建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計中轉(zhuǎn)換層設(shè)計的應(yīng)用分析

文／蘇磊 甘肅省城鄉(xiāng)規(guī)劃設(shè)計研究院有限公司 甘肅蘭州 730030

1、建筑轉(zhuǎn)換層概述

現(xiàn)代建筑空間結(jié)構(gòu)復(fù)雜、層數(shù)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(jié)構(gòu)上出現(xiàn)了許多變化，具有不同功能的建筑平面之間的結(jié)構(gòu)變化即為轉(zhuǎn)換層。轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)一般以突變結(jié)構(gòu)為主，兩個平面之間的結(jié)構(gòu)發(fā)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(wěn)定性，必須根據(jù)建筑平面功能選擇合理的設(shè)計方案。轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)主要有柱狀、網(wǎng)狀和框架解結(jié)構(gòu)，不同種類的結(jié)構(gòu)在強(qiáng)度和承載能力上存在著一定的差異。

2、建筑轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)類別

轉(zhuǎn)換層解結(jié)構(gòu)主要有梁氏結(jié)構(gòu)、空腹桁架式、斜桿桁架式、箱形和板式等。設(shè)計建筑時需要結(jié)構(gòu)建筑功能、安全要求和成本投入等具體條件進(jìn)行綜合選擇，各類結(jié)構(gòu)在承載能力方面存在差異，本章將對這些轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析。

2.1 梁氏結(jié)構(gòu)

梁氏轉(zhuǎn)換層在高層建筑中應(yīng)用廣泛，這種結(jié)構(gòu)實現(xiàn)建筑內(nèi)部空間垂直轉(zhuǎn)換，上層建筑壓力通過墻體、柱體結(jié)構(gòu)進(jìn)行傳播，能夠有效提升建筑層面穩(wěn)定性。梁氏結(jié)構(gòu)的優(yōu)點之一是體積計算方便，因為這種結(jié)構(gòu)較為規(guī)范，只需要將梁氏結(jié)構(gòu)的各項數(shù)據(jù)測量，即可計算其體積和受力特點等。與此同時，梁氏結(jié)構(gòu)在成本投入方面也存在著一定的優(yōu)勢，施工總體投入相對較低，能夠縮減施工成本。梁氏結(jié)構(gòu)也包含了多種結(jié)構(gòu)，從功能上進(jìn)行分類可以分為托墻和托柱，這兩項結(jié)構(gòu)的功能是支撐上層空間結(jié)構(gòu)；從形式上進(jìn)行分類，主要有加腋和不加腋2種類型。梁氏結(jié)構(gòu)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(qiáng)度不同。在設(shè)計梁氏結(jié)構(gòu)時，除了需要考慮到上下層空間結(jié)構(gòu)功能之外，還需要考慮到建筑層數(shù)，例如上層建筑層數(shù)較少的情況下可以適當(dāng)減少轉(zhuǎn)換層的跨度，相反則應(yīng)該增加跨度。

2.2 空腹桁架式結(jié)構(gòu)

空腹桁架式轉(zhuǎn)換層在現(xiàn)代高層建筑結(jié)構(gòu)中應(yīng)用較多，這種轉(zhuǎn)換層主要通過桁架進(jìn)行支護(hù)，能夠起到良好的支護(hù)效果，在設(shè)計轉(zhuǎn)換層時需要結(jié)合建筑重量特點選擇桁架，一般而言空腹架桁架式結(jié)構(gòu)主要包括主桁架和斜桁架，在一些要求較高的建筑設(shè)計方案中，主要使用混合式桁架結(jié)構(gòu)。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(xué)分散原理將部分壓力分散到周邊的結(jié)構(gòu)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(nèi)發(fā)生壓力變化較為明顯的問題，整個桁架也能保持較高的穩(wěn)定性。從建筑上下層功能特點來看，空腹桁架式結(jié)構(gòu)更加適用于復(fù)雜的高層建筑中，這類建筑在內(nèi)部空間上往往更加復(fù)雜，有時需要設(shè)置多個轉(zhuǎn)換層，圖1為轉(zhuǎn)換層平面。

圖1 轉(zhuǎn)換層平面

2.3 斜桿桁架式結(jié)構(gòu)

斜桿桁架式結(jié)構(gòu)是一種常見的轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)，這種轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)的特點是能夠承受過大的壓力，多用于上層建筑層數(shù)較多的建筑中，一般情況下斜桿桁架需要與其他結(jié)構(gòu)混合使用，其能夠大大提升轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。隨著現(xiàn)代建筑功能的不斷拓展，轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)的承載能力要求也不斷增加，在原有的轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上加入斜桿桁架有效地增加了建筑的強(qiáng)度。在設(shè)計過程中，建筑轉(zhuǎn)換層重點受力區(qū)域需要設(shè)置多組斜桿桁架結(jié)構(gòu)，這樣不僅能夠?qū)⒅麒旒艿膲毫档?，同時也能將上層建筑整體的壓力轉(zhuǎn)換到墻體或柱體結(jié)構(gòu)中，然后由墻體或柱體將相關(guān)的壓力傳遞到地下空間。斜桿桁架的最大優(yōu)點是承載能力強(qiáng)，在建筑內(nèi)部空間較大的結(jié)構(gòu)中應(yīng)用廣泛，應(yīng)用這種結(jié)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(fā)揮出來。應(yīng)用斜桿桁架也能提升建筑的整體穩(wěn)定性，這種結(jié)構(gòu)使上下層結(jié)構(gòu)能夠更好地進(jìn)行過渡。

2.4 箱形結(jié)構(gòu)

箱型結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換層也是高層建筑施工中常用的一種結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)主要通過箱梁進(jìn)行連接，使建筑空間結(jié)構(gòu)有效地轉(zhuǎn)換。箱型結(jié)構(gòu)的特點是施工便捷，部分結(jié)構(gòu)可以在工廠中預(yù)制，施工時將這些結(jié)構(gòu)運送到施工場地即可，但是箱型結(jié)構(gòu)存在著一定的不足，在跨度相對較大的建筑中，箱型結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性相對較大，如果建筑上層重量較大，箱型結(jié)構(gòu)可能無法提供良好的支護(hù)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(xiàn)代建筑轉(zhuǎn)換層施工技術(shù)的創(chuàng)新發(fā)展，新材料和新結(jié)構(gòu)的出現(xiàn)解決了傳統(tǒng)箱型結(jié)構(gòu)的缺點，有效提升了結(jié)構(gòu)強(qiáng)度。一般箱型結(jié)構(gòu)的體積較為有限，特別是在大跨度建筑中，如果箱型結(jié)構(gòu)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(shè)計時通常將其控制在一定的范圍內(nèi)，在保障建筑內(nèi)部空間結(jié)構(gòu)功能得以發(fā)揮的前提下減少箱體的重量，這樣不僅能夠保障建筑的穩(wěn)定性和安全性，也能發(fā)揮出箱型結(jié)構(gòu)的作用。圖2為標(biāo)準(zhǔn)層平面。

圖2 標(biāo)準(zhǔn)層平面

2.5 板式結(jié)構(gòu)

板式結(jié)構(gòu)是一種相對較為傳統(tǒng)的轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)的整體能力較差，在一些重量較輕的建筑中應(yīng)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(shù)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(jié)構(gòu)主要通過一定厚度的建筑板墻進(jìn)行連接，在多個位置開設(shè)通道，從而打通建筑山下層，使建筑空間能夠緊密地聯(lián)系在一起?，F(xiàn)代板式結(jié)構(gòu)在結(jié)構(gòu)強(qiáng)度上發(fā)生了較大的變化，特別是鋼混板結(jié)構(gòu)，其強(qiáng)度比傳統(tǒng)的混凝土板式結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度提高了許多。但是應(yīng)用板式結(jié)構(gòu)必須注意建筑上層重量，如果上層建筑重量較高，則應(yīng)該考慮到板式結(jié)構(gòu)的整體受力特點。此外，板式結(jié)構(gòu)也存在著優(yōu)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(fā)揮有著重要意義。

3、建筑轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)作用

建筑轉(zhuǎn)換層機(jī)構(gòu)具有溝通、連接和支護(hù)的作用，由于建筑內(nèi)部空間發(fā)生了較為明顯的變化，所以需要在空間變化設(shè)置過渡層，而過渡層就是轉(zhuǎn)換層，其承擔(dān)著建筑結(jié)構(gòu)過渡的任務(wù)。隨著現(xiàn)代建筑功能增加，轉(zhuǎn)換層的作用也發(fā)生了一定的變化，但是其主要功能未發(fā)生明顯的變化。

3.1 連接建筑上下層

從建筑結(jié)構(gòu)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(yè)活動，常見建筑底商就屬于這一類型，中高層一般被應(yīng)用于居住或其他商業(yè)活動，在建筑空間結(jié)構(gòu)發(fā)生變化的過程中，必須采用科學(xué)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(jié)構(gòu)不是單一的連接，而是需要將力學(xué)因素考慮在內(nèi)，例如，建筑重量對轉(zhuǎn)換層產(chǎn)生的壓力需要經(jīng)過轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)進(jìn)行傳導(dǎo)，如果傳導(dǎo)過程中出現(xiàn)問題，可能使建筑的整體穩(wěn)定性降低，所以設(shè)計轉(zhuǎn)換層時既要通過科學(xué)的方法使建筑上下層結(jié)構(gòu)得以有序地連接在一起，同時也要確保其擁有加高的穩(wěn)定性。轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)不能缺少上下層建筑空間溝通結(jié)構(gòu)，如果開設(shè)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(hù)上層建筑結(jié)構(gòu)

轉(zhuǎn)換層也承擔(dān)著支護(hù)上層建筑結(jié)構(gòu)的重任，上層建筑的重量產(chǎn)生的壓力全部傳導(dǎo)至轉(zhuǎn)換層，如果轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)的整體強(qiáng)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(yè)活動限制較大，大部分建筑主要以居住為主，轉(zhuǎn)換層除了需要承擔(dān)建筑重量帶來的壓力之外，還需要承擔(dān)建筑內(nèi)部人員活動帶來的壓力。大部分建筑的轉(zhuǎn)換層都是位置較低樓層，一些超高層建筑可能應(yīng)有多個轉(zhuǎn)化層，而這類建筑結(jié)構(gòu)中下層轉(zhuǎn)換層的受力壓力更大，轉(zhuǎn)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(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)強(qiáng)度較低，建筑橫向產(chǎn)生較大幅度擺動，可能對整個建筑結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性造成影響，從而導(dǎo)致安全事故發(fā)生。從建筑整體穩(wěn)定和安全的角度來看，轉(zhuǎn)換層承擔(dān)起了良好的支護(hù)作用，其對于建筑穩(wěn)定性有著關(guān)鍵的作用。

3.3 優(yōu)化建筑空間結(jié)構(gòu)

建筑空間結(jié)構(gòu)發(fā)生變化后建筑的整體受力也會發(fā)生變化，如果轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)設(shè)計不合理，建筑的整體功能將會減弱。轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)與建筑空間結(jié)構(gòu)優(yōu)化存在著一定的聯(lián)系，選擇何種轉(zhuǎn)換層非?？简炘O(shè)計者的能力，如果選擇轉(zhuǎn)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(dǎo)致建筑的整體作用無法發(fā)揮。例如，建筑層數(shù)較多，設(shè)計人員選擇板式結(jié)構(gòu)，如果上層建筑產(chǎn)生的壓力較大，可能對建筑轉(zhuǎn)換層造成過大的壓力，從而使其增加建筑的安全風(fēng)險。建筑轉(zhuǎn)換層也是建筑空間結(jié)構(gòu)變化的主要區(qū)域，轉(zhuǎn)換層為建筑空間結(jié)構(gòu)變化提供了基本的保障，如果建筑空間結(jié)構(gòu)變化過程中因為建筑承壓特點而出現(xiàn)明顯的不同，那么建筑上下層空間力學(xué)特點和規(guī)律也會發(fā)生相應(yīng)的變化，一旦這種變化與預(yù)期設(shè)計要求出現(xiàn)較大的差異，將可能導(dǎo)致建筑的整體安全性大大降低。

4、建筑轉(zhuǎn)換層設(shè)計中存在的問題

設(shè)計建筑轉(zhuǎn)換層需要結(jié)合建筑的整體功能、結(jié)構(gòu)和重量等進(jìn)行綜合考慮，如果其中一項影響因素被忽視，都可能導(dǎo)致轉(zhuǎn)化層結(jié)構(gòu)的作用降低，同時也帶來一定的安全風(fēng)險。目前我國建筑轉(zhuǎn)換層設(shè)計中存在的主要問題有綜合影響因素考慮不全面、受力結(jié)構(gòu)設(shè)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(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)的總體性影響因素進(jìn)行分析和研究非常關(guān)鍵，這是優(yōu)化和改進(jìn)設(shè)計方案的前提條件，但是目前很多設(shè)計單位并未結(jié)合多重影響因素進(jìn)行設(shè)計，導(dǎo)致建筑的整體作用無法更好地發(fā)揮。例如，設(shè)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(zhuǎn)換層，設(shè)計底部轉(zhuǎn)換層時未能深入考慮上層建筑力學(xué)變化特點，導(dǎo)致部分壓力無法及時有效地傳導(dǎo)至下層空間，如果建筑橫向受力較大，可能硬性建筑穩(wěn)定性。此外，部分設(shè)計人員未能結(jié)合建筑主要功能對轉(zhuǎn)換層空間機(jī)構(gòu)進(jìn)行綜合考慮，如下層空間功能被定為開展人數(shù)較多的商業(yè)活動，所以需要拓展下層空間，但是使用較為繁瑣的空間結(jié)構(gòu)，使下層建筑空間結(jié)構(gòu)被壓縮，影響了建筑的整體功能。

4.2 受力結(jié)構(gòu)設(shè)計不合理

建筑轉(zhuǎn)換層受力較大，如果設(shè)計過程中忽視了其支撐結(jié)構(gòu)優(yōu)化這項內(nèi)容，可能導(dǎo)致轉(zhuǎn)換層的穩(wěn)定性降低。在一些設(shè)計方案中部分設(shè)計人員使用了支護(hù)強(qiáng)度較低的支護(hù)結(jié)構(gòu)，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(zhuǎn)換層的穩(wěn)定性大大降低。例如，在一些復(fù)合式的商業(yè)建筑中，上層空間作用供住宿區(qū)域使用，設(shè)計過程中應(yīng)考慮到上層建筑數(shù)量帶來的影響，但實際設(shè)計時部分設(shè)計人員忽視了這項因素的影響，導(dǎo)致建筑的整體穩(wěn)定性降低。受力結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)不牢固等，這些問題還體現(xiàn)建筑實際承重能力方面，相比于設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)，實際標(biāo)準(zhǔn)相對較低，所以建筑的主要功能無法得以有效地發(fā)揮出來。

4.3 空間過渡效果較差

轉(zhuǎn)換層是建筑空間過渡的重要區(qū)域，如果建筑空間結(jié)構(gòu)過渡效果較差，不僅影響使用者的使用體驗，也會影響商業(yè)活動的經(jīng)濟(jì)效益。例如，一些建筑設(shè)計轉(zhuǎn)換層時將下層建筑通道與上層建筑通道設(shè)計在一起，整個建筑的人群擠在同一個空間中，導(dǎo)致轉(zhuǎn)換層區(qū)域變得非常擁擠。與此同時，這種設(shè)計方法也導(dǎo)致建筑通道過于集中，此區(qū)域受力變大，也增加了建筑通道處的安全風(fēng)險。空間過渡效果不僅反映了建筑質(zhì)量，也反映了建筑功能的效果，如果轉(zhuǎn)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(yè)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(guān)鍵是對建筑平面功能和主要結(jié)構(gòu)特點進(jìn)行綜合分析，制定更多合理的結(jié)合方案，從而提升轉(zhuǎn)換層的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。

5、建筑轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)設(shè)計要點

5.1 確保建筑結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性

轉(zhuǎn)換層起到了良好的支護(hù)作用，設(shè)計時必須將這種作用延續(xù)下去，根據(jù)建筑的整體重量特點合理設(shè)計轉(zhuǎn)換層。轉(zhuǎn)換層不僅承擔(dān)著支護(hù)上層建筑重量的作用，也承擔(dān)著保障建筑穩(wěn)定性的作用，設(shè)計過程中應(yīng)結(jié)合建筑橫向和縱向受力的整體特點進(jìn)行綜合分析和研究，使轉(zhuǎn)換層的整體受力特點得以維持在穩(wěn)定的范圍內(nèi)，減少建筑自身重量和環(huán)境因素對建筑產(chǎn)生的影響?，F(xiàn)代建筑的功能和重量不斷增加，為滿足建筑安全性要求，應(yīng)使用復(fù)合式的轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)不僅能夠提升建筑的整體支護(hù)強(qiáng)度，而且也能保障建筑主要功能特征得以更好地體現(xiàn)出來。此外，設(shè)計時也應(yīng)結(jié)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(jié)構(gòu)主要功能需求，從而為下層空間創(chuàng)造更大的拓展環(huán)境。

5.2 保障空間過渡連續(xù)性

空間過渡是高層建筑設(shè)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(wěn)定性。設(shè)計過程中需要把控的關(guān)鍵點通過統(tǒng)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(guān)系到兩層空間使用者的使用體驗?？臻g過渡連續(xù)性的關(guān)鍵在于能夠使人們在不同空間之間進(jìn)行轉(zhuǎn)換時不會感受到突兀感，但是對于一些大型的商業(yè)綜合體而言，一般很難實現(xiàn)這一目標(biāo)，所以國內(nèi)的設(shè)計單位應(yīng)深入思考這一問題，能夠賦予建筑更好的空間過渡感，使轉(zhuǎn)換層能夠成為連接兩個具有不同功能空間結(jié)構(gòu)的重要紐帶，使其更好地服務(wù)于建筑。在設(shè)計過程中設(shè)計人員應(yīng)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(xù)性，最大限度發(fā)揮建筑主要功能，從而為人們更好地服務(wù)。

5.3 體現(xiàn)建筑主要功能

轉(zhuǎn)換層在一定程度上反映了建筑的主要功能，這與復(fù)合式建筑個體功能的差異性存在著很大的聯(lián)系。從建筑功能意義上講，轉(zhuǎn)換層是建筑個體功能融合與主體功能優(yōu)化的重要媒介，如果轉(zhuǎn)換層的主要結(jié)構(gòu)特點無法滿足建筑整體功能發(fā)揮的基本要求，那么上下層建筑的結(jié)構(gòu)特點則無法為建筑功能的實現(xiàn)提供基本的保障，建筑的整體功能發(fā)揮將會受到很大的限制，所以設(shè)計轉(zhuǎn)換層時應(yīng)按照上下層建筑的主要功能和特點對相關(guān)結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化與創(chuàng)新，最大限度保障建筑上下層功能得以有效地發(fā)揮。此外，在建筑功能優(yōu)化方面，轉(zhuǎn)換層設(shè)計也應(yīng)體現(xiàn)相關(guān)功能的核心特點，如商業(yè)活動必須凸顯出相關(guān)活動的主要特色，這不僅與建筑功能發(fā)揮存在著一定的聯(lián)系，也與建筑主要結(jié)構(gòu)特征存在一定的關(guān)系。

結(jié)語：

總而言之，建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計過程中轉(zhuǎn)換層設(shè)計非常關(guān)鍵，其直接關(guān)系到建筑功能能夠有效發(fā)揮，同時也是影響建筑安全性和穩(wěn)定性的主要因素，在具體設(shè)計環(huán)節(jié)中應(yīng)該結(jié)合建筑主要功能、結(jié)構(gòu)和其他影響因素對轉(zhuǎn)換層的結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，從而使其能夠使建筑的主要功能得以更好地發(fā)揮出來，最大限度保障建筑的安全性和穩(wěn)定性，這對于建筑行業(yè)的發(fā)展而言有著關(guān)鍵性意義。設(shè)計人員應(yīng)深入研究現(xiàn)代建筑轉(zhuǎn)換層設(shè)計要點，制定更多合理的設(shè)計方案，從而提升轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)的合理性。