试述如何做好高层建筑转换层的结构设计

摘要：高层建筑具有景观性好，提高城市土地的利用效率，投资规模小等优点，目前在很多城市，高层建筑的多少已成为城市现代化的标志。随着我国建筑设计的发展，人们对高层建筑的功能要求也趋向于多样化、综合化。建筑转换层是高层建筑物内部不可或缺的重要功能结构之一，分为结构转换层和功能转换层，不同的转换层功能不一样，在结构设计时也有很大的区别，做好建筑转换层的结构设计，对完善建筑物的使用功能，确保建筑物的使用安全有着重要的意义。

关键词：高层建筑；转换层；结构设计

中图分类号：G267 文献标识码：A 文章编号：

引言：

转换层是多功能建筑和高层建筑物的重要结构，分为结构转换层功能转换层。当筑物的上部和下部应用于不同功能，或采有不同结构的时候，需要转换层进行结构的转换。而对高层建筑来说，转换层的主要功能还包括为高层提供供水、电、网络、消防的设备空间。因此不同作用的转换层在结构设计上也不同，了解建筑转换层结构的特点对转换层的设计，最大可能的保证建筑物的使用功能具有重要作用。并保证建筑物的防风抗震性能不受影响，对我国建筑行业的发展有着积极的意义。

一、高层建筑转换层的概念及特性

1、高层建筑转换层的概念

高层建筑在设计上最大的难点在于楼层高，下部受力较大，承重较大。而当建筑物的高度达到一定高度的时候，高层楼房的供水、供电、消防、网络等都会给底部设备形成较大的压力，为了解决底层刚度大，墙体多、柱网密的问题，整个建筑的上下部必须采用不同的结构，上部布置刚度大的剪力墙，下部布置刚度小的框架柱。当两种不同的结构的结合的地方就必须加入转换层，转换层是一个中间层，它即将上部布置小空间，下部布置大空间；同时，转换层也为基础设备提供高层建筑的设备空间。高层建筑转换层按照结构来分类主要有以下几个形式：梁—柱体系、桁架体系、墙梁体系、厚板转换体系等，其中以梁—柱体系最为常用。

2、高层建筑转换层的特性

按照转换层结构功能的不同，一般可分为以下三类：建筑上、下部分之间结构类型的转换，此类建筑上部和下部采用的结构形式不同。建筑上、下部分之间的柱网尺寸不同，这种建筑虽然上下部分的结构类型相同，但通常需要通过转换层，扩大其下部结构的柱距，以形成大柱网。同时具备转换结构和扩大轴线尺寸的混合形式。转换层的设置造成建筑物竖向刚度的突变，对结构抗震不利，故采用转换层结构设计时应遵循以下原则：尽可能减少需结构转换的竖向构件，直接落地的竖向构件越多，转换结构越少，转换层造成的刚度突变就越小，对结构抗震更有利，转换层结构在高层建筑竖向的位置宜低不宜高。优化转换层结构，选择具有明确传力路径的换层结构型式，以便于结构分析设计和保证施工量，在满足建筑物安全和经济要求的前提下，转换刚度宜小不宜大。

二、高层建筑转换层的结构设计策略

在对高层建筑转换层进行结构设计时，首先应考虑转换层要与建筑的整体设计相互协调，结合封闭式开间的布置，均匀对称设置落地构件，尽量使其质量中心与刚度中心相近。通过提高落地构件的强度等级，并适当加大截面尺寸，采用钢与混凝土组合构件等方法，增强抗侧力构件在转换层以下的抗弯、抗剪刚度。

构件选择转换层可供选择的构件形式有梁、桁架、空腹桁架、箱形结构，斜撑、厚板等。结合工程具体情况可具体选择转换构件。现在高层建筑的梁主筋一般采用Ⅲ级钢筋，板钢筋采用I级钢筋。

配筋设计一般高层建筑梁跨中正弯矩向支座减弱的速度比较缓慢，而支座负弯矩则衰减得很快，针对这一特点，在进行配筋设计时，框支梁下部钢筋应全部伸入支座锚固，不设弯筋，当梁跨不大时， 上部支座负筋宜拉通。同时沿梁高应配置间距不大于200mm，直径不小于16的腰筋。

空间设计高层建筑一般是结构转换层和设备转换层合在同一层中，如果设计成一般层高2．9m，有些浪费空间；如果设计层高低于2．2m以下，则该层的侧移刚度和扭转刚度过大。我们建议可以将结构转换层放在层比较高的2—3层，设备转换层放在稍微低的4～5层，既实现了上下层结构的转换，又节约了空间。

保证刚度防止沿竖向刚度变化过于悬殊，要保证大空间层有充分的刚度。抗震设计时，要控制转换层上下层刚度变化率，使之尽量接近1，不大于2。为此可以采取控制落地剪力墙的比例，加大落地墙的厚度，提高砼的强度等级，减小洞口尺寸，使纵横连接形成筒体，还可以增设补偿剪力墙，来增加空间层的刚度。

三、转换层的结构设计的分类

梁式转换结构。梁式转换结构采用剪力墙、框支梁与框支柱相结合的结构布置方式来提高转换层的强度与刚度，具有结构可靠、施工难度低、传力路径清晰明确等特点，是目前我国建筑转换层结构设计中应用范围最广的转换结构。

板式转换结构。板式转换结构最显著的特点便是能够在转换层之上随意布置结构形式与轴网，对于建筑物轴网布设较为复杂的建筑来说是十分合适的选择。但是由于转换板的受力状态较为复杂，传力路径不够明确，以及转换板自身特点的限制，使得建筑物在转换层处出现刚度的突变，令转换层成为建筑物的薄弱环节，降低了建筑物对地震的抵抗能力，因而应当谨慎使用。

桁架转换结构。与梁式转换结构相比，桁架转换结构的受力状态更加明确，且具有较小的自重和良好的抗震性能，可以有效的提高建筑物的质量，去报建筑物的使用安全。但是桁架式转换结构的节点设计难度较大，给施工过程带来了一定的影响，从而限制了桁架转换结构的使用。桁架转换结构适用于高度达到3m 以上的转换层设计当中，如果在桁架转换结构中采用预应力技术，则可以进一步减小构件的截面，达到节约空间、提高工程质量、降低工程成本的作用。

斜柱转换结构。斜柱转换结构在是一种较为特殊的转换层结构形式，能够充分的发挥出混凝土的承压能力，有效的减少转换结构对建筑内部空间的占用。在设计斜柱转换结构时，需要注意结构内部的水平荷载，通过加设拉梁或圈梁的方式，可以找到平衡水平荷载的最短路径，提高转换层的刚度和强度。

四、建筑转换层结构设计中的注意事项

保证转换层的刚度。转换层的高度是决定转换层乃至建筑物整体质量的重要因素，特别是在高层建筑的设计与施工过程中，建筑本身高度与重量上的特点决定了转换层将会承受较大的垂直荷载，而转换层的结构又很容易令建筑物在转换层部位出现刚度突变，使转换层成为建筑物的薄弱环节，降低建筑物的抗震性能。因此，在进行建筑结构转换层设计时，要注意确保转换层的结构刚度不低于其上层结构刚度的70%。为此，应当合理的调整转换层内部剪力墙的分布状况，适度的提高落地剪力墙的厚度，并使用强度等级较高的混凝土进行施工，同时尽可能将纵横墙按照筒体的结构进行排布，从而在根本上保证转换层的刚度，确保建筑物的抗震性能不受影响。

提高转换层与建筑物的整体性。通过调整转换层的结构设计内容来提高转换层与建筑物整体性的，能够提高建筑物的稳定性，延长建筑物的使用寿命。为此，应当尽可能对其上下层之间的轴网，简化转换层的设计方案，尽可能令质量中心与刚度中心相对应，使转换层的受力更加明确，从而避免使用板式转换结构，以防止建筑物出现刚度突变的现象，达到提高建筑物整体性的目的。

合理安排转换层的位置。由于建筑物的受力模式较为复杂，且建筑物内部的所受作用力的种类和分布都会随着建筑高度的增加而发生微妙的变化，当高度达到一定的范围后，建筑物所受的各项作用力的效果便会呈明显的上升趋势，给建筑物的设计带来困难。如果转换层的位置过高，不仅会令转换层内部的受力状况发生改变，还会对上下层面的刚度与受力方式产生影响，使转换层成为建筑物的薄弱环节，降低建筑物的抗震能力。因此，应当尽量降低转换层所处了位置，通常情况下，转换层的位置应以三层以下为宜，最高不得超过六层。

结束语：

在高层建筑中，转换层的设计对整个建筑的设计具有非常重要的作用。必须根据工程本身特点和设计中的受力状态，还有整个建筑的整体风格，选择科学合理的设计方案，确保方案设计的全面性、科学性，减少施工的风险和难度。最大限度的发挥转换层的作用。

参考文献

[1] 张俊东． 高层建筑结构转换层的结构设计［J］． 现代经济信息， 2009

[2] 唐兴荣．高层建筑转换层结构设计与施工[M]．北京：中国建筑工业出版，2007．