浅谈高层建筑梁式转换层结构设计原理及其应用

摘 要：梁式转换层结构设计是多功能高层建筑实现功能转换中应用的最广泛的一种转换层结构设计方法。本文先简单介绍了梁式转换层结构设计在国内发展历程和梁式转换层结构在高层建筑中应用的设计原则。最后，文中从结构形式、受力机理以及设计要求三方面，对梁式转换层的设计进行了详细探讨。

关键词：高层建筑；梁式转换层；结构设计；设计原理；原理应用

改革开来以来，我国城镇化建设脚步一直在不停加快，城市人口也在快速增长，使得城市土地变得寸土寸金。于是，为了有效利用有限的城市土地资源，提高城市土地利用率，近几年来，在城市建筑中，建筑结构逐渐向高层建筑发展。并且，这种趋势现在已经变得越来越明显，城市高层建筑高度越来越高，结构越来越复杂，同时，高层建筑的使用功能也逐渐呈现出功能多样化的发展趋势。比如，在同一栋高层建筑内，将建筑分成上中下三个不同的组成部分，上层为住宅功能区，中层为办公功能区，下层为购物、餐饮功能区，彻底改变了以往一栋建筑只提供一种使用功能的结构特点。而由于在同一栋建筑内同时实现了多种不同使用功能，每一种使用功能对建筑物建筑结构和建筑空间的要求都不一样，因此，为了能够更好的实现不同功能的转换，需要在建筑物施工结构设计中设置转换层。目前，在建筑结构设计中应用最广泛的就是设计、计算以及施工都比较简单的梁式转换层结构。

1 梁式转换层结构设计在国内发展历程

我国最早是在上世纪七十年代开始在高层建筑结构设计中应用梁式转换层结构，最开始的时候，我国在高层建筑中应用梁式转换层结构的主要目的是为了实现建筑物底层大开间的建筑结构设计，并没有从根本上实现对建筑功能的转换。不过，梁式转换层结构在我国发展的极为迅速，到了上世纪九十年代，梁式转换层结构设计就已经列入了我国建筑结构体系和设计的相关规定中，并且政府部门对该种结构设计也比较重视，一直在通过不断的摸索和总结来完善梁式转换层结构设计原理和流程[1]。

我国最先应用梁式转换层结构的建筑是在上世纪七十年代末落成于上海，这座最早的应用梁式转换层结构的建筑高度为十三层，为底层大空间结构建筑，但是，当时这座建筑的功能依旧比较单一；接着，在1983年，在大连建成了另一座高度为十五层的应用了梁式转换层结构，并实现多功能的高层建筑，这座建筑，下三层为大空间结构，提供购物、餐饮功能，上十二层为提供住宅功能的住宅区。自此之后，我国应用梁式转换层结构的多功能高层建筑开始逐渐兴起，并迅速成为我国建筑群组成的一部分。

进而二十一世纪，在经济快速发展的推动下，我国城镇化建设脚步也在不断加快，我国多功能高层建筑也开始快速发展，其中，绝大多数建筑在实现功能转换的过程中应用的都是梁式转换层结构。

2 梁式转换层结构在高层建筑中应用的设计原则

2.1 减少高层建筑的竖向构件

在高层建筑的梁式转换层结构设计中，要最大限度的减少建筑物的竖向构件。因为在建筑结构中，应用的竖向构件越多，所需要进行转换的功能结构就越少，梁式转换层结构设计中的刚性就会越小，最终就会影响整个建筑的抗震结构设计，造成安全隐患[2]。

2.2 对称布置转换柱和剪力墙

在对转换柱和剪力墙的位置进行布置的过程中，尽可能保证剪力墙和转换柱的对称性，转换梁上面的转换柱最好甚至在转换梁的正中位置，这样当转换梁发生变形的时候，转换柱的柱脚就不会受到太大的影响，转换柱也不会发生太大的形变，导致转换柱发生剪切和弯曲变形，影响梁式转换层结构的安全性。

2.3 保证梁式转换层的结构刚度

转换层的刚度达不到要求会影响建筑物的抗震效果，因此，在梁式转换层的结构设计中，一定要保证梁式转换层的刚度。在梁式转换层结构设计过程中，通常要求梁的高度要比跨度大至少12%，并且施工所使用的混凝土要是性能最高的混凝土，这样才能够保证转换层的刚度，在满足建筑物安全性要求的基础上实现建筑物功能的转换[3]。另外，在对剪力墙和转换柱进行设计的过程中，也要充分考虑两者的受力情况，对两者性能进行合理设计，只有这样，才能够起到良好的转换作用。

2.4 转换层结构位置不能过高

在对梁式转换层结构进行設计的过程中，一定要注意控制转换层位置的高度，保证其在合理的范围内，否则，一旦转换层高度超过建筑物的标准要求，就会导致转换层的刚度降低、转换柱和转换梁的受力增大，容易发生变形和超筋现象，影响建筑物的抗震效果。如果因为建筑物功能转换需求，就要将转换层的高度升高，则需要根据具体要求适当增加转换层的刚度以及转换柱和转换梁的性能，同时，严格限制落地剪力墙的间距。

2.5 对梁式转换层的结构进行严格计算

梁式转换层结构设计是整个建筑结构设计中比较重要的一个部分，对整个建筑结构的安全性和实用性有着比较重要的影响。因此，在对梁式转换层结构进行设计的过程中，为了保证梁式转换层结构设计的合理性和准确性，一定要对在相关数据进行严格计算。在根据建筑物的实际受力变形状态构建计算模型的时候，应该通过三维空间的整体结构对模型进行整体分析，应用有限元的方法来对转换结构实施局部的补充和计算，务必确保设计计算的准确性。

3 梁式转换层结构设计

3.1 结构形式

梁式转换层结构也被称为是梁式框支剪力墙结构，它是利用下部的转换大梁，将上部剪力墙落在框支梁上，再由框支柱支撑框支梁，形成一种独特的支撑体系，达到转换建筑功能结构的目的。梁式转换层结构是以剪力墙到转换梁，再到转换柱为力量传导途径，由于这种传力途径的表现形式直接、明确，计算、分析和设计都比较方便，而且施工也比较简单，所以在高层建筑功能转化结构设计中，经常使用梁式转换层结构。但是，梁式转换层结构缺点在于，如果建筑物的上下轴线的位置布置错位，在结构设计中就需要增加转换梁的数量，导致建筑物的空间受力情况变得更加复杂，不利于建筑施工[4]。而在实际设计过程中，可以根据梁式转换结构根据建筑物转换功能的具体要求，将转换层分为如图1所示的几种不同结构形式。

3.2 受力机理和设计分析

梁式转换层结构是以剪力墙到转换梁，再到转换柱为力量传导途径，这种传力途径的表现形式直接、明确，比较方便设计的计算和分析。其中，转换梁的受力情况主要受到传导力量的剪力墙的刚度、转换梁自身的刚度以及支撑转换梁的转换柱的刚度影响。因此，为了明确梁式转换层的受力机理，相关研究人员以转换梁所承托的层数对转换梁受力的影响为例，应用了有限元程序对其进行了分析。分析结果表示，当转换梁的跨度不大于十二米时，转换梁承托的层数标准为三层，但是以承托层数为四层或者是五层进行计算时，偏差也没有超过5%，在可承受范围之内。因此，在对承托层数为三到五层的梁式转换层结构进行设计时，就可以直接以三层为标准进行计算。导致这种情况出现的原因主要有两点：其一，是因为转换梁正好处于结构整体弯曲的受拉区，应力积分后在转换大梁中就会出现轴向拉力；其二，是因为剪力墙体竖向力作用于转换梁时，传力方式就会由竖向传递变成了拱式传递，力量不会直接作用在转换梁上，从而导致转换梁中间位置出现拉力，支座出現轴向压力。

3.3 梁式转换层设计要求

梁式转换层结构设计应该根据建筑物具体功能转换以及转换层力量传到的具体需要，依照建筑物转换层的设计高度要求，在规定高度范围内在一个位置或者是多个位置灵活布置转换结构，同时，在对转换层进行设计过程中，还要充分考虑建筑物的抗震要求，对转换层的刚度进行严格设计[5]。在对大底盘多塔楼的商住高层建筑的转换层进行设计的过程中，塔楼的转换层应该设置在裙房的屋面层，并对屋面转换梁、转换层板的尺寸和厚度进行加大加厚处理，以避免中间出现刚度特别小的楼层，影响建筑物抗震效果。在对普通多功能高层建筑的转换层结构进行设计的过程中，要严格控制转换层的位置高度，地震烈度为7度的地区，转换层高度不能超过5层，地震烈度为8度的地区不能超过3层。

4 结束语

现在，在城市建筑中，高层建筑数量越来越过，其中还有很大一部分是属于多功能高层建筑，这些建筑结构复杂，不同功能区对建筑空间的需求也不一样，需要通过转换层来实现功能转换，增加了高层建筑结构设计难度。当前，在转换层结构设计过程中，应用最广泛的就是计算、分析和设计都比较简单的梁式转换层结构设计，通过其设计，更好的实现高层建筑的功能转换需求。

参考文献

[1]谢晓峰.高层建筑转换层结构形式的应用现状及问题[J].广东土木与建筑，2010（2）.

[2]何若全.高层建筑中转换层结构的现状和发展[J].苏州城建环保学院学报，2011（9）.

[3]舒赣平.高层建筑预应力混凝土板式转换层结构设计[J].建筑结构，2011（6）.

[4]唐兴荣.高层建筑转换层结构设计与施工[M].北京：中国建筑工业出版社，2012.

[5]梁炯丰.高层建筑转换层结构的概况和发展[J].山西建筑，2010（2）.

作者简介：杨永康（1964-），男，贵州遵义人，本科，工程师，主要从事方向为建筑工程设计项目的结构设计。