建筑結構設計中轉換層設計的應用研究

張恒波

（濰坊市市政工程設計研究院有限公司，山東 濰坊 261061）

隨著市場經濟的快速發展，建筑業迎來了一個巨大的發展機遇，行業整體發展水平不斷提高，人們對建筑結構功能需求也逐漸呈現出多樣化、個性化的特點。因此，需要對高層建筑中的轉換層進行優化設計，尤其是高層住宅建筑。在設計和施工過程中，可采用不同類型的轉換層結構來滿足住戶的個性化使用需求，從而全面提高建筑結構設計效益。因此，需要對轉換層結構設計問題進行有效分析，優化設計，提高高層建筑的設計質量。

1 轉換層結構設計的作用

轉換層結構的設計應用可滿足大型商場、娛樂場所的多樣化功能需求。主要利用墻體對上下層空間進行分割，上層主要滿足住宅戶型的空間設計要求，利用墻體將整體空間進行合理劃分；下層主要預留整體空間結構，面積較大，使用方式比較靈活、多樣化。在高層建筑轉換層結構設計中，應結合建筑體的具體使用功能，對層高進行優化設計，保留其正常樓層的使用功能，必要時可作為設備層使用。

2 轉換層結構分類

2.1 箱式轉換層

當高層建筑結構梁截面較大且一層樓板剛度不符合標準指數要求時，應在轉換梁底與梁頂之間放置一層樓板，構建成一個箱型梁，這樣就能保證樓板剛度的假定值與實際數值一致。這種結構形式可應用于整個樓層，環繞建筑周邊形成箱式轉換層。這種結構類型的約束力較強、剛度大，可以對轉換層的上下層應力進行直接、均勻的傳遞，必要時可作為設備層使用。但在實際應用中，需要在建筑結構內開挖更多的設備預留孔，操作過程難度較大，成本較高。

2.2 梁式轉換層

梁式轉換層通常與框支剪力墻結構體系結合使用，底部空間較大。在實際應用中，需要將上層剪力墻設置在框支梁上，通過固定結構來提供支撐力，共同構成結構體系。如果要對縱、橫向進行轉換，通常使用雙向梁模式操作。這種結構類型的轉換層施工操作簡單，可以對上下層的應力進行精準傳遞，整體強度和剛度較高，在建筑結構設計中應用廣泛。如果需要對上下軸進行錯位安排，則需要增加轉換梁的設置數量，這種情況會使整體空間的受力情況更加復雜。

2.3 厚板式轉換層

在高層結構設計時，當上下柱網錯位復雜且梁不能發揮其承托作用時，需要設計厚板式轉換層結構，如圖1所示。在具體設計時，應結合柱網大小尺寸、上層結構荷載等因素，明確板的厚度和規格。這種結構類型適用性強、使用靈活，可用于任何結構布局，且剛度較大，可組成整體性的承臺，但受力狀態復雜、傳力途徑混亂、內應力大、易發生剛度突變，適合結構復雜、開間較多的建筑結構，不適合在多震區域使用。

圖1 厚板式轉換層

2.4 桁架式轉換層

在高層結構設計中，如果上層是住宅用房、下層是大型商場的結構，則應采用桁架式結構形式，并可作為設備層使用。在實際應用中，通過桁架將上層柱墻的荷載傳遞給下層柱墻，并根據具體需求在桁架空間內設置差異化的管道。在具體設計時，可在整個樓層進行設計，并對所有節點進行合理設置，確保其與墻肢形心對中。這種結構類型的結構受力途徑比較明確，常用于地震多發地區，但施工工藝復雜，尤其是軸線錯位布置容易出現失誤，不利推廣到二、三線城市。

3 轉換層結構設計原則

轉換層在高層建筑設計中起著承上啟下的作用，直接影響建筑工程質量。轉換層的規范設計能減少資源浪費、提高資源利用率、有效控制工程設計中的風險因素。具體的設計應遵循以下原則：

（1）在滿足建筑體功能需求的前提下，合理控制轉換層豎向構件的使用數量，避免使用量過多。同時，要相應地增加直接接地構件數量，降低建筑結構的剛度，防止發生剛度突變，提高整體結構的抗震性。

（2）避免高位轉換。由于高位轉換將導致框支剪力墻結構的傳力受阻、結構剛度突變等，使建筑物出現薄弱層，降低整體抗震性能。

（3）明確傳力途徑，避免在傳力過程中發生剛度突變，保證受力均勻性。

（4）科學分析剪力墻與框支剪力墻的占比。一般情況下，橫向落地剪力墻是橫向墻的0.5倍。

（5）為保證上部柱子與剪力墻的對稱性，采用轉換梁對梁上立柱進行固定，從而控制支柱柱角，避免變形。

4 轉換層結構設計要點

4.1 不同結構類型的設計要點

（1）梁式轉換層設計廣泛應用于高層建筑結構設計，受力途徑明確、整體結構設計簡單、施工過程不復雜。但在具體設計時，必須保證上下層結構的優化布置，促進上下層結構協調，進而提高高層建筑結構的整體穩定性。當建筑高度較高時，剪力墻的內力和傳力途徑發生變化，整體受力能力下降，應優化設計以提高其抗震性能。

（2）桁架式轉換層結構是一種重要的承重結構，可以對建筑不同功能區域的上下層進行連接。但由于其下桿橫截面積較小、高度較高，施工難度大，施工工藝復雜。因此，在實際施工過程中，必須對其內部結構特性進行全面的研究，精準計算參數，以達到整體結構設計的最佳效果。

（3）厚板式轉換層設計在設計布置時適用性較強，使用性靈活，簡化了上下層結構的正對工序。但在實際施工中需要大量的材料，因此，需要精確地計算受力角度，并選擇合適的配筋量。同時，應綜合考慮抗剪力與抗沖切力，控制受力程度，以精確計算內力及配筋量，在保證結構穩定性的同時，充分發揮經濟性優勢。

4.2 優化抗震設計

隨著現代化社會的發展，人們對房屋結構抗震性能的要求越來越高，但某些高層建筑由于增加了轉換層結構，導致結構豎向剛度受力失衡、承載力分布不均、傳力剛度下降，甚至出現結構變形等問題，嚴重影響整體建筑結構的抗震性能。因此，在設計轉換層時應加強抗震設計，綜合分析潛在的地震威脅因素，優化結構設計，確保轉換層設計的全面性和完整性，提高整體結構的抗震性能。另外，應盡量避免高位轉換，高位轉換容易造成上下層結構受力不均，發生水平地震時剪力墻受力荷載過大，導致整體結構的支撐力下降；高層建筑受力復雜，整體抗震性能較差，結合數據分析，如果轉換層超過三層，其抗震性能將受到很大影響；如果高位轉換層的傳力途徑被堵塞，將導致下層剪力墻的受力傳遞困難，導致剛度突變，甚至出現裂縫問題，形成薄弱層。因此，在設計轉換層時，應結合結構類型、高度等因素選擇合適的設計方案；轉換層下層剪力墻主要通過樓板將受力傳遞到落地剪力墻上，應避免力堆積過大而引起剛度突變問題；如果采用高位轉換層，則應注意提高其抗震等級，尤其要加強框架、支撐、剪力墻的抗震等級，以減少建筑出現薄弱樓層。轉換層結構布置平面如圖2所示。

圖2 轉換層結構布置平面圖

4.3 優化剛度設計

剛度是影響轉換層設計質量的關鍵因素，特別是高層建筑，其高度和自重對轉換層剛度有不利影響。因此，為了提高建筑結構的穩定性，在設計轉換層時應使用較高等級的混凝土，保證下層剛度超過上層70%，將其設計為筒體結構，以保證結構剛度符合設計要求。轉換層結構的設計和布置應注意以下兩點。

（1）底部大空間剪力墻結構的設計需要對上下層剪力墻剛度比進行有效調節，使上下層受力均勻，避免剛度突變，從而保證整體結構的穩定性。

（2）外圍柱距的框筒結構在對轉換層進行設計時，如果要擴大外圍柱距框筒結構，應采取有效措施保證上下層剪力墻剛度的穩定性。因此，在設計上下截面時，應結合實際情況采用相同材質的鋼管混凝柱結構，對柱子的截面、剛度等參數進行有效控制，達到設計要求。

4.4 轉換層的豎向布置

轉換層的設計應深入分析、精細布置轉換層的豎向結構，以滿足建筑物的實際功能需求、優化上下層傳力途徑、防止高位轉換問題、提高整體結構的穩定性和可控性。另外，要對轉換層的高度進行控制，如果其高度過高，將增加剛度突變的風險，破壞框支剪力墻結構的受力途徑，從而威脅整體結構的穩定性和抗震性。因此，在設計轉換層豎向結構時，應規范設置底部帶轉換層的建筑結構，防止豎向構件連續貫通。但如果建筑結構的實際功能要求應用到高位轉換，則需要對變形、彎曲、剪切等結構的剛度進行全面分析，使層間內力的穩定性得到最大程度的控制，從而提高結構穩定效益。

5 結語

綜上所述，轉換層結構的設計質量直接影響整體建筑結構的穩定效益。因此，應結合實際情況，對轉換層結構類型進行合理分類和科學選擇，明確轉換層設計原則，分析設計要點，尤其要對不同結構類型的設計要點、抗震設計、豎向結構設計、剛度設計等進行詳細分析，從而制定更加優化、合理的技術方案，以保證高層建筑結構的穩定性和可靠性，促進建筑行業的快速發展。