摘要：随着气候变化和环境污染问题日益引起关注，绿色建筑理念在建筑行业得到广泛应用，因此本文阐述了基于绿色建筑理念的剪力墙结构设计方法，并结合案例分析了节约材料与减少碳排放的效果。
关键词：剪力墙；结构设计；绿色建筑
剪力墙结构体系侧向刚度大，具有良好的抗震性能，在高层建筑中应用广泛，甚至不乏超高层建筑的应用案例，例如迪拜哈利法塔600m以下均为剪力墙结构[1]。随着绿色环保理念在建筑行业的贯彻实施，结构设计中采用绿色建筑理念有利于节能减排和降低结构建造成本[2]。可见，推广基于绿色建筑理念的剪力墙结构设计具有重要的现实意义。鉴于此，本文对该课题进行了探讨。
1基于绿色建筑理念的剪力墙结构设计方法
1.1 关于绿色建筑理念
按照《绿色建筑评价标准》（GB/T 50378-2014）对绿色建筑的定义，绿色建筑应满足全生命周期内最大限度地节约资源、保护环境、减少污染的要求，其中节约资源包括节能、节地、节水和节材四项。对于结构设计来说，节约资源意味着要进行优化设计，通过设定优化目标实现资源最省；而保护环境、减少污染要求结构碳排量尽可能小，因而基于绿色建筑理念的剪力墙结构设计可以归结为在保证结构安全的基础上尽量节约资源和减少碳排量[3]。
1.2 剪力墙结构的优化设计
建筑结构的优化设计可从结构体系优化、结构功能优化、结构构件优化三个方面考虑[4]。结构体系可以选择剪力墙结构，其优点前面已作介绍，不再赘述。结构功能优化可从经济性、实用性、舒适性、美观性几方面综合考虑。结构构件优化可在满足抗震性要求的前提下，达到适用、经济的效果。具体到剪力墙结构，可采取“强墙肢、弱连梁”、“强剪弱弯”、“限制剪压比、墙肢轴压比”、“提高剪力墙延性”、“调整剪力墙结构内力”几个原则。概括起来，即为选择合适的刚度与数量，减少小墙肢与短墙肢数量，控制墙肢长度差异，短肢墙中箍筋与水平分布筋要合并，合理处理剪力墙开洞。从有利于抗震的角度，剪力墙结构建筑保持规则性（平面规则性和竖向规则性）也是非常重要的。
1.3 剪力墙结构减小碳排量的设计
减小碳排量的前提是要找出影响碳排量的因素。由于绿色建筑立足于建筑的全生命周期，所以减排也要从生命周期的各个阶段进行考虑。影响建筑结构碳排量最重要的因素显然就是材料了，而选材和用材又是结构设计非常关键的环节，所以结构设计考虑碳排量可归结为合理选材和正确用材。由于每一种材料都可以计算碳排放因子，所以剪力墙结构的碳排量是各种结构材料用量及其排放因子的函数。根据研究，剪力墙数量和位置的优化有利于减排，在满足抗震性能前提下适当减小剪力墙厚和结构刚度也有利于减排。
2 基于绿色建筑理念的剪力墙结构设计应用
2.1 工程概况
某现浇混凝土剪力墙结构建筑地上30层，地下2层，总高度约90m，标准层平面36m×15.6m，总建筑面积约1.4万m2。设计基准期为50a。抗震设防烈度为8度，设计基本地震加速度为0.20g，地震分组取第一组，剪力墙抗震等级为一级。场地特征周期0.35s，场地类别暂定为Ⅱ类，基本风压0.40kN/m2，地面粗糙度类别为B类，风荷载体型系数、楼面活载标准值等数据均按《建筑结构荷载规范》（GB 50009-2012）规定。
2.2 结构设计
结构布置以满足建筑功能要求为前提，遵循形体规则、分布均匀、造型简单的原则，然后针对结构平面和竖向结构进行布置。平面布置没有太大的外挑或内收，只在屋面层有楼板跃层及局部突出。竖向刚度变化尽量连续均匀，避免突变。混凝土强度C30～C40，墙厚200mm～300mm。优化前方案如图1所示，按建筑功能要求布置结构，针对剪力墙抗侧刚度较大，设置了若干构造洞口。
一般来说，适当增大剪力墙的刚度有利于提高抗震能力，但是结构刚度太大，引起的地震水平力也相应增大，同时刚度大的结构工程造价也大，所以结构刚度宜适中，应在控制结构水平位移的基础上，适当减小刚度以节约结构材料。又因剪力墙结构的侧向刚度由剪力墙的抗侧移刚度决定，故在调整剪力墙结构平面布置时，应设法保持较长的墙肢长度，并使墙肢两端与翼墙连接，以充分发挥剪力墙结构的抗侧移刚度，并在满足规范前提下减小剪力墙数量，同时又能够减小剪力墙构造洞口数量，有利于简化剪力墙截面两端的约束设置，如减小约束构件数量及暗柱配筋面积等，具有显著的经济效益。因此结构优化的第一步是在墙肢较长的剪力墙上设置结构洞口，同时将一字型截面改为T型截面或L型截面，以减小抗侧刚度。但这种情况下， Y方向层间位移最大值达到1/809rad，为此可适当增加Y方向剪力墙数量。但又存在X向与Y向刚度差异问题，为了使两方向刚度尽量接近，调整标准层第1～3层的墙厚300mm为250mm，其中两个边跨墙厚不变，这样就达到了平面布置均匀、对称的效果，如图2所示。
2.3 优化效果
利用SATWE软件进行结构计算。设定混凝土容重26.5kN/m3，钢材容重78kN/m3，钢筋强度360N/mm2。振型组合数取18个振型，结构阻尼比取0.05，连梁刚度折减系数取0.55。经过计算，优化后比优化前抗侧移刚度明显减小，且X向与Y向刚度差别不大。优化后层间位移角比优化前有所增加，但也不超过1/1000，而且是在混凝土强度等级和用量总体有所下降的情况下取得的。由于优化前方案刚度较大，地震反应力也更大一些，优化后地震反应力有所减小。优化前后剪重比由下至上逐渐增大，并且大于3.2%，满足规范要求。优化前X向与Y向周期比分别为0.81和0.82，优化后X向与Y向周期比分别为0.70和0.76，可见效果更好。通过上述结果不难看出，合理设置墙肢数量、长度以及墙肢上开设洞口，可明显降低结构刚度。
2.4 经济效益
优化前混凝土总量（均为剪力墙+楼盖，下同）为5968.4m3，钢筋总量为619.2t。优化后混凝土总量为5431.7m3，钢筋总量为597.9t。可见，优化后节约混凝土536.7m3，节约钢材21.3t。按混凝土320元/m3、钢材4000元/t计算，混凝土节约资金171744元，钢材节约85200元，合计节约造价256944元。
2.5 减排效果
强度等级C35的混凝土碳排放因子为400.5kgCO2/m3，钢筋的碳排放因子取1.451kgCO2/kg。经计算得出，因节约混凝土减排214.9t，节约钢材减排30.9t，合计减少碳排放245.8t。
综上，剪力墙结构应用绿色建筑理念进行优化设计可以节约资源，降低工程造价，减少污染排放，有利于环境保护和可持续发展。
3 结语
建筑工程中，结构是整栋建筑物的骨架，对于工程造价和施工工期的影响极其显著，所以在结构设计中应用绿色建筑理念具有重大的意义。本文结合案例分析证明了绿色技术的应用有利于节约资源、降低结构的建造成本和减少碳排放，可以为建筑业带来巨大的经济效益和社会效益。
参考文献：
[1]徐培福，黄吉锋，陈富盛.近50年剪力墙结构震害及其对抗震设计的启示[J].建筑结构学报，2017,38(3)：1-13.
[2]丁洁民，巢斯，吴宏磊，等.上海中心大厦绿色结构设计关键技术[J]. 建筑结构学报，2017,38(3)：134-140.
[3]曹鹤.基于绿色建筑的高层剪力墙结构优化设计[D].西安：长安大学，2015.
[4]丁晓婷.绿色住宅剪力墙结构设计优化研究[D].银川：宁夏大学，2016.
论文作者:张国荣
论文发表刊物:《防护工程》2017年第33期
论文发表时间:2018/3/22
标签：结构论文; 刚度论文; 剪力墙论文; 建筑论文; 结构设计论文; 混凝土论文; 理念论文; 《防护工程》2017年第33期论文;