建筑结构设计中转换层设计的应用分析

文／苏磊 甘肃省城乡规划设计研究院有限公司 甘肃兰州 730030

1、建筑转换层概述

现代建筑空间结构复杂、层数较多，许多建筑同时拥有多种功能，因为建筑平面功能存在差异，所以结构上出现了许多变化，具有不同功能的建筑平面之间的结构变化即为转换层。转换层结构一般以突变结构为主，两个平面之间的结构发生了明显的变化，而想要确保在这种变化前提下建筑保持良好的稳定性，必须根据建筑平面功能选择合理的设计方案。转换层结构主要有柱状、网状和框架解结构，不同种类的结构在强度和承载能力上存在着一定的差异。

2、建筑转换层结构类别

转换层解结构主要有梁氏结构、空腹桁架式、斜杆桁架式、箱形和板式等。设计建筑时需要结构建筑功能、安全要求和成本投入等具体条件进行综合选择，各类结构在承载能力方面存在差异，本章将对这些转换层结构进行分析。

2.1 梁氏结构

梁氏转换层在高层建筑中应用广泛，这种结构实现建筑内部空间垂直转换，上层建筑压力通过墙体、柱体结构进行传播，能够有效提升建筑层面稳定性。梁氏结构的优点之一是体积计算方便，因为这种结构较为规范，只需要将梁氏结构的各项数据测量，即可计算其体积和受力特点等。与此同时，梁氏结构在成本投入方面也存在着一定的优势，施工总体投入相对较低，能够缩减施工成本。梁氏结构也包含了多种结构，从功能上进行分类可以分为托墙和托柱，这两项结构的功能是支撑上层空间结构；从形式上进行分类，主要有加腋和不加腋2种类型。梁氏结构可选择的材料相对较多，如钢筋材料、混凝土材料、钢骨混合料等，不同材料的强度不同。在设计梁氏结构时，除了需要考虑到上下层空间结构功能之外，还需要考虑到建筑层数，例如上层建筑层数较少的情况下可以适当减少转换层的跨度，相反则应该增加跨度。

2.2 空腹桁架式结构

空腹桁架式转换层在现代高层建筑结构中应用较多，这种转换层主要通过桁架进行支护，能够起到良好的支护效果，在设计转换层时需要结合建筑重量特点选择桁架，一般而言空腹架桁架式结构主要包括主桁架和斜桁架，在一些要求较高的建筑设计方案中，主要使用混合式桁架结构。主桁架起到主要支撑作用，受力通过墙体传递到下层空间，如果上层建筑的重量过大，安装斜桁架能够降低主桁架的压力，斜桁架也起到分散压力的作用。斜桁架的最大弯矩相对较大，因为其通过力学分散原理将部分压力分散到周边的结构中，使整个桁架的受力变得更加均匀，即使某一个点位在短时间内发生压力变化较为明显的问题，整个桁架也能保持较高的稳定性。从建筑上下层功能特点来看，空腹桁架式结构更加适用于复杂的高层建筑中，这类建筑在内部空间上往往更加复杂，有时需要设置多个转换层，图1为转换层平面。

图1 转换层平面

2.3 斜杆桁架式结构

斜杆桁架式结构是一种常见的转换层结构，这种转换层结构的特点是能够承受过大的压力，多用于上层建筑层数较多的建筑中，一般情况下斜杆桁架需要与其他结构混合使用，其能够大大提升转换层结构的稳定性。随着现代建筑功能的不断拓展，转换层结构的承载能力要求也不断增加，在原有的转换层结构基础上加入斜杆桁架有效地增加了建筑的强度。在设计过程中，建筑转换层重点受力区域需要设置多组斜杆桁架结构，这样不仅能够将主桁架的压力降低，同时也能将上层建筑整体的压力转换到墙体或柱体结构中，然后由墙体或柱体将相关的压力传递到地下空间。斜杆桁架的最大优点是承载能力强，在建筑内部空间较大的结构中应用广泛，应用这种结果能够拓展建筑下层空间，使建筑下层空间的作用更好地发挥出来。应用斜杆桁架也能提升建筑的整体稳定性，这种结构使上下层结构能够更好地进行过渡。

2.4 箱形结构

箱型结构转换层也是高层建筑施工中常用的一种结构，这种结构主要通过箱梁进行连接，使建筑空间结构有效地转换。箱型结构的特点是施工便捷，部分结构可以在工厂中预制，施工时将这些结构运送到施工场地即可，但是箱型结构存在着一定的不足，在跨度相对较大的建筑中，箱型结构的稳定性相对较大，如果建筑上层重量较大，箱型结构可能无法提供良好的支护能力，如果压力超过了最大值，可能带来安全隐患问题。随着现代建筑转换层施工技术的创新发展，新材料和新结构的出现解决了传统箱型结构的缺点，有效提升了结构强度。一般箱型结构的体积较为有限，特别是在大跨度建筑中，如果箱型结构体积过大不仅影响下层建筑功能，而且也会增加建筑的整体重量，所以在设计时通常将其控制在一定的范围内，在保障建筑内部空间结构功能得以发挥的前提下减少箱体的重量，这样不仅能够保障建筑的稳定性和安全性，也能发挥出箱型结构的作用。图2为标准层平面。

图2 标准层平面

2.5 板式结构

板式结构是一种相对较为传统的转换层结构，这种结构的整体能力较差，在一些重量较轻的建筑中应用较多，因为这些建筑上层空间的整体重量不高，建筑的楼层数量相对较少，上层空间功能较为单一，所以一般情况下下层建筑空间承受的压力较为有限。板式结构主要通过一定厚度的建筑板墙进行连接，在多个位置开设通道，从而打通建筑山下层，使建筑空间能够紧密地联系在一起。现代板式结构在结构强度上发生了较大的变化，特别是钢混板结构，其强度比传统的混凝土板式结构的强度提高了许多。但是应用板式结构必须注意建筑上层重量，如果上层建筑重量较高，则应该考虑到板式结构的整体受力特点。此外，板式结构也存在着优点，施工成本相对较低，而且能够为建筑下层提供足够大的空间，对于建筑功能的发挥有着重要意义。

3、建筑转换层结构作用

建筑转换层机构具有沟通、连接和支护的作用，由于建筑内部空间发生了较为明显的变化，所以需要在空间变化设置过渡层，而过渡层就是转换层，其承担着建筑结构过渡的任务。随着现代建筑功能增加，转换层的作用也发生了一定的变化，但是其主要功能未发生明显的变化。

3.1 连接建筑上下层

从建筑结构整体性的角度来看，整个建筑就是一个整体，并不存在分割层，但是从建筑功能来看，可以将建筑分为多个层级。一般情况下建筑低层空间往往用于商业活动，常见建筑底商就属于这一类型，中高层一般被应用于居住或其他商业活动，在建筑空间结构发生变化的过程中，必须采用科学的方法处理过渡空间，使上下层空间得以更好地连接在一起。值得注意的是，建筑上下层空间结构不是单一的连接，而是需要将力学因素考虑在内，例如，建筑重量对转换层产生的压力需要经过转换层结构进行传导，如果传导过程中出现问题，可能使建筑的整体稳定性降低，所以设计转换层时既要通过科学的方法使建筑上下层结构得以有序地连接在一起，同时也要确保其拥有加高的稳定性。转换层结构不能缺少上下层建筑空间沟通结构，如果开设额外的沟通空间，那么建筑整体重量必须增加，施工成本也会提升。

3.2 支护上层建筑结构

转换层也承担着支护上层建筑结构的重任，上层建筑的重量产生的压力全部传导至转换层，如果转换层结构的整体强度较弱，上层建筑的安全性则会降低，在一些高层建筑中上层建筑可以开展的商业活动限制较大，大部分建筑主要以居住为主，转换层除了需要承担建筑重量带来的压力之外，还需要承担建筑内部人员活动带来的压力。大部分建筑的转换层都是位置较低楼层，一些超高层建筑可能应有多个转化层，而这类建筑结构中下层转换层的受力压力更大，转换层需要将上层建筑传递的压力抵消，同时也需要将建筑横向受力抵消。高层建筑在恶劣天气中横向受力较大，如果转换层结构强度较低，建筑横向产生较大幅度摆动，可能对整个建筑结构的稳定性造成影响，从而导致安全事故发生。从建筑整体稳定和安全的角度来看，转换层承担起了良好的支护作用，其对于建筑稳定性有着关键的作用。

3.3 优化建筑空间结构

建筑空间结构发生变化后建筑的整体受力也会发生变化，如果转换层结构设计不合理，建筑的整体功能将会减弱。转换层结构与建筑空间结构优化存在着一定的联系，选择何种转换层非常考验设计者的能力，如果选择转换层类型时未能综合考虑到多种因素造成的主要影响，可能导致建筑的整体作用无法发挥。例如，建筑层数较多，设计人员选择板式结构，如果上层建筑产生的压力较大，可能对建筑转换层造成过大的压力，从而使其增加建筑的安全风险。建筑转换层也是建筑空间结构变化的主要区域，转换层为建筑空间结构变化提供了基本的保障，如果建筑空间结构变化过程中因为建筑承压特点而出现明显的不同，那么建筑上下层空间力学特点和规律也会发生相应的变化，一旦这种变化与预期设计要求出现较大的差异，将可能导致建筑的整体安全性大大降低。

4、建筑转换层设计中存在的问题

设计建筑转换层需要结合建筑的整体功能、结构和重量等进行综合考虑，如果其中一项影响因素被忽视，都可能导致转化层结构的作用降低，同时也带来一定的安全风险。目前我国建筑转换层设计中存在的主要问题有综合影响因素考虑不全面、受力结构设计不合理和空间过渡效果较差等。

4.1 综合影响因素考虑不全面

对影响转换层结构的总体性影响因素进行分析和研究非常关键，这是优化和改进设计方案的前提条件，但是目前很多设计单位并未结合多重影响因素进行设计，导致建筑的整体作用无法更好地发挥。例如，设计超高层建筑物时，由于建筑平面功能较多，所以需要使用多个转换层，设计底部转换层时未能深入考虑上层建筑力学变化特点，导致部分压力无法及时有效地传导至下层空间，如果建筑横向受力较大，可能硬性建筑稳定性。此外，部分设计人员未能结合建筑主要功能对转换层空间机构进行综合考虑，如下层空间功能被定为开展人数较多的商业活动，所以需要拓展下层空间，但是使用较为繁琐的空间结构，使下层建筑空间结构被压缩，影响了建筑的整体功能。

4.2 受力结构设计不合理

建筑转换层受力较大，如果设计过程中忽视了其支撑结构优化这项内容，可能导致转换层的稳定性降低。在一些设计方案中部分设计人员使用了支护强度较低的支护结构，但这些建筑的上层空间重量非常大，在过大的压力作用下转换层的稳定性大大降低。例如，在一些复合式的商业建筑中，上层空间作用供住宿区域使用，设计过程中应考虑到上层建筑数量带来的影响，但实际设计时部分设计人员忽视了这项因素的影响，导致建筑的整体稳定性降低。受力结构不合理带来的主要影响有建筑安全性降低、建筑受力不平衡、建筑整体结构不牢固等，这些问题还体现建筑实际承重能力方面，相比于设计标准，实际标准相对较低，所以建筑的主要功能无法得以有效地发挥出来。

4.3 空间过渡效果较差

转换层是建筑空间过渡的重要区域，如果建筑空间结构过渡效果较差，不仅影响使用者的使用体验，也会影响商业活动的经济效益。例如，一些建筑设计转换层时将下层建筑通道与上层建筑通道设计在一起，整个建筑的人群挤在同一个空间中，导致转换层区域变得非常拥挤。与此同时，这种设计方法也导致建筑通道过于集中，此区域受力变大，也增加了建筑通道处的安全风险。空间过渡效果不仅反映了建筑质量，也反映了建筑功能的效果，如果转换层的过渡效果非常差，可能反映了该建筑在主要功能方面存在着一定的不足，无论是对于商业活动者而言还是对于上层居住人群而言都会受到一定的影响，解决这一问题的关键是对建筑平面功能和主要结构特点进行综合分析，制定更多合理的结合方案，从而提升转换层的结构稳定性。

5、建筑转换层结构设计要点

5.1 确保建筑结构稳定性

转换层起到了良好的支护作用，设计时必须将这种作用延续下去，根据建筑的整体重量特点合理设计转换层。转换层不仅承担着支护上层建筑重量的作用，也承担着保障建筑稳定性的作用，设计过程中应结合建筑横向和纵向受力的整体特点进行综合分析和研究，使转换层的整体受力特点得以维持在稳定的范围内，减少建筑自身重量和环境因素对建筑产生的影响。现代建筑的功能和重量不断增加，为满足建筑安全性要求，应使用复合式的转换层结构，这种结构不仅能够提升建筑的整体支护强度，而且也能保障建筑主要功能特征得以更好地体现出来。此外，设计时也应结合建筑下层空间作用综合思考，这样能够满足建筑下层空间结构主要功能需求，从而为下层空间创造更大的拓展环境。

5.2 保障空间过渡连续性

空间过渡是高层建筑设计中的重点难题，如果空间过渡方法存在不足，那么不仅影响空间的作用，也会影响建筑稳定性。设计过程中需要把控的关键点通过统一的连接方式将上下层空间有序地连接，尤其是通道位置，其直接关系到两层空间使用者的使用体验。空间过渡连续性的关键在于能够使人们在不同空间之间进行转换时不会感受到突兀感，但是对于一些大型的商业综合体而言，一般很难实现这一目标，所以国内的设计单位应深入思考这一问题，能够赋予建筑更好的空间过渡感，使转换层能够成为连接两个具有不同功能空间结构的重要纽带，使其更好地服务于建筑。在设计过程中设计人员应投入更多精力用于研究建筑空间过渡方法，通过新的方法赋予建筑空间更好的连续性，最大限度发挥建筑主要功能，从而为人们更好地服务。

5.3 体现建筑主要功能

转换层在一定程度上反映了建筑的主要功能，这与复合式建筑个体功能的差异性存在着很大的联系。从建筑功能意义上讲，转换层是建筑个体功能融合与主体功能优化的重要媒介，如果转换层的主要结构特点无法满足建筑整体功能发挥的基本要求，那么上下层建筑的结构特点则无法为建筑功能的实现提供基本的保障，建筑的整体功能发挥将会受到很大的限制，所以设计转换层时应按照上下层建筑的主要功能和特点对相关结构进行优化与创新，最大限度保障建筑上下层功能得以有效地发挥。此外，在建筑功能优化方面，转换层设计也应体现相关功能的核心特点，如商业活动必须凸显出相关活动的主要特色，这不仅与建筑功能发挥存在着一定的联系，也与建筑主要结构特征存在一定的关系。

结语：

总而言之，建筑结构设计过程中转换层设计非常关键，其直接关系到建筑功能能够有效发挥，同时也是影响建筑安全性和稳定性的主要因素，在具体设计环节中应该结合建筑主要功能、结构和其他影响因素对转换层的结构进行优化，从而使其能够使建筑的主要功能得以更好地发挥出来，最大限度保障建筑的安全性和稳定性，这对于建筑行业的发展而言有着关键性意义。设计人员应深入研究现代建筑转换层设计要点，制定更多合理的设计方案，从而提升转换层结构的合理性。