转换层在高层建筑设计中的应用及抗震性能

贾玮

摘要：高层建筑不仅节省了耕地，而且能够满足投资商对高层建筑多功能开发的需求。转换层在高层建筑设计中的应用满足了现代高层建筑向多功能、多用途综合发展的需要，增加了高层建筑的经济效益，实现了高层建筑和建筑室内所需要的更大空间。笔者结合自身多年的研究經验，分析了转换层在高层建筑设计中的应用，并且研究了转换层在高层建筑中的抗震性能。

关键词：转换层；高层建筑设计；应用与抗震性能

引言：随着社会经济的发展，为了克服国家土地资源不足对建筑行业的影响，建筑逐步趋向于高层建筑。高层建筑在设计上逐渐趋向于多功能、多用途，许多建筑商业用途的楼层通常设在底层，办公用房通常在建筑的中部，一些住宿或旅馆用途的楼层则置于顶层。建筑房屋的用途不同，其结构的构造和开间结构也不尽相同。底层底商所需要的较大的空间给人宽敞明亮之感，住宿等用房则需要较小空间经济实用为主，因此两者之间需要采用一定的结构形式进行转换处理，也就是转换层的设计，来为室内提供较大的空间。转换层在高层建筑设计中的应用提高了高层建筑的抗震性能，为高层建筑物提供了新的入口。

一、转换层在高层建筑设计中的应用

1.转换层概念

建筑物楼层由于使用功能、用途不同需要实现楼层的上部和下部采用不同的设计类型，目的是为了实现该楼层的结构转换，那么该楼层就可以称之为结构转换层。目前在高层建筑中多为底层商用，中层作为办公用房，顶层多用作旅馆住宿的多功能要求，各层之间的转化往往需要一定的形式结构进行转换处理，即加设转换层。

2.高层建筑设计中设置转换层的必要性

现代高层建筑的结构形式日趋复杂，具备的功能日益完善，综合用途逐步增强。在同一高层建筑，因为需要多种用途，二十的高层建筑的各部分楼层要求不同，要求的开间大小不同，因此在进行建筑物设计时候需要设计构造不同的结构形式。一般来讲，高层建筑上部楼层如果想要满足住宅和旅馆的需要，就需要进行小开间设计，将小开间轴线进行规划，用较多墙体进行分割，来满足住宿设计的需要；中部办公用房则需要进行中等大小房间的设计，其可以在柱网中布置符合标准数量的墙体，实现中等空间大小的标准；下层房间因为是商业用途的建筑格局，因此，需要较大的空间设计，柱网务必要大，墙面越少越好。

理论上来说，建筑下部楼层所受力较大，上部楼层受力较小，所以下部楼层墙体刚度越大，墙面越多，柱网越密集则承重力就会越好；上部楼层逐渐减少墙面和柱体，轴线间距不断扩大，对下部楼层所施加的压力就会越小。但是高层建筑实际设计中，建筑结构与理论结构合理布置完全相反。为了满足高层建筑综合用途的需要，结构布置要按照常规结构布置思路的相反方向进行，比如，根据上部楼层的小空间、受力小等特征，最好布置刚度较大的剪力墙；下部楼层的大空间、受力大等特征，布置刚度较小的框架柱。

3.转换层的结构形式

通常来讲，根据高层建筑各楼层功能实现的需要，转换层的结构形式有以下三种：当在下部楼层形成较大的空间时，包括需要对结构类型和轴线转变时，可以采用梁式、桁架式、空腹桁架式、箱形和板式转换层等结构形式；当框筒结构在底层要形成大的入口时，可以选择多种结构形式，如梁式、桁架式、墙式、合柱式和拱式等结构形式。目前来讲，梁式转换层是我国高层建筑设计首选的结构形式，它具备设计和施工简单，受力明确等优势。适用于底部是大空间剪力墙结构。当上下柱网、轴线不重合、难以用梁直接承托时，厚板或箱式转换层可以作为替换，但若从其自重较大，材料耗用较多，计算分析相对来讲相对较复杂。

二、转化层在高层建筑中的抗震性能

1.转化层在高层建筑中的抗震性能分析

现阶段，我国高层建筑抗震设计中有以下主要设计计算方法：底部剪力法、振型分解反应谱法、静力弹塑性分析方法、时程分析理论等。根据相关的调查数据结果显示，带转换层的高层建筑结构抗震等级较强，有利于减少地震对人们生命健康和财产安全的影响。有关实验显示：下部核心筒框架，上部核心筒密柱框架这种结构类型与下部核心筒框架剪力墙上部剪力墙这种类型相比，在相同的抗震设防烈度上效果更好，部分框支剪力墙结构在高位转换的抗震性能的规范更为复杂。根据《高规》中相关内容的规定对部分框支剪力墙结构，转换层的设置高度，抗震设防烈度为八度时不应该超过三层，七度时不应该超过五层，六度时可以适当的增加楼层数。依照建设部新颁布的《超限高层建筑工程抗震设防专项审查技术要点》的相关内容指出：高位转换的部分框支剪力墙结构属于不规则的高层建筑，应进行一定的超限审查，采取可靠的抗震设施，以保证转换层在高层建筑中具备可靠的抗震性能。转换层高度的设置对结构地震的反应影响也更为显著，笔者在对带梁式转换层结构形式进行抗震性能的研究时，是采用振型分解反应谱法进而得出结构及其组成构件的地震反应情况，并以此作为研究地震性能的第一手资料。通过实验数据分析结构显示，当转换层上下等效刚度比范围在0.85-1.0时，建筑顶部的楼层位移值会随着转换层楼层位置的提高而增大，进而导致结构的整体抗侧刚度减小，结构逐渐变柔，也就是说转换层在高层建筑抗震性能降低，由此看来，合理确定转换层的位置之前要综合考虑各方面的利弊。

2.转换层在高层建筑设计应用中需注意的问题

（1）转换系数：保持转换层上下主体竖向结构的连续贯通是在布置转换层上下主体竖向结构时应该注意的事项之一，尤其是在布置核心筒框架结构中，应该尽量保证核心筒上下的贯通，精确到一定的数值，避免在设置转换层的过程中一个环节的失误影响到后期的效果。

（2）上下层刚度比：通过增大转换层下部结构的刚度，减小转换层上部结构的刚度，达到转换层上下主体结构的刚度和变形结构尽量接近的效果，也能够有效增强下部楼层大空间整体结构保持适宜的强度、刚度、延性和抗震能力。为了防止沿竖向刚度过于悬殊，对抗震不利。为此，在设计的过程中尽量将上下刚度比值控制在一定范围。可以使剪力墙尽可能的落地、加大落地剪力墙的厚度、对上部的剪力墙采取开洞、开口、断肢等措施提高大空间层空间结构的刚度。

（3）对高位转换框支柱的处理：根据高层建筑的楼层的限制，普通的转换层的结构形式不能够满足20层以上的高层建筑的需要，为此针对20-30层的楼层要采用高位转换这种形式，考虑到高位转换的安全性，对于目前大部分转换层设在3～5层的结构，则转换层下的梁柱全应按框支柱处理；普通框支柱超过7层就完全不考虑了，其他层的梁柱全应该按照框架柱来处理。

结语：

本课题对转换层在高层建筑设计中的应用及抗震性能进行分析和研究，期望可以使相关人士不仅认识到在高层建筑设计中设置转换层的重要性，并且纠正转换层在高层建筑应用中存在问题。希望转换层在高层建筑中发挥更完善的功效，顺应现代高层建筑具有综合功能的大潮流，适应高层建筑多功能和综合发展的要求。另外，本文还对转换层在高层建筑中对抗震性能的影响进行了简单阐述，期望可以对设置转换层的相关环节做好抗震效果有所帮助，增强高层建筑的抗震等级，给人们一个安稳、舒适的居住空间。

参考文献：

[1]赵文文. 带梁式转换层的复杂高层建筑抗震性能研究[D].西安建筑科技大学，2013.

[2]张超. 转换层对高层建筑结构抗震性能的影响研究[D].华南理工大学，2013.