論高層建筑梁式轉換層結構設計

楊志榮 曹 坤 王 薇

（南京金宸建筑設計有限公司，江蘇 南京 210000）

高層建筑泛指建筑高度大于27m的住宅建筑和建筑高度大于24m的民用建筑，憑借層數高、體量大的優(yōu)點，增加了人們日常生活工作的活動面積。但其弊端也非常明顯，由于建筑高度較高，使用功能多樣化，高樓層與低樓層的建筑功能改變，對上下層的結構布置要求就會有所不同，建造成本也隨之上升、施工過程難度大、消防救援困難等問題也逐步顯現?，F階段高層建筑設計中，梁式轉換層結構作為解決上下層建筑功能轉變的一種形式，受到了建筑設計者和使用者的高度重視，為了保證高層建筑的安全性、合理性，將高層建筑優(yōu)勢最大化、弊端最小化，建筑設計者應重新審視高層建筑中梁式轉換層的結構設計。

1 高層建筑梁式轉換層結構

1.1 結構特點

轉換層主要是使樓層的上部結構荷載通過轉換層重新分配并傳遞給下部結構和基礎，轉換構件可以采用轉換梁、桁架、空腹桁架、箱型結構、斜撐以及6度抗震設計和7、8度抗震設計地下室采用厚板。其中梁式轉換層結構具有構造簡單，傳力明確，施工過程相對方便的特點，在保障高層建筑上下層安全對接的同時，極大限度滿足了不同樓層空間的使用要求，因此，梁式轉換層結構廣泛用于高層建筑設計中。常見的梁式轉換層結構如圖1所示。

由圖1可知，梁式轉換層結構的框支梁按照受力方向的不同分為單向和雙向兩種，框支梁又被稱作轉換梁，是通過水平結構與上下部構件豎向連接，使高層建筑傳力、受力過程更明確，廣泛用于高層建筑的底部構件中。在高層建筑施工過程中，《高層建筑混凝土結構技術規(guī)程》（以下簡稱《規(guī)程》）明確規(guī)定了梁式轉換層結構中鋼筋和配筋的要求，轉換梁的高度應大于跨度的12.5%，以此保障梁式轉換層的受力能力，確保轉換層的穩(wěn)定性[2]。例如，某商用高層建筑，總層數共25層，建筑高度在100m左右，其中，地下2、3層作為停車庫、地下1層作為大型超市和設備房、1層到5層作為購物中心、5層到頂層作為寫字樓，轉換層的設置層數應在5樓，這樣能保障梁式轉換層設置在高層建筑的偏低樓層，同時又能滿足5層以下對大空間的使用要求。轉換層設計的結構特點要充分考慮高層建筑受力分布對框支梁的影響，根據高層建筑的高度、用途不同，考慮框支梁的受力程度，配置與其相符的鋼筋結構，提高高層建筑的安全性與穩(wěn)定性。

圖1 梁式轉換層結構

1.2 設計原理

高層建筑梁式轉換層結構設計要遵循三維立體設計原則，利用BIM技術，打造三維立體模型，確保高層建筑施工的高效性。高層建筑在梁式轉換層結構設計中，通過利用BIM技術，可實現模擬高層建筑的項目建設。在施工前，規(guī)范高層建筑梁式轉換層施工人員的操作行為，準確發(fā)現梁式轉換層結構在施工過程中遇到的問題和潛在風險，極大提高了高層建筑的安全性。梁式轉換層結構設計遵循三維立體的設計原則，避免了CAD技術帶來重復工作內容的可能，使建筑設計更有針對性地開展，利用BIM技術可視化的表現方式，使設計人員更直觀地看到梁式轉換層結構設計中的細節(jié)。通過數字信息構建仿真模擬的高層建筑物，在設計階段可預測光照、地震等自然因素對梁式轉換層的影響，并將高層建筑各部分信息歸納整合，分析梁式轉換層在高層建筑各結構之間的作用，充分發(fā)揮多方協作功能，使高層建筑之間完成多方的信息交流，設計者利用數字信息模型，完成梁式轉換層結構的設計工作，實現高層建筑的高效施工。

2 高層建筑梁式轉換層設計策略

2.1 確定結構橫豎布局

高層建筑梁式轉換層設計首先要確定梁柱的橫豎布局，搭建框架結構體系（如圖2所示），確保轉換層受力均勻。從圖2可以看出，梁式轉換層的橫向框架梁和縱向聯系梁通過節(jié)點相互連接構成，使高層建筑間的作用力以水平力為主，受力方式由墻（柱）到轉換梁再到柱（墻）。梁式轉換層框架的結構體系，使建筑平面布置更加靈活，在高層建筑內部獲得較大空間，適用于商場、餐廳等娛樂場所設施的搭建。例如，在20層的建筑中，梁式轉換層結構的橫豎布局必須要與建筑的剪力墻結構相結合。剪力墻是建筑豎向的承重結構，在水平力的作用下，剪力墻是下端固定，上端自由的懸臂柱，屬于剛性結構。那在梁式轉換層結構的橫豎布局中，必須要以強化下部為設計核心，增大高層建筑的底部強度，固定剪力墻下端，利用鋼筋混凝土等結構，增加剪力墻厚度，厚度范圍以0.35m～0.4m適宜。并在梁式轉換層結構上層設計中，采取弱橫強縱的設計原則。橫向框架梁和縱向聯系梁之間的連接節(jié)點常是薄弱點，框架梁的受力條件具有一定復雜性，在橫縱結構設計中，要充分考量轉換層的受力情況。例如，在縱向聯系梁中的鋼筋配比應具備科學性，當高層建筑設定抗震等級為1級時，縱向聯系梁的鋼筋配比應≥1%，鋼筋間距應在75mm～220mm之間。此外，梁式轉換層結構位置也要利用BIM技術，搭建數字模擬模型，分析高層建筑的受力形態(tài)，考慮梁式轉換層的適用情況，嚴格控制剪力墻和轉換層之間的受力分布，確保框架結構體系可在高層建筑中發(fā)揮自身優(yōu)勢。

圖2 框架結構體系

2.2 科學設計轉換層

科學設計高層建筑梁式轉換層結構，應從兩方面出發(fā)：一方面，要充分計算梁式轉換層的整體結構，利用有限元和補充計算法檢測轉化層的使用壽命[3]。根據梁式轉換層的水平受力特點出發(fā)，橫向框架梁和縱向聯系梁與剪力墻緊密相連，因此，轉換層的計算方法十分復雜，在計算時要將剪力墻作為基礎運算單位，對轉換層的受力面積和受力狀態(tài)具體分析，明確高層建筑內部的三維空間結構。例如，以計算樓板支撐架為例，轉換層板厚度為180mm，混凝土堆積高度取300mm。荷載計算如下：

另一方面，要明確梁式轉換層結構中框支柱的數量比例?？蛑е侵慰蛑Я旱闹樱寝D換柱的一種，如圖3所示。框支柱是梁式轉換層結構中的重要一環(huán)，例如，當梁式轉換層下部分為框架結構，上部分為剪力墻時，就需要建立橫向的轉換結構——框支梁，那支撐框支梁的柱子就為框支柱。在設計框支柱的數量時，一般20層左右的高層建筑，框支柱數量在10根左右，根據轉換層受力不同，框支柱的荷載量也不相同。如果選用10根以下框支柱，那各支柱的荷載量要不小于2.8%的基地剪力；如果選用10根以上的框支柱，那各支柱的荷載量要不小于3.5%的基地剪力。

圖3 框支梁與框支柱

2.3 合理設計轉換梁

轉換梁是剪力墻和底層框架結構中的連接部分，能增加高層建筑的空間面積，符合建筑功能需求。在梁式轉換層設計中，轉換梁的設計要更具備合理性。首先，要通過有限元和補充計算法計算轉換梁的減壓比例，確立轉換梁的大小截面。當梁式轉換層中梁高受到限制時，轉換梁的截面寬度應小于框支柱相應方向的截面寬度，且大于上部墻體厚度的2倍。例如，地下一層框架，地上15層剪力墻的高層建筑，框架跨度6m～7m，梁高在1m左右，首層轉換梁截面不應超過1.2m，才可保障梁式轉換層結構穩(wěn)定。其次，轉換梁的混凝土強度等級要達到C40，C40的混凝土具有抗壓能力強、抗開裂、耐久性高等優(yōu)點，對于提高高層建筑梁式轉換層壽命起著有效助力。最后，在轉換梁的澆筑中，要確保轉換梁中的配筋率，也就是鋼筋比例?！兑?guī)程》第十章中明確要求，轉換梁的配筋率應以高層建筑的抗震等級呈正比，非抗震設計的高層建筑配筋率應≥0.3%，抗震設計的高層建筑以特一級為例，配筋率應≥0.6%。轉換梁中的配筋率直接影響高層建筑的抗震等級，因此，在設計高層建筑梁式轉換層結構時要合理設計轉換梁[4]。

2.4 核定抗震等級

《規(guī)程》中明確規(guī)定了高層建筑的抗震等級，分別為標準設防類、重點設防類、特殊設防類和適度設防類。在高層建筑梁式轉換層結構設計中，要根據抗震類型、房屋高度、防震等級等因素結合設計。以30層的高層建筑為例，地下1層、2層均作為地下停車場，層高2m～3m、1層到5層作為商業(yè)用途，層高5m～6m、6層及以上作為民用住宅，每層住宅的層高宜為2.8m。那在此建筑中，轉換層應設置在7層，因其已經屬于高位轉換。在核定該建筑的抗震等級時，應結合《規(guī)程》中的明確規(guī)定，對梁式轉換層的不同結構針對核定抗震等級，例如框支架的抗震級別應為2級、轉換層以上的剪力墻抗震等級應強化為4級、轉換層以下的剪力墻加強部分抗震等級為3級等。也可依托計算機技術，利用中國建筑科學研究院PKPM CAD工程部開發(fā)的SATWE軟件，將樓層作為數據參數輸入到計算流程中，自動識別梁式轉換層結構的抗震等級，提高高層建筑的使用安全性。

3 結語

綜上所述，隨著經濟時代的快速發(fā)展，高層建筑的建設更符合當代人民生活工作的需要，使用者也更看重建筑外觀的美觀性和使用安全性。轉換層結構作為高層建筑中的重要一環(huán)，對提高高層建筑的安全性至關重要，設計人員應從確定轉換層結構橫豎布局、科學設計轉換層、合理設計轉換梁、核定轉換層抗震等級四方面出發(fā)，優(yōu)化梁式轉化層的結構設計，確保高層建筑的使用穩(wěn)定。