轉換層設計在建筑結構設計中的應用

金人偉

摘要：在現代建筑工程中，由于人們使用需求的不同，所以在進行商建住宅建設時，通常采用轉換層來滿足不同用戶的使用需求，這也是高層建筑發展的必然趨勢。本文在對于建筑結構設計中轉換層的功能及主要類型分析的基礎上，從轉換層的設計原則入手，提出建筑結構中的轉換層設計的建議。

關鍵詞：建筑結構設計；轉換層；原則；建議

前言

隨著我國國民經濟的快速發展，城市建設用地越來越緊張，為了提高土地的利用價值并滿足建筑藝術造型及其不同使用功能的需求，房屋的高度不斷增加，房屋的結構形式也越來越復雜，從框架結構、剪力墻結構、框架一剪力墻結構、簡體結構到各種轉換、連體、錯層等等，各種復雜結構形式不斷被應用。考慮到同一單體上下層建筑功能的不同要求，轉換層的使用解決了高層建筑底部大空間使用功能的要求，轉換結構存在傳力不直接、剛度突變等問題，應采取足夠的加強措施以滿足正常使用和抗震要求。

1建筑結構設計中轉換層的主要功能及類型

1.1轉換層的主要功能

近些年來，隨著經濟的持續快速增長，人們對于建筑物尤其是高層建筑的需求呈現出一種多元化、全面化和綜合化的趨勢，在生活中也能進場見到下部為大型商場或者娛樂場所而上部為民用住宅的建筑。單從這類建筑的功能來看，其上部主要是需要有更多的墻體來進行空間的分隔，從而滿足不同住戶對于住宅戶型的要求，下部則主要是以創建更大的靈活空間為主。轉換層設計中為針對不同建筑功能的需要，在有較大的層高作保證時可以作為正常的樓層使用，同時在層高受到限制或者處于設備需要時，也可以作為設備層。

1.2轉換層的主要類型

轉換層的不同設計類型主要是由于不同的建筑功能需要而決定的，其主要類型可以分為以下幾種：

（1）箱式轉換層。箱式轉換層的設計主要是基于轉換梁截面過大，且一層樓板不能滿足平面內樓板剛度的假定值而考慮的，為了確保假定值和實際值更相符，可以采用在轉換梁底和梁頂之間設置一層樓板，從而形成箱形梁。該轉換結構一般情況下適合遍布整個層面，并在建筑周邊環通，最終形成箱式轉換層。其具有約束性強、轉換梁剛度大且上下部傳力均勻的優點，同時還可以將其作為設備層。但是該類型的轉換層在設計過程中需要增開的設備洞相對較多，施工技術較為復雜，隨之帶來的也是較高的造價問題。

（2）梁式轉換層。梁式轉換層一般是采用底部大空間的框支剪力墻結構體系，其主要是將上部剪力墻固定在框支梁上并在框支柱的支撐作用下形成的結構體系，在需要進行縱橫向的轉換時，會相應的采用雙向梁布置。該類型的轉換層具有著施工簡單、傳力準確的特點，是目前在建筑結構設計中較常采用的轉換形式。但是其也有一定的缺點，比如在進行上下軸線錯位布置時，需要增設的轉換梁次較多，會造成其空間受力情況較為復雜。

（3）桁架式轉換層。桁架式轉換層主要是在高層建筑結構下部為大型商場、上部為中小型寫字樓或者是住宅用房，并且需要設置相應的設備層時所常用的一種結構形式。其上部柱墻可以通過桁架傳至下部柱墻，并且在桁架間的空間可以分設所需的管道。在進行桁架式轉換結構設計時，一般情況下適合采用整層布置，并且各節點之間應與墻肢形心對中。該結構類型在施工中具有較高的復雜程度，同時其在進行軸線錯位布置時的難度也相對較大。

（4）厚板式轉換層。在上下柱網錯位較多并且不能用梁進行承托時，就需要采用板式轉換層。其中厚板的規格以及厚度是由柱網尺寸以及上部結構載荷而決定的。該結構類型具有靈活性大、受結構布局影響較小的優點，且由于其厚板具有較大的剛度，能夠形成一個整體性較強的承臺，便于施工。

2建筑結構設計中的轉換層設計原則

建筑結構設計中的轉換層主要起到承上啟下的功能作用，其設計對建筑工程具有相當重要的經濟意義與功能意義，對轉換層進行科學合理設計不僅能避免建筑資源的浪費還能杜絕一定的建筑結構安全隱患，其在設計過程中應遵循以下設計原則：

首先，在轉換層設計過程中應盡量減少結構轉換的豎向構件，應盡可能的多采用直接接地的構件，其能有效避免建筑剛度的減小，對建筑物抗震性能的提升有著重要的作用。

其次，轉換層的設計位置不能偏高，應盡可能的靠近底層位置。主要是由于建筑框支剪力墻結構的傳力途徑以及剛度發生變化時會直接造成轉換層成為薄弱層，很大程度上降低了建筑物的抗震性能。

再次，在進行轉換層的設計時應注意傳力路徑的明確性，并且確保轉換層的剛度。由于轉換層結構本身起到的是結構轉換作用，所以應保持其自身的受力平衡性。

第四，要對剪力墻以及框支剪力墻的比例進行綜合考慮，保證其橫向落地剪力墻的數目超過橫向墻的50%。

第五，為了避免立柱柱角發生變形，在進行轉換層設計時應保持其上部柱子和剪力墻的對稱分布，將梁上立柱設置在轉換梁垮中，從而避免轉換梁變形作用下產生的支柱柱角變形加大。

3概念設計與結構布置

轉換結構選型與布置：轉換結構的突出特點是豎向抗側力構件不連續，部分豎向構件不能落地，致使豎向荷載不能直接傳至基礎，較大豎向荷載均通過下部框架結構下傳至基礎，由此造成下部結構構件受力復雜，內力較大，因此GB 50011-2010建筑抗震設計規范、JGJ13-2010建筑混凝土結構技術規程對于轉換結構的轉換構件設計、整體結構控制指標、配筋及相應節點構造措施給出了明確的規定，以此確保上部剪力墻結構與下部框架結構的可靠連接及整體結構的安全性。梁式轉換結構相對較為經濟，荷載傳遞明確，現有該類轉換結構竣工建成項目較多，設計理念及施工工藝非常成熟，不存在理論與技術實施難題，因而本項目選用梁式轉換結構。轉換層的存在使得主體結構上下不同結構類型交界處剛度突變，剛度驟變對于地震作用尤其不利，結構方案設計應盡量避免側向剛度的不連續，盡量使得兩種不同結構交接位置剛度連續均勻變化。為解決抗側力構件剛度交接位置剛度突變的問題，轉換層結構設計過程中要注意如下兩點：（1）避免剪力墻全抬，確保一定數量的剪力墻起落地，增大底部剪力墻墻體厚度，適度加大框支框架柱的截面，以此在確保上下部剛度一定連續的程度上加大底部框架的剛度：（2）針對上部剪力墻結構，宜適度增大墻肢間距，縮小剪力墻長度、減少墻體數量等措施，調節轉換層上下剛度達到均勻變化，平穩過渡，避免抗側剛度劇變，上部結構通過少量剪力墻與核心簡一起承擔水平側向力。此外為確保單片剪力墻自身的穩定性，墻體布置時宜結構建筑功能分區，將剪力墻布置為T形、L形、C形為宜。底部框支框架在布置時也宜結構建筑功能劃分，將可以下落的剪力墻落地，在大空間區塊布置框支柱作為豎向承載構件。由于框支柱上部支撐轉換梁，且梁上荷載較大，框支柱相比于常規框架柱截面較大，為滿足強柱弱梁的概念設計，確保框支柱具有足夠的延性和變形能力，框支柱在地震作用下不首先出現柱鉸的破壞形態，能夠有效吸收地震力，因而，框支柱設計時應嚴格控制其軸壓比不大于0.6，適度增加柱子的體積配箍量及配筋率，相對于普通柱前者宜增加0.02，后者不小于1.5%，且框支柱縱筋的連接應全部采用機械連接，全高加密箍筋。除此之外，在底部框支框架強度及延性得到保證以外，樓蓋的剛度也不宜忽視，樓蓋將上部荷載通過墻體及柱子傳至下部框支框架，此外樓蓋還要協同轉換梁工作，為確保面內剛度的連續有效，轉換層的樓蓋板厚通常不宜小于200mm，以確保剛度的連續及荷載有效傳遞。

4建筑結構設計中轉換層設計的建議

4.1梁式轉換層設計

作為在建筑設計中的轉換層結構設計中最為常用的一種結構設計模式，其在高層建筑轉換結構中占到了大約80%以上的比例，并且具有受力清晰、構建簡單、方便施工的優點。但是在該類型的轉換層設計時，應注意上下結構布置的優化協調，從而確保整個建筑結構的穩定性。比如在進行相對高度較高的結構設計時，剪力墻的內力和剛度以及傳力途徑會發生一定程度的改變，會使之成為較為薄弱的部分層，一定程度上對建筑結構的抗震性能產生了影響。所以在施工設計過程中應盡量減少轉換的構件，多采用非轉換的鋼筋混凝土形式，避免轉換構件的過度集中的情況出現，從而做到豎向剛度的均勻合理，以保證轉換層施工和整體建筑的施工質量。

4.2桁架式轉換層設計

桁架式轉換層主要用于建筑不同功能區域上下部的連接，是由多榀鋼筋混凝土桁架組合而成的一種承重結構。一般情況下桁架的下桿的截面面積較小并且高度較高，所以這一結構形式的施工難度較大且工序較為復雜。在具體施工設計過程中，應對轉換層的內部結構進行綜合分析，并對其受力情況進行分析計算，從而保證設計符合建筑質量要求。

4.3厚板式轉換層設計

厚板式轉換結構雖然具有布置靈活、不需要正對下層結構的優點，但是其在施工設計過程中多需要的材料耗費較大，所以如果在采用厚板式轉換層結構時，應注意對其受力角度的分析，適當的加強其配筋量，同時也可以從抗剪力和抗沖切力的角度出發，減輕其受力程度，對其內力以及配筋量進行合理準確的計算，并從其經濟效益出發對其進行綜合考慮。

5結語

建筑結構設計中的轉換層設計問題一直以來都是建筑行業最為關心和一直探索的重要問題，在建筑結構設計中，應針對建筑結構實際需要選擇出符合建筑物實際需要的結構模式，并在安全、經濟、適用等指標基礎山，努力提升轉換層設計的強度、抗震能力以及剛度，從而對其結構進行優化設計，使之完美的與建筑結構和建筑實際功能需要相結合。