高層建筑結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換層設(shè)計(jì)探析

梁兆琨 山西汾西礦業(yè)（集團(tuán)）有限責(zé)任公司

1 前言

高層建筑中的過渡層構(gòu)造主要是將樓層設(shè)計(jì)為一個(gè)轉(zhuǎn)換樓層結(jié)構(gòu)，其上面部分主要是由多片墻分離而成的較小構(gòu)造形式，在這種空間結(jié)構(gòu)內(nèi)人們能夠完成住宅以及辦公室等用途：而下面部分則是通過由相對減少的落地墻與立柱組合而成的構(gòu)造型式，以產(chǎn)生一個(gè)較大的空間空隙，從而能夠適應(yīng)商業(yè)等較大空間的應(yīng)用要求。

在中國建筑中，帶過渡層的構(gòu)造使用范圍非常廣泛，但是因?yàn)樯喜繕菍优c部分的豎向構(gòu)件之間無法進(jìn)行有效連接或貫通落地，所以建筑內(nèi)部應(yīng)力就會向混凝土構(gòu)件中轉(zhuǎn)換樓層梁，在立柱的連接處聚集，也就使得建筑物結(jié)構(gòu)總體的抗震性能受到較大影響。在中國水泥建筑的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過程中，需要掌握好框支剪力墻的高度設(shè)計(jì)并合理設(shè)置轉(zhuǎn)換柱，還要掌握好過渡層的情況，以便進(jìn)行鋼筋混凝土結(jié)合過渡層的抗震設(shè)計(jì)。

2 高層建筑結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換層施工特點(diǎn)

高層建筑的耐震特性往往因?yàn)檗D(zhuǎn)換層的設(shè)置使受力更加復(fù)雜而沒有提高，其空間結(jié)構(gòu)和支承體系雖然在實(shí)際建筑中具有特殊的優(yōu)點(diǎn)，但在建筑轉(zhuǎn)換層施工時(shí)，仍很難對建筑轉(zhuǎn)換層體系的內(nèi)力作用進(jìn)行改向。因此要想良好的傳遞建筑轉(zhuǎn)換層上部構(gòu)造的水平剪力強(qiáng)度，建筑轉(zhuǎn)換層剛度則需要通過標(biāo)準(zhǔn)尺度來確定。

在建筑轉(zhuǎn)換層建造過程中，為了確保上下部在水平剪力作用和結(jié)構(gòu)剛性發(fā)生突轉(zhuǎn)的狀況下成功施工，需要根據(jù)上下部結(jié)構(gòu)和落地的支承體系靈活布設(shè)建筑轉(zhuǎn)換層。在一般情況下，對建筑轉(zhuǎn)換層來說，其下部結(jié)構(gòu)處在加強(qiáng)狀態(tài)，而上層構(gòu)造處在減弱狀態(tài)，此時(shí)需要加強(qiáng)建筑轉(zhuǎn)換層的主體構(gòu)造。通常，為了提高空間結(jié)構(gòu)的擴(kuò)散性，建筑轉(zhuǎn)換層正常工作時(shí)，其主體空間結(jié)構(gòu)都是在地震荷載工況組合情況下進(jìn)行，此時(shí)結(jié)構(gòu)需在調(diào)節(jié)豎向構(gòu)件值比的同時(shí)，通過產(chǎn)生一定承載力和拉伸力的裝置為結(jié)構(gòu)進(jìn)行支承。為了降低工程轉(zhuǎn)換層的施工重力，在實(shí)際施工中也會采用預(yù)應(yīng)力技術(shù)的使用，以提高工程結(jié)構(gòu)總體的抗震能力。

3 轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)原則

在進(jìn)行中大型建筑混凝土結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換層的設(shè)計(jì)過程中，必須注意在過渡層上豎向構(gòu)件的合理設(shè)置，并提高了落地剪力墻的數(shù)量比例，由此緩解建筑上豎向結(jié)構(gòu)構(gòu)件的剛性突變特征，如無法實(shí)現(xiàn)整體結(jié)構(gòu)的合理設(shè)置，將會使得該大型建筑的豎向結(jié)構(gòu)剛度比出現(xiàn)突變性的變化，從而產(chǎn)生對耐震能力不利的脆弱部位，影響該大型建筑上整個(gè)結(jié)構(gòu)的整體抗震能。設(shè)計(jì)過程中，要嚴(yán)格限制過渡層上方與下方兩部分建筑的剛度比，使整個(gè)建筑上豎向結(jié)構(gòu)的抗側(cè)應(yīng)力比能夠得到改善，進(jìn)而減小整個(gè)建筑上豎向結(jié)構(gòu)的剛度比突變特征，保證整個(gè)高層建筑構(gòu)件的完整性。

采用設(shè)計(jì)方法將建筑上部結(jié)構(gòu)的軸線構(gòu)件相應(yīng)減少，由此減小轉(zhuǎn)換層構(gòu)造的剛度差值，有效防止轉(zhuǎn)換層的剛性中發(fā)生突變力的轉(zhuǎn)移，并以此完成高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換層中較難完成的耐震度設(shè)計(jì)要求，使高層建筑的防震設(shè)計(jì)要求得以最大限度上的實(shí)現(xiàn)。在高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換層的設(shè)計(jì)過程中，還需要對構(gòu)造轉(zhuǎn)換層的梁柱截面長度加以特別的考慮和管理，被限制的斷面長度也要經(jīng)過承載力試驗(yàn)，轉(zhuǎn)換柱必須在達(dá)到一般柱的抗震要求以外，還對管徑以及箍筋長度、寬度等有了更多的規(guī)定。

4 高層建筑結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換層功能及特性

由于現(xiàn)代高層建筑物功用的日趨多元化，對樓房進(jìn)出的需求也隨之增加，很顯然傳統(tǒng)大型高樓進(jìn)出的設(shè)置已無法應(yīng)對現(xiàn)在的需求，現(xiàn)代高層建筑設(shè)計(jì)構(gòu)造轉(zhuǎn)換層的設(shè)置和墻間距的增加，使得進(jìn)出空間設(shè)計(jì)更為開闊且數(shù)量也較多，很好地順應(yīng)了經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展觀，同時(shí)為了順應(yīng)新建設(shè)市場經(jīng)濟(jì)的開發(fā)需求，提高住宅空間效率，在現(xiàn)代大中型高樓中已普遍采用了構(gòu)造轉(zhuǎn)換層。

通常來說，現(xiàn)代大中型高樓的空間結(jié)構(gòu)屬于固定類型，在新時(shí)期的經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展背景下，由于人類對多元化的建筑物功能要求，導(dǎo)致樓房構(gòu)造結(jié)構(gòu)不斷變化，建筑物設(shè)計(jì)者必須根據(jù)對高效空間結(jié)構(gòu)的運(yùn)用，科學(xué)合理地設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換層，它不但使剪力墻的長度合理增長，同時(shí)，使現(xiàn)代高層建筑物的框架柱設(shè)計(jì)更為符合現(xiàn)代化需求。

高層建筑轉(zhuǎn)換層的構(gòu)造特點(diǎn)，建筑物設(shè)計(jì)交換層的主要目的，是為協(xié)調(diào)建筑物上下組成部分間在結(jié)構(gòu)上所產(chǎn)生的巨大差距，由于交換層在結(jié)構(gòu)功能上的不同，建筑物上下組成部分間的墻網(wǎng)尺度也不同。因此，該類建筑物盡管上下組成部分的形式基本相同，但往往要求使用交換層，以增加與其上下部結(jié)構(gòu)的墻距，以便構(gòu)成更大柱網(wǎng)。

隨著房屋上下組成部分間形式的變化，建筑物上層與下層使用的構(gòu)造形式也有所不同，通常上層使用剪力墻構(gòu)造，下層使用框架結(jié)構(gòu)或框架剪力墻構(gòu)造，形成內(nèi)部變換形式與增加房屋軸線長度的混合形式，不管哪一種形式，高層建筑轉(zhuǎn)換層作為進(jìn)行內(nèi)部動力變換的主要結(jié)構(gòu)形式，都要承受建筑物上層負(fù)荷在下傳導(dǎo)過程中，因上下游構(gòu)造不同所形成的各種不良影響，轉(zhuǎn)換層構(gòu)造必須滿足有相應(yīng)的剛性與強(qiáng)度方可勝任其任務(wù)。

轉(zhuǎn)換樓層構(gòu)件尺寸較大，樓板承受負(fù)荷大運(yùn)用截面設(shè)計(jì)對內(nèi)力的引發(fā)，實(shí)現(xiàn)帶過渡樓層體系內(nèi)力的改向。在工程結(jié)構(gòu)中其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)內(nèi)力的布置比較復(fù)雜，還要為保證上層結(jié)構(gòu)的水平剪力強(qiáng)度可以順暢地向下層傳，這就嚴(yán)格要求了過渡層樓面的水平剛性。

通常結(jié)構(gòu)尺寸在過渡樓層中的水平結(jié)構(gòu)較大時(shí)，其樓板負(fù)荷也較重，分層施工。當(dāng)使用先澆部分結(jié)構(gòu)承受的水平結(jié)構(gòu)高跨比在過渡樓層中較大時(shí)，要特別注意在截面承受曲線時(shí)水平纖維的相應(yīng)誤動，仔細(xì)分析疊和結(jié)構(gòu)，注意結(jié)構(gòu)還會引起分層處水平剪力強(qiáng)度的影響，在必要時(shí)也要協(xié)調(diào)設(shè)計(jì)中位，進(jìn)行重新設(shè)計(jì)，讓疊澆構(gòu)件在澆筑階段和一般使用情況下的整體承重性能得到提高。

根據(jù)上下部結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，合理布設(shè)支承體系的設(shè)計(jì)要求，這將使得對結(jié)構(gòu)耐震性的不良影響大大降低，還必須注意避免剛度和剪力突變在過渡結(jié)構(gòu)的上下層形成，利用水平鋼板骨架或預(yù)應(yīng)力卸荷提高整體耐腐蝕性。為了降低過渡層的墻體自重，可利用水平鋼板骨混凝土和外部預(yù)應(yīng)力技術(shù)還未完成時(shí)，用已形成的水平鋼板骨架或混凝土澆筑，可極大地提高設(shè)計(jì)模板對支撐的整體承載力特性。

5 轉(zhuǎn)換層系統(tǒng)的高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要求

5.1 保證節(jié)點(diǎn)的穩(wěn)定連接

在實(shí)際情況的結(jié)構(gòu)避震效應(yīng)下，高層建筑的設(shè)計(jì)流程中對帶結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)化層的布置，一般將重點(diǎn)放到了其內(nèi)鋼的分布情況的設(shè)計(jì)上，以后才逐漸深入過程內(nèi)部構(gòu)架，進(jìn)一步分析研究該構(gòu)件的防震功能，在確定整體中各個(gè)結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)之間如何穩(wěn)定銜接的問題上起到了非常關(guān)鍵的意義。

所以，如果在這個(gè)建筑中有構(gòu)造轉(zhuǎn)換層，對其整體耐震構(gòu)造的高度必須慎重分析和選定，同時(shí)最好在其底部設(shè)置相應(yīng)的安全保護(hù)裝置，最高位移轉(zhuǎn)換構(gòu)造帶形式，就是在其對整體結(jié)構(gòu)起到防震功能的部分架構(gòu)設(shè)計(jì)流程中產(chǎn)生的。并且，如果在高層建筑設(shè)計(jì)中后構(gòu)造了轉(zhuǎn)化層，高低銜接的構(gòu)造形式就是最佳的選用，因?yàn)檫@些構(gòu)造形式能夠行程層級式的連接體，促使各個(gè)樓層的部分建筑設(shè)計(jì)與整個(gè)的建筑工程結(jié)構(gòu)融為一體，最后產(chǎn)生現(xiàn)代系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的交錯形式，并保障了各棟的結(jié)構(gòu)彼此聯(lián)系，以此實(shí)現(xiàn)了優(yōu)化建筑耐震功能的終極目的。

5.2 結(jié)構(gòu)縱向設(shè)計(jì)

上下的承重比例一致，是在設(shè)置各層剪力墻的建筑設(shè)計(jì)過程中至關(guān)重要的基本原則，因此剪力墻的設(shè)置必須要堅(jiān)持基本的工程設(shè)計(jì)原則，也就是要選擇適當(dāng)?shù)你@孔點(diǎn)。但是如果在底部設(shè)置過程中使它承受過多的壓力，就不僅僅是提高了它的承受壓力，甚至還可能導(dǎo)致整個(gè)建筑物荷載比例超過限制。用帶構(gòu)造轉(zhuǎn)換層的方法隔離剪力墻間的強(qiáng)度，或者通過提高對它的分壓途徑方法，能夠?qū)崿F(xiàn)有效合理分?jǐn)偨ㄖ飶?qiáng)度的效果。

此外，對于建筑物主墻與各個(gè)構(gòu)造轉(zhuǎn)換層之間承重比例的科學(xué)合理規(guī)定，在建筑物總體強(qiáng)度的建筑設(shè)計(jì)過程中具有重要意義。而事實(shí)上，如果用混凝土固定結(jié)構(gòu)過渡層，能夠?qū)φw建筑的受力架構(gòu)做出優(yōu)化調(diào)整，從而在建筑工程結(jié)束后，可對剩余的結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)化層做適當(dāng)?shù)奶幚怼ㄖ┕ざ裕麄€(gè)流程即可充分實(shí)現(xiàn)對構(gòu)造轉(zhuǎn)換層的最大利用效應(yīng)，同時(shí)堅(jiān)持建立整個(gè)施工體系，有效避免了風(fēng)險(xiǎn)，并使整個(gè)工程的結(jié)構(gòu)水平更上了一層樓。

5.3 結(jié)構(gòu)橫向設(shè)計(jì)

在整體施工的流程中，相關(guān)技術(shù)人員可以以原來的設(shè)計(jì)方案中的整體結(jié)構(gòu)平面圖為設(shè)計(jì)基準(zhǔn)，然后再按照實(shí)際狀況做出適當(dāng)?shù)脑O(shè)計(jì)布局，進(jìn)一步優(yōu)化整體架構(gòu)，從而找到創(chuàng)新的可能，使得最終設(shè)計(jì)方法更具備綜合能力與實(shí)用價(jià)值。

通過研究施工周期的歷史數(shù)據(jù)不難看出：剪力墻的承載力水平，在遠(yuǎn)低于其帶結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換層的工程設(shè)計(jì)參數(shù)的情形下，對整體工程設(shè)計(jì)的體系做出科學(xué)合理的配置，可以更加有效地處理相關(guān)的應(yīng)用設(shè)計(jì)問題。研究并分析帶結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換層與高層剪力墻承載力情況，實(shí)現(xiàn)進(jìn)一步改善建筑整體結(jié)構(gòu)承載力水平的目的。

6 利用高層建筑結(jié)構(gòu)過渡層的建造技術(shù)分析

6.1 保證鋼筋的連接方式的科學(xué)合理性

鋼筋材料施工技巧，高層建筑轉(zhuǎn)換層的主體結(jié)構(gòu)材料是鋼筋混凝土，不僅可以提高整體建筑的施工技術(shù)水平，而且還對整個(gè)建筑工程的品質(zhì)有著舉足輕重的影響。在結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換層的轉(zhuǎn)換板中，鋼筋材質(zhì)的配置形式通常都較為緊湊，所使用的鋼筋材質(zhì)規(guī)模也較為巨大，而且在轉(zhuǎn)換板中所占比重也很大，因此，為了確保最大程度的利用轉(zhuǎn)換板，必須正確設(shè)置好鋼筋材質(zhì)的排列形式，以及和轉(zhuǎn)換板最直接的連結(jié)形式。

在與工程設(shè)計(jì)部門進(jìn)行建筑效果圖中，應(yīng)充分考慮施工的實(shí)際狀態(tài)和鋼筋直徑的特點(diǎn)，以確保鋼筋材質(zhì)的結(jié)構(gòu)形式更加合理，同時(shí)盡量減少由于工程變更而造成竣工延遲的情況，并在一定程度上減輕了施工的困難。在實(shí)際施工中，要特別注意鋼筋材質(zhì)的具體穿插關(guān)系及鋼筋排列方式，主要是為了進(jìn)行基礎(chǔ)連結(jié)，而目前在我國的高層建筑結(jié)構(gòu)與轉(zhuǎn)換層的鋼筋直徑連接，使用的都是滾壓直螺紋鋼筋的方式。

6.2 確保整體結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性

支撐體系施工主要出于對過渡層結(jié)構(gòu)本身負(fù)重和上部荷載過大的考量，并且為了提高整個(gè)施工過程的穩(wěn)定性，也務(wù)必要保證整個(gè)空間結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。因此，需要在施工前就對現(xiàn)場實(shí)況和整個(gè)空間結(jié)構(gòu)體系做出細(xì)致的勘測和測算。

目前常用的支承構(gòu)件體系主要有型鋼支承，鋼構(gòu)件支承。型鋼支撐結(jié)構(gòu)體系主要使用于在荷載較小或使用板式轉(zhuǎn)換梁的施工結(jié)構(gòu)中，在精密布設(shè)旋轉(zhuǎn)梁的時(shí)候增加了型鋼硬度和支承能力。而在建筑構(gòu)造自身具有很大自重或過渡層下位置較高時(shí)，則通常使用鋼構(gòu)件支承結(jié)構(gòu)，埋設(shè)鋼構(gòu)件在過渡層的下方部分，以成為過渡層基礎(chǔ)，這樣便可以利用鋼構(gòu)件，把來自建筑的荷載傳遞至底層，使轉(zhuǎn)換層負(fù)擔(dān)有所降低。該構(gòu)件對豎向荷載的傳遞效果良好，在鋼結(jié)構(gòu)支護(hù)架設(shè)過程中，為了提高結(jié)構(gòu)總體穩(wěn)定性，對于鋼結(jié)構(gòu)的間隙加以合理調(diào)節(jié)，并且保證支護(hù)架結(jié)構(gòu)走向與轉(zhuǎn)換梁方向一致。

6.3 混凝土施工技術(shù)

建筑結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換板的重量，厚薄和總尺寸都很大，而且建筑施工困難也較普通結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換板的困難增大，建筑要求也越來越多樣性。

首先，溫差有很大的影響。所以在實(shí)際施工的過程中，建筑人員要合理調(diào)節(jié)內(nèi)外溫差，以減少室內(nèi)外溫差對于轉(zhuǎn)換板使用效率的影響。也可通過某些辦法減少混凝土的澆筑質(zhì)量，提高轉(zhuǎn)換板的硬度，或者增加適當(dāng)?shù)乃嗤饧觿瑫r(shí)也降低了用水量，這樣可以在一定程度增加混凝土材料的硬度。

其次，要盡量避免采用受熱時(shí)膨脹系數(shù)變化很大的骨粒，合理調(diào)節(jié)室內(nèi)外溫差，可以在混凝土的表層鋪投石塊影響氣溫變化的速度。

最后，在混凝土澆筑前后，有關(guān)人員要制定合適的混凝土保溫計(jì)劃，而且在特別緊急情況下，根據(jù)相應(yīng)的處理方法做好合理的輔助材料選擇。

7 結(jié)束語

高層建筑轉(zhuǎn)換層往往是城市建筑物空間結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵部位，而高層建筑轉(zhuǎn)換層的設(shè)置也往往是為了適應(yīng)建設(shè)的要求。由于城市建筑物的高度總是呈現(xiàn)出逐步上升的趨勢，為使高層建筑能夠合理設(shè)計(jì)和最大限度地使用，對其建筑空間結(jié)構(gòu)形態(tài)的需要也就顯得越來越復(fù)雜。

而混凝土結(jié)構(gòu)結(jié)合轉(zhuǎn)換層，就是十分適用的一個(gè)建筑物空間結(jié)構(gòu)形態(tài)。它能夠使高樓建筑物的功用不再簡單單調(diào)，因此，對其建筑空間結(jié)構(gòu)形式的選用，應(yīng)該和結(jié)構(gòu)建筑方案設(shè)計(jì)工作相互配合。在轉(zhuǎn)換層建筑空間結(jié)構(gòu)的概念設(shè)計(jì)階段，合理設(shè)計(jì)建筑空間結(jié)構(gòu)平面和豎向布置，在總體上建立完善的抗震系統(tǒng)，以提高建筑的安全性與經(jīng)濟(jì)性。同時(shí)按照實(shí)際狀況慎重選用過渡層構(gòu)造型式，并在建筑設(shè)計(jì)和施工中全程貫徹設(shè)計(jì)準(zhǔn)則，使高層建筑的混凝土構(gòu)造過渡層滿足建筑設(shè)計(jì)需要，并作為高層建筑總體質(zhì)量的促進(jìn)者。