式建筑結(jié)構(gòu)預制件時，要制定多個設計方案，從中對建筑選材、結(jié)構(gòu)件框架、設計類型、結(jié)構(gòu)類型等方面進行技術對比和論證，按照經(jīng)濟性、安全性、使用性原則，采用最優(yōu)的設計方案，從整體上把控施工成本，提高企業(yè)的經(jīng)濟效益。

4 剪力墻結(jié)構(gòu)介紹

剪力墻結(jié)構(gòu)按其性能，又被稱為抗震墻、擋風墻以及結(jié)構(gòu)墻，其主要是指：在房屋建筑中，為了保持建筑物在結(jié)構(gòu)上水平力的平衡，其房屋內(nèi)力主要由鋼筋混凝土承載著，鋼筋混凝土板在承載建筑物的水平及豎向力形成的結(jié)構(gòu)剪力墻，而結(jié)構(gòu)剪力墻就是剪力墻結(jié)構(gòu)。在現(xiàn)代化房屋施工過程中，剪力墻結(jié)構(gòu)作為基礎的墻體結(jié)構(gòu)，得到了普遍的運用。剪力墻結(jié)構(gòu)在房屋建筑中分別承載著各種豎向載荷量和水平荷載量。同時與樓板和墻體作為建筑的主要受力結(jié)構(gòu)，并作為建筑物重要的支撐性結(jié)構(gòu)。在建筑物未被拆除之前，該結(jié)構(gòu)嚴禁被破壞和拆除。經(jīng)過無數(shù)次的實踐證明，剪力墻結(jié)構(gòu)有效提升了建筑物的整體性能，能較好完成各種承載力試驗。因此，剪力墻結(jié)構(gòu)有效提升了建筑物的穩(wěn)定性和支撐性。同時，剪力墻結(jié)構(gòu)可以極大的降低建筑物的鋼材使用量，緩解企業(yè)的用料成本，提高企業(yè)的經(jīng)濟效益。

5 剪力墻結(jié)構(gòu)的分類

剪力墻結(jié)構(gòu)按照建筑物的地質(zhì)情況、需求差異不同，根據(jù)其結(jié)構(gòu)和形式可以分為不同的類別。第一，建筑物在支撐上要求一般級別時，剪力墻結(jié)構(gòu)可以設計為整面的墻體，從而達到建筑物抗剪的效果。在將整面的墻體設計為剪力墻結(jié)構(gòu)時，為了使其達到抗剪效果，必須將整面墻的85%以上的面積設計為剪力墻結(jié)構(gòu)，再將外包線設計為拋物線的類型，以實現(xiàn)墻體能夠承載建筑物的豎向載荷，防止墻體的彎曲和變形。第二，在剪力墻上開設孔洞時，該孔洞在50%以下時，需要將孔洞設計為帶狀，各孔洞要均勻分布在墻體。為了提高建筑物墻體的穩(wěn)定性和耐用性，需將墻體的雙肢進行加固處理，并使其符合抗扭曲和抗彎曲的施工要求。第三，在處理一些整體以四邊框的方式呈現(xiàn)抗剪力時，墻體本身容易出現(xiàn)易變性及不穩(wěn)定性，遇到這種情況時，需要在設計施工時均勻加入連梁，提高墻體的穩(wěn)定性。

6 建筑物采用剪力墻結(jié)構(gòu)設計的原則

隨著剪力墻結(jié)構(gòu)在建筑行業(yè)的普遍應用，有效的提高了建筑物的安全性和經(jīng)濟性。在建筑物設計時，采用剪力墻結(jié)構(gòu)設計應遵循以下原則。第一，分析墻體受力情況。在設計建筑物的剪力墻結(jié)構(gòu)時，要先分析墻體整體的受力情況，其作為整體的平面結(jié)構(gòu)，在承受水平方面的彎矩和剪力時，還承載著建筑物的豎向負荷。因而，需對墻體的整體受力情況進行詳細分析，從而更好的發(fā)揮剪力墻結(jié)構(gòu)的作用。第二，采用平面內(nèi)連接，杜絕平面外連接。在建筑物墻體設計時，要充分考慮到在同一個平面上，剪力墻結(jié)構(gòu)的承載力和剛度是很大的。然而，當平面外剪力墻結(jié)構(gòu)的承載力和剛度則是相反的。當剪力墻和墻面外的梁體處在連接的位置時，該位置由于承載力和剛度的不足，很容易出現(xiàn)墻體外彎的現(xiàn)象發(fā)生。對于一般房屋建筑而言，往往會忽略該平面外的承載力和剛度，房屋建筑墻體的承載力出現(xiàn)不足的情況，從而導致房屋建筑出現(xiàn)嚴重的安全隱患。因此，為了防止該隱患的發(fā)生，在設計剪力墻結(jié)構(gòu)時，應采用平面內(nèi)連接，杜絕平面外進行連接。在特殊情況下，建筑物需要對剪力墻平面外進行連接，當完成該連接后，需要嚴格按照施工作業(yè)標準，對連接處進行加固，確保剪力墻平面外連接處的安全性、穩(wěn)固性。第三，合理調(diào)整連梁超限問題。在剪力墻結(jié)構(gòu)施工時，剪力墻的連梁跨高往往會超出參數(shù)值2.5。為了防止墻體剪力或者彎矩超出安全值，當連梁跨高結(jié)構(gòu)等于或超過參數(shù)值5時，要嚴格按照墻體框架標準，重新設計其結(jié)構(gòu)，但不能折減連梁的剛度。當連梁跨高結(jié)構(gòu)在參數(shù)值5和6之間時，則按照現(xiàn)場實際情況折減連梁的剛度，避免墻體出現(xiàn)剪力超限和彎矩。

7 剪力墻結(jié)構(gòu)長度和厚度的選用事項

在房屋建筑中，剪力墻結(jié)構(gòu)的長度和厚度與其結(jié)構(gòu)的承載力有相輔相成的關聯(lián)，在剪力墻結(jié)構(gòu)施工過程中，要尤其重視其結(jié)構(gòu)的長度和厚度的選用。第一，剪力墻結(jié)構(gòu)長度的選用。剪力墻結(jié)構(gòu)長度即是剪力墻強肢的長度，主要是指：剪力墻結(jié)構(gòu)的截面高度的參數(shù)，其參數(shù)直接影響著房屋建筑的安全性和穩(wěn)定性。在設計過程中，剪力墻強肢的長度一般會選取在八米內(nèi)。但是，為了防止墻體出現(xiàn)損壞和保證其結(jié)構(gòu)的延伸效果，將剪力墻的高度和寬度按比例進行對比，對其相差比較明顯的位置采用彎曲的設計方案，導致在現(xiàn)場施工中出現(xiàn)了延伸性剪力墻結(jié)構(gòu)，這樣可以有效的防止其彎曲對建筑物墻體的損壞。第二，剪力墻結(jié)構(gòu)厚度的選用。在房屋建筑的設計結(jié)構(gòu)中，剪力墻結(jié)構(gòu)厚度要根據(jù)柱形受力和受力結(jié)構(gòu)的特點進行選用，當出現(xiàn)其長度和寬度比較大時，要求施工人員要十分重視指標的選用。在我國建筑物抗震的相關規(guī)定中：剪力墻結(jié)構(gòu)應根據(jù)現(xiàn)場情況加大墻體的厚度，但墻體厚度應根據(jù)房屋建筑的高度來制定。在房屋建筑結(jié)構(gòu)設計中，也要根據(jù)現(xiàn)場實際情況進行確定，從而更準確的確定剪力墻結(jié)構(gòu)的強肢軸壓比值，在保證剪力墻結(jié)構(gòu)厚度的同時，增加建筑物的美觀。

8 建筑結(jié)構(gòu)中剪力墻結(jié)構(gòu)設計方法

8.1 加大現(xiàn)場調(diào)查，做好墻體保溫設計

在房屋建筑的剪力墻結(jié)構(gòu)設計中，從結(jié)構(gòu)性能控制的方面分析其保溫設計，要求房屋設計公司應加大現(xiàn)場的調(diào)查工作，做好墻體保溫的設計，并做好該結(jié)構(gòu)的保溫控制工作。房屋設計公司在進行現(xiàn)場調(diào)查時，應根據(jù)業(yè)主的實際需求，結(jié)合施工現(xiàn)場的氣候環(huán)境、地理環(huán)境以及房屋建筑的規(guī)劃用途出發(fā)，對現(xiàn)場情況進行調(diào)查。在獲取最基礎的調(diào)查數(shù)據(jù)后，對房屋建筑結(jié)構(gòu)進行保溫設計。從而，有效保障剪力墻結(jié)構(gòu)設計中基礎結(jié)構(gòu)設計的準確性，以及房屋建筑在功能結(jié)構(gòu)方面的全面性。

8.2 對剪力墻結(jié)構(gòu)設計細節(jié)進行優(yōu)化

第一，對邊緣構(gòu)件進行優(yōu)化性約束管理。做好邊緣構(gòu)件的管理工作，能有效的對剪力墻結(jié)構(gòu)的承載力進行優(yōu)化。比如，對邊緣構(gòu)件的40%進行優(yōu)化管理，可以有效的提高剪力墻的承載力；對邊緣構(gòu)件的20%進行優(yōu)化管理，可以有效的提高房屋建筑的抗震性。因此，在對剪力墻結(jié)構(gòu)進行設計時，要選用性能較好的邊緣構(gòu)件。比如，在其邊緣構(gòu)件的設計和選用上應采用以下方法：當構(gòu)件底部的軸壓比未能符合規(guī)范要求時，要及時添加其構(gòu)造的邊緣構(gòu)件；當構(gòu)件底部的軸壓比超過規(guī)范要求時，對構(gòu)造的邊緣構(gòu)件進行優(yōu)化管理，從而實現(xiàn)邊緣構(gòu)件的最優(yōu)化。第二，對剪力墻結(jié)構(gòu)進行性能和強度的優(yōu)化管理。在剪力墻結(jié)構(gòu)設計中，要嚴格根據(jù)國家規(guī)范標準對其優(yōu)化管理，確保配筋率符合規(guī)范標準。同時，也要結(jié)合房屋建筑的抗震性，優(yōu)化管理剪力墻邊緣構(gòu)件的實際數(shù)量，更好的優(yōu)化房屋建筑的實用性能。第三，對剪力墻結(jié)構(gòu)做好延性設計的優(yōu)化管理。在對其進行延性優(yōu)化設計時，應采用對稱設計、均衡布置的措施，提高裝配式建筑剪力墻結(jié)構(gòu)在性能上的安全性和穩(wěn)定性。

8.3 優(yōu)化建筑中剪力墻結(jié)構(gòu)的拆分設計

在設計高層房屋建筑時，對剪力墻結(jié)構(gòu)拆分設計時，不能拆分剪力墻底部加強區(qū)的墻體。由于房屋底部加強區(qū)的抗震性能標準比較高，從而安裝了約束邊緣構(gòu)件，其配筋也相對較高；而底部加強區(qū)及以上的位置，已到了標準層區(qū)域，其墻體的構(gòu)造配筋配比相對統(tǒng)一且較低，在對剪力墻結(jié)構(gòu)拆分時，可在該區(qū)域進行墻體拆分。同時在墻體拆分時，應注意避開建筑結(jié)構(gòu)中保溫層，可對剪力墻結(jié)構(gòu)的外墻進行拆分，避免施工過程中不必要的火災發(fā)生。另外，在安裝預制外墻過程中，無需使用整體腳手架、大型施工爬架等設備，選用簡單的安裝支架就可以完成其安裝需求。對預制帶洞口的剪力墻進行拆分時，要注意該洞口兩側(cè)的墻體寬度滿足200mm及以上。若洞口設計為門洞時，為了確保剪力墻墻體在吊裝、運輸期間的穩(wěn)定性，對門洞臨時安裝型鋼進行固定。建筑設計師通常會使用結(jié)構(gòu)軟件，對預制墻體水平接縫的承載力進行電腦計算。然而在設計期間，設計師會根據(jù)實際的配筋進行人為調(diào)整，調(diào)整后再根據(jù)規(guī)范標準進行修改。

8.4 對剪力墻結(jié)構(gòu)設計進行優(yōu)化定位

在剪力墻結(jié)構(gòu)設計過程中，要優(yōu)化剪力墻的布置方式，首先要提高剪力墻結(jié)構(gòu)在設計時的安全性能和穩(wěn)定性能。根據(jù)現(xiàn)場情況，提高房屋建筑的側(cè)向剛度，采用兩主軸方向等穩(wěn)的方式進行雙向布置。要按照國家規(guī)范標準對剪力墻進行布置，同時要滿足其質(zhì)心及剛心的要求，從而更好的控制墻體扭矩。另外，應把控好內(nèi)外剪力墻的垂直設計，在把控設計中做到清晰、簡單，防止在剪力墻設計中出現(xiàn)繁雜的肢截面，做到符合房屋建筑的實際需求即可，也要避免在設計中發(fā)生上、下層突變剛度的現(xiàn)象。剪力墻結(jié)構(gòu)中的洞口問題，應按照規(guī)范化標準進行優(yōu)化，對門窗洞口的布置要做到上下對稱、成列的方式設計，構(gòu)成連梁和墻肢，并且布置洞口時，墻肢剛度要防止出現(xiàn)差距較大現(xiàn)象。另外，也要布置好剪力墻中內(nèi)收與外挑之間的距離。

8.5 優(yōu)化抗震結(jié)構(gòu)的設計工作

在剪力墻結(jié)構(gòu)的抗震設計中，要從房屋建筑的安全性和穩(wěn)定性出發(fā)，嚴格按照國家規(guī)范進行設計。在后期施工過程中，嚴格按照設計方案進行施工，發(fā)現(xiàn)設計缺陷時，及時整改，提高施工質(zhì)量。在設計公司進行設計期間，設計人員應根據(jù)建筑的抗震結(jié)構(gòu)，并結(jié)合控制軸壓比、應力計算、彈性剛度提升的方法，提高剪力墻結(jié)構(gòu)之間應力的穩(wěn)定性及均衡性，從而更好的實現(xiàn)建筑結(jié)構(gòu)的抗震性能，提高其工程質(zhì)量的安全性與穩(wěn)定性。

9 結(jié)束語

在裝配式建筑結(jié)構(gòu)設計及剪力墻結(jié)構(gòu)設計中，應確定不同的設計重點，以及科學規(guī)范的設計理念，提升剪力墻結(jié)構(gòu)設計工作的科學性、嚴謹性，從而更好的實現(xiàn)剪力墻結(jié)構(gòu)的設計目標。因而，在日后的設計中應始終將安全性、穩(wěn)定性放在首要位置，綜合考慮經(jīng)濟性、持續(xù)性等因素，確保建筑工程健康、有序的發(fā)展。