超高層建筑轉(zhuǎn)換層的施工技術(shù)研究

呂曉鑫

（山西建筑工程集團有限公司，山西太原 030032）

0 引言

超高層多功能建筑需要不同的空間劃分和布局，因此擁有多種結(jié)構(gòu)形式。超高層多功能轉(zhuǎn)換層建筑結(jié)構(gòu)體系的關(guān)鍵技術(shù)是將不同結(jié)構(gòu)合理組合。轉(zhuǎn)換層可以完成不同網(wǎng)格空間和不同結(jié)構(gòu)形式的轉(zhuǎn)換。簡而言之，上層和下層有不同的結(jié)構(gòu)，必須設(shè)置一個轉(zhuǎn)移樓層來“連接上下樓層”。轉(zhuǎn)換層在結(jié)構(gòu)中的概念主要是指結(jié)構(gòu)單元體系，它合理地解決了整個建筑結(jié)構(gòu)體系中豎向結(jié)構(gòu)的突變和平面的連續(xù)變化[2]。轉(zhuǎn)換層主要滿足結(jié)構(gòu)安全的功能要求，也解決了大多數(shù)情況下建筑的一些特殊的技術(shù)功能要求。設(shè)計人員在設(shè)計轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)時，應(yīng)深入分析轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)設(shè)計的意義和應(yīng)用特點，嚴格遵循設(shè)計原則。只有這樣才能選擇更合理地轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)，保證轉(zhuǎn)換層的主要構(gòu)件在建筑中發(fā)揮更大的作用，提高設(shè)計質(zhì)量，達到更好的設(shè)計效果，滿足人們對超高層建筑的利用需求，使高層建筑具有更高的應(yīng)用價值。

1 超高層多功能建筑結(jié)構(gòu)體系的特點

1.1 抗震和抗風(fēng)能力強

轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)在高層建筑中的應(yīng)用具有很強的抗震性和抗風(fēng)性。一般來說，高層建筑轉(zhuǎn)換層的設(shè)計要求工程下部有足夠的空間，以滿足轉(zhuǎn)換層剛度的彈性變化要求。然而，轉(zhuǎn)換層上部的剛性很小，在實際設(shè)計過程中，設(shè)計人員應(yīng)把轉(zhuǎn)換層相鄰上下兩層的承載力控制在一定范圍內(nèi)，這樣結(jié)構(gòu)內(nèi)部的剛度變化才能夠控制。在提高剛度變化控制水平的前提下，盡可能提高超高層建筑的抗風(fēng)抗震能力。

1.2 轉(zhuǎn)換板結(jié)構(gòu)調(diào)整靈活

在高層建筑轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)設(shè)計中，要靈活地設(shè)置轉(zhuǎn)換層板的厚度，這可以使結(jié)構(gòu)的抗沖切和抗剪能力進一步提升。轉(zhuǎn)換板厚度設(shè)置的太大，建筑轉(zhuǎn)換層下結(jié)構(gòu)的承載力就會增加，這不符合設(shè)置轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)的目的。此外，混凝土施工在建筑轉(zhuǎn)換層的施工中十分常見。如果將轉(zhuǎn)換梁的截面高度設(shè)置在3.5m 左右，那么可以有效地減輕混凝土的重量。如果轉(zhuǎn)換梁的跨度較小，轉(zhuǎn)換梁的截面高度可設(shè)置為1m 左右；轉(zhuǎn)換梁跨度大，轉(zhuǎn)換梁截面高度可設(shè)置在7m 左右[3]。

2 轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)設(shè)計的主要方式

轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)主要起協(xié)調(diào)上下層結(jié)構(gòu)的承載力的作用。轉(zhuǎn)換層一般設(shè)置在高層建筑中間，有主梁、板、空腹桁架式、梁、箱等，同時為了能給轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)提供有效的支撐，還會在擴張室內(nèi)應(yīng)設(shè)置一定的網(wǎng)管。轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)類型的應(yīng)用有很多種，包括柱網(wǎng)轉(zhuǎn)換、減少軸線轉(zhuǎn)換、低層轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)等。當(dāng)增加室內(nèi)面積時，將使用傳統(tǒng)的剪力墻。在設(shè)置剪力墻的基礎(chǔ)上，通過豎井改造改變高層建筑空間轉(zhuǎn)換層的狀態(tài)，形成柱網(wǎng)。在這方面，高層建筑轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)的功能轉(zhuǎn)換層是通過工程的上層和網(wǎng)絡(luò)來實現(xiàn)的。

2.1 梁式轉(zhuǎn)換層

在超高層建筑轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)設(shè)計中，梁式轉(zhuǎn)換層的設(shè)計是最常用的設(shè)計方法。改變上下結(jié)構(gòu)也只需轉(zhuǎn)換梁構(gòu)件截面或增加主次梁即可，設(shè)計比較簡單。在設(shè)計中，首先要優(yōu)化上下層結(jié)構(gòu)的設(shè)計方案，盡可能保證結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換形式不被減少的同時，控制成本，使結(jié)構(gòu)簡化。這樣既可以使其他質(zhì)量問題避免發(fā)生，又可以使設(shè)計更加安全可靠。計算豎向結(jié)構(gòu)的剛度在設(shè)計的過程中不可忽略，這樣才可以保證滿足對建筑物除以轉(zhuǎn)換層后的整體剛度的要求，同時也能保證豎向荷載能滿足受力要求。

2.2 桁架轉(zhuǎn)換層

在高層建筑的使用中，桁架式轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)的設(shè)計方法比梁式轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)的設(shè)計方法少，且結(jié)構(gòu)形式更加復(fù)雜。但具有更好的抗震性和穩(wěn)定性是結(jié)構(gòu)型式的轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)最大的特點，主要通過桁架來傳遞上部荷載。在桁架轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)的設(shè)計中，首先要對結(jié)構(gòu)進行受力分析，建立受力模型，考慮桁架結(jié)構(gòu)的抗剪和抗彎能力，通過合理布置桁架桿件形式來承受荷載，從而增加超高層建筑整體的穩(wěn)定性。

2.3 厚梁式轉(zhuǎn)換層

不能很好地結(jié)合高層建筑轉(zhuǎn)換層的上下軸線，用梁來支撐他們就無法實現(xiàn)。此時，厚梁轉(zhuǎn)換層的結(jié)構(gòu)設(shè)計便很好地解決了這個問題。這種結(jié)構(gòu)方式具有工藝簡單、靈活多變的優(yōu)點，但厚板的厚度很大，導(dǎo)致材料浪費和壓力上升。因此，在厚梁轉(zhuǎn)換層的結(jié)構(gòu)設(shè)計過程中，為了更好地承受厚板帶來的較大壓力，應(yīng)該增加配筋數(shù)量，提高配筋強度。此外，還應(yīng)考慮沖擊力和剪力，通過合理的應(yīng)力分析和計算，降低整個轉(zhuǎn)換層的應(yīng)力水平。

2.4 箱型轉(zhuǎn)換層

箱形轉(zhuǎn)換層設(shè)計方法并不是特別常用。這是因為箱形結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)換層將使轉(zhuǎn)換層以上的整層結(jié)構(gòu)形式更加單一，適用范圍比較局限，只能用于對空間要求較大的建筑，對建筑物的剛度要求很高，同時也增加箱形結(jié)構(gòu)的側(cè)向荷載。在設(shè)計過程中，需要對結(jié)構(gòu)應(yīng)力進行分析，整個轉(zhuǎn)換層的設(shè)計質(zhì)量才可以得到保證。

3 超高層建筑轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)設(shè)計的主要原則

3.1 加強下層結(jié)構(gòu)

充分考慮下層結(jié)構(gòu)的設(shè)計在超高層建筑轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)設(shè)計中非常重要，因為整個建筑的受力基礎(chǔ)都是下層結(jié)構(gòu)，整個建筑的質(zhì)量也取決于下層結(jié)構(gòu)的質(zhì)量。下層結(jié)構(gòu)的剛度要比上層結(jié)構(gòu)高，因此抗震設(shè)計是下層結(jié)構(gòu)中必不可少的，這樣整個高層建筑的抗震能力才能提高，建筑的安全性和穩(wěn)定性也得到保障。

3.2 合理控制數(shù)量

上下建筑的平面布局的改變，提高建筑的利用率都主要依靠轉(zhuǎn)換層，但轉(zhuǎn)換層不是越多越好。轉(zhuǎn)換層會改變了上層和下層建筑的結(jié)構(gòu)形式，破壞了超高層建筑的整體性，并且還容易出現(xiàn)其他的質(zhì)量問題，所以，超高層建筑轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)一般設(shè)計1～2 層即可，盡可能提高利用率的同時保證建筑質(zhì)量[4]。

3.3 準確運算數(shù)據(jù)

在超高層建筑的結(jié)構(gòu)設(shè)計中對轉(zhuǎn)換層的正確數(shù)據(jù)計算和參數(shù)選擇要求極高，這是因為模型和復(fù)雜系統(tǒng)計算的復(fù)雜性。轉(zhuǎn)換層對上下建筑結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性影響巨大，它的設(shè)計比一般的標(biāo)準層復(fù)雜得多。在設(shè)計中，必須嚴格按照規(guī)范和標(biāo)準選擇相關(guān)參數(shù)，精準計算，避免出現(xiàn)因計算方法不科學(xué)造成設(shè)計質(zhì)量問題，影響整個超高層建筑的質(zhì)量的情況。

3.4 改進設(shè)計方案

在遵循以上原則的前提下，必須對轉(zhuǎn)換層的設(shè)計結(jié)合整體設(shè)計方案進行改進，因為能否保證上部結(jié)構(gòu)的質(zhì)量取決于轉(zhuǎn)換層設(shè)計質(zhì)量是否得到良好的控制，還能使成本得到控制?？梢匀∠酝Ｊ氐慕Y(jié)構(gòu)設(shè)計來優(yōu)化轉(zhuǎn)換層的設(shè)計方案，從而使這部分結(jié)構(gòu)不會出現(xiàn)在上層標(biāo)準層中，使超高層建筑的造價大大降低，并促進我國超高層建筑轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)的發(fā)展。

4 高層建筑轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)具體設(shè)計策略分析

4.1 合理選擇模板，實現(xiàn)支撐設(shè)計

在高層建筑轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)設(shè)計中，合理選擇模板并做好模板支撐設(shè)計是非常必要的。一般來說，如果轉(zhuǎn)換層設(shè)置在高層建筑的結(jié)構(gòu)層，整個結(jié)構(gòu)工程系統(tǒng)會更加復(fù)雜。為了有效應(yīng)對復(fù)雜的設(shè)計情況，工程設(shè)計單位需要合理使用模板支撐系統(tǒng)。根據(jù)工程結(jié)構(gòu)和建筑總建筑面積的要求，選用優(yōu)質(zhì)模板，確保最終模板支撐體系的施工能夠?qū)崿F(xiàn)應(yīng)力的有效分布，滿足實際建筑的承載能力，提高建筑的牢固性。由于實際轉(zhuǎn)換層較少采用模板支撐系統(tǒng)，在改進應(yīng)用中，合理選擇，充分結(jié)合建筑自身特點實現(xiàn)設(shè)計，滿足實際施工要求。

4.2 做好過度設(shè)計和防震設(shè)計工作

高層建筑結(jié)構(gòu)中的轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)作為一個整體比較復(fù)雜，轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)質(zhì)量與建筑整體質(zhì)量有著非常密切的聯(lián)系。這要求設(shè)計工作必須到位。一旦設(shè)計工作中出現(xiàn)不合理現(xiàn)象，勢必影響整個建筑結(jié)構(gòu)的抗震能力，造成更大的安全風(fēng)險。但是，在實際的轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)設(shè)置中，由于高層建筑中使用的轉(zhuǎn)換層通常是帶轉(zhuǎn)換層的，這種類型的轉(zhuǎn)換層截面面積大，跨度大，因此設(shè)計人員應(yīng)與施工人員溝通協(xié)調(diào)，選擇最佳的過量轉(zhuǎn)換層?？偨Y(jié)實際建筑工程中使用的過量轉(zhuǎn)換層，主要分為結(jié)構(gòu)桁架式、板式、梁式、箱型和空腹桁架式。一般來說，結(jié)構(gòu)桁架式不僅具有很高的靈活性，而且可以滿足大跨度轉(zhuǎn)換層的需要。然而，梁式轉(zhuǎn)換層的施工相對簡單，但其容忍度和抗震等級較低，達不到預(yù)期標(biāo)準?？偟膩碚f，不同的高層建筑對過度轉(zhuǎn)換層有不同的施工要求，設(shè)計者需要結(jié)合實際情況來實現(xiàn)最佳設(shè)計。

4.3 注重轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)鋼筋設(shè)計合理性的實現(xiàn)

在高層建筑轉(zhuǎn)換層的結(jié)構(gòu)設(shè)計中，加固設(shè)計是一個非常重要的組成部分。只有合理設(shè)計鋼筋，才能從整體上提高轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)的施工水平。為了保證鋼筋施工到位，首先要制定科學(xué)的鋼筋設(shè)計方案。對于轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)，梁柱節(jié)點鋼筋數(shù)量多，鋼筋密度大。為了保證大量鋼筋之間強度的有效協(xié)調(diào)，宜采用大直徑梁鋼筋，并合理安排鋼筋的排列順序。如果轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)中的模板厚度較大，還應(yīng)選擇鋼骨架以達到穩(wěn)定，從而完全滿足施工項目的實際施工要求。

5 結(jié)語

轉(zhuǎn)換層施工技術(shù)是一項極其復(fù)雜的系統(tǒng)工程，它既是超高層建筑結(jié)構(gòu)的必不可少的部分，也是建筑施工的重點和難點。我國建筑業(yè)的發(fā)展使得高層建筑越來越普遍，目前大多數(shù)高層建筑都根據(jù)功能和結(jié)構(gòu)的需要合理地設(shè)置轉(zhuǎn)換層。根據(jù)不同轉(zhuǎn)換層的結(jié)構(gòu)，合理設(shè)計轉(zhuǎn)換層并廣泛地在城市建設(shè)中應(yīng)用超高層建筑轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)可以有效解決我國土地利用緊張問題。在高層建筑轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)設(shè)計中，設(shè)計原則要時刻牢記，換層的設(shè)計質(zhì)量要嚴格把控轉(zhuǎn)，設(shè)計要科學(xué)合理，結(jié)構(gòu)要不斷優(yōu)化，設(shè)計質(zhì)量才能不斷提高。同時，轉(zhuǎn)換層設(shè)計要點也要熟悉，不斷優(yōu)化改進整體結(jié)構(gòu)設(shè)計方案，控制設(shè)計成本，確保設(shè)計質(zhì)量，提高超高層建筑利用率，推動我國建筑業(yè)進一步發(fā)展。