高层建筑结构转换层设计探析

梁兆琨 山西汾西矿业（集团）有限责任公司

1 前言

高层建筑中的过渡层构造主要是将楼层设计为一个转换楼层结构，其上面部分主要是由多片墙分离而成的较小构造形式，在这种空间结构内人们能够完成住宅以及办公室等用途：而下面部分则是通过由相对减少的落地墙与立柱组合而成的构造型式，以产生一个较大的空间空隙，从而能够适应商业等较大空间的应用要求。

在中国建筑中，带过渡层的构造使用范围非常广泛，但是因为上部楼层与部分的竖向构件之间无法进行有效连接或贯通落地，所以建筑内部应力就会向混凝土构件中转换楼层梁，在立柱的连接处聚集，也就使得建筑物结构总体的抗震性能受到较大影响。在中国水泥建筑的结构设计过程中，需要掌握好框支剪力墙的高度设计并合理设置转换柱，还要掌握好过渡层的情况，以便进行钢筋混凝土结合过渡层的抗震设计。

2 高层建筑结构转换层施工特点

高层建筑的耐震特性往往因为转换层的设置使受力更加复杂而没有提高，其空间结构和支承体系虽然在实际建筑中具有特殊的优点，但在建筑转换层施工时，仍很难对建筑转换层体系的内力作用进行改向。因此要想良好的传递建筑转换层上部构造的水平剪力强度，建筑转换层刚度则需要通过标准尺度来确定。

在建筑转换层建造过程中，为了确保上下部在水平剪力作用和结构刚性发生突转的状况下成功施工，需要根据上下部结构和落地的支承体系灵活布设建筑转换层。在一般情况下，对建筑转换层来说，其下部结构处在加强状态，而上层构造处在减弱状态，此时需要加强建筑转换层的主体构造。通常，为了提高空间结构的扩散性，建筑转换层正常工作时，其主体空间结构都是在地震荷载工况组合情况下进行，此时结构需在调节竖向构件值比的同时，通过产生一定承载力和拉伸力的装置为结构进行支承。为了降低工程转换层的施工重力，在实际施工中也会采用预应力技术的使用，以提高工程结构总体的抗震能力。

3 转换层结构的设计原则

在进行中大型建筑混凝土结构转换层的设计过程中，必须注意在过渡层上竖向构件的合理设置，并提高了落地剪力墙的数量比例，由此缓解建筑上竖向结构构件的刚性突变特征，如无法实现整体结构的合理设置，将会使得该大型建筑的竖向结构刚度比出现突变性的变化，从而产生对耐震能力不利的脆弱部位，影响该大型建筑上整个结构的整体抗震能。设计过程中，要严格限制过渡层上方与下方两部分建筑的刚度比，使整个建筑上竖向结构的抗侧应力比能够得到改善，进而减小整个建筑上竖向结构的刚度比突变特征，保证整个高层建筑构件的完整性。

采用设计方法将建筑上部结构的轴线构件相应减少，由此减小转换层构造的刚度差值，有效防止转换层的刚性中发生突变力的转移，并以此完成高层建筑混凝土结构转换层中较难完成的耐震度设计要求，使高层建筑的防震设计要求得以最大限度上的实现。在高层建筑混凝土结构转换层的设计过程中，还需要对构造转换层的梁柱截面长度加以特别的考虑和管理，被限制的断面长度也要经过承载力试验，转换柱必须在达到一般柱的抗震要求以外，还对管径以及箍筋长度、宽度等有了更多的规定。

4 高层建筑结构转换层功能及特性

由于现代高层建筑物功用的日趋多元化，对楼房进出的需求也随之增加，很显然传统大型高楼进出的设置已无法应对现在的需求，现代高层建筑设计构造转换层的设置和墙间距的增加，使得进出空间设计更为开阔且数量也较多，很好地顺应了经济社会发展观，同时为了顺应新建设市场经济的开发需求，提高住宅空间效率，在现代大中型高楼中已普遍采用了构造转换层。

通常来说，现代大中型高楼的空间结构属于固定类型，在新时期的经济社会发展背景下，由于人类对多元化的建筑物功能要求，导致楼房构造结构不断变化，建筑物设计者必须根据对高效空间结构的运用，科学合理地设计结构转换层，它不但使剪力墙的长度合理增长，同时，使现代高层建筑物的框架柱设计更为符合现代化需求。

高层建筑转换层的构造特点，建筑物设计交换层的主要目的，是为协调建筑物上下组成部分间在结构上所产生的巨大差距，由于交换层在结构功能上的不同，建筑物上下组成部分间的墙网尺度也不同。因此，该类建筑物尽管上下组成部分的形式基本相同，但往往要求使用交换层，以增加与其上下部结构的墙距，以便构成更大柱网。

随着房屋上下组成部分间形式的变化，建筑物上层与下层使用的构造形式也有所不同，通常上层使用剪力墙构造，下层使用框架结构或框架剪力墙构造，形成内部变换形式与增加房屋轴线长度的混合形式，不管哪一种形式，高层建筑转换层作为进行内部动力变换的主要结构形式，都要承受建筑物上层负荷在下传导过程中，因上下游构造不同所形成的各种不良影响，转换层构造必须满足有相应的刚性与强度方可胜任其任务。

转换楼层构件尺寸较大，楼板承受负荷大运用截面设计对内力的引发，实现带过渡楼层体系内力的改向。在工程结构中其结构设计内力的布置比较复杂，还要为保证上层结构的水平剪力强度可以顺畅地向下层传，这就严格要求了过渡层楼面的水平刚性。

通常结构尺寸在过渡楼层中的水平结构较大时，其楼板负荷也较重，分层施工。当使用先浇部分结构承受的水平结构高跨比在过渡楼层中较大时，要特别注意在截面承受曲线时水平纤维的相应误动，仔细分析叠和结构，注意结构还会引起分层处水平剪力强度的影响，在必要时也要协调设计中位，进行重新设计，让叠浇构件在浇筑阶段和一般使用情况下的整体承重性能得到提高。

根据上下部结构特点，合理布设支承体系的设计要求，这将使得对结构耐震性的不良影响大大降低，还必须注意避免刚度和剪力突变在过渡结构的上下层形成，利用水平钢板骨架或预应力卸荷提高整体耐腐蚀性。为了降低过渡层的墙体自重，可利用水平钢板骨混凝土和外部预应力技术还未完成时，用已形成的水平钢板骨架或混凝土浇筑，可极大地提高设计模板对支撑的整体承载力特性。

5 转换层系统的高层建筑结构设计要求

5.1 保证节点的稳定连接

在实际情况的结构避震效应下，高层建筑的设计流程中对带结构转化层的布置，一般将重点放到了其内钢的分布情况的设计上，以后才逐渐深入过程内部构架，进一步分析研究该构件的防震功能，在确定整体中各个结构节点之间如何稳定衔接的问题上起到了非常关键的意义。

所以，如果在这个建筑中有构造转换层，对其整体耐震构造的高度必须慎重分析和选定，同时最好在其底部设置相应的安全保护装置，最高位移转换构造带形式，就是在其对整体结构起到防震功能的部分架构设计流程中产生的。并且，如果在高层建筑设计中后构造了转化层，高低衔接的构造形式就是最佳的选用，因为这些构造形式能够行程层级式的连接体，促使各个楼层的部分建筑设计与整个的建筑工程结构融为一体，最后产生现代系统结构的交错形式，并保障了各栋的结构彼此联系，以此实现了优化建筑耐震功能的终极目的。

5.2 结构纵向设计

上下的承重比例一致，是在设置各层剪力墙的建筑设计过程中至关重要的基本原则，因此剪力墙的设置必须要坚持基本的工程设计原则，也就是要选择适当的钻孔点。但是如果在底部设置过程中使它承受过多的压力，就不仅仅是提高了它的承受压力，甚至还可能导致整个建筑物荷载比例超过限制。用带构造转换层的方法隔离剪力墙间的强度，或者通过提高对它的分压途径方法，能够实现有效合理分摊建筑物强度的效果。

此外，对于建筑物主墙与各个构造转换层之间承重比例的科学合理规定，在建筑物总体强度的建筑设计过程中具有重要意义。而事实上，如果用混凝土固定结构过渡层，能够对整体建筑的受力架构做出优化调整，从而在建筑工程结束后，可对剩余的结构转化层做适当的处理。对建筑施工而言，整个流程即可充分实现对构造转换层的最大利用效应，同时坚持建立整个施工体系，有效避免了风险，并使整个工程的结构水平更上了一层楼。

5.3 结构横向设计

在整体施工的流程中，相关技术人员可以以原来的设计方案中的整体结构平面图为设计基准，然后再按照实际状况做出适当的设计布局，进一步优化整体架构，从而找到创新的可能，使得最终设计方法更具备综合能力与实用价值。

通过研究施工周期的历史数据不难看出：剪力墙的承载力水平，在远低于其带结构转换层的工程设计参数的情形下，对整体工程设计的体系做出科学合理的配置，可以更加有效地处理相关的应用设计问题。研究并分析带结构转换层与高层剪力墙承载力情况，实现进一步改善建筑整体结构承载力水平的目的。

6 利用高层建筑结构过渡层的建造技术分析

6.1 保证钢筋的连接方式的科学合理性

钢筋材料施工技巧，高层建筑转换层的主体结构材料是钢筋混凝土，不仅可以提高整体建筑的施工技术水平，而且还对整个建筑工程的品质有着举足轻重的影响。在结构转换层的转换板中，钢筋材质的配置形式通常都较为紧凑，所使用的钢筋材质规模也较为巨大，而且在转换板中所占比重也很大，因此，为了确保最大程度的利用转换板，必须正确设置好钢筋材质的排列形式，以及和转换板最直接的连结形式。

在与工程设计部门进行建筑效果图中，应充分考虑施工的实际状态和钢筋直径的特点，以确保钢筋材质的结构形式更加合理，同时尽量减少由于工程变更而造成竣工延迟的情况，并在一定程度上减轻了施工的困难。在实际施工中，要特别注意钢筋材质的具体穿插关系及钢筋排列方式，主要是为了进行基础连结，而目前在我国的高层建筑结构与转换层的钢筋直径连接，使用的都是滚压直螺纹钢筋的方式。

6.2 确保整体结构的稳定性

支撑体系施工主要出于对过渡层结构本身负重和上部荷载过大的考量，并且为了提高整个施工过程的稳定性，也务必要保证整个空间结构的稳定性。因此，需要在施工前就对现场实况和整个空间结构体系做出细致的勘测和测算。

目前常用的支承构件体系主要有型钢支承，钢构件支承。型钢支撑结构体系主要使用于在荷载较小或使用板式转换梁的施工结构中，在精密布设旋转梁的时候增加了型钢硬度和支承能力。而在建筑构造自身具有很大自重或过渡层下位置较高时，则通常使用钢构件支承结构，埋设钢构件在过渡层的下方部分，以成为过渡层基础，这样便可以利用钢构件，把来自建筑的荷载传递至底层，使转换层负担有所降低。该构件对竖向荷载的传递效果良好，在钢结构支护架设过程中，为了提高结构总体稳定性，对于钢结构的间隙加以合理调节，并且保证支护架结构走向与转换梁方向一致。

6.3 混凝土施工技术

建筑结构转换板的重量，厚薄和总尺寸都很大，而且建筑施工困难也较普通结构转换板的困难增大，建筑要求也越来越多样性。

首先，温差有很大的影响。所以在实际施工的过程中，建筑人员要合理调节内外温差，以减少室内外温差对于转换板使用效率的影响。也可通过某些办法减少混凝土的浇筑质量，提高转换板的硬度，或者增加适当的水泥外加剂，同时也降低了用水量，这样可以在一定程度增加混凝土材料的硬度。

其次，要尽量避免采用受热时膨胀系数变化很大的骨粒，合理调节室内外温差，可以在混凝土的表层铺投石块影响气温变化的速度。

最后，在混凝土浇筑前后，有关人员要制定合适的混凝土保温计划，而且在特别紧急情况下，根据相应的处理方法做好合理的辅助材料选择。

7 结束语

高层建筑转换层往往是城市建筑物空间结构的关键部位，而高层建筑转换层的设置也往往是为了适应建设的要求。由于城市建筑物的高度总是呈现出逐步上升的趋势，为使高层建筑能够合理设计和最大限度地使用，对其建筑空间结构形态的需要也就显得越来越复杂。

而混凝土结构结合转换层，就是十分适用的一个建筑物空间结构形态。它能够使高楼建筑物的功用不再简单单调，因此，对其建筑空间结构形式的选用，应该和结构建筑方案设计工作相互配合。在转换层建筑空间结构的概念设计阶段，合理设计建筑空间结构平面和竖向布置，在总体上建立完善的抗震系统，以提高建筑的安全性与经济性。同时按照实际状况慎重选用过渡层构造型式，并在建筑设计和施工中全程贯彻设计准则，使高层建筑的混凝土构造过渡层满足建筑设计需要，并作为高层建筑总体质量的促进者。