帶轉(zhuǎn)換層高層建筑結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)方式分析

楊曉玲

(武漢東藝建筑設(shè)計(jì)有限公司，湖北 武漢 430070)

0 前 言

當(dāng)前城市中較多的高層建筑都是帶有轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)，在高層建筑的下部樓層一般用于商業(yè)建筑，餐廳、超市等，下部結(jié)構(gòu)需要有較為寬闊的空間，不能因?yàn)榧袅翱蚣苤绊懥似涫褂霉δ?；在上部結(jié)構(gòu)一般用于人們居住，要求結(jié)構(gòu)布局合理，開間、進(jìn)深適宜，在這種實(shí)際需求下，對(duì)于高層建筑的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提出了新的要求，要在設(shè)計(jì)中結(jié)合建筑功能要求，把握建筑設(shè)計(jì)要點(diǎn)，提高設(shè)計(jì)方案的科學(xué)性和合理性，這樣可以促進(jìn)我國(guó)高層建筑的發(fā)展。

1 帶轉(zhuǎn)換層高層建筑簡(jiǎn)介

1.1 基本概念

在高層建筑中，建筑物的下層結(jié)構(gòu)和上層結(jié)構(gòu)因平面使用功能不同，而在中間一個(gè)過渡層進(jìn)行結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換以實(shí)現(xiàn)上層結(jié)構(gòu)和下層結(jié)構(gòu)的功能要求，這個(gè)過渡樓層通常被稱為轉(zhuǎn)換層；轉(zhuǎn)換層的設(shè)計(jì)主要是為了改變上下層結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)形式及平面布局，通過結(jié)構(gòu)形式及建筑軸網(wǎng)的改變來滿足上下層建筑的功能要求，對(duì)于超高層建筑甚者設(shè)計(jì)了多個(gè)轉(zhuǎn)換層，這樣可以更好地發(fā)揮建筑物的使用功能，提高建筑物使用效率，從而促進(jìn)我國(guó)建筑行業(yè)的發(fā)展。

1.2 主要用途

在高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，通過設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)換層，可以將上層結(jié)構(gòu)和下層結(jié)構(gòu)進(jìn)行很好的連接，可以將建筑物的空間劃分變得更為靈活，滿足樓層間不同的空間需求。當(dāng)前城市建設(shè)中高層建筑結(jié)構(gòu)越來越普及，帶轉(zhuǎn)換層高層建筑結(jié)構(gòu)可以提高土地使用效率，因而被廣泛應(yīng)用到高層建筑設(shè)計(jì)中。

2 帶轉(zhuǎn)換層高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的主要原則

2.1 加強(qiáng)轉(zhuǎn)換層下半部分的設(shè)計(jì)

在帶轉(zhuǎn)換層高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，要考慮到下層結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，因?yàn)橄聦咏Y(jié)構(gòu)是整個(gè)建筑的受力基礎(chǔ)，其質(zhì)量決定了整個(gè)高層建筑的質(zhì)量；同時(shí)下層結(jié)構(gòu)的剛度要高于上層建筑，要在下層結(jié)構(gòu)做好抗震設(shè)計(jì)，這樣可以提升整個(gè)高層建筑的抗震性，提升高層建筑的安全性和穩(wěn)定性。

2.2 合理控制轉(zhuǎn)換層的數(shù)量

在高層建筑結(jié)構(gòu)中設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)換層主要是為了改變上下層建筑的平面布局，提高高層建筑的使用效率，但是也不能過于追求建筑使用效率而過多的設(shè)置轉(zhuǎn)換層，由于轉(zhuǎn)換層會(huì)使得建筑物的上下層結(jié)構(gòu)形式發(fā)生改變，在一定程度上是將整體建筑物進(jìn)行了分割，破壞了整個(gè)高層建筑的整體性，容易導(dǎo)致其他衍生質(zhì)量問題的出現(xiàn)。因此，一般高層建筑的轉(zhuǎn)換層設(shè)計(jì)以1～2層為宜，這樣可以在保證建筑質(zhì)量的前提下盡可能地提高土地使用效率。

2.3 加強(qiáng)數(shù)據(jù)的運(yùn)算和應(yīng)用

在帶轉(zhuǎn)換層高層建筑的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，由于其模型復(fù)雜多變，計(jì)算冗雜且系統(tǒng)，這就要保證轉(zhuǎn)換層的數(shù)據(jù)計(jì)算和參數(shù)選擇正確，因?yàn)槠潢P(guān)系到上下層建筑結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，起到了一個(gè)承上啟下的功能，也不同于一般標(biāo)準(zhǔn)層，對(duì)于它的設(shè)計(jì)可能更為復(fù)雜，在設(shè)計(jì)中，要計(jì)算準(zhǔn)確，對(duì)于相關(guān)參數(shù)的選擇一定要嚴(yán)格按照規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行，避免因不科學(xué)的計(jì)算方式而導(dǎo)致設(shè)計(jì)質(zhì)量問題，從而影響整個(gè)高層建筑的質(zhì)量。

2.4 不斷優(yōu)化設(shè)計(jì)方案

在按照以上設(shè)計(jì)原則完成高層建筑的轉(zhuǎn)換層設(shè)計(jì)后，一定要結(jié)合整個(gè)設(shè)計(jì)方案進(jìn)行轉(zhuǎn)換層的優(yōu)化設(shè)計(jì)，因?yàn)檗D(zhuǎn)換層以上的結(jié)構(gòu)基本為標(biāo)準(zhǔn)層，做好轉(zhuǎn)換層的設(shè)計(jì)質(zhì)量控制，可以有效保證上層結(jié)構(gòu)的質(zhì)量，還能做好成本控制，在轉(zhuǎn)換層的設(shè)計(jì)方案中進(jìn)行優(yōu)化，可以取消過去保守的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，這樣上層的標(biāo)準(zhǔn)層中都可以取消此部分的結(jié)構(gòu)，極大地縮小了高層建筑的成本，促進(jìn)我國(guó)帶轉(zhuǎn)換層高層建筑結(jié)構(gòu)的發(fā)展。

3 帶轉(zhuǎn)換層高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的主要方式

3.1 梁式轉(zhuǎn)換層的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

在帶轉(zhuǎn)換層高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，最為常見的一種設(shè)計(jì)方式就是梁式轉(zhuǎn)換層設(shè)計(jì)，這種轉(zhuǎn)換層設(shè)計(jì)較為簡(jiǎn)單，主要通過梁構(gòu)件的截面轉(zhuǎn)換或者主次梁的增加來改變上下層結(jié)構(gòu)，在設(shè)計(jì)時(shí)，首先要考慮的是上下層結(jié)構(gòu)的優(yōu)化方案，在盡可能減少結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換形式的前提下，控制成本，從結(jié)構(gòu)上進(jìn)行簡(jiǎn)化，這樣不僅可以避免其他衍生質(zhì)量問題，而且可以使得設(shè)計(jì)方案更為安全可靠；然后就是在設(shè)計(jì)中要注意豎向結(jié)構(gòu)剛度的計(jì)算，保證被轉(zhuǎn)換層分割的建筑物整體剛度能達(dá)到相關(guān)要求，同時(shí)其豎向荷載能滿足受力要求，在豎向荷載的傳遞過程中，各個(gè)構(gòu)件都能滿足，這樣才可以控制好梁式轉(zhuǎn)換層的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

3.2 桁架轉(zhuǎn)換層的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

桁架形式的轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方式在高層建筑的使用中較梁式轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)較少，并且結(jié)構(gòu)型式更為復(fù)雜，但是這種結(jié)構(gòu)型式的轉(zhuǎn)換層抗震性及穩(wěn)定性比較好，主要是通過桁架來進(jìn)行上部荷載的傳導(dǎo)，在桁架轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，首先要建立受力模型，分析其受力情況，然后布置桁架桿件形式，合理傳導(dǎo)荷載；然后要考慮桁架結(jié)構(gòu)的抗剪能力和抗彎能力，保證整個(gè)建筑結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。

3.3 厚梁式轉(zhuǎn)換層的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

如果高層建筑的轉(zhuǎn)換層的上下軸線未能良好地結(jié)合，那么就很難用梁去支撐，此時(shí)適宜采用厚梁式轉(zhuǎn)換層的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，該結(jié)構(gòu)模式的優(yōu)點(diǎn)是靈活多變、工序簡(jiǎn)單，但是厚板的厚度很大，造成材料的浪費(fèi)，同時(shí)也會(huì)引起壓力的上升。因此，在厚梁式轉(zhuǎn)換層的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過程中要充分考慮到厚板帶來的較大的壓力，增加配筋的數(shù)量，提高配筋的強(qiáng)度。此外，要考慮到?jīng)_切力和剪切力，通過合理的受力分析和計(jì)算來減輕整個(gè)轉(zhuǎn)換層的受力程度。

3.4 箱型轉(zhuǎn)換層的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

在帶轉(zhuǎn)換層高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，箱型轉(zhuǎn)換層的設(shè)計(jì)方式應(yīng)用具有一定的局限性，這是由于箱型結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)換層會(huì)使得整個(gè)轉(zhuǎn)換層以上的樓層結(jié)構(gòu)型式較為單一，一般只能用于開間需求較大的建筑物，對(duì)于建筑物的剛度要求也比較大，箱型結(jié)構(gòu)的橫向荷載受力較大，在實(shí)際的設(shè)計(jì)中要做好結(jié)構(gòu)受力分析，保證整個(gè)轉(zhuǎn)換層的設(shè)計(jì)質(zhì)量。

4 優(yōu)化高層建筑轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要點(diǎn)

在帶轉(zhuǎn)換層高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，要重點(diǎn)對(duì)待轉(zhuǎn)換層的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，由于高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)本來就較為復(fù)雜繁瑣，再加上轉(zhuǎn)換層將整個(gè)建筑結(jié)構(gòu)進(jìn)行了分割，破壞了整個(gè)建筑結(jié)構(gòu)的整體性，這就使得轉(zhuǎn)換層的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)顯得至關(guān)重要，在設(shè)計(jì)中，一定要重視轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)的優(yōu)化，優(yōu)化受力結(jié)構(gòu)的間距，保證高層建筑物的整體剛度，做好高層建筑轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的優(yōu)化處理。

1)優(yōu)化高層建筑的轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)布置。相關(guān)研究已經(jīng)顯示，在底部的轉(zhuǎn)換層中，其位置越高，它的上下高度的突變就會(huì)越大，轉(zhuǎn)換層的上下內(nèi)力的傳遞途徑，其突變也會(huì)加劇，落地的剪力墻以及墻體就容易出現(xiàn)裂縫現(xiàn)象，框架的支柱內(nèi)力加大，使得轉(zhuǎn)換層的上部其附近的一些墻體就會(huì)被破壞。所以說，轉(zhuǎn)換層的位置如果過高，就會(huì)對(duì)抗震產(chǎn)生不利的影響。按照相關(guān)的研究結(jié)果顯示，轉(zhuǎn)換構(gòu)件能夠運(yùn)用箱型結(jié)構(gòu)、斜撐、厚板、轉(zhuǎn)換大梁等形式，在地震區(qū)對(duì)于一些轉(zhuǎn)換厚板的使用經(jīng)驗(yàn)是比較少的，可以在一些非地震區(qū)采用，用于一些大空間的地下室中，因?yàn)槠渲車兄s束的作用。

2)高層建筑轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)剪力墻間距的優(yōu)化。對(duì)于應(yīng)用較為普遍的梁式轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)形式，在其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，要注意轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)梁和剪力墻的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，在考慮轉(zhuǎn)換層對(duì)于上下層結(jié)構(gòu)平面空間的改變時(shí)，還要保證轉(zhuǎn)換層剪力墻結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，墻體不宜過長(zhǎng)，間距不宜過小，剪力墻結(jié)構(gòu)形式過長(zhǎng)，增加建筑成本，不利于成本的控制，剪力墻間距過小，不利于房屋的合理布局，也不利于上層荷載的有效傳遞。因此，在轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，要兼顧上下層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)形式，盡量保證上下層結(jié)構(gòu)的剪力墻能在一個(gè)豎向結(jié)構(gòu)上，要重新分配建筑的豎向結(jié)構(gòu)布置，保證建筑整體受力能達(dá)到要求，這是在轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中需要重點(diǎn)注意的地方。

3)高層建筑轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)的過渡受力以及控制軸壓比。高層建筑轉(zhuǎn)換層的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，樓層的梁面和柱面直接影響著轉(zhuǎn)換層的豎向負(fù)載能力以及構(gòu)件的內(nèi)力，在高層建筑施工期間，對(duì)施工的進(jìn)度也有一定影響，尤其是在轉(zhuǎn)換層構(gòu)件與若干層構(gòu)件同時(shí)出現(xiàn)在施工階段的時(shí)候，這個(gè)構(gòu)件的內(nèi)力變化尤為突出，若不及時(shí)采取措施，會(huì)因?yàn)槭┕るA段轉(zhuǎn)換構(gòu)件的過渡受力而影響高層的進(jìn)度，造成高層建筑施工延時(shí)延工。高層建筑中轉(zhuǎn)換層軸向的承受力主要受框支柱所支撐，轉(zhuǎn)換層以上的墻體垂直負(fù)載和水平負(fù)載差不多都能借助板平面內(nèi)的剛度傳遞給落地剪力墻，所以還要注意軸壓的比率，盡量控制這個(gè)比率。

5 結(jié) 語

我國(guó)建筑行業(yè)的發(fā)展使得高層建筑在城市中的應(yīng)用越來越普及，而為了進(jìn)一步解決日益緊缺的土地使用問題，使得帶轉(zhuǎn)換層高層建筑被廣泛應(yīng)用到城市建設(shè)中。在高層建筑的轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，要把握設(shè)計(jì)原則，重視轉(zhuǎn)換層的設(shè)計(jì)質(zhì)量，科學(xué)合理設(shè)計(jì)，并對(duì)其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)進(jìn)行優(yōu)化處理，從設(shè)計(jì)質(zhì)量上進(jìn)行有效控制。針對(duì)不同的轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)，要合理采取設(shè)計(jì)方式，做好轉(zhuǎn)換層的設(shè)計(jì)，同時(shí)要重點(diǎn)熟悉轉(zhuǎn)換層設(shè)計(jì)中的要點(diǎn)，做好整個(gè)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的方案優(yōu)化，控制好設(shè)計(jì)成本，保證設(shè)計(jì)質(zhì)量，提升高層建筑的使用效率，從而進(jìn)一步促進(jìn)我國(guó)建筑行業(yè)的發(fā)展。