淺談高層建筑梁式轉換層結構設計原理及其應用

摘 要：梁式轉換層結構設計是多功能高層建筑實現功能轉換中應用的最廣泛的一種轉換層結構設計方法。本文先簡單介紹了梁式轉換層結構設計在國內發展歷程和梁式轉換層結構在高層建筑中應用的設計原則。最后，文中從結構形式、受力機理以及設計要求三方面，對梁式轉換層的設計進行了詳細探討。

關鍵詞：高層建筑；梁式轉換層；結構設計；設計原理；原理應用

改革開來以來，我國城鎮化建設腳步一直在不停加快，城市人口也在快速增長，使得城市土地變得寸土寸金。于是，為了有效利用有限的城市土地資源，提高城市土地利用率，近幾年來，在城市建筑中，建筑結構逐漸向高層建筑發展。并且，這種趨勢現在已經變得越來越明顯，城市高層建筑高度越來越高，結構越來越復雜，同時，高層建筑的使用功能也逐漸呈現出功能多樣化的發展趨勢。比如，在同一棟高層建筑內，將建筑分成上中下三個不同的組成部分，上層為住宅功能區，中層為辦公功能區，下層為購物、餐飲功能區，徹底改變了以往一棟建筑只提供一種使用功能的結構特點。而由于在同一棟建筑內同時實現了多種不同使用功能，每一種使用功能對建筑物建筑結構和建筑空間的要求都不一樣，因此，為了能夠更好的實現不同功能的轉換，需要在建筑物施工結構設計中設置轉換層。目前，在建筑結構設計中應用最廣泛的就是設計、計算以及施工都比較簡單的梁式轉換層結構。

1 梁式轉換層結構設計在國內發展歷程

我國最早是在上世紀七十年代開始在高層建筑結構設計中應用梁式轉換層結構，最開始的時候，我國在高層建筑中應用梁式轉換層結構的主要目的是為了實現建筑物底層大開間的建筑結構設計，并沒有從根本上實現對建筑功能的轉換。不過，梁式轉換層結構在我國發展的極為迅速，到了上世紀九十年代，梁式轉換層結構設計就已經列入了我國建筑結構體系和設計的相關規定中，并且政府部門對該種結構設計也比較重視，一直在通過不斷的摸索和總結來完善梁式轉換層結構設計原理和流程[1]。

我國最先應用梁式轉換層結構的建筑是在上世紀七十年代末落成于上海，這座最早的應用梁式轉換層結構的建筑高度為十三層，為底層大空間結構建筑，但是，當時這座建筑的功能依舊比較單一；接著，在1983年，在大連建成了另一座高度為十五層的應用了梁式轉換層結構，并實現多功能的高層建筑，這座建筑，下三層為大空間結構，提供購物、餐飲功能，上十二層為提供住宅功能的住宅區。自此之后，我國應用梁式轉換層結構的多功能高層建筑開始逐漸興起，并迅速成為我國建筑群組成的一部分。

進而二十一世紀，在經濟快速發展的推動下，我國城鎮化建設腳步也在不斷加快，我國多功能高層建筑也開始快速發展，其中，絕大多數建筑在實現功能轉換的過程中應用的都是梁式轉換層結構。

2 梁式轉換層結構在高層建筑中應用的設計原則

2.1 減少高層建筑的豎向構件

在高層建筑的梁式轉換層結構設計中，要最大限度的減少建筑物的豎向構件。因為在建筑結構中，應用的豎向構件越多，所需要進行轉換的功能結構就越少，梁式轉換層結構設計中的剛性就會越小，最終就會影響整個建筑的抗震結構設計，造成安全隱患[2]。

2.2 對稱布置轉換柱和剪力墻

在對轉換柱和剪力墻的位置進行布置的過程中，盡可能保證剪力墻和轉換柱的對稱性，轉換梁上面的轉換柱最好甚至在轉換梁的正中位置，這樣當轉換梁發生變形的時候，轉換柱的柱腳就不會受到太大的影響，轉換柱也不會發生太大的形變，導致轉換柱發生剪切和彎曲變形，影響梁式轉換層結構的安全性。

2.3 保證梁式轉換層的結構剛度

轉換層的剛度達不到要求會影響建筑物的抗震效果，因此，在梁式轉換層的結構設計中，一定要保證梁式轉換層的剛度。在梁式轉換層結構設計過程中，通常要求梁的高度要比跨度大至少12%，并且施工所使用的混凝土要是性能最高的混凝土，這樣才能夠保證轉換層的剛度，在滿足建筑物安全性要求的基礎上實現建筑物功能的轉換[3]。另外，在對剪力墻和轉換柱進行設計的過程中，也要充分考慮兩者的受力情況，對兩者性能進行合理設計，只有這樣，才能夠起到良好的轉換作用。

2.4 轉換層結構位置不能過高

在對梁式轉換層結構進行設計的過程中，一定要注意控制轉換層位置的高度，保證其在合理的范圍內，否則，一旦轉換層高度超過建筑物的標準要求，就會導致轉換層的剛度降低、轉換柱和轉換梁的受力增大，容易發生變形和超筋現象，影響建筑物的抗震效果。如果因為建筑物功能轉換需求，就要將轉換層的高度升高，則需要根據具體要求適當增加轉換層的剛度以及轉換柱和轉換梁的性能，同時，嚴格限制落地剪力墻的間距。

2.5 對梁式轉換層的結構進行嚴格計算

梁式轉換層結構設計是整個建筑結構設計中比較重要的一個部分，對整個建筑結構的安全性和實用性有著比較重要的影響。因此，在對梁式轉換層結構進行設計的過程中，為了保證梁式轉換層結構設計的合理性和準確性，一定要對在相關數據進行嚴格計算。在根據建筑物的實際受力變形狀態構建計算模型的時候，應該通過三維空間的整體結構對模型進行整體分析，應用有限元的方法來對轉換結構實施局部的補充和計算，務必確保設計計算的準確性。

3 梁式轉換層結構設計

3.1 結構形式

梁式轉換層結構也被稱為是梁式框支剪力墻結構，它是利用下部的轉換大梁，將上部剪力墻落在框支梁上，再由框支柱支撐框支梁，形成一種獨特的支撐體系，達到轉換建筑功能結構的目的。梁式轉換層結構是以剪力墻到轉換梁，再到轉換柱為力量傳導途徑，由于這種傳力途徑的表現形式直接、明確，計算、分析和設計都比較方便，而且施工也比較簡單，所以在高層建筑功能轉化結構設計中，經常使用梁式轉換層結構。但是，梁式轉換層結構缺點在于，如果建筑物的上下軸線的位置布置錯位，在結構設計中就需要增加轉換梁的數量，導致建筑物的空間受力情況變得更加復雜，不利于建筑施工[4]。而在實際設計過程中，可以根據梁式轉換結構根據建筑物轉換功能的具體要求，將轉換層分為如圖1所示的幾種不同結構形式。

3.2 受力機理和設計分析

梁式轉換層結構是以剪力墻到轉換梁，再到轉換柱為力量傳導途徑，這種傳力途徑的表現形式直接、明確，比較方便設計的計算和分析。其中，轉換梁的受力情況主要受到傳導力量的剪力墻的剛度、轉換梁自身的剛度以及支撐轉換梁的轉換柱的剛度影響。因此，為了明確梁式轉換層的受力機理，相關研究人員以轉換梁所承托的層數對轉換梁受力的影響為例，應用了有限元程序對其進行了分析。分析結果表示，當轉換梁的跨度不大于十二米時，轉換梁承托的層數標準為三層，但是以承托層數為四層或者是五層進行計算時，偏差也沒有超過5%，在可承受范圍之內。因此，在對承托層數為三到五層的梁式轉換層結構進行設計時，就可以直接以三層為標準進行計算。導致這種情況出現的原因主要有兩點：其一，是因為轉換梁正好處于結構整體彎曲的受拉區，應力積分后在轉換大梁中就會出現軸向拉力；其二，是因為剪力墻體豎向力作用于轉換梁時，傳力方式就會由豎向傳遞變成了拱式傳遞，力量不會直接作用在轉換梁上，從而導致轉換梁中間位置出現拉力，支座出現軸向壓力。

3.3 梁式轉換層設計要求

梁式轉換層結構設計應該根據建筑物具體功能轉換以及轉換層力量傳到的具體需要，依照建筑物轉換層的設計高度要求，在規定高度范圍內在一個位置或者是多個位置靈活布置轉換結構，同時，在對轉換層進行設計過程中，還要充分考慮建筑物的抗震要求，對轉換層的剛度進行嚴格設計[5]。在對大底盤多塔樓的商住高層建筑的轉換層進行設計的過程中，塔樓的轉換層應該設置在裙房的屋面層，并對屋面轉換梁、轉換層板的尺寸和厚度進行加大加厚處理，以避免中間出現剛度特別小的樓層，影響建筑物抗震效果。在對普通多功能高層建筑的轉換層結構進行設計的過程中，要嚴格控制轉換層的位置高度，地震烈度為7度的地區，轉換層高度不能超過5層，地震烈度為8度的地區不能超過3層。

4 結束語

現在，在城市建筑中，高層建筑數量越來越過，其中還有很大一部分是屬于多功能高層建筑，這些建筑結構復雜，不同功能區對建筑空間的需求也不一樣，需要通過轉換層來實現功能轉換，增加了高層建筑結構設計難度。當前，在轉換層結構設計過程中，應用最廣泛的就是計算、分析和設計都比較簡單的梁式轉換層結構設計，通過其設計，更好的實現高層建筑的功能轉換需求。

參考文獻

[1]謝曉峰.高層建筑轉換層結構形式的應用現狀及問題[J].廣東土木與建筑，2010（2）.

[2]何若全.高層建筑中轉換層結構的現狀和發展[J].蘇州城建環保學院學報，2011（9）.

[3]舒贛平.高層建筑預應力混凝土板式轉換層結構設計[J].建筑結構，2011（6）.

[4]唐興榮.高層建筑轉換層結構設計與施工[M].北京：中國建筑工業出版社，2012.

[5]梁炯豐.高層建筑轉換層結構的概況和發展[J].山西建筑，2010（2）.

作者簡介：楊永康（1964-），男，貴州遵義人，本科，工程師，主要從事方向為建筑工程設計項目的結構設計。