楊志榮 曹 坤 王 薇

（南京金宸建筑設(shè)計(jì)有限公司，江蘇 南京 210000）

高層建筑泛指建筑高度大于27m的住宅建筑和建筑高度大于24m的民用建筑，憑借層數(shù)高、體量大的優(yōu)點(diǎn)，增加了人們?nèi)粘Ｉ罟ぷ鞯幕顒用娣e。但其弊端也非常明顯，由于建筑高度較高，使用功能多樣化，高樓層與低樓層的建筑功能改變，對上下層的結(jié)構(gòu)布置要求就會有所不同，建造成本也隨之上升、施工過程難度大、消防救援困難等問題也逐步顯現(xiàn)?，F(xiàn)階段高層建筑設(shè)計(jì)中，梁式轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)作為解決上下層建筑功能轉(zhuǎn)變的一種形式，受到了建筑設(shè)計(jì)者和使用者的高度重視，為了保證高層建筑的安全性、合理性，將高層建筑優(yōu)勢最大化、弊端最小化，建筑設(shè)計(jì)者應(yīng)重新審視高層建筑中梁式轉(zhuǎn)換層的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

1 高層建筑梁式轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)

1.1 結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

轉(zhuǎn)換層主要是使樓層的上部結(jié)構(gòu)荷載通過轉(zhuǎn)換層重新分配并傳遞給下部結(jié)構(gòu)和基礎(chǔ)，轉(zhuǎn)換構(gòu)件可以采用轉(zhuǎn)換梁、桁架、空腹桁架、箱型結(jié)構(gòu)、斜撐以及6度抗震設(shè)計(jì)和7、8度抗震設(shè)計(jì)地下室采用厚板。其中梁式轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)具有構(gòu)造簡單，傳力明確，施工過程相對方便的特點(diǎn)，在保障高層建筑上下層安全對接的同時，極大限度滿足了不同樓層空間的使用要求，因此，梁式轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)廣泛用于高層建筑設(shè)計(jì)中。常見的梁式轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)如圖1所示。

由圖1可知，梁式轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)的框支梁按照受力方向的不同分為單向和雙向兩種，框支梁又被稱作轉(zhuǎn)換梁，是通過水平結(jié)構(gòu)與上下部構(gòu)件豎向連接，使高層建筑傳力、受力過程更明確，廣泛用于高層建筑的底部構(gòu)件中。在高層建筑施工過程中，《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》（以下簡稱《規(guī)程》）明確規(guī)定了梁式轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)中鋼筋和配筋的要求，轉(zhuǎn)換梁的高度應(yīng)大于跨度的12.5%，以此保障梁式轉(zhuǎn)換層的受力能力，確保轉(zhuǎn)換層的穩(wěn)定性[2]。例如，某商用高層建筑，總層數(shù)共25層，建筑高度在100m左右，其中，地下2、3層作為停車庫、地下1層作為大型超市和設(shè)備房、1層到5層作為購物中心、5層到頂層作為寫字樓，轉(zhuǎn)換層的設(shè)置層數(shù)應(yīng)在5樓，這樣能保障梁式轉(zhuǎn)換層設(shè)置在高層建筑的偏低樓層，同時又能滿足5層以下對大空間的使用要求。轉(zhuǎn)換層設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)要充分考慮高層建筑受力分布對框支梁的影響，根據(jù)高層建筑的高度、用途不同，考慮框支梁的受力程度，配置與其相符的鋼筋結(jié)構(gòu)，提高高層建筑的安全性與穩(wěn)定性。

圖1 梁式轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)

1.2 設(shè)計(jì)原理

高層建筑梁式轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要遵循三維立體設(shè)計(jì)原則，利用BIM技術(shù)，打造三維立體模型，確保高層建筑施工的高效性。高層建筑在梁式轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，通過利用BIM技術(shù)，可實(shí)現(xiàn)模擬高層建筑的項(xiàng)目建設(shè)。在施工前，規(guī)范高層建筑梁式轉(zhuǎn)換層施工人員的操作行為，準(zhǔn)確發(fā)現(xiàn)梁式轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)在施工過程中遇到的問題和潛在風(fēng)險，極大提高了高層建筑的安全性。梁式轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)遵循三維立體的設(shè)計(jì)原則，避免了CAD技術(shù)帶來重復(fù)工作內(nèi)容的可能，使建筑設(shè)計(jì)更有針對性地開展，利用BIM技術(shù)可視化的表現(xiàn)方式，使設(shè)計(jì)人員更直觀地看到梁式轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的細(xì)節(jié)。通過數(shù)字信息構(gòu)建仿真模擬的高層建筑物，在設(shè)計(jì)階段可預(yù)測光照、地震等自然因素對梁式轉(zhuǎn)換層的影響，并將高層建筑各部分信息歸納整合，分析梁式轉(zhuǎn)換層在高層建筑各結(jié)構(gòu)之間的作用，充分發(fā)揮多方協(xié)作功能，使高層建筑之間完成多方的信息交流，設(shè)計(jì)者利用數(shù)字信息模型，完成梁式轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)工作，實(shí)現(xiàn)高層建筑的高效施工。

2 高層建筑梁式轉(zhuǎn)換層設(shè)計(jì)策略

2.1 確定結(jié)構(gòu)橫豎布局

高層建筑梁式轉(zhuǎn)換層設(shè)計(jì)首先要確定梁柱的橫豎布局，搭建框架結(jié)構(gòu)體系（如圖2所示），確保轉(zhuǎn)換層受力均勻。從圖2可以看出，梁式轉(zhuǎn)換層的橫向框架梁和縱向聯(lián)系梁通過節(jié)點(diǎn)相互連接構(gòu)成，使高層建筑間的作用力以水平力為主，受力方式由墻（柱）到轉(zhuǎn)換梁再到柱（墻）。梁式轉(zhuǎn)換層框架的結(jié)構(gòu)體系，使建筑平面布置更加靈活，在高層建筑內(nèi)部獲得較大空間，適用于商場、餐廳等娛樂場所設(shè)施的搭建。例如，在20層的建筑中，梁式轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)的橫豎布局必須要與建筑的剪力墻結(jié)構(gòu)相結(jié)合。剪力墻是建筑豎向的承重結(jié)構(gòu)，在水平力的作用下，剪力墻是下端固定，上端自由的懸臂柱，屬于剛性結(jié)構(gòu)。那在梁式轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)的橫豎布局中，必須要以強(qiáng)化下部為設(shè)計(jì)核心，增大高層建筑的底部強(qiáng)度，固定剪力墻下端，利用鋼筋混凝土等結(jié)構(gòu)，增加剪力墻厚度，厚度范圍以0.35m～0.4m適宜。并在梁式轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)上層設(shè)計(jì)中，采取弱橫強(qiáng)縱的設(shè)計(jì)原則。橫向框架梁和縱向聯(lián)系梁之間的連接節(jié)點(diǎn)常是薄弱點(diǎn)，框架梁的受力條件具有一定復(fù)雜性，在橫縱結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，要充分考量轉(zhuǎn)換層的受力情況。例如，在縱向聯(lián)系梁中的鋼筋配比應(yīng)具備科學(xué)性，當(dāng)高層建筑設(shè)定抗震等級為1級時，縱向聯(lián)系梁的鋼筋配比應(yīng)≥1%，鋼筋間距應(yīng)在75mm～220mm之間。此外，梁式轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)位置也要利用BIM技術(shù)，搭建數(shù)字模擬模型，分析高層建筑的受力形態(tài)，考慮梁式轉(zhuǎn)換層的適用情況，嚴(yán)格控制剪力墻和轉(zhuǎn)換層之間的受力分布，確保框架結(jié)構(gòu)體系可在高層建筑中發(fā)揮自身優(yōu)勢。

圖2 框架結(jié)構(gòu)體系

2.2 科學(xué)設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)換層

科學(xué)設(shè)計(jì)高層建筑梁式轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)，應(yīng)從兩方面出發(fā)：一方面，要充分計(jì)算梁式轉(zhuǎn)換層的整體結(jié)構(gòu)，利用有限元和補(bǔ)充計(jì)算法檢測轉(zhuǎn)化層的使用壽命[3]。根據(jù)梁式轉(zhuǎn)換層的水平受力特點(diǎn)出發(fā)，橫向框架梁和縱向聯(lián)系梁與剪力墻緊密相連，因此，轉(zhuǎn)換層的計(jì)算方法十分復(fù)雜，在計(jì)算時要將剪力墻作為基礎(chǔ)運(yùn)算單位，對轉(zhuǎn)換層的受力面積和受力狀態(tài)具體分析，明確高層建筑內(nèi)部的三維空間結(jié)構(gòu)。例如，以計(jì)算樓板支撐架為例，轉(zhuǎn)換層板厚度為180mm，混凝土堆積高度取300mm。荷載計(jì)算如下：

另一方面，要明確梁式轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)中框支柱的數(shù)量比例?？蛑е侵慰蛑Я旱闹?，是轉(zhuǎn)換柱的一種，如圖3所示?？蛑е橇菏睫D(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)中的重要一環(huán)，例如，當(dāng)梁式轉(zhuǎn)換層下部分為框架結(jié)構(gòu)，上部分為剪力墻時，就需要建立橫向的轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)——框支梁，那支撐框支梁的柱子就為框支柱。在設(shè)計(jì)框支柱的數(shù)量時，一般20層左右的高層建筑，框支柱數(shù)量在10根左右，根據(jù)轉(zhuǎn)換層受力不同，框支柱的荷載量也不相同。如果選用10根以下框支柱，那各支柱的荷載量要不小于2.8%的基地剪力；如果選用10根以上的框支柱，那各支柱的荷載量要不小于3.5%的基地剪力。

圖3 框支梁與框支柱

2.3 合理設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)換梁

轉(zhuǎn)換梁是剪力墻和底層框架結(jié)構(gòu)中的連接部分，能增加高層建筑的空間面積，符合建筑功能需求。在梁式轉(zhuǎn)換層設(shè)計(jì)中，轉(zhuǎn)換梁的設(shè)計(jì)要更具備合理性。首先，要通過有限元和補(bǔ)充計(jì)算法計(jì)算轉(zhuǎn)換梁的減壓比例，確立轉(zhuǎn)換梁的大小截面。當(dāng)梁式轉(zhuǎn)換層中梁高受到限制時，轉(zhuǎn)換梁的截面寬度應(yīng)小于框支柱相應(yīng)方向的截面寬度，且大于上部墻體厚度的2倍。例如，地下一層框架，地上15層剪力墻的高層建筑，框架跨度6m～7m，梁高在1m左右，首層轉(zhuǎn)換梁截面不應(yīng)超過1.2m，才可保障梁式轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)穩(wěn)定。其次，轉(zhuǎn)換梁的混凝土強(qiáng)度等級要達(dá)到C40，C40的混凝土具有抗壓能力強(qiáng)、抗開裂、耐久性高等優(yōu)點(diǎn)，對于提高高層建筑梁式轉(zhuǎn)換層壽命起著有效助力。最后，在轉(zhuǎn)換梁的澆筑中，要確保轉(zhuǎn)換梁中的配筋率，也就是鋼筋比例?！兑?guī)程》第十章中明確要求，轉(zhuǎn)換梁的配筋率應(yīng)以高層建筑的抗震等級呈正比，非抗震設(shè)計(jì)的高層建筑配筋率應(yīng)≥0.3%，抗震設(shè)計(jì)的高層建筑以特一級為例，配筋率應(yīng)≥0.6%。轉(zhuǎn)換梁中的配筋率直接影響高層建筑的抗震等級，因此，在設(shè)計(jì)高層建筑梁式轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)時要合理設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)換梁[4]。

2.4 核定抗震等級

《規(guī)程》中明確規(guī)定了高層建筑的抗震等級，分別為標(biāo)準(zhǔn)設(shè)防類、重點(diǎn)設(shè)防類、特殊設(shè)防類和適度設(shè)防類。在高層建筑梁式轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，要根據(jù)抗震類型、房屋高度、防震等級等因素結(jié)合設(shè)計(jì)。以30層的高層建筑為例，地下1層、2層均作為地下停車場，層高2m～3m、1層到5層作為商業(yè)用途，層高5m～6m、6層及以上作為民用住宅，每層住宅的層高宜為2.8m。那在此建筑中，轉(zhuǎn)換層應(yīng)設(shè)置在7層，因其已經(jīng)屬于高位轉(zhuǎn)換。在核定該建筑的抗震等級時，應(yīng)結(jié)合《規(guī)程》中的明確規(guī)定，對梁式轉(zhuǎn)換層的不同結(jié)構(gòu)針對核定抗震等級，例如框支架的抗震級別應(yīng)為2級、轉(zhuǎn)換層以上的剪力墻抗震等級應(yīng)強(qiáng)化為4級、轉(zhuǎn)換層以下的剪力墻加強(qiáng)部分抗震等級為3級等。也可依托計(jì)算機(jī)技術(shù)，利用中國建筑科學(xué)研究院PKPM CAD工程部開發(fā)的SATWE軟件，將樓層作為數(shù)據(jù)參數(shù)輸入到計(jì)算流程中，自動識別梁式轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)的抗震等級，提高高層建筑的使用安全性。

3 結(jié)語

綜上所述，隨著經(jīng)濟(jì)時代的快速發(fā)展，高層建筑的建設(shè)更符合當(dāng)代人民生活工作的需要，使用者也更看重建筑外觀的美觀性和使用安全性。轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)作為高層建筑中的重要一環(huán)，對提高高層建筑的安全性至關(guān)重要，設(shè)計(jì)人員應(yīng)從確定轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)橫豎布局、科學(xué)設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)換層、合理設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)換梁、核定轉(zhuǎn)換層抗震等級四方面出發(fā)，優(yōu)化梁式轉(zhuǎn)化層的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，確保高層建筑的使用穩(wěn)定。