剪力墙结构住宅优化设计

文/陈海鹏 北京市建筑设计研究院有限公司 北京 100045

1、前言

剪力墙结构以刚度大、整体性好、用钢量省及便于分割等优点，备受设计者的青睐。开发商在住宅项目的开发中，房屋的单位面积用钢量大小是影响土建造价的决定性因素，最终直接影响经济效益。设计人员在保证设计成果符合结构安全、规范的前提下，做到单位面积钢筋量处于一个合理水平，不仅是设计者的职责，也是衡量设计单位技术水平和市场竞争力高低的重要标志。

2、方案设计

方案设计是一个工程设计开始，同时也是工程造价的决定性阶段。在同一标准的情况下，不同的户型会产生不同的造价；即使看起来相似的户型，不同的方案设计，工程造价也会产生很大的差别。

2.1 建筑方案平面设计

在进行方案平面户型设计时，设计师应充分考虑建筑的功能、业主的要求和外形美观外，同时将结构概念设计融入到方案设计，这是一个重要环节。方案设计师根据结构概念理解，在方案设计中充分考虑结构的合理性，减少一些复杂的造型、立面设计，充分与甲方沟通，做成一个结构合理、造型简洁、美观的建筑，这样就能得到业主的好评，也能节省工程造价。

在方案设计中，不同的平面设计会产生不用的户型布置，将涉及到墙的位置、梁布置的位置，会产生不同工程造价。方案设计过程中，在满足使用功能下，尽量将户型做的简单、规则、对称和减小偏心，这样可以使剪力墙布置合理，使用较少的梁将整个房间分割几个规则的板块，减少暗柱的数量，从而节省用钢量，减少造价。

2.2 建筑方案的竖向设计

方案设计中，竖向设计也是一项节省工程造价重要因素。规范中要求竖向体型宜规则、均匀，避免有过大的外挑和收进；结构侧向刚度宜下大上小，逐渐均匀变化。建筑物的竖向布置规则性和均匀性，对结构的指标影响极大。若竖向不规则出现过大的外挑，出现薄弱层将会增加某些构件的抗震等级，进行内力放大，增大用钢量；过多的不规则有时候还要进行超限审查，将会增加工程的难度和工程造价。反之，规则且竖向比较均匀的建筑，用钢量少，造价少。

3、剪力墙设计

方案设计完成后，进入施工图阶段，剪力墙选择、布置方式及布置位置成为节约用钢量的重要环节。

3.1 剪力墙选择

一般来说，剪力墙的布置位置和布置形式由建筑的平面形状和建筑的高度所决定。层数较少的高层住宅建筑可以采用短肢剪力墙结构体系。对于层数较少的住宅建筑若采用传统的现浇剪力墙结构，由于各墙肢的实际轴压一般会比计算值偏小，墙体又多为构造配筋，就会导致墙体的承载力不能充分发挥出来。而采用短肢剪力墙结构，就可以很好地解决上述问题。在7度区，层数较少的高层住宅建筑采用短肢剪力墙结构,可以将结构顶点位移、周期、水平地震剪力等控制在合理范围以内。合理采用短肢墙可以将部分混凝土墙用砖墙替换，减轻墙体自重，降低结构刚度，因此，其地震反应降低了，工程费用也随之降低，另外还加大了结构的延性，提高结构的抗震性。

3.2 剪力墙布置

剪力墙结构中全部水平力和竖向力都是由剪力墙承担，根据规范要求首先应将剪力墙均匀布置在建筑物的周边、楼梯间、电梯间、平面形状变化和竖向荷载较大等部位；平面形状凹凸较大时，宜在凸出部分的端部附近布置剪力墙。在抗震结构中，还应避免单方向有墙的情况，并应使两个方向的侧向刚度相近，即两个方向的自振周期相近。剪力墙布置要形状简单，尽量布置成L型。

剪力墙上面的门窗、洞口应各层对齐，形成明确的墙肢和连梁，在计算过程中使模型简单、明确，计算简单和传力明确。在抗震设计中，如剪力墙出现上下不对齐洞口的剪力墙，形成错位剪力墙，不仅使墙肢不规则，传力方式不明确，而且在洞口错层部位会形成薄弱环节，对抗震尤为不利。

剪力墙结构设计中，建筑主要受力构件剪力墙应沿建筑通高布置，不宜出现较大的刚度突变。控制剪力墙平面外的弯矩，在剪力墙平外面搭设梁时，应采取增设沿轴线方向的平面外墙肢或者扶壁柱，减小平面外产生的弯矩对墙肢不利影响。对于受力较小的梁可以采取铰接的方式释放掉弯矩，减小影响。

在高层剪力墙结构中，剪力墙的钢筋量的大小与暗柱的比例成正比，暗柱的数量、暗柱的形状就成为节省造价的关键因素。在剪力墙设计时，要充分考虑到暗柱的布置形式，尽量使暗柱规则、上下对齐。

4、设计细节

在完成方案设计和剪力墙设计后，主要用钢量已经定下来，在后续的计算过程中，节约的数量不会太大，但通过细节设计也可以节约一些。

4.1 模型的精度控制

模型的精度控制只要体现在两个方面：一个是荷载的取值，这个要求我们设计人员在前期模型根据建筑条件的不同情况选取不同的荷载值，例如我们在输入梁间荷载时，应根据窗洞的大小输入不同的荷载数值。在一个就是模型计算结果的精度控制，根据上面结构的布置合理的布置层间位移角、位移比及轴压比等参数，使他们在满足规范的前提下，控制在一个合理的范围内，如我们在做高层剪力墙住宅时控制层间位移角在满足规范1/1000的前提下，调整上部剪力墙的布置形式和墙肢长短调整层间位移角在1/1100左右。

4.2 钢筋的归并

在计算模型调整完成之后，在施工图绘制时，归并钢筋成为节约用钢量的下一个因素。钢筋归并主要体现在竖向，在进行梁柱归并时，应该根据竖向的梁、柱的配筋差距大小，合理的分层进行配筋；在画施工图过程中，合理控制实际配筋和计算配筋值的大小，使配筋结果更合理、更经济。

4.3 规范中构造钢筋的配置

高层剪力墙结构构造配筋，根据规范的要求合理的使用最小值。如板的配筋，我们一般根据混凝土结构设计规范8.5节受弯构件0.2%的最小配筋率进行配筋，但有时候为了节省钢筋，我们也可以按着注示里面的第二条进行配筋[2]。

板混凝土标号取C25，钢筋等级为三级，板厚为100mm的板底构造钢筋最小配筋率：，则取，可以采用6/8@200满足规范要求。

板混凝土标号取C30，钢筋等级为三级，板厚为100mm的板底构造钢筋最小配筋率：，配筋为6/8@200满足规范要求，比用8@200节约了22%。，则取

5、设计实例

河北某11层剪力墙结构，板的混凝土等级为C30，墙混土等级C30，墙抗震等级为三级，建筑面积为6666.94平方米。因方案设计已经完成，不能进行优化；经上述方式对墙和板配筋优化后为表5-1，节省3.2 kg/m2，达到优化设计的要求，节约工程造价。

表5-1 优化前工程钢筋量

结论：

在设计高层住宅剪力墙结构中，在保证结构安全的前提下，将建筑外观简洁、美观等优点充分发挥出来的前提下，做到最大降低工程造价，是每个设计人员应该重视的前提。本文从方案布置中水平设计和竖向设计、剪力墙选择、剪力墙设计及细节设计等三个方面对如何进行优化，节省用钢量做出分析，希望能得到同行中的其他设计人员指点和借鉴。