建筑結構設計中轉換層設計的應用分析

文／蘇磊 甘肅省城鄉規劃設計研究院有限公司 甘肅蘭州 730030

1、建筑轉換層概述

現代建筑空間結構復雜、層數較多，許多建筑同時擁有多種功能，因為建筑平面功能存在差異，所以結構上出現了許多變化，具有不同功能的建筑平面之間的結構變化即為轉換層。轉換層結構一般以突變結構為主，兩個平面之間的結構發生了明顯的變化，而想要確保在這種變化前提下建筑保持良好的穩定性，必須根據建筑平面功能選擇合理的設計方案。轉換層結構主要有柱狀、網狀和框架解結構，不同種類的結構在強度和承載能力上存在著一定的差異。

2、建筑轉換層結構類別

轉換層解結構主要有梁氏結構、空腹桁架式、斜桿桁架式、箱形和板式等。設計建筑時需要結構建筑功能、安全要求和成本投入等具體條件進行綜合選擇，各類結構在承載能力方面存在差異，本章將對這些轉換層結構進行分析。

2.1 梁氏結構

梁氏轉換層在高層建筑中應用廣泛，這種結構實現建筑內部空間垂直轉換，上層建筑壓力通過墻體、柱體結構進行傳播，能夠有效提升建筑層面穩定性。梁氏結構的優點之一是體積計算方便，因為這種結構較為規范，只需要將梁氏結構的各項數據測量，即可計算其體積和受力特點等。與此同時，梁氏結構在成本投入方面也存在著一定的優勢，施工總體投入相對較低，能夠縮減施工成本。梁氏結構也包含了多種結構，從功能上進行分類可以分為托墻和托柱，這兩項結構的功能是支撐上層空間結構；從形式上進行分類，主要有加腋和不加腋2種類型。梁氏結構可選擇的材料相對較多，如鋼筋材料、混凝土材料、鋼骨混合料等，不同材料的強度不同。在設計梁氏結構時，除了需要考慮到上下層空間結構功能之外，還需要考慮到建筑層數，例如上層建筑層數較少的情況下可以適當減少轉換層的跨度，相反則應該增加跨度。

2.2 空腹桁架式結構

空腹桁架式轉換層在現代高層建筑結構中應用較多，這種轉換層主要通過桁架進行支護，能夠起到良好的支護效果，在設計轉換層時需要結合建筑重量特點選擇桁架，一般而言空腹架桁架式結構主要包括主桁架和斜桁架，在一些要求較高的建筑設計方案中，主要使用混合式桁架結構。主桁架起到主要支撐作用，受力通過墻體傳遞到下層空間，如果上層建筑的重量過大，安裝斜桁架能夠降低主桁架的壓力，斜桁架也起到分散壓力的作用。斜桁架的最大彎矩相對較大，因為其通過力學分散原理將部分壓力分散到周邊的結構中，使整個桁架的受力變得更加均勻，即使某一個點位在短時間內發生壓力變化較為明顯的問題，整個桁架也能保持較高的穩定性。從建筑上下層功能特點來看，空腹桁架式結構更加適用于復雜的高層建筑中，這類建筑在內部空間上往往更加復雜，有時需要設置多個轉換層，圖1為轉換層平面。

圖1 轉換層平面

2.3 斜桿桁架式結構

斜桿桁架式結構是一種常見的轉換層結構，這種轉換層結構的特點是能夠承受過大的壓力，多用于上層建筑層數較多的建筑中，一般情況下斜桿桁架需要與其他結構混合使用，其能夠大大提升轉換層結構的穩定性。隨著現代建筑功能的不斷拓展，轉換層結構的承載能力要求也不斷增加，在原有的轉換層結構基礎上加入斜桿桁架有效地增加了建筑的強度。在設計過程中，建筑轉換層重點受力區域需要設置多組斜桿桁架結構，這樣不僅能夠將主桁架的壓力降低，同時也能將上層建筑整體的壓力轉換到墻體或柱體結構中，然后由墻體或柱體將相關的壓力傳遞到地下空間。斜桿桁架的最大優點是承載能力強，在建筑內部空間較大的結構中應用廣泛，應用這種結果能夠拓展建筑下層空間，使建筑下層空間的作用更好地發揮出來。應用斜桿桁架也能提升建筑的整體穩定性，這種結構使上下層結構能夠更好地進行過渡。

2.4 箱形結構

箱型結構轉換層也是高層建筑施工中常用的一種結構，這種結構主要通過箱梁進行連接，使建筑空間結構有效地轉換。箱型結構的特點是施工便捷，部分結構可以在工廠中預制，施工時將這些結構運送到施工場地即可，但是箱型結構存在著一定的不足，在跨度相對較大的建筑中，箱型結構的穩定性相對較大，如果建筑上層重量較大，箱型結構可能無法提供良好的支護能力，如果壓力超過了最大值，可能帶來安全隱患問題。隨著現代建筑轉換層施工技術的創新發展，新材料和新結構的出現解決了傳統箱型結構的缺點，有效提升了結構強度。一般箱型結構的體積較為有限，特別是在大跨度建筑中，如果箱型結構體積過大不僅影響下層建筑功能，而且也會增加建筑的整體重量，所以在設計時通常將其控制在一定的范圍內，在保障建筑內部空間結構功能得以發揮的前提下減少箱體的重量，這樣不僅能夠保障建筑的穩定性和安全性，也能發揮出箱型結構的作用。圖2為標準層平面。

圖2 標準層平面

2.5 板式結構

板式結構是一種相對較為傳統的轉換層結構，這種結構的整體能力較差，在一些重量較輕的建筑中應用較多，因為這些建筑上層空間的整體重量不高，建筑的樓層數量相對較少，上層空間功能較為單一，所以一般情況下下層建筑空間承受的壓力較為有限。板式結構主要通過一定厚度的建筑板墻進行連接，在多個位置開設通道，從而打通建筑山下層，使建筑空間能夠緊密地聯系在一起。現代板式結構在結構強度上發生了較大的變化，特別是鋼混板結構，其強度比傳統的混凝土板式結構的強度提高了許多。但是應用板式結構必須注意建筑上層重量，如果上層建筑重量較高，則應該考慮到板式結構的整體受力特點。此外，板式結構也存在著優點，施工成本相對較低，而且能夠為建筑下層提供足夠大的空間，對于建筑功能的發揮有著重要意義。

3、建筑轉換層結構作用

建筑轉換層機構具有溝通、連接和支護的作用，由于建筑內部空間發生了較為明顯的變化，所以需要在空間變化設置過渡層，而過渡層就是轉換層，其承擔著建筑結構過渡的任務。隨著現代建筑功能增加，轉換層的作用也發生了一定的變化，但是其主要功能未發生明顯的變化。

3.1 連接建筑上下層

從建筑結構整體性的角度來看，整個建筑就是一個整體，并不存在分割層，但是從建筑功能來看，可以將建筑分為多個層級。一般情況下建筑低層空間往往用于商業活動，常見建筑底商就屬于這一類型，中高層一般被應用于居住或其他商業活動，在建筑空間結構發生變化的過程中，必須采用科學的方法處理過渡空間，使上下層空間得以更好地連接在一起。值得注意的是，建筑上下層空間結構不是單一的連接，而是需要將力學因素考慮在內，例如，建筑重量對轉換層產生的壓力需要經過轉換層結構進行傳導，如果傳導過程中出現問題，可能使建筑的整體穩定性降低，所以設計轉換層時既要通過科學的方法使建筑上下層結構得以有序地連接在一起，同時也要確保其擁有加高的穩定性。轉換層結構不能缺少上下層建筑空間溝通結構，如果開設額外的溝通空間，那么建筑整體重量必須增加，施工成本也會提升。

3.2 支護上層建筑結構

轉換層也承擔著支護上層建筑結構的重任，上層建筑的重量產生的壓力全部傳導至轉換層，如果轉換層結構的整體強度較弱，上層建筑的安全性則會降低，在一些高層建筑中上層建筑可以開展的商業活動限制較大，大部分建筑主要以居住為主，轉換層除了需要承擔建筑重量帶來的壓力之外，還需要承擔建筑內部人員活動帶來的壓力。大部分建筑的轉換層都是位置較低樓層，一些超高層建筑可能應有多個轉化層，而這類建筑結構中下層轉換層的受力壓力更大，轉換層需要將上層建筑傳遞的壓力抵消，同時也需要將建筑橫向受力抵消。高層建筑在惡劣天氣中橫向受力較大，如果轉換層結構強度較低，建筑橫向產生較大幅度擺動，可能對整個建筑結構的穩定性造成影響，從而導致安全事故發生。從建筑整體穩定和安全的角度來看，轉換層承擔起了良好的支護作用，其對于建筑穩定性有著關鍵的作用。

3.3 優化建筑空間結構

建筑空間結構發生變化后建筑的整體受力也會發生變化，如果轉換層結構設計不合理，建筑的整體功能將會減弱。轉換層結構與建筑空間結構優化存在著一定的聯系，選擇何種轉換層非常考驗設計者的能力，如果選擇轉換層類型時未能綜合考慮到多種因素造成的主要影響，可能導致建筑的整體作用無法發揮。例如，建筑層數較多，設計人員選擇板式結構，如果上層建筑產生的壓力較大，可能對建筑轉換層造成過大的壓力，從而使其增加建筑的安全風險。建筑轉換層也是建筑空間結構變化的主要區域，轉換層為建筑空間結構變化提供了基本的保障，如果建筑空間結構變化過程中因為建筑承壓特點而出現明顯的不同，那么建筑上下層空間力學特點和規律也會發生相應的變化，一旦這種變化與預期設計要求出現較大的差異，將可能導致建筑的整體安全性大大降低。

4、建筑轉換層設計中存在的問題

設計建筑轉換層需要結合建筑的整體功能、結構和重量等進行綜合考慮，如果其中一項影響因素被忽視，都可能導致轉化層結構的作用降低，同時也帶來一定的安全風險。目前我國建筑轉換層設計中存在的主要問題有綜合影響因素考慮不全面、受力結構設計不合理和空間過渡效果較差等。

4.1 綜合影響因素考慮不全面

對影響轉換層結構的總體性影響因素進行分析和研究非常關鍵，這是優化和改進設計方案的前提條件，但是目前很多設計單位并未結合多重影響因素進行設計，導致建筑的整體作用無法更好地發揮。例如，設計超高層建筑物時，由于建筑平面功能較多，所以需要使用多個轉換層，設計底部轉換層時未能深入考慮上層建筑力學變化特點，導致部分壓力無法及時有效地傳導至下層空間，如果建筑橫向受力較大，可能硬性建筑穩定性。此外，部分設計人員未能結合建筑主要功能對轉換層空間機構進行綜合考慮，如下層空間功能被定為開展人數較多的商業活動，所以需要拓展下層空間，但是使用較為繁瑣的空間結構，使下層建筑空間結構被壓縮，影響了建筑的整體功能。

4.2 受力結構設計不合理

建筑轉換層受力較大，如果設計過程中忽視了其支撐結構優化這項內容，可能導致轉換層的穩定性降低。在一些設計方案中部分設計人員使用了支護強度較低的支護結構，但這些建筑的上層空間重量非常大，在過大的壓力作用下轉換層的穩定性大大降低。例如，在一些復合式的商業建筑中，上層空間作用供住宿區域使用，設計過程中應考慮到上層建筑數量帶來的影響，但實際設計時部分設計人員忽視了這項因素的影響，導致建筑的整體穩定性降低。受力結構不合理帶來的主要影響有建筑安全性降低、建筑受力不平衡、建筑整體結構不牢固等，這些問題還體現建筑實際承重能力方面，相比于設計標準，實際標準相對較低，所以建筑的主要功能無法得以有效地發揮出來。

4.3 空間過渡效果較差

轉換層是建筑空間過渡的重要區域，如果建筑空間結構過渡效果較差，不僅影響使用者的使用體驗，也會影響商業活動的經濟效益。例如，一些建筑設計轉換層時將下層建筑通道與上層建筑通道設計在一起，整個建筑的人群擠在同一個空間中，導致轉換層區域變得非常擁擠。與此同時，這種設計方法也導致建筑通道過于集中，此區域受力變大，也增加了建筑通道處的安全風險。空間過渡效果不僅反映了建筑質量，也反映了建筑功能的效果，如果轉換層的過渡效果非常差，可能反映了該建筑在主要功能方面存在著一定的不足，無論是對于商業活動者而言還是對于上層居住人群而言都會受到一定的影響，解決這一問題的關鍵是對建筑平面功能和主要結構特點進行綜合分析，制定更多合理的結合方案，從而提升轉換層的結構穩定性。

5、建筑轉換層結構設計要點

5.1 確保建筑結構穩定性

轉換層起到了良好的支護作用，設計時必須將這種作用延續下去，根據建筑的整體重量特點合理設計轉換層。轉換層不僅承擔著支護上層建筑重量的作用，也承擔著保障建筑穩定性的作用，設計過程中應結合建筑橫向和縱向受力的整體特點進行綜合分析和研究，使轉換層的整體受力特點得以維持在穩定的范圍內，減少建筑自身重量和環境因素對建筑產生的影響。現代建筑的功能和重量不斷增加，為滿足建筑安全性要求，應使用復合式的轉換層結構，這種結構不僅能夠提升建筑的整體支護強度，而且也能保障建筑主要功能特征得以更好地體現出來。此外，設計時也應結合建筑下層空間作用綜合思考，這樣能夠滿足建筑下層空間結構主要功能需求，從而為下層空間創造更大的拓展環境。

5.2 保障空間過渡連續性

空間過渡是高層建筑設計中的重點難題，如果空間過渡方法存在不足，那么不僅影響空間的作用，也會影響建筑穩定性。設計過程中需要把控的關鍵點通過統一的連接方式將上下層空間有序地連接，尤其是通道位置，其直接關系到兩層空間使用者的使用體驗。空間過渡連續性的關鍵在于能夠使人們在不同空間之間進行轉換時不會感受到突兀感，但是對于一些大型的商業綜合體而言，一般很難實現這一目標，所以國內的設計單位應深入思考這一問題，能夠賦予建筑更好的空間過渡感，使轉換層能夠成為連接兩個具有不同功能空間結構的重要紐帶，使其更好地服務于建筑。在設計過程中設計人員應投入更多精力用于研究建筑空間過渡方法，通過新的方法賦予建筑空間更好的連續性，最大限度發揮建筑主要功能，從而為人們更好地服務。

5.3 體現建筑主要功能

轉換層在一定程度上反映了建筑的主要功能，這與復合式建筑個體功能的差異性存在著很大的聯系。從建筑功能意義上講，轉換層是建筑個體功能融合與主體功能優化的重要媒介，如果轉換層的主要結構特點無法滿足建筑整體功能發揮的基本要求，那么上下層建筑的結構特點則無法為建筑功能的實現提供基本的保障，建筑的整體功能發揮將會受到很大的限制，所以設計轉換層時應按照上下層建筑的主要功能和特點對相關結構進行優化與創新，最大限度保障建筑上下層功能得以有效地發揮。此外，在建筑功能優化方面，轉換層設計也應體現相關功能的核心特點，如商業活動必須凸顯出相關活動的主要特色，這不僅與建筑功能發揮存在著一定的聯系，也與建筑主要結構特征存在一定的關系。

結語：

總而言之，建筑結構設計過程中轉換層設計非常關鍵，其直接關系到建筑功能能夠有效發揮，同時也是影響建筑安全性和穩定性的主要因素，在具體設計環節中應該結合建筑主要功能、結構和其他影響因素對轉換層的結構進行優化，從而使其能夠使建筑的主要功能得以更好地發揮出來，最大限度保障建筑的安全性和穩定性，這對于建筑行業的發展而言有著關鍵性意義。設計人員應深入研究現代建筑轉換層設計要點，制定更多合理的設計方案，從而提升轉換層結構的合理性。