有关高层建筑转换层结构设计的思考

吴 健

江西省建筑设计研究总院，江西南昌 330046

现如今，我国建筑行业的发展速度越来越快，在人们生活水平日渐提升的背景下，其对于居住环境的要求也越来越高，因此，在现代建筑结构体系当中，人们愈加重视高层建筑的结构设计。为满足广大人民群众对住宅提出的要求，我国建筑行业中涌现出了许多复杂化与多样化的建筑结构。在高层建筑当中，高层建筑转换层结构设计的意义十分重要，其可使高层建筑结构中各部分的使用功能得到良好发挥，令高层建筑的结构更加完善，只有将高层建筑转换层结构设计水平有效提升上去才能使我国建筑行业获得更加健康、良好的发展。

1 高层建筑转换层的具体功能

1.1 转换高层建筑上、下层结构的类型

此种高层建筑转换层对剪力墙结构与框架-剪力墙结构的高层建筑较为适用，其可将高层建筑上层的剪力墙结构转换为下层的框架-剪力墙结构，开拓出一个较大的内部自由空间。

1.2 改变高层建筑上、下层结构的柱网布置

此种高层建筑转换层对转换层上、下结构形式相同的高层建筑较为适用，通过此种方式扩大高层建筑转换层下部结构的柱距，使其变成一个大柱网空间，在商住高层建筑中应用率较高，可使高层建筑的下层结构具有较大空间，用以建设停车场或商场。

1.3 同时转换并改变高层建筑上、下层的结构类型与柱网布置

此种高层建筑转换层可将高层建筑上部剪力墙结构转换为框支剪力墙结构，并使高层建筑上部剪力墙轴线错开高层建筑下部柱网，使高层建筑结构呈现出上下柱网不对齐现象，在办公高层建筑当中具有较高应用率，可将高层建筑上部作为小开间办公室，将高层建筑下部作为企业大厅或停车场等。

2 高层建筑转换层的受力特点

底层大空间剪力墙结构形式是我国高层建筑应用率较高的一种高层建筑转换层结构形式，具有以下受力特点：（1）以高层建筑转换层为界线，高层建筑上层所有剪力墙具有相似的变形曲线，高层建筑因水平外力而产生的剪力按建筑上层中各剪力墙的等效刚度比例进行分配，高层建筑下部框支剪力墙的侧向刚度会迅速降低，导致建筑底层框架所需承受的水平力减小，而高层建筑落地剪力墙在底层所承担的水平力却大幅提升；（2）底层大空间剪力墙结构形式会迅速改变水平力在高层建筑底层的分配关系，出现此种现象的原因在于高层建筑转换层刚性楼板会对内力进行传递。高层建筑转换层楼板在重新分配了上下楼层剪力时，其自身于平面内会承受很大的力，导致其出现较为明显的平面内变形，从而对楼板平面刚度无限大的基本假定产生影响；（3）在高层建筑底层框支柱与落地剪力墙以等效刚度原则对水平力进行分配时，因框支柱的侧向刚度一般情况下达到剪力墙侧向刚度的1%，所以在实际计算过程中其仅需承担极小的水平力，但在高层建筑转换层楼板发生变形时，高层建筑底层框支柱区域内水平位移会达到最大，令高层建筑框支柱所承受的剪力大于预计[1]。通过对高层建筑转换层受力特点的分析不难看出，高层建筑转换层上下附近的受力状况较为复杂，因此，在对高层建筑转换层进行设计的实际过程中需针对高层建筑框支柱与落地剪力墙预留安全储备。

3 几种常见高层建筑转换层结构形式

3.1 梁式转换

梁式转换这种高层建筑转换层结构形式在高层建筑轴网布置及上、下层柱网布置较为规则的底部大空间结构体系中应用率较高，在高层建筑具有纵横向同时转换需求时可采取主次梁布置方法或双向梁布置方法。梁式高层建筑转换层具有布局简单、受力清晰、施工便利等诸多优点，被广泛应用于带转换层结构的高层建筑工程当中，但其具有转换梁自重较大、截面尺寸较大等弊端，且易导致高层建筑转换层上、下层构造刚度发生突变，不利于抗震，所以，在此基础上出现了预应力混凝土梁式转换、型钢混凝土梁式转换及加腋梁式转换等高层建筑转换层结构。

3.2 箱式转换

箱式转换是通过上下层楼板与单、双向托梁来共同完成高层建筑荷载从上部到下部的传递的。与梁式转换相比，箱式转换的平面内刚度较大，但自重较小，对高层建筑抗震性能的改善较为有利。

3.3 板式转换

板式转换这种高层建筑转换层结构形式在高层建筑轴网布置及上、下层柱网布置具有较多错开情况下较为适用，由于此种条件下很难利用梁来直接对建筑上部结构予以承托，所以需将转换层做成厚板，利用其承受高层建筑上部荷载，并将荷载传递给高层建筑下部。因转换板厚度的大小与其上部荷载成正比，所以，通常情况下高层建筑的板式转换层均具有较大刚度与较大自重，不利于抗震，与此同时，此种高层建筑转换层的理论研究与设计依据尚不成熟，在一定程度上限制了此种高层建筑转换层结构形式的应用。

3.4 桁架转换

桁架转换这种高层建筑转换层由多榀桁架对高层建筑上部结构荷载进行共同承担，通常高度等同于高层建筑的一个层高，于上层楼板内设置上弦杆，于下层楼板内设置下弦杆，具有较为清晰的受力规律，在使用时较为灵活，且抗震性能较好，但其用于转换的杆件节点具有较为复杂的受力状态、设计难度较大且施工较为复杂，对其实际应用产生一定限制。

4 高层建筑转换层结构设计过程中的注意事项

4.1 需对转换层刚度予以充分保证

对于高层建筑来说，转换层的作用十分重要，与高层建筑的整体质量水平息息相关，高层建筑转换层结构可直接影响高层建筑的刚度大小，由于高层建筑转换层会负荷高层建筑的整体重量，其在整个高层建筑当中属于最为薄弱的一个环节。因此，在实际设计过程中需确保高层建筑转换层刚度大于其上层建筑结构刚度，对高层建筑内部墙体结构予以合理设计，确保其受力均匀，并适当加强部分墙体，保障高层建筑的整体质量。

4.2 将转换层与高层建筑的整体性有效提升上去

高层建筑转换层与高层建筑的抗震性能及整体质量息息相关，只有对高层建筑转换层结构进行持续的调整与分析才能在最大程度上确保高层建筑的可靠性与稳定性，将高层建筑的使用年限有效提升上去。需以高层建筑上下层结构为依据对设计方案予以尽量简化，确保建筑整体刚度中心及质量中心的一致性，使转换层受力更加均匀，避免因受力不均而造成高层建筑墙体出现变形与裂缝。

4.3 使转换层位置的安排更具合理性

由于高层建筑结构具有相当的复杂性，其内部受力常不够平衡，任何细微变化均可对建筑的整体质量产生影响，防震设计是高层建筑建设过程中的一项重要工作，若未对其中一些转换构件进行地震测试则无法充分保证这些构件的安全性；因此，需进一步对这些构件展开研究与调查，使转换层位置的安排更具合理性，如板式转换形式对地震频发地区不适用，但若将其应用于高层建筑地下室则地震几乎不会对其造成严重影响等。

5 结语

高层建筑结构转换层结构设计工作是一项十分系统且复杂的工程，对高层建筑来说十分重要。在对高层建筑转换层结构进行设计的实际过程中必须充分注重高层建筑的技术要求与质量要求，及时发现并改正设计过程中存在的问题，站在力学的角度展开详细分析，以高层建筑的实际情况与功能为依据选取最为合理的转换层结构形式，充分明确高层建筑转换层结构设计过程中的注意事项，同时保证高层建筑的设计效果与整体质量，将高层建筑结构的整体稳定性有效提升上去，促进我国建筑行业的良好发展。