高层建筑结构转换层施工技术分析

文／姚策、付跃有 中国石油工程建设有限公司华北分公司 河北沧州 062550

引言：

随着城市化进程的不断推进，城市人口数量不断增加，土地资源日益紧张，建筑逐渐向对空间利用率较高的高层建筑趋势发展，高层建筑数量及规模也随之不断扩大。经济的发展以及技术的革新推动建筑的发展，建筑设计日趋多元化，并且更为注重功能性与安全性。相较于一般建筑，高层建筑不仅功能更为多样，且受力复杂，下部楼层受力较大，因而施工更为复杂。结构转换层是一种在高层建筑施工中广泛应用的技术，不仅保障了建筑的安全性，还有利于施工效率的提高。下文将就高层建筑结构转换层施工技术展开探讨。

1、结构转换层概述

城市化进程推进与城乡结合部的发展，很大程度推动了建筑行业的发展，人们对建筑功能性要求也越来越高，这不仅要求建筑设计要向多元化发展，建筑结构的安全性也需要不断提升，以适应建筑功能性与安全性要求。结构转换层施工技术就是在这种趋势下应运而生的，并且得到了广泛应用。高层建筑结构转换层应在建筑结构底部且上部楼层出现部分竖向构件无法落地贯通的情况下设置。转换层需要布置转换构件，空腹格架以及梁等都可以作为转换构件使用。如厚板可在建筑对抗震性能要求不高，可在Ⅵ度抗震设计或非抗震设计情况下使用。高层建筑结构转换层实质是借助水平转换构件将建筑下部部分竖向构件与之相连而形成的高层建筑结构（如图1所示）。

图1 转换层建筑结构

2、结构转换层形式、设计原则以及特点

2.1 形式

从施工实践角度划分，可将高层建筑结构转换层分为板式转换层、梁式转换层、桁式转换层以及箱型转换层这四种类型（如图2所示）。

图2 转换层类型

2.1.1 板式转换层

转换层的主要力学承接方式采用的是一体化浇筑的厚楼板的转换层结构模式就是板式转换层，该模式多应用于不一致的空间结构。在实际应用中，需要强化楼板，施工标准的确定以及物料的选择则是基于实验。同其他几种模式相较，板式转换层上层结构选择中灵活空间更大。

2.1.2 梁式转换层

梁式结构转换层是在设计中增加梁柱横截面积以适应应力，借助梁柱的联合作用，建筑的上层部分能够较好地完成应力到转换层大梁之间的传递。在实际施工过程中，力学保障多依靠预应力或型钢混凝土。同其他转换层形式相较，梁式基础转换层在设计中受力明确且设计方式较为简单，在举架低的大空间结构中应用效果更佳，而且施工技术比较成熟，在现代高层建筑中应用较多。

2.1.3 桁式转换层

在上下结构设置桁架以强化上线楼板的转换层形式就是桁式转换层，大多占用建筑物1-2 层层高，斜杆桁架、空腹桁架以及混合空腹桁架形式等是常见的桁架形式，是几种转换层形式中刚度突变最小的一种形式，有助于建筑空间的安排。虽然该转换层形式在应力和抗震性能方面表现较为突出，但是较其他转换层形式设计与施工难度高。由于桁式转换层自身特点，出于实际经济效益考量，该转换层结构在当前施工中应用相对较少，没有较大范围的推广普及。

2.1.4 箱式转换层

同桁式转换层设置桁架相较，箱式转换层是在设计时借助梁柱的配合作用形成箱体结构的结构转换层形式，即借助托梁结构，上层结构应力能发挥较好的整体效应，向下传导的有效性更高。该结构具有稳定性强、力学传导有效性高的特点，使得建筑自身力学结构完整性得以提高，如果力学特征是不遵从平衡性的情况，特别是水平应力层面，此时应用箱型转换层获得的支撑作用将会较其他更高，将其应用到高层建筑，可获得更好的抗震或者抗风性能。

2.2 设计原则

高层建筑结构转换层设计也需要遵循一定的原则。具体来说，对转换层上下主体结构进行布置时应遵循这几个原则：

⑴根据实际情况使上部竖向结构出现更多的向下落地连续贯通并且重视水平转换结构的传力，使其更为直接。

⑵多级的复杂转换应尽量避免，如抗震不利且传力比较复杂的平厚板转换就应避免使用，如需使用也需慎重考虑，必要时使用箱型转换以应对上下柱网无法保持对齐的情况。此外，对于包含转换层的筒体结构、剪力墙结构等可采取这些措施：①弱化下部：通过减小墙厚、不落地剪力墙开口开洞等方式以弱化上部；②强化下部：将混凝土强度等级提高以及增加筒体落地墙厚等方式都能达到强化下部的效果[1]。

3、转换层结构特点

3.1 需分层浇筑

转换层结构水平构建具备较大的高跨比，需要考量水平纤维的相对错动情况，若平截面假定无法适用，此时短深梁或厚板很容易在此种情况下呈现一定程度的受力特性。针对这种情况，分层浇筑与整体浇筑都包含，具体浇筑方式与浇筑顺序应根据实际情况确定，以免混凝土出现冷缝现象。在实际工作中，需要细致比对应对叠和构件并进行详细分析，充分考量水平剪力等构件影响因素，施工往往采用一次叠浇法。

3.2 支撑系统布置

上文提到转换层设计原则强化下部弱化上部。具体来说，由于转换层安全性很大程度由建筑下部支撑系统决定，因而出于转换层安全性的考量，在转换层设计过程中，遵循该原则区别处理主体结构的刚度，尽量避免转换层结构上下层刚度突变问题的产生。

3.3 使用钢骨架

在转换层施工中使用的材料应兼备结实与荷载力好的优点，否则难以满足结构需求。钢骨架具备钢的特质性，寿命长且难以弯曲或扭曲，能很好地满足转换层对材料的需求，不仅能很大程度减轻自重，还能促进抗震性能的提高。

3.4 转换层结构大

引发转换层截面内力使转换层内部内力改向得以实现，高层建筑本身就结构复杂，加上结构层自身功能需求，各结构间内力分布较为复杂，竖向刚度突变是结构转换层需要面临且难以避免的复杂问题。转换层楼面水平刚度是有硬性要求的，这也是出于上下部楼层结构水平传递安全性考量。对此，设计过程中往往通过增设剪力墙、扩大转换层下部主体结构竖向构件截面以及上文提到过的增加混凝土强度等级等方式，来满足上下层主体结构总剪切刚度需求。

4、功能

高层建筑的结构转换层从功能角度来看，主要实现了这三类结构形式的转换：⑴实现了柱网以及轴线的转换，使得下层大柱网得以形成，外框筒下层大出口与大空间的需要被充分满足。⑵实现了轴线布置与结构型式的转换。⑶实现了上部剪力墙到下部框架的转换，增加了下部楼层的内部空间[2]。

5、转换层施工技术

5.1 模板支撑施工

5.1.1 方案设计

建筑下层部分承重水平是需要在转换梁的承重能力范围内，这是因为该部楼层楼板承重主要依靠转换梁进行承载，在具体施工中就需要通过精密计算来保证支撑体系的承重能力符合相关要求，可采用一定手段将转换梁部分承重由低下承重结构分担。对此，在承重方案设计时就应详细设计支撑系统结构，钢制类是兼备经济性与能力的最优设计方案，相应转换层支撑材料可选用钢制脚手架，而所需的模板材料则选用木方与胶合板（δ=12mm），构造结构不同，钢制脚手架规格也有所不同[3]。实际施工中，模板每个部分都需要构建与钢制脚手架做支撑，模板建筑需要经常性加强至固定性符合标准再将其拆卸。

5.1.2 结构设计

三角形斜撑钢管支架模型是比较常用的支撑结构方案，支撑结构对承重能力要求是比较高的，实际承重水平应高于预估承重水平。该方案能够将支撑结构承重使本层以及下层支撑柱分担（范围：本层1.5m，下层600mm），使得建筑具备更高的安全性能。

5.1.3 监督方案

施工前，周密安排组织、准备材料以及培训等环节，做好施工前期准备；将模板与支撑系统牢固情况监控贯穿每一个施工过程；施工中，支撑结构搭建完成进行下一步作业之前，进行验收监督，确认无误方可进行下一道工序。

5.2 混凝土施工

5.2.1 条件控制

由于混凝土板钢筋密度大，受环境温度因素影响较大，实际施工中需要强化混凝土内外温差的控制，以减少温度对转换板的影响；也可借助如减少用水量或添加混凝土外加剂等措施提升混凝土强度，进而增加转换板的强度。在材料选用上，选用水热化低的水泥与热膨胀系数大的骨粒为佳。

5.2.2 浇筑

混凝土浇筑需要做好这些工作：⑴混凝土浇筑遵循整体连续性要求，依照转换板中心-两侧对称浇筑方式。⑵基于实际情况与施工需要选择相应的浇灌方式，如整体浇灌或分层浇灌[4]。

5.2.3 养护

在初期养护方面，施工时施工人员需要在振捣完成后进行两次收光扫毛，以免混凝土出现裂缝问题，在初凝前3h 进行的第一次收光扫毛主要是排出混凝土内部水分，在终凝前进行的第二次则是收光并铺盖塑料薄膜，之后覆盖干麻袋，随后则根据情况进行浇水养护。

后期养护主要包含综合养护、温度监测以及温度控制这三个方面：⑴综合养护，安排专人进行综合养护，包括观测混凝土状态，对终凝后的混凝土采用保湿养护法进行14d 的保湿养护；在混凝土收平后确认无误则再度进行保湿处理与温度养护；为避免混凝土出现干缩情况，采取监测仪监测湿度以及定时于混凝土上部空间喷水等措施保证湿度。⑵温度监测：出于了解混凝土内外温度的目的，在具体施工中预埋测温管，若内外温度温差＞25℃时，需要采取措施降低温差。⑶温度控制，对造成温差的原因进行分析和确认，若内部温度过高导致，则可采取预埋冷水管的方式处理；若外部温度过高造成，则可采取洒水方式降低温度；如果温度下降还需要根据实际情况采取相应保温措施。此外，根据实际情况安排人员清理混凝土环境，必要时设立围栏，减少或避免外界因素对混凝土造成不利影响。

5.3 钢筋施工

5.3.1 钢筋的安装与连接

钢筋在钢筋混凝土结构施工中用量是非常大的，为了加强施工质量的控制，就需要合理安排钢筋安装顺序以及连接。⑴安装：安装过程中，钢筋制作尺寸以及绑扎顺序应基于钢筋间的就位顺序考量确定。⑵连接：实际施工中钢筋连接有电渣压力焊、钢筋闪光对焊、锥螺纹连接以及套筒冷挤压这四种常见方式，具体选择哪种方式应由钢筋型号确定，可以使用绑扎接头的方式处理构造钢筋。如锥螺纹连接以及套筒冷挤压方法可用于直径28mm-32mm 主筋的连接，电渣压力焊以及闪光对焊可用于直径16mm-25mm 的梁柱墙板筋[5]；特殊部位钢筋连接则使用某一种方法，如梁端头带弯头钢筋与钢筋中间部分连接处理则分别使用套筒冷挤压、锥螺纹连接方式。

图3 钢筋安装现场

5.3.2 钢筋绑扎

钢筋绑扎主要考量这两大方面：⑴搭设钢筋支撑架，实际施工过程中，钢筋材料往往比较长需要现场处理，因而绑扎时就需要进行钢筋支撑架的搭设，较好的钢筋支撑架搭设可为后续钢筋绑扎工作提供很大帮助，因而搭设支撑架也是钢筋绑扎的关键之一。⑵连接绑扎钢筋，绑扎时分上下部进行操作，进行下部钢筋绑扎时先依序将下一排钢筋支撑面抽走，下一排钢筋则落于梁底部，之后按相关操作进行绑扎，按照这个流程绑扎完所有钢筋材料，需要注意的是应放置分隔筋（横向间距1500mm-2000mm）；进行上部钢筋绑扎时，先对上一排进行绑扎处理之后再松开，与下部钢筋绑扎处理不同的是将第一排钢筋支撑面抽走，按照梁一端到另一端的顺序开上二排钢筋支撑点，在松开的同时把钢筋放至合适位置并将隔筋插放进去，再将上二排钢筋绑扎好，按照这个流程将绑扎完所有需要处理的钢筋。

6、转换层施工技术要点总结

6.1 施工前准备要点

在正式施工前，就需要做好相应的准备工作，如人员、技术准备。首先，对施工图纸规程以及验收标准等相关情况有充分的认识和了解，一旦发现问题可根据相关流程及时修改。其次，施工人员应对相关施工技术与工艺有足够的认识和了解，做好技术与方案的交底工作后再进行混凝土浇筑作业，以保障之后的施工质量。

6.2 模板支撑施工技术控制要点

模板支撑施工设计方面注意把控这两个方面：⑴遵循经济性、安全性与实用性的原则，设计时应对新浇混凝土对模板侧面压力和模板、支架以及钢筋自重的标准值进行考量，常见的模板材料有钢材与木质两种类型，从建筑功能与结构需求方面考量，无论选用哪种材料都应保证模板结构弹性模量、刚度以及承载水平，与模板相接触的混凝土表面应保持光滑平整。⑵根据设计图纸、施工单位自身情况（设备技术条件、施工方式以及计划进度）以及相关技术规范设计模板结构，根据实际所需承重水平计算模板尺寸以及支架截面尺寸。

模板支撑施工需要注意这几点：⑴模板支撑体系中的模板应具备足够的刚度与承载水平，以确保在施工中承受荷载时结构稳固，不会出现倾斜、坍塌以及损坏等情况，施工中模板接缝不能出现漏浆情况，浇水湿润前应避免出现积水；⑵及时清理掉模板内部的杂物，模板与混凝土接触面应保持干净，必要时刷隔离剂；⑶模板支撑尽量结构简单，以便后续拆卸与之后再次使用，因而模板与混凝土结构机构件的形状保持一致。

6.3 混凝土施工技术控制要点

6.3.1 实施温度监控

温度是混凝土出现裂缝问题的决定性因素。在具体施工中，混凝土监控的重要凝固表征指标就是混凝土温度，建立完整且具备实时性的监控体系很有必要，如有条件或必要可进行自动化管理，如采用红外线测温传感器，既能有针对性地进行维养，还能为下一步施工提供一些参考和指导。

6.3.2 实施强度监控

预拌型混凝土在高层建筑结构转换层中使用较多，然而并不是混凝土强度越高，转换层质量就越好，如果转换层混凝土强度超过需要，将导致整个建筑工程的可控性降低，一旦出现失误，很容易使得混凝土出现裂缝问题。因此，混凝土施工人员的操作以及专业水平必须过硬，否则很难预防一些问题以及有效应对出现的各种问题。首先预拌时应充分考量混凝土强度，不宜贪高，应选择满足施工强度需求的混凝土；其次，转换层梁板柱式截面尺寸都不小，且施工位置相对较高，需要较为严格的质量管理，结合实际情况制定可行性强且科学合理的安全保障制度和措施，做好现场安全工作，提高施工的安全性，保障人员安全。

6.3.3 实施养护监控

为了预防转换层裂纹问题的出现，需要进行相应的混凝土养护工作，可采取如下措施：为确保混凝土密实度与刚度符合要求，必要时采用保温材料对混凝土进行保温处理，若转换层规模不大养护则采用蓄水方式，不仅简单可行性高，而且成本低经济性更佳；为了最大程度降低内外温差对混凝土的不利影响，应采取措施减少混凝土暴露情况。

6.4 钢筋施工技术控制要点

6.4.1 钢筋翻样下料

基于设计文件与实际情况进行翻样工作，为了方便混凝土浇灌与振捣施工，根据情况增加节点空间；确保施工材料符合要求并做好电焊培训后再进行大梁主筋接头的闪光对焊。进行梁主筋焊接时，应依照接位顺序给其编好号，以保证焊接准确性；进行主筋下料时，为了避免接头焊接重叠，应科学合理安排所涉及的主筋。

6.4.2 钢筋安装就位

从两方面分析：梁纵筋安装需确定好柱节点箍筋、梁梁间的位置数量，确定方式多为上下交替搁置或依次交替穿插。柱箍筋穿插于每层主筋之间，直至特大梁就位后按照实际需求固定绑扎。

结语：

综上所述，转换层是高层建筑重要组成部分，称之为连接纽带毫不为过，对建筑功能以及安全性实现具有很大影响。高层建筑本身结构较为复杂且施工难度大，结构转换层则更甚。为了建设优质工程，对现有的施工技术进行多角度思考，提高现有转换层施工技术水平，充分发挥结构转换层在高层结构中的作用，提升工程功能性、安全性与实用性就非常必要。本文介绍了结构转换层相关知识，如界定、形式、特点、设计原则以及功能等内容，并在此基础上分析了转换层模板支撑、钢筋以及混凝土施工技术，进而提出四条施工技术控制要点。由此可知转换层在高层建筑中作用不可替代，实践中应从施工技术控制要点入手提高施工水平，保证转换层施工质量，为整体工程质量和经济效益的实现提供保障。