建筑转换层结构的相关设计问题探讨

郭俊杰

（广东省建筑设计研究院 广东广州 510010）

1 引言

随着近几年的发展，人们生活水平不断提高，对居住环境以及工作环境开始有了跟更高的要求，因此建筑结构开始变得复杂化，建筑的功能性也变得多种多样。由于现在的建筑以高层建筑为主，而高层建筑因跨度、空间、用途等因素的限制，出现上下部结构布置的差异，为了使这种差异能够在结构上得以实现，就出现了上下部转换的转换层。这种满足建筑内部需求的转换层开始不断应用于各类建筑，其设计问题也开始不断凸显。

2 建筑转换层的设计原则和分类

2.1 设计原则

建筑结构转换层作为高层建筑结构设计中的关键部位，不同的设计出发点对建筑物的正常使用和抗震能力均有很大影响，所以建筑转换层应遵循以下几个原则：

（1）转换层在建筑中的竖向位置应当就低不就高。

（2）减少需要进行结构转换的竖向构件，因为直接落地的竖向构件越多，整个建筑所需的转换结构就越少，从而造成的刚度突变越少，更利于抗震。

（3）在工程建造过程中，应当根据建筑物的实际需求来选择换层的结构形式。

（4）确保建筑物整体性。尽可能减少转换的竖向构件，采用统一方向的构件，从最开始的设计文件中要体现出来，能够提高建筑物的稳定性，延长建筑物的使用寿命。直接落地的剪力墙越多，需转换的其他结构就会越少，这样整个转换层刚度突变的程度就越少，对整个建筑结构的整体性越有利。

2.2 转换层分类

一般来说，建筑工程上下部结构在使用功能方面会存在着较大的差异。对于结构转换层来说，楼层的上部和下部使用功能的变化，可以通过转换层的设计，实现这种功能变化的需求。根据结构功能的不同，可以将转换层大体分为两类：①上层与下层结构类型的转换。这一类型的转换层多用于剪力墙结构以及框架－剪力墙结构中，同时通过转换层的应用可以将上部剪力墙转换为下部框架，这样就可以创造底层较大的内部自由空间；②上、下层的柱网、轴线改变。虽然转换层的上部、下部结构形式没有发生改变，但是通过转换层的使用，可以使下层柱的柱距进一步扩大，进而可以形成大柱网，上部楼层剪力墙结构通过应用转换层，可以进一步改变为框架结构，并且柱网轴线和上部楼层之间的轴线是错开的，进而可以形成上下结构不对齐的布置状况如图1梁式转换层结构形式。

图1 梁式转换层结构形式

3 结构选型以及结构布置的分析

3.1 框架剪力墙的结构设计原理

由于使用功能的需要，建筑的底层结构一般需要较大的自由空间，因而经常采用框架剪力墙结构；建筑中层通常应用剪力墙结构进行过渡，但是对于较高楼层，它的内力传递需要经过转换构件。如果采用厚转换形式，它的传力路径质量大，并且受力较为复杂、不清晰，容易造成了转换层附近构件应力集中的问题。同时，由于受到造价费用的影响，现阶段多采用梁式转换。如图2为转换层结构平面布置图。

图2 转换层结构平面布置图

3.2 相对应转换梁结构设计

由于超限高层建筑的主次梁结构有着较多的优势，比如说施工过程较为简单、受力明确，并且设计施工过程中开设的洞口大多在转换梁受力较小的部位，因而这一结构能够满足建筑设备的管线布置以及建筑使用功能等方面的要求。在进行转换梁的结构设计过程中，要针对具体的工程建设状况来进行设计，进而提升超限高层建筑的稳定性与安全性。

4 建筑转换层结构设计要点

4.1 建筑转换层结构抗震设计

4.1.1 水平地震

建筑转换层抗震设计中最不利的条件之一是高位转换引起的结构应力问题。经过大量的计算结果，在水平地震作用下，由于转换层主要是剪力墙，所以落地所分配得到的力更大，支撑力减少。

4.1.2 垂直地震

在考虑水平地震时应考虑垂直地震，并在分析数据的基础上，计算三层或以上的数据转换，大大降低了地震作用。由于现代建筑以高层建筑为主，高层建筑是一种复杂的且不利于地震的结构，因此根据建筑物的结构类型和建筑物的结构高度等因素来采取相应的措施。

4.2 建筑转换层结构的布置

4.2.1 门孔的设计

在建筑转换层的下层剪力墙中，一般不适合设置门洞，而门孔也不适合设在中间柱的上部。根据大量数据计算，门洞是剪力墙受力不均匀的原因，导致结构应力损伤，与此同时，门应当设置在墙体中间区域，这样可以使建筑整体结构受力均匀。

4.2.2 地下室厚板转换层

前面提到了如何提高整个建筑转换层结构的抗震性能，因此在非震区或低震区，可以采用该方法来改变厚度板。而且空旷的地下室也可以采用这种方法，因为地下室封闭，所以地震反应会小于地面，所以在设计地下室时可以采用厚板过渡层。

4.2.3 转换层建立

由于建筑竖向构件的不连续，需要在过渡层中选择安全可靠的转换层组件，根据现今的数据分析，构件的转换可以采取厚板、大梁、箱型结构等形式。

4.2.4 遵守高规中的相关规定

由于现今的《高层建筑混凝土结构技术规程》的要求，带有转换层的建筑应当满足相应的刚度和墙厚要求，剪力墙要有相应的上下贯通的刚度，并根据相应的刚度来增加墙体厚度。同时平面的框支剪力墙的结构根据抗震性，其设计就应当更加严格，通过控制和遵守高规控制刚度的突变，减少内力在墙体上的突变，保证转换层能够有足够的刚度来传递各结构之间的剪力，防止转换柱的变形和破坏。高规附录中规定当转换层设置在1、2层时，转换层与其相邻上层结构的等效剪切刚度比宜接近1，非抗震时小于等于3，抗震设计时小于等于2。

4.3 建筑转换层上下结构的刚度

建筑转换层上部与下部结构的不同形成的刚度突变，会对建筑构件的弯曲、变形等产生影响。

4.3.1 确保转换层刚度

转换层的刚度是决定转换层设计成功与否的绝对性因素，特别是在高层建筑的设计与施工过程中，高层建筑本身的高度和自身重量对转换层影响十分巨大，转换层的刚度成为其中一个薄弱的环节。所以为了保证建筑物结构的稳定，就要保证转换层的刚度，查阅相关资料，转换层的刚度应大于上层刚度的70%，才能保证建筑物的稳定性。为了确保高刚度的转换层，应当采用比设计等级高一个等级的混凝土，保证转换层刚度不低于设计水平，从而确保建筑物的稳定性能。

建筑转换层结构中，层高、梁柱尺寸是影响刚度比的重要因素，建筑转换层在三层及三层以上时，应当根据《高层建筑混凝土结构技术规程》所规定的侧向刚度比具体要求，来进行结构布置。

4.3.2 楼层侧向刚度比

在建筑转换层在三层以及以上时，楼层的侧向刚度比应当不小于上一楼层的侧向刚度的65%，《高层建筑混凝土结构技术规程》的这一规定是为了防止转换层上下楼层刚度出现差异较大的情况。与此同时，层侧向刚度比的限度值为60%，《高层建筑混凝土结构技术规程》规定了楼层侧向刚度不应当小于相邻上层的侧向刚度比的70%，不宜小于相邻上部三层刚度平均值的80%。

4.4 合理布置转换层

由于建筑物力学模型的结构比较复杂，各层内力随着高度变化而变化，因此高层结构垂直位置的转换层结构应该要合适，宜低不宜高。转换层的位置较高时，容易造成在转换层附近上下的楼层的框支剪力墙结构刚度、内力和传力受力途径发生突变，形成薄弱的受力层，降低整个建筑物的稳定性，不利于建筑抗震，对建筑物抗震设计不利，所以转换层高度的设计应尽量低。

除了转换层高度的考虑，还应该注意转换层上部结构的设计，转换层以上的剪力墙和柱子应尽量对称布置，被转换构件应布置在转换梁跨中，且重心与转换梁轴心重合，超过梁的承载能力范围。

5 结束语

综上所述，在所有建筑转换层结构设计中，必须根据施工方的相应要求以及工程本身所具有的特点和数据来对建筑进行探究，从而计算出最适合该工程的设计方案，同时要从宏观与微观两个方面来考虑和选择合理、科学的设计方案。本文详细介绍了转换层的定义，和在高层超高层建筑结构中设计转换层的必要性，即转换层是伴随着高层建筑的发展而产生的，转换层将整个建筑的使用功能和结构性能统一的结合起来，提高了建筑物的抗震性能和整体性，使得商用民用结合为一体。

[1]祝伟昌，刘代平.浅谈转换层结构设计和施工[J].广西大学学报，2012（9）：59～61.

[2]《高层建筑混凝土结构技术规程》（JGJ3-2002）[S].北京：中国建筑工业出版社，2002.

[3]赵恒晶.带高位转换层的框支剪力墙结构静力弹塑性分析[J].结构工程师，2011（4）：45～46.

[4]钱佳茹，赵作周，叶列平.高层建筑结构设计[M].北京：中国建筑工业出版社，2012.