林永洪

寧夏中房實業(yè)集團有限公司

1 引言

根據(jù)綠色建筑理念對高層建筑的剪力墻結(jié)構(gòu)實施優(yōu)化設(shè)計，其核心在于在符合建筑使用功能與結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)體系施工實際碳排量。對于高層建筑，其結(jié)構(gòu)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(shù)和頂點位移等。為高層建筑的剪力墻結(jié)構(gòu)實施以綠色建筑理念為基礎(chǔ)的優(yōu)化設(shè)計，能使優(yōu)化以后得到的方案充分體現(xiàn)出綠色環(huán)保性、安全性及經(jīng)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(nèi)，對資源進行最大限度的節(jié)約，例如土地資源、水資源、建筑材料等，對環(huán)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(tài)環(huán)境以及資源產(chǎn)生的干擾，盡可能地實現(xiàn)對自然資源的高效節(jié)約。其室內(nèi)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(jié)省，為居住人員營造一種與自然親近的氛圍。其主要目標(biāo)在于實現(xiàn)人、建筑與自然環(huán)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(huán)境的基礎(chǔ)上，對自然環(huán)境的破壞與使用要盡可能地控制和減少，全面呈現(xiàn)向大自然索取以及回報之間的平衡。以綠色環(huán)保為基礎(chǔ)的建筑，不僅可以滿足人們?nèi)找嬖鲩L的住房需求，還可以實現(xiàn)與自然生態(tài)環(huán)境和諧相處的優(yōu)越性。綠色環(huán)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(huán)境中，而是對居住環(huán)境要求是無害化，而綠色建筑則完美地將生態(tài)友好和環(huán)境保護的概念推向了極致。為促進資源與環(huán)境的可持續(xù)發(fā)展，國家也花費了更多的時間以及精力，對綠色建筑行業(yè)的發(fā)展以及進步進行高度關(guān)注。

2.2 剪力墻

在建筑設(shè)計的過程中需要對整個工程的基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)進行建設(shè)，保證這一建筑結(jié)構(gòu)的平衡與穩(wěn)固，這時剪力墻的設(shè)計應(yīng)運而生。由于這一設(shè)計具有較強的支撐力，能夠在一定程度上減緩強風(fēng)，地震等對于建筑結(jié)構(gòu)的影響。因此，在實踐中的應(yīng)用越來越多，建筑工程也就具備了更加穩(wěn)定的特點，工程質(zhì)量得以保證。此外，這一設(shè)計的應(yīng)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(jié)構(gòu)是，用鋼筋混凝土墻板來代替框架結(jié)構(gòu)中的梁柱，能承擔(dān)各類荷載引起的內(nèi)力，并能有效控制結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)稱為剪力墻結(jié)構(gòu)。剪力墻在實踐中的具體應(yīng)用應(yīng)當(dāng)根據(jù)工程的不同特點與需求進行不同的設(shè)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(yīng)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(wěn)定性能強。只有滿足上述情況，才能在實踐中應(yīng)用剪力墻時不進行開洞設(shè)計。對于后者而言，在實踐中的應(yīng)用又分為不同的幾種情況：第一，開口較小的設(shè)計；第二，進行多個開口設(shè)計并且規(guī)律分布的設(shè)計；第三，開口最大的設(shè)計。不同的設(shè)計需要通過具體的工程需求進行設(shè)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(shè)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(cè)，天平街西側(cè)，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(yè)網(wǎng)點、社區(qū)辦公用房、物管用房。地下一層為停車場，局部為設(shè)備用房。

（1）優(yōu)化模型參數(shù)。

表1

（2）優(yōu)化結(jié)構(gòu)布置。按原設(shè)計計算模型，結(jié)構(gòu)布置存在以下可調(diào)整之處：①原設(shè)計部分梁上線荷載輸入值為9kN∕m，輸入值偏大，增加結(jié)構(gòu)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(wèi)生間、廚房等；③原設(shè)計小墻肢偏多，小墻肢均為邊緣構(gòu)件，配筋較多，且抗側(cè)效率較低，不經(jīng)濟；④原設(shè)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(yōu)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(yīng)根據(jù)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(diào)整為100mm；③調(diào)整墻體布置，提高墻體利用率，盡量取消小墻肢，減少邊緣構(gòu)件數(shù)量，減少鋼筋；④除底部加強區(qū)及其上一層外，調(diào)整后混凝土整墻墻厚均為180mm，既減輕結(jié)構(gòu)自重，又節(jié)約混凝土用量。

通過模型參數(shù)、結(jié)構(gòu)布置、荷載取值對原設(shè)計模型進行了優(yōu)化。

表2 為調(diào)整前后整體計算指標(biāo)對比

（3）優(yōu)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(shè)計基礎(chǔ)底板厚度為1.0m，筏板自墻邊外挑0.5m。

原設(shè)計1#、4#、10#樓采用CFG樁復(fù)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(fù)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(shù)為0.97，換填后承載力特征值為330kPa。

原設(shè)計1#、4#、10#樓采用CFG樁復(fù)合地基，3#、9#樓采用換填，原設(shè)計地基方案的造價高，工期長。

3.2 初步優(yōu)化設(shè)計

基于綠色建筑理念對高層建筑剪力墻結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化設(shè)計的過程中，因為設(shè)計關(guān)聯(lián)的變量諸多，與此同時不同設(shè)計變量以及結(jié)構(gòu)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(guān)系，為此，通常要進行反復(fù)調(diào)整才能達到降低碳排量這一實際目標(biāo)。在此基礎(chǔ)上，就高層建筑剪力墻結(jié)構(gòu)來說，需要在分析以及校核的同時進行綜合和優(yōu)先選擇。在優(yōu)化設(shè)計高層建筑中剪力墻結(jié)構(gòu)數(shù)量以及布置形式后，能夠在符合各項規(guī)范要求的前提下，對結(jié)構(gòu)體系施工出現(xiàn)的碳排量進行減少，從而促使結(jié)構(gòu)體系實現(xiàn)綠色，提升結(jié)構(gòu)體系綠色度?；诰G色建筑理念，對高層建筑剪力墻結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化設(shè)計過程中，需對適當(dāng)?shù)牟季中问胶蛿?shù)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(dāng)減少結(jié)構(gòu)內(nèi)部部分剪力墻的實際長度。

3.3 二次優(yōu)化設(shè)計

通過對原模型的優(yōu)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(jié)構(gòu)實施了布置形式與數(shù)量上的優(yōu)化。在原模型中剪力墻結(jié)構(gòu)布置形式與數(shù)量都保持不變的基礎(chǔ)上，對標(biāo)準(zhǔn)層中剪力墻結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)厚度分別為300mm、250mm、220mm和200mm，在這四個模型當(dāng)中，以厚度為250mm的模型作為原模型。根據(jù)計算結(jié)果可以看出，伴隨剪力墻結(jié)構(gòu)厚度不斷減小，剪力墻結(jié)構(gòu)剛度不斷減小，施工產(chǎn)生的碳排量也隨之減少，而且結(jié)構(gòu)抗震性能依然可以滿足規(guī)范提出的要求。比如，相較于原模型，剪力墻結(jié)構(gòu)厚度為200mm的模型，其碳排量進一步減少?？梢姡m當(dāng)減小墻厚能起到減少剪力墻結(jié)構(gòu)施工產(chǎn)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(jié)構(gòu)體系具體布置形式及數(shù)量的優(yōu)化以后，剪力墻依然有一定優(yōu)化空間，因此應(yīng)在新模型基礎(chǔ)上實施二次優(yōu)化，而對于二次優(yōu)化的內(nèi)容，以對剪力墻結(jié)構(gòu)厚度和材料強度進行優(yōu)化為主，具體方法為：基于規(guī)范確定的范圍，減小內(nèi)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(dǎo)致局部墻肢實際軸壓比超出限度及部分連梁超筋等設(shè)計問題。同時通過調(diào)節(jié)計算，確保結(jié)構(gòu)體系抗震指標(biāo)達到規(guī)范的要求。采用以上方法對新模型進行優(yōu)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(jù)剪力墻結(jié)構(gòu)厚度及其對結(jié)構(gòu)施工產(chǎn)生的碳排量與性能造成的影響，其標(biāo)準(zhǔn)層剪力墻結(jié)構(gòu)厚度以200mm為主，基于此，根據(jù)試算結(jié)果，對性能無法達到要求的墻肢與連梁應(yīng)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(jié)構(gòu)布置形式與數(shù)量實施優(yōu)化，能減少2.8%左右的碳排量；若只對剪力墻結(jié)構(gòu)厚度實施優(yōu)化，即將剪力墻結(jié)構(gòu)厚度從250mm優(yōu)化到200mm后，能使碳排量的減少程度從9.5%增加至15.0%左右?？梢姡客瓿梢徊絻?yōu)化，都能減少一次碳排量。在剪力墻結(jié)構(gòu)設(shè)計過程中需要考慮很多影響因素，首先，應(yīng)滿足建筑基本使用功能要求，其次，應(yīng)滿足現(xiàn)行技術(shù)規(guī)范提出的所有性能要求。由此可以看出，結(jié)構(gòu)設(shè)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(jié)構(gòu)設(shè)計人員提供可靠參考，需要在綠色建筑理論基礎(chǔ)上制定有效的高層建筑剪力墻結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計途徑。

4 結(jié)束語

土地資源不斷縮小的現(xiàn)況和社會對于生態(tài)環(huán)保理念的高度重視，推動我國的建筑發(fā)展進一步朝著綠色的方向發(fā)展，剪力墻結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計也在中間發(fā)揮了突出的作用。在時代發(fā)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(yōu)勢的剪力墻更廣泛地應(yīng)用到綠色建筑的實際施工過程中去。但是剪力墻的應(yīng)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(yè)的發(fā)展。