高層建筑中的轉換層結構設計要點研究

崔晨光

（太原理工大學建筑設計研究院 山西太原 030024）

0 引言

在當前城市的建筑中層建筑的建設越來越廣泛，其功能性極強，多功能的建筑在設計時，需要對其內部結構進行合理布局。高層建筑在結構方面，為了滿足特定的建筑功能，通常會設計結構轉換層因此在高層建筑的結構設計中，設計人員必須對結構轉換層設計進行分析，以保證建筑的質量和使用安全[1-2]。

1 轉換層設計及作用分析

轉換層設計要基于建筑內部結構進行對應功能的調節，依據不同樓層所在位置對轉換層的性能、功能作出要求，使其能承上啟下，實現結構的功能轉換，通過對設施、空間等要素的搭配結構需求，結合高層建筑中的結構承載進行商業、住宅等多種類型的需求。

2 高層建筑轉換層結構形式

高層建筑轉換層結構形式較多，常見的轉換層結構形式主要有梁式轉換層、箱式轉換層、板式轉換層、桁架轉換層、斜柱轉換層和巨型框架轉換層，以下筆者就上述轉換層進行簡要闡述：

2.1 梁式轉換層

梁式轉化層是高層建筑中最為常用的轉換層結構，其載荷力傳導直接，同時其結構設計和分析簡便，成本造價較低。梁式轉化層結構采用轉換梁作為承載結構，分為托墻和托柱兩種方式，其施工材料可以采用鋼筋混凝土、預應力混凝土和鋼結構。在實際工程中，轉換梁的跨度要綜合考慮上層墻體的層數，其常用的跨度為6～12m，轉換梁結構設計選擇與受力性能以及形式有直接關系，托柱式轉換梁界面的設計可以按照普通截面的配筋計算方式，如果上部的承載部分為上部斜桿框架，應采用偏心受拉構件界面設計，而對于托墻式的截面設計，要計算其縱向鋼筋的分布狀況，對開門較多的墻體，也可以采用深梁截面設計方法或應力截面設計方法。

2.2 箱式轉換層

箱式轉換層結構主要由單向托梁及雙向托梁構成。在結構設計中為了加強上下層結合的效果，需做好混凝土澆筑施工。箱式轉換層在結構剛度和整體性上優勢十分明顯。

2.3 板式轉換層

板式轉換層結構是在厚板組合轉換下形成的一種轉換層結構。在結構設計中，為發揮板式轉換層的功能，需考慮建筑的抗剪能力、結構強度和抗沖能力，并以此為基礎明確轉換板的厚度。轉換板的厚度多為2～2.8cm，但下部結構設計中也會產生較多的材料消耗，施工難度較大。為此，在使用板式轉換層結構時需綜合考慮多種影響因素，以提升高層建筑結構設計水平。

2.4 桁架轉換層

桁架式轉換層是對梁式轉換層的擴展，其整個轉換層結構采用鋼筋混凝土的桁架組成，桁架的上下弦桿作為上下樓面結構層，中間設置腹桿。這種轉換層結構設計的整體性較好，受力狀況更加穩定，同時轉換層的自身重量較小，具有良好的抗震性能。但是桁架式轉換層對施工技術提出一定的要求，尤其是對“強斜腹桿，強節點”關鍵技術點的控制。

2.5 斜柱轉換層

應用斜柱轉換層結構時，水平荷載的水平較高，設計人員要以建筑平面布置為基礎對其予以全面考察，高度關注結構設計的科學性。另外，為有效控制水平荷載，也可采用拉梁或圈梁維持受力平衡，高度利用結構空間。轉換斜柱通常需穿過多個樓層，以減輕上下層結構水平作用力的負面作用。

2.6 巨型框架轉換層

巨型框架轉換層結構經過了實踐的檢驗和理論的積累，成為了轉換層結構設計中的主流發展趨勢。巨型框架轉換層主要由豎向筒體和巨型梁構成，結構的抗震性能優越，也符合超高層建筑結構對轉換層結構的要求增強了結構的安全性和穩定性。

3 高層建筑轉換層結構設計要點-以梁式轉換層為例

高層建筑轉換層結構設計具有系統性和復雜性，且轉換層結構設計的效果直接影響了高層建筑結構的性能。因此，在轉換層設計中，設計人員需熟練掌握設計要點，并按照設計規范和設計要點，完成設計工作。以下筆者以梁式轉換層結構設計為例，分析高層建筑轉換層結構設計要點：

3.1 轉換梁截面設計

高層建筑轉換層截面設計中，設計人員應當考慮梁的受力性能和轉換層的受力方式。并以此為基礎科學選擇參數計算方式。轉換梁截面主要分為兩種形式：①托柱截面；②拖墻截面。在托柱式轉換梁截面設計中，設計人員要將轉換梁截面的尺寸作為控制要點，其受力形式與普通梁結構的受力形式十分相似，所以在結構設計的過程中，設計人員需深入考量配筋的概況，隨后方可選擇計算方法。若轉換梁承托結構選擇斜桿框架形式，則軸向拉力也會對結構受力產生顯著的影響。在截面設計的過程中，設計人員可根據實際采用深梁截面設計形式完成梁截面設計，設計中所使用的鋼筋數量要經專業的計算公式確定，從而優化梁高配置。

3.2 轉換層結構構件設計

在轉換層設計工作中，豎向剛度突變和豎向側力構件問題是引發轉換層傳力突變的主要因素。受到強震的作用，結構中相對較弱的位置也會形成較大的應力，要想在增大轉換層上部結構強度的同時，提高下部結構剛度，則需采取多種措施增大轉換層周圍的強度，確保水平剪力的順暢傳遞，嚴格控制地震作用對結構的破壞性。

3.3 轉換層分析計算方法

設計人員完成結構層整體計算工作后，應采用專業的平面有限元計算軟件分析計算轉換層結構，且就局部應力采取多種手段做好補充計算工作。局部應力分析中，工作人員需確保轉換層結構的上層及下層均位于計算模型內部，然后結合樓層樓蓋平面考量結構的剛度。在計算框支剪力墻結構時，其要求十分細致，上部剪力墻應與下層支柱緊密連接。若采取不恰當的連接方法，則會產生較大的連接誤差。

3.4 轉換大梁設計要點

梁式轉換層結構設計中，轉換層樓板要將上層的水平剪力順利地傳遞至下層的建立結構上，此時轉換層樓板也會受到平面內剪力的影響，結構需同時承受豎向荷載，以期增大樓板結構的剛度和強度。此外，轉換層大梁承擔了上部剪力墻或上部柱體結構的豎向傳載任務，轉換層大梁自身需要承受較大的應力，這也成為了結構抗震中十分重要的環節。為此，設計人員務必高度重視大梁設計的科學性與合理性。

3.5 轉換層抗震設計要點

高層建筑結構設計中，結構中設有轉換層，而這也影響了建筑物剛度分布的均勻性。轉換層結構的豎向承載力和墻柱截面發生了較大的變化，相應的傳力線路也隨之發生了明顯的改變，進而破壞剪力墻結構的抗震性能。為維護轉換層結構設計的安全性，設計人員應在三層或以上樓層設計中，做好墻柱的加強和加固處理。

3.6 托墻形式轉換梁截面設計要點

若轉換梁承受的上部墻體并未開洞，則需確保轉換梁及上部墻體同時完成各項工作，此時，結構受力和破壞的程度較大。對此，設計人員在轉換梁截面設計中通常采用應力截面設計和深梁設計，且沿圈梁高計算縱向鋼筋，加大分部控制的力度。此時，轉換梁的跨度相對較大，底部縱向鋼筋應保持平直狀態，工作人員要確保鋼筋均可深入至支座內部。

4 結論

高層建筑轉換層結構是建筑物中關鍵的一環，因此其結構設計要從工程實際、建筑空間分布、建筑結構受力、承載力分布等多個方面進行考慮，選擇合適的結構形式，從而提高轉換層的抗剪切力和承載能力，提高整體結構的安全性。同時在結構設計時，要強化關鍵施工要點的設計，嚴格遵守施工流程，切實提高工程質量。