高層建筑梁及板式轉(zhuǎn)換層的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)研究

常 晉

(太原理工大學(xué)建筑設(shè)計(jì)研究院,山西 太原 030024)

0 引言

轉(zhuǎn)換層指的是建筑物的上層與下層之間由于使用功能以及類型不同，而導(dǎo)致的空間分布情況存在差異，為了保證建筑物結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性而進(jìn)行的一種結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)化的工作。通常情況下，居民對高層建筑當(dāng)中的一、二樓選購欲望不高，因此，大多數(shù)的高層建筑都會把底層的空間用來進(jìn)行商鋪建設(shè)工作，例如一些飯店、超市等等，這種方式可以有效的節(jié)約建筑占地面積，同時保證建筑物的經(jīng)濟(jì)效益。但是，由于商用空間和舉架的要求與民用不同，因此就要在其中設(shè)置一定的轉(zhuǎn)換層來進(jìn)行結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)換。高層建筑當(dāng)中常見的轉(zhuǎn)換形式有梁式轉(zhuǎn)換層、板式轉(zhuǎn)換層。

1 高層建筑中梁、板式轉(zhuǎn)換層介紹

1.1 梁式轉(zhuǎn)換層

梁式轉(zhuǎn)換層是在高層建筑當(dāng)中經(jīng)常使用的一種轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)，它的這種轉(zhuǎn)換方式主要是利用建筑物的框架結(jié)構(gòu)當(dāng)中的房梁與承重支柱來為轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)提供穩(wěn)定性。由于這種轉(zhuǎn)換層施工過程比較簡單，且耗費(fèi)的人力物力相對較少。同時，又能使建筑物線條清晰，達(dá)到美觀的效果。因此這種轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)在建筑施工中應(yīng)用比較廣泛，常見的梁式轉(zhuǎn)換圖見圖1。

1.2 板式轉(zhuǎn)換層

在高層建筑當(dāng)中板式轉(zhuǎn)換層從布置手法上來說相對比較自由，現(xiàn)階段當(dāng)中，板式轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)通常被運(yùn)用于造型設(shè)計(jì)比較復(fù)雜的建筑物上。理論上來說造型比較復(fù)雜的建筑物是不適合進(jìn)行結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換設(shè)計(jì)的，但是有了板式轉(zhuǎn)換層，就可以在建筑物平臺上建筑相應(yīng)的板式轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)，通過這種結(jié)構(gòu)就可以實(shí)現(xiàn)復(fù)雜建筑物的功能轉(zhuǎn)換。圖2為厚板形式的結(jié)構(gòu)圖。但是，板式轉(zhuǎn)換層的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)也有一定的缺點(diǎn)，就是相對于梁式轉(zhuǎn)換層來說，其轉(zhuǎn)換板的傳力路徑不夠明確，同時，由于這種轉(zhuǎn)換層自身受力狀況比較復(fù)雜，因此，建筑物在轉(zhuǎn)換層處剛度容易發(fā)生比較大的變化，從而影響建筑物整體的穩(wěn)定性能，所以這種轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)在使用前應(yīng)該做好充分論證，保證轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)能發(fā)揮最大的作用。

2 梁、板式轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)的受力問題

2.1 功能不同的樓層之間剪力墻的受力問題

由于不同功能的樓層對于建筑空間的高度、寬度、面積大小等問題都有著不同的需求，因此，在功能需求不相同的上下兩個樓層之間，在進(jìn)行梁、板式轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時要充分考慮剪力墻的受力問題。剪力墻主要是用于為建筑物進(jìn)行抗震以及承重等重要作用的一種墻體。而剪力墻的分布以及形狀長短都是需要結(jié)合實(shí)際建筑物的需求進(jìn)行更改的，因此，在設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)時，必須要注意分析剪力墻的受力方向、受力強(qiáng)度等問題，根據(jù)這些情況進(jìn)行設(shè)計(jì)才能保證轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)的合理性。同時，高層建筑的施工工作必須要保證剪力墻受力均衡，不會受到轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的影響，才能保證高層建筑的穩(wěn)定性以及安全性。

2.2 建筑物水平作用力問題分析

建筑物在水平方向上都會受到一定的作用力，由于不同使用功能的樓層剪力墻的分布狀態(tài)不同，且形狀和高度都有不同程度的變化。這就使得上下樓層之間的剪力作用不相同，而梁、板式剪力墻就需要在上下樓層之間承擔(dān)起不同的作用力，因此，如果結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不合理，就會因?yàn)榻Y(jié)構(gòu)層受力不均而產(chǎn)生變形，從而影響高層建筑結(jié)構(gòu)的整體穩(wěn)定性。因此，建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)師在設(shè)計(jì)梁、板式轉(zhuǎn)換層時需要充分考慮建筑物的作用力問題。

2.3 建筑物結(jié)構(gòu)框架支撐與剪力墻受力關(guān)系

高層建筑物在建設(shè)梁、板式轉(zhuǎn)換層時都需要考慮底層結(jié)構(gòu)框架的支撐力問題，當(dāng)轉(zhuǎn)換層使上下兩個樓層空間分布不同時，受力支撐點(diǎn)也就產(chǎn)生了變化。通常情況下建筑物結(jié)構(gòu)框架所需要承擔(dān)的支撐力與剪力墻受力大小相同，而當(dāng)剪力作用力給轉(zhuǎn)換層施加了不同作用力時，建筑物結(jié)構(gòu)框架的支撐力就會發(fā)生位移，從而使實(shí)際剪力墻作用力更大。

3 梁、板式轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)應(yīng)遵循的設(shè)計(jì)原則

3.1 轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)的布置原則

高層建筑在選用不同轉(zhuǎn)換層時，通常都會根據(jù)建筑物所需要具備的不同功能屬性，以及建筑物本身的結(jié)構(gòu)傳力來進(jìn)行安排。梁、板式轉(zhuǎn)換層需要保證自身具備足夠的硬度，防止上下樓層剪力作用不同而導(dǎo)致轉(zhuǎn)換層變形的問題。同時，梁、板式轉(zhuǎn)換層是可以作為正常樓層使用的。而對于一些底層設(shè)計(jì)比較寬大的高層建筑，設(shè)計(jì)人員應(yīng)當(dāng)適當(dāng)增加轉(zhuǎn)換層的厚度。在設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)換層時，應(yīng)當(dāng)盡量使轉(zhuǎn)換層的傳力路徑更加簡潔明了。并且應(yīng)該避免多次、多級的轉(zhuǎn)換，保證轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)布置的科學(xué)合理，這是梁、板式轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)在設(shè)計(jì)過程中需要遵循的基本原則。

3.2 抗側(cè)力設(shè)計(jì)原則

在高層建筑當(dāng)中，最受人們關(guān)心的問題就是建筑物抗側(cè)力的能力，例如強(qiáng)風(fēng)、地震等自然因素問題。因此，設(shè)計(jì)師在設(shè)計(jì)梁、板式轉(zhuǎn)換層的時候需要對其自身所受到的外力進(jìn)行全面的考慮，同時兼顧轉(zhuǎn)換層的剛度問題。重點(diǎn)研究轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)的抗震能力，從而保證轉(zhuǎn)換層的穩(wěn)定性和安全性，達(dá)到多功能性高層建筑的設(shè)計(jì)要求。

4 高層建筑當(dāng)中梁、板式轉(zhuǎn)換層的具體設(shè)計(jì)方案

4.1 研究轉(zhuǎn)換層的構(gòu)件問題

高層建筑的轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)十分容易受到建筑物上下層受力問題不同而發(fā)生形變，因此，為了保證梁、板式轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，達(dá)到高層建筑多功能性的要求。設(shè)計(jì)師應(yīng)當(dāng)在設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)構(gòu)件時，就需要進(jìn)行相應(yīng)的處理。具體的處理方式為，根據(jù)轉(zhuǎn)換層不同部位受力情況的不同來進(jìn)行綜合分析，結(jié)合分析結(jié)果來進(jìn)行不同程度的加固，保證各部位之間的剛度均衡，從而確保轉(zhuǎn)換層的穩(wěn)固性能。同時，轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)當(dāng)中的構(gòu)件問題還包括與轉(zhuǎn)換層相連的一些墻肢、連梁以及建筑物的受力支撐柱。在這些構(gòu)件上也需要進(jìn)行合理的加固，這樣才能全面的保證轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的科學(xué)性，保證高層建筑的安全性能。

4.2 轉(zhuǎn)換層的科學(xué)分析方法

信息科技的發(fā)展進(jìn)步也為建筑行業(yè)的發(fā)展起到了一定的促進(jìn)作用，設(shè)計(jì)師在設(shè)計(jì)高層建筑梁、板式轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)時，應(yīng)當(dāng)結(jié)合先進(jìn)的網(wǎng)絡(luò)信息技術(shù)，運(yùn)用專業(yè)的設(shè)計(jì)軟件，全方位的分析高層建筑的設(shè)計(jì)要點(diǎn)。通常情況下，為了保證轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的科學(xué)性，設(shè)計(jì)師會利用軟件設(shè)計(jì)出高層建筑物的三維立體圖像，然后根據(jù)圖像信息模擬轉(zhuǎn)換層的設(shè)計(jì)。并模擬出相應(yīng)的受力狀態(tài)，利用信息數(shù)據(jù)來對轉(zhuǎn)換層的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)進(jìn)行全面的分析，確定將要設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)換層的高層建筑是否適合使用梁、板式結(jié)構(gòu)，同時精確的分析出梁、板式轉(zhuǎn)換層的厚度、面積大小、造型等等。此外，利用專業(yè)的軟件，通過信息技術(shù)的使用可以減少設(shè)計(jì)工作中出現(xiàn)的數(shù)據(jù)誤差問題，為轉(zhuǎn)換層的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供安全保障。

4.3 轉(zhuǎn)換層的轉(zhuǎn)換梁設(shè)計(jì)方法

高層建筑的轉(zhuǎn)換層通過轉(zhuǎn)換梁與上下樓層的框架結(jié)構(gòu)進(jìn)行連接，由于上下樓層的功能屬性不同，因此在設(shè)計(jì)時兩個樓層之間的支撐點(diǎn)和框架結(jié)構(gòu)都存在差異性。這就會導(dǎo)致兩個樓層無法進(jìn)行嚴(yán)絲合縫的銜接，而轉(zhuǎn)換層中的轉(zhuǎn)換梁設(shè)計(jì)就承擔(dān)了這個銜接的功能。在設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)換梁時要根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行具體分析，而首先要考慮的就是轉(zhuǎn)換梁的配筋問題，配筋率不僅與轉(zhuǎn)換梁的實(shí)際建設(shè)面積有關(guān)，還需要分析轉(zhuǎn)換梁在上下樓層之間的受力大小、方向以及各部位受力分布情況等各方面的問題。配筋率低會影響轉(zhuǎn)換層的剛度和穩(wěn)定性，而配筋率過高會影響工程的造價，并給工程帶來一定的難度。因此，設(shè)計(jì)師必須綜合考慮各方面的因素，利用科學(xué)的計(jì)算方式來確定轉(zhuǎn)換梁所需的配筋率，才能保證轉(zhuǎn)換梁發(fā)揮最大的作用。

5 結(jié)語

高層建筑的設(shè)計(jì)正逐漸趨向于多樣化的發(fā)展，因此，在高層建筑的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)當(dāng)中，為了保證不同使用功能的樓層之間不會受到作用力的影響而使樓板產(chǎn)生變形，就應(yīng)當(dāng)結(jié)合實(shí)際的建筑物情況設(shè)計(jì)出相應(yīng)的轉(zhuǎn)換層。建筑單位應(yīng)當(dāng)意識到梁、板式轉(zhuǎn)換層的設(shè)計(jì)優(yōu)點(diǎn)，嚴(yán)格遵守轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)原則，利用信息技術(shù)對建筑物受力情況進(jìn)行全面的分析，保證設(shè)計(jì)出的轉(zhuǎn)換層具有足夠的剛度。同時，在設(shè)計(jì)過程中也要著重分析轉(zhuǎn)換層的各部分構(gòu)件以及轉(zhuǎn)換梁的配筋率問題，全面保障轉(zhuǎn)換層的抗側(cè)力以及穩(wěn)定性，從而保障高層建筑的安全性能。