淺談建筑轉換層結構設計

摘要：本文介紹了轉換層結構的概念及應用，分析了高層建筑轉換層結構的形式，提出了建筑轉換層結構設計中的注意事項。

關鍵詞：建筑；轉換層；結構設計

建筑轉換層是建筑物內部不可或缺的重要結構之一，做好建筑轉換層的結構設計，并充分了解建筑轉換層結構設計中的注意事項，能夠有效的提高建筑結構轉換層的設計效果，在保證工程質量的同時，達到降低工程施工難度，控制工程施工成本的作用，對促進我國建筑行業的發展有著積極的意義。

1 轉換層結構概念及應用

轉換層技術從概念上來講指的是建筑物某層的上部與下部因平面使用功能不同，該樓層上部與下部采用不同結構類型，并通過該樓層進行結構轉換，則該樓層稱為結構轉換層。由于高層建筑的多功能性和具有綜合用途的特點，所以轉換層技術在高層建筑上獲得了廣泛使用，高層建筑中使用的轉換層技術具有自身的顯著特點：首先，高層建筑在使用功能上，下部多為商業區，而上部多為辦公和生活區域。鑒于這種分布格局，轉換層建構在高層建筑中多出現在下部樓層，而上部樓層較多，這就造成了轉換層受力情況復雜，設計施工難度較大，稍有疏忽就可能導致災難性的結果。其次，高層建筑轉換層地震反應強烈。

2 高層建筑轉換層結構的形式

從轉換層的轉換功能來看，可分為以下幾種：上、下層結構形式的轉換，如上部剪力墻結構轉換為下部框架柱結構；上、下層結構軸網的轉換，如上、下軸網不重合；上、下層結構形式和結構軸網的同時轉換。從轉換層的結構形式來看，可分為以下幾種：

2.1 梁式轉換：梁式轉換具有傳力路徑清晰快捷、工作可靠、構造簡單、施工方便等優點，是目前國內應用最廣的轉換層結構形式，占總數的85%以上。梁式轉換可用于8度及8度以下抗震設計，所不同的只是地面以上大空間的層數有限制，抗震設防烈度越高，地面以上大空間的層數限制越嚴。

2.2 桁架轉換：當底部大空間樓層柱距較大時，轉換梁高度常達到樓層的整個高度，而又不能開洞，因而該層無法利用，采用桁架式轉換可解決這一問題。桁架轉換具有傳力明確、傳力途徑清楚，但構造和施工復雜，特別是節點處的設計和施工。桁架轉換層上部的結構要求是“強柱弱梁、強邊柱弱中柱”，這也是設計原則。而在空腹轉化成施工中，空腹桁架要整層鋪設必須保證要有一定的強度來支撐。轉換層的截面尺寸要根據剪壓比來計算和確定，這樣可以提早預防變形。當轉換桁架用于框架-核心筒結構、筒中筒結構的上部密柱轉換為下部稀柱時也要進行滿層鋪設，并將兩者斜桿的交點作為上部密柱的支撐點。最后就是應加強轉換桁架的每一個節點的剛度，而對其結構也要進行完善，防止預應力問題而產生的結構強度問題。

2.3 板式轉換：當上部剪力墻布置復雜，上、下軸線錯位較多，用轉換梁結構難以直接承托時，需采用厚板式轉換結構。板式轉換結構具有上部墻體及下部柱網可靈活布置，不受結構軸網限制等特點。它的不利之處在于，結構構件超大、自重大、結構層間剛度大、材料消耗大、工程造價較多等。板轉換可用于非抗震設計和6度抗震設計。作為轉換構件的厚板，其結構自重大、耗費材料多，導致其經濟性較差。由于在轉換層集中了相當大的質量，剛度又很大，造成轉換層處結構的上下豎向剛度突變，容易產生薄弱層。目前，對轉換厚板的抗震性能、受力機理和傳力途徑的研究，還不是很完善，導致其安全可靠性比較差；但是厚板轉換也有其比較突出的優點，即特別適用于轉換層上部豎向構件布置比較隨意、柱網錯綜復雜的建筑，且模板工作量較少、施工簡便快捷。

2.4 箱形轉換：當轉換層上、下板厚較大，與中間托梁一起共同工作時，形成箱形轉換結構。箱形轉換層可用于上、下層結構形式轉換、柱網尺寸擴大及軸線錯位等。

2.5 斜柱轉換：當上層結構在下層兩柱之間增加一根柱時，可采用斜柱轉換外加環梁的轉換方式，采用此轉換可避免采用耗材較大的梁式、板式轉換，而且方便管道的通過（當轉換層為結構避難層）。

2.6 巨型結構轉換：巨型結構體系又稱超級結構體系，是由巨型的構件組成的簡單而巨型的桁架或框架等結構，作為高層建筑的主體結構，與其他結構構件組成的次結構共同工作，從而獲得更大的靈活性和更高的效能，特別是在次結構的頂層，可設成整層無柱空間。

2.7 其他結構形式轉換：如美國IBM大廈的拱式轉換，將上部密排柱通過拱的作用傳遞到下部大柱中。

3 建筑轉換層結構設計中的注意事項

3.1 保證轉換層的剛度。轉換層的高度是決定轉換層乃至建筑物整體質量的重要因素，特別是在高層建筑的設計與施工過程中，建筑本身高度與重量上的特點決定了轉換層將會承受較大的垂直荷載，而轉換層的結構又很容易令建筑物在轉換層部位出現剛度突變，使轉換層成為建筑物的薄弱環節，降低建筑物的抗震性能。因此，在進行建筑結構轉換層設計時，要注意確保轉換層的結構剛度不低于其上層結構剛度的70%。為此，應當合理的調整轉換層內部剪力墻的分布狀況，適度的提高落地剪力墻的厚度，并使用強度等級較高的混凝土進行施工，同時盡可能將縱橫墻按照筒體的結構進行排布，從而在根本上保證轉換層的剛度，確保建筑物的抗震性能不受影響。

3.2 提高轉換層與建筑物的整體性。通過調整轉換層的結構設計內容來提高轉換層與建筑物整體性的，能夠提高建筑物的穩定性，延長建筑物的使用壽命。為此，應當盡可能對其上下層之間的軸網，簡化轉換層的設計方案，盡可能令質量中心與剛度中心相對應，使轉換層的受力更加明確，從而避免使用板式轉換結構，以防止建筑物出現剛度突變的現象，達到提高建筑物整體性的目的。

3.3 合理安排轉換層的位置。由于建筑物的受力模式較為復雜，且建筑物內部的所受作用力的種類和分布都會隨著建筑高度的增加而發生微妙的變化，當高度達到一定的范圍后，建筑物所受的各項作用力的效果便會呈明顯的上升趨勢，給建筑物的設計帶來困難。如果轉換層的位置過高，不僅會令轉換層內部的受力狀況發生改變，還會對上下層面的剛度與受力方式產生影響，使轉換層成為建筑物的薄弱環節，降低建筑物的抗震能力。因此，應當盡量降低轉換層所處了位置，通常情況下，轉換層的位置應以三層以下為宜，最高不得超過六層。

4 結語

為滿足人們特殊建筑功能的需要，在同一座建筑中，上部樓層往往布置成小開間旅館、住宅；中部樓層需中等大小空間作為辦公用房；下部樓層需盡可能大室內空間來做商店、餐館和文化娛樂設施，這種不同用途的樓層需要大小不同的結構形式，上部常采用較多墻體的剪力墻結構，中部采用部分柱、部分剪力墻結構，而下部常采用大柱網結構。為了實現這種結構布置，就必須在結構轉換的樓層設置水平轉換構件，即轉換層結構。為滿足人們對建筑功能的更高要求，尤其是在現代大中城市用地日益緊張的今天，發展該類特殊結構必將成為今后高層建筑發展的一大趨勢。

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