浅析建筑转换层结构设计

孙未然

摘要：本文阐述了高层建筑转换层概念及高层建筑结构转换层的主要特点，就转换层设计原则和主要结构形式进行分析，并对设计转换层结构过程中的几个主要问题作重点探讨，希望有所指导和帮助。

关键词：建筑转换层；结构设计

1 建筑转换层结构的概念

就高层建筑来说，在其转换层的设置过程中必然应对转换层形式加以合理选择，在布置结構的同时利用加强主要构件的设计来提高结构整体安全性能。高层建筑由于结构自重原因导致其下部楼层承受载荷极为庞大，而上部楼层承受载荷则相对较小，因而其结构布置一般应为下部柱网密、墙体多、刚度较大；上部柱、墙数量则逐渐减少，减小柱网密度。这种正常结构布置恰恰与建筑功能空间需求相悖。所以，在设计过程中为与建筑功能需求相适应，设计师通过“反常规设计“解决了这一矛盾，即下部设计较大空间，上部则设计较小空间；将具有较大刚度的剪力墙布置在上部，刚度较小的框架柱则布置在下部。而要想实现上述结构布置，用于结构转换的水平转换构件——转换层结构必不可少。

现代高层建筑大多是具备办公、购物、娱乐、停车、餐饮以及住宅等多项功能的综合性建筑，此类建筑中转换层的应用较为普遍。在设计转换层结构时应以工程实际情况为依据，并考虑验算中不明确的受力状态，确保设计方案的科学性、合理性以及全面性，最大程度地降低施工难度与风险，以此实现建筑成本投资的有效控制，节约能源消耗，使建筑单位面积利用率最大化，同时为居住着提供便宜、舒适的工作条件与生活环境，从而更好地与快节奏、高效率的现代化生活相适应。

2 高层建筑结构转换层的主要特点

近年来高层建筑发展迅速，建筑朝体型复杂、功能多样的综合性方向发展，因而相应的结构形式也复杂多样。后来陆续开始在高层住宅底层设置生活福利设施，并且开始大量兴建集吃、住、办公、购物、停车等为一体的多功能综合性高层建筑，尤其是在城市主干道两侧，并已成为现代高层建筑的一大趋势。高层建筑结构转换层具有以下几方面的特点：

2.1 转换结构构件需要承受其上部结构所传下来的巨大竖向荷载或悬挂下部结构的多层荷载，使得转换结构构件的内力很大，竖向荷载成了控制转换结构构件设计的主要因素。

2.2 转换结构构件通常具有数倍于上部结构的跨度，转换结构构件的竖向挠度成为严格控制的目标。因此为保证转换结构有足够的强度和刚度，致使结构构件的截面尺寸不可避免地高而大。

2.3 结构中由于设置了转换层，沿建筑物高度方向刚度的均匀性会受到很大的破坏，力的传递途径有大的改变，为竖向不规则结构，这决定了转换层结构不能以通常结构来进行分析和设计。

3 几种主要的转换层结构形式

3.1 梁式转换层。梁式转换层具有直接而明确的传力途径，当承托层数相对较多、跨度较大时，其截面高度一般取1.6～4.0m为宜；若承托层数较少、跨度较小时截面高度则以0.9～1.4m为佳。梁式转换层构造简单，施工快捷，具有可靠的工作性能，其转换梁具有良好的受力性能。此外其结构计算也较为简单。

3.2 桁架式转换层。桁架式转换层同样也具有清楚的传力途径。施工过程中可选择轻质建筑材料用于节间填充，从而有利于控制结构自重。与此同时，与转换梁相比，其抗侧力刚度明显更小，因而经梁式转换设计处理的高层建筑地震反应明显要强于应用桁架式转换设计的高层建筑。桁架式转换层施工与构造都相对复杂，但转换桁架有利于转换层空间的充分利用，从而在管道和开洞大小、位置的设置方面更为灵活。此外根据实际施工可知，与梁式转换层相比，桁架式转换层施工用料及成本更为节约。

3.3 板式转换层。板式转换层受力较为复杂，传力不明确，其上下相邻两层承受作用力较大。考虑到抗冲切和抗剪因素，在地震作用下容易出现较为强烈的反映。板式转换层的板厚度通常在2.0～2.8m范围内，其结构计算较为困难，且在施工过程中上部结构布置存在困难，导致混凝土用量较大。而本身承受载荷较大，在设计下部构件时其承载力要求也随之提高，因而需要三向配筋。

4 建筑转换层结构设计过程中的若干问题

4.1 配合建筑专业。在高层建筑设计过程中选择转换层结构形式时必须配合建筑专业，以此来适应建筑需求。首先是选择转换层结构形式应结合建筑外观，比如拱式转换、巨型框架等受力性能良好，同时还较好地适应了建筑外观需求；其次是转换层结构必须为实现建筑功能而服务。在实际工程中转换层通常由设备层兼之，这种情况下转换层应预留出足够通过设备管道的空间，若洞口尺寸大于开孔梁设计允许范围时，则梁式转换层应由空腹或者实心桁架转换层取代。

4.2 避免高位转换，尽量低位转换。通常来说，需要设置转换层的高层建筑结构都较为复杂，其结构在一定程度上存在竖向刚度突变，同时转换层邻近区域的变位、内力以及刚度都可能存在突变，进而构成薄弱层，不利于高层建筑整体抗震性能的提高。因而转换层位置的设置应遵循宜低不宜高的原则，将转换层层位尽量降低，特别是抗震结构设计，一般应取三层以下，最高不应大于六层，尽量避免高位转换。

4.3 力求上下轴网部分对齐。当结构上下部轴网均出现错位时，则只能选用厚板式作为转换层结构形式。在各类转换层结构形式中，厚板式转换层结构缺点最多。此类结构设计难度较高，受力性能较差，施工困难，且难以控制施工成本，与其他转换层（如梁板式转换层）相比缺乏经济性。因而应确保上下轴网之间部分对齐，同时两部分轴网对齐部分越多，在设计转换层结构时就越简单，整体结构就具有更为明确的受力和更佳的经济效果。

4.4 合理布置剪力墙与框支柱。对于高层建筑来说，在设置结构转换层后无论选择哪种结构体系，剪力墙部分与地面接触是必须保证的；转换层下部框支柱应保持疏密均匀的柱距，剪力墙与框支柱之间的距离通常应不应超出12m。在转换层上方，应选择大开间方案布置剪力墙。同时对下部进行强化，确保下部结构刚度、延性以及强度足够，并具有良好的抗震能力。保持转换层平面的规则性，确保转换大梁的刚度以及出平面外部分的稳定性。

4.5 合理选择转换层结构刚度。在设计转换层结构过程中，转换层结构刚度的设定是设计人员所要解决的重要问题。若转换层具有较大的结构刚度，则结构竖向刚度增大，引起地震反应，上下部转换层受力状态则更为不利；此外又增加了材料用量，其结构也缺乏经济性。而过小的转换层结构刚度则会导致上部框支部分竖向构件同邻近竖向构件之间出现沉降差，进而导致次应力较为明显，需要增加配筋。

5 结束语

在当前的各类高层建筑中，由于建筑功能需求等原因，设计人员需要设置转换层用于上下楼层不同结构体系的转换，从而出现各种各样的转换层设计方案，本文对建筑转换层结构设计相关问题展开分析研究，希望有所指导和帮助。

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