建筑结构设计中转换层设计的应用研究

张恒波

（潍坊市市政工程设计研究院有限公司，山东 潍坊 261061）

随着市场经济的快速发展，建筑业迎来了一个巨大的发展机遇，行业整体发展水平不断提高，人们对建筑结构功能需求也逐渐呈现出多样化、个性化的特点。因此，需要对高层建筑中的转换层进行优化设计，尤其是高层住宅建筑。在设计和施工过程中，可采用不同类型的转换层结构来满足住户的个性化使用需求，从而全面提高建筑结构设计效益。因此，需要对转换层结构设计问题进行有效分析，优化设计，提高高层建筑的设计质量。

1 转换层结构设计的作用

转换层结构的设计应用可满足大型商场、娱乐场所的多样化功能需求。主要利用墙体对上下层空间进行分割，上层主要满足住宅户型的空间设计要求，利用墙体将整体空间进行合理划分；下层主要预留整体空间结构，面积较大，使用方式比较灵活、多样化。在高层建筑转换层结构设计中，应结合建筑体的具体使用功能，对层高进行优化设计，保留其正常楼层的使用功能，必要时可作为设备层使用。

2 转换层结构分类

2.1 箱式转换层

当高层建筑结构梁截面较大且一层楼板刚度不符合标准指数要求时，应在转换梁底与梁顶之间放置一层楼板，构建成一个箱型梁，这样就能保证楼板刚度的假定值与实际数值一致。这种结构形式可应用于整个楼层，环绕建筑周边形成箱式转换层。这种结构类型的约束力较强、刚度大，可以对转换层的上下层应力进行直接、均匀的传递，必要时可作为设备层使用。但在实际应用中，需要在建筑结构内开挖更多的设备预留孔，操作过程难度较大，成本较高。

2.2 梁式转换层

梁式转换层通常与框支剪力墙结构体系结合使用，底部空间较大。在实际应用中，需要将上层剪力墙设置在框支梁上，通过固定结构来提供支撑力，共同构成结构体系。如果要对纵、横向进行转换，通常使用双向梁模式操作。这种结构类型的转换层施工操作简单，可以对上下层的应力进行精准传递，整体强度和刚度较高，在建筑结构设计中应用广泛。如果需要对上下轴进行错位安排，则需要增加转换梁的设置数量，这种情况会使整体空间的受力情况更加复杂。

2.3 厚板式转换层

在高层结构设计时，当上下柱网错位复杂且梁不能发挥其承托作用时，需要设计厚板式转换层结构，如图1所示。在具体设计时，应结合柱网大小尺寸、上层结构荷载等因素，明确板的厚度和规格。这种结构类型适用性强、使用灵活，可用于任何结构布局，且刚度较大，可组成整体性的承台，但受力状态复杂、传力途径混乱、内应力大、易发生刚度突变，适合结构复杂、开间较多的建筑结构，不适合在多震区域使用。

图1 厚板式转换层

2.4 桁架式转换层

在高层结构设计中，如果上层是住宅用房、下层是大型商场的结构，则应采用桁架式结构形式，并可作为设备层使用。在实际应用中，通过桁架将上层柱墙的荷载传递给下层柱墙，并根据具体需求在桁架空间内设置差异化的管道。在具体设计时，可在整个楼层进行设计，并对所有节点进行合理设置，确保其与墙肢形心对中。这种结构类型的结构受力途径比较明确，常用于地震多发地区，但施工工艺复杂，尤其是轴线错位布置容易出现失误，不利推广到二、三线城市。

3 转换层结构设计原则

转换层在高层建筑设计中起着承上启下的作用，直接影响建筑工程质量。转换层的规范设计能减少资源浪费、提高资源利用率、有效控制工程设计中的风险因素。具体的设计应遵循以下原则：

（1）在满足建筑体功能需求的前提下，合理控制转换层竖向构件的使用数量，避免使用量过多。同时，要相应地增加直接接地构件数量，降低建筑结构的刚度，防止发生刚度突变，提高整体结构的抗震性。

（2）避免高位转换。由于高位转换将导致框支剪力墙结构的传力受阻、结构刚度突变等，使建筑物出现薄弱层，降低整体抗震性能。

（3）明确传力途径，避免在传力过程中发生刚度突变，保证受力均匀性。

（4）科学分析剪力墙与框支剪力墙的占比。一般情况下，横向落地剪力墙是横向墙的0.5倍。

（5）为保证上部柱子与剪力墙的对称性，采用转换梁对梁上立柱进行固定，从而控制支柱柱角，避免变形。

4 转换层结构设计要点

4.1 不同结构类型的设计要点

（1）梁式转换层设计广泛应用于高层建筑结构设计，受力途径明确、整体结构设计简单、施工过程不复杂。但在具体设计时，必须保证上下层结构的优化布置，促进上下层结构协调，进而提高高层建筑结构的整体稳定性。当建筑高度较高时，剪力墙的内力和传力途径发生变化，整体受力能力下降，应优化设计以提高其抗震性能。

（2）桁架式转换层结构是一种重要的承重结构，可以对建筑不同功能区域的上下层进行连接。但由于其下杆横截面积较小、高度较高，施工难度大，施工工艺复杂。因此，在实际施工过程中，必须对其内部结构特性进行全面的研究，精准计算参数，以达到整体结构设计的最佳效果。

（3）厚板式转换层设计在设计布置时适用性较强，使用性灵活，简化了上下层结构的正对工序。但在实际施工中需要大量的材料，因此，需要精确地计算受力角度，并选择合适的配筋量。同时，应综合考虑抗剪力与抗冲切力，控制受力程度，以精确计算内力及配筋量，在保证结构稳定性的同时，充分发挥经济性优势。

4.2 优化抗震设计

随着现代化社会的发展，人们对房屋结构抗震性能的要求越来越高，但某些高层建筑由于增加了转换层结构，导致结构竖向刚度受力失衡、承载力分布不均、传力刚度下降，甚至出现结构变形等问题，严重影响整体建筑结构的抗震性能。因此，在设计转换层时应加强抗震设计，综合分析潜在的地震威胁因素，优化结构设计，确保转换层设计的全面性和完整性，提高整体结构的抗震性能。另外，应尽量避免高位转换，高位转换容易造成上下层结构受力不均，发生水平地震时剪力墙受力荷载过大，导致整体结构的支撑力下降；高层建筑受力复杂，整体抗震性能较差，结合数据分析，如果转换层超过三层，其抗震性能将受到很大影响；如果高位转换层的传力途径被堵塞，将导致下层剪力墙的受力传递困难，导致刚度突变，甚至出现裂缝问题，形成薄弱层。因此，在设计转换层时，应结合结构类型、高度等因素选择合适的设计方案；转换层下层剪力墙主要通过楼板将受力传递到落地剪力墙上，应避免力堆积过大而引起刚度突变问题；如果采用高位转换层，则应注意提高其抗震等级，尤其要加强框架、支撑、剪力墙的抗震等级，以减少建筑出现薄弱楼层。转换层结构布置平面如图2所示。

图2 转换层结构布置平面图

4.3 优化刚度设计

刚度是影响转换层设计质量的关键因素，特别是高层建筑，其高度和自重对转换层刚度有不利影响。因此，为了提高建筑结构的稳定性，在设计转换层时应使用较高等级的混凝土，保证下层刚度超过上层70%，将其设计为筒体结构，以保证结构刚度符合设计要求。转换层结构的设计和布置应注意以下两点。

（1）底部大空间剪力墙结构的设计需要对上下层剪力墙刚度比进行有效调节，使上下层受力均匀，避免刚度突变，从而保证整体结构的稳定性。

（2）外围柱距的框筒结构在对转换层进行设计时，如果要扩大外围柱距框筒结构，应采取有效措施保证上下层剪力墙刚度的稳定性。因此，在设计上下截面时，应结合实际情况采用相同材质的钢管混凝柱结构，对柱子的截面、刚度等参数进行有效控制，达到设计要求。

4.4 转换层的竖向布置

转换层的设计应深入分析、精细布置转换层的竖向结构，以满足建筑物的实际功能需求、优化上下层传力途径、防止高位转换问题、提高整体结构的稳定性和可控性。另外，要对转换层的高度进行控制，如果其高度过高，将增加刚度突变的风险，破坏框支剪力墙结构的受力途径，从而威胁整体结构的稳定性和抗震性。因此，在设计转换层竖向结构时，应规范设置底部带转换层的建筑结构，防止竖向构件连续贯通。但如果建筑结构的实际功能要求应用到高位转换，则需要对变形、弯曲、剪切等结构的刚度进行全面分析，使层间内力的稳定性得到最大程度的控制，从而提高结构稳定效益。

5 结语

综上所述，转换层结构的设计质量直接影响整体建筑结构的稳定效益。因此，应结合实际情况，对转换层结构类型进行合理分类和科学选择，明确转换层设计原则，分析设计要点，尤其要对不同结构类型的设计要点、抗震设计、竖向结构设计、刚度设计等进行详细分析，从而制定更加优化、合理的技术方案，以保证高层建筑结构的稳定性和可靠性，促进建筑行业的快速发展。