杨志荣 曹 坤 王 薇
（南京金宸建筑设计有限公司，江苏 南京 210000）
高层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，凭借层数高、体量大的优点，增加了人们日常生活工作的活动面积。但其弊端也非常明显，由于建筑高度较高，使用功能多样化，高楼层与低楼层的建筑功能改变，对上下层的结构布置要求就会有所不同，建造成本也随之上升、施工过程难度大、消防救援困难等问题也逐步显现。现阶段高层建筑设计中，梁式转换层结构作为解决上下层建筑功能转变的一种形式，受到了建筑设计者和使用者的高度重视，为了保证高层建筑的安全性、合理性，将高层建筑优势最大化、弊端最小化，建筑设计者应重新审视高层建筑中梁式转换层的结构设计。
1.1 结构特点
转换层主要是使楼层的上部结构荷载通过转换层重新分配并传递给下部结构和基础，转换构件可以采用转换梁、桁架、空腹桁架、箱型结构、斜撑以及6度抗震设计和7、8度抗震设计地下室采用厚板。其中梁式转换层结构具有构造简单，传力明确，施工过程相对方便的特点，在保障高层建筑上下层安全对接的同时，极大限度满足了不同楼层空间的使用要求，因此，梁式转换层结构广泛用于高层建筑设计中。常见的梁式转换层结构如图1所示。
由图1可知，梁式转换层结构的框支梁按照受力方向的不同分为单向和双向两种，框支梁又被称作转换梁，是通过水平结构与上下部构件竖向连接，使高层建筑传力、受力过程更明确，广泛用于高层建筑的底部构件中。在高层建筑施工过程中，《高层建筑混凝土结构技术规程》（以下简称《规程》）明确规定了梁式转换层结构中钢筋和配筋的要求，转换梁的高度应大于跨度的12.5%，以此保障梁式转换层的受力能力，确保转换层的稳定性[2]。例如，某商用高层建筑，总层数共25层，建筑高度在100m左右，其中，地下2、3层作为停车库、地下1层作为大型超市和设备房、1层到5层作为购物中心、5层到顶层作为写字楼，转换层的设置层数应在5楼，这样能保障梁式转换层设置在高层建筑的偏低楼层，同时又能满足5层以下对大空间的使用要求。转换层设计的结构特点要充分考虑高层建筑受力分布对框支梁的影响，根据高层建筑的高度、用途不同，考虑框支梁的受力程度，配置与其相符的钢筋结构，提高高层建筑的安全性与稳定性。
图1 梁式转换层结构
1.2 设计原理
高层建筑梁式转换层结构设计要遵循三维立体设计原则，利用BIM技术，打造三维立体模型，确保高层建筑施工的高效性。高层建筑在梁式转换层结构设计中，通过利用BIM技术，可实现模拟高层建筑的项目建设。在施工前，规范高层建筑梁式转换层施工人员的操作行为，准确发现梁式转换层结构在施工过程中遇到的问题和潜在风险，极大提高了高层建筑的安全性。梁式转换层结构设计遵循三维立体的设计原则，避免了CAD技术带来重复工作内容的可能，使建筑设计更有针对性地开展，利用BIM技术可视化的表现方式，使设计人员更直观地看到梁式转换层结构设计中的细节。通过数字信息构建仿真模拟的高层建筑物，在设计阶段可预测光照、地震等自然因素对梁式转换层的影响，并将高层建筑各部分信息归纳整合，分析梁式转换层在高层建筑各结构之间的作用，充分发挥多方协作功能，使高层建筑之间完成多方的信息交流，设计者利用数字信息模型，完成梁式转换层结构的设计工作，实现高层建筑的高效施工。
2.1 确定结构横竖布局
高层建筑梁式转换层设计首先要确定梁柱的横竖布局，搭建框架结构体系（如图2所示），确保转换层受力均匀。从图2可以看出，梁式转换层的横向框架梁和纵向联系梁通过节点相互连接构成，使高层建筑间的作用力以水平力为主，受力方式由墙（柱）到转换梁再到柱（墙）。梁式转换层框架的结构体系，使建筑平面布置更加灵活，在高层建筑内部获得较大空间，适用于商场、餐厅等娱乐场所设施的搭建。例如，在20层的建筑中，梁式转换层结构的横竖布局必须要与建筑的剪力墙结构相结合。剪力墙是建筑竖向的承重结构，在水平力的作用下，剪力墙是下端固定，上端自由的悬臂柱，属于刚性结构。那在梁式转换层结构的横竖布局中，必须要以强化下部为设计核心，增大高层建筑的底部强度，固定剪力墙下端，利用钢筋混凝土等结构，增加剪力墙厚度，厚度范围以0.35m～0.4m适宜。并在梁式转换层结构上层设计中，采取弱横强纵的设计原则。横向框架梁和纵向联系梁之间的连接节点常是薄弱点，框架梁的受力条件具有一定复杂性，在横纵结构设计中，要充分考量转换层的受力情况。例如，在纵向联系梁中的钢筋配比应具备科学性，当高层建筑设定抗震等级为1级时，纵向联系梁的钢筋配比应≥1%，钢筋间距应在75mm～220mm之间。此外，梁式转换层结构位置也要利用BIM技术，搭建数字模拟模型，分析高层建筑的受力形态，考虑梁式转换层的适用情况，严格控制剪力墙和转换层之间的受力分布，确保框架结构体系可在高层建筑中发挥自身优势。
图2 框架结构体系
2.2 科学设计转换层
科学设计高层建筑梁式转换层结构，应从两方面出发：一方面，要充分计算梁式转换层的整体结构，利用有限元和补充计算法检测转化层的使用寿命[3]。根据梁式转换层的水平受力特点出发，横向框架梁和纵向联系梁与剪力墙紧密相连，因此，转换层的计算方法十分复杂，在计算时要将剪力墙作为基础运算单位，对转换层的受力面积和受力状态具体分析，明确高层建筑内部的三维空间结构。例如，以计算楼板支撑架为例，转换层板厚度为180mm，混凝土堆积高度取300mm。荷载计算如下：
另一方面，要明确梁式转换层结构中框支柱的数量比例。框支柱是支撑框支梁的柱子，是转换柱的一种，如图3所示。框支柱是梁式转换层结构中的重要一环，例如，当梁式转换层下部分为框架结构，上部分为剪力墙时，就需要建立横向的转换结构——框支梁，那支撑框支梁的柱子就为框支柱。在设计框支柱的数量时，一般20层左右的高层建筑，框支柱数量在10根左右，根据转换层受力不同，框支柱的荷载量也不相同。如果选用10根以下框支柱，那各支柱的荷载量要不小于2.8%的基地剪力；
如果选用10根以上的框支柱，那各支柱的荷载量要不小于3.5%的基地剪力。
图3 框支梁与框支柱
2.3 合理设计转换梁
转换梁是剪力墙和底层框架结构中的连接部分，能增加高层建筑的空间面积，符合建筑功能需求。在梁式转换层设计中，转换梁的设计要更具备合理性。首先，要通过有限元和补充计算法计算转换梁的减压比例，确立转换梁的大小截面。当梁式转换层中梁高受到限制时，转换梁的截面宽度应小于框支柱相应方向的截面宽度，且大于上部墙体厚度的2倍。例如，地下一层框架，地上15层剪力墙的高层建筑，框架跨度6m～7m，梁高在1m左右，首层转换梁截面不应超过1.2m，才可保障梁式转换层结构稳定。其次，转换梁的混凝土强度等级要达到C40，C40的混凝土具有抗压能力强、抗开裂、耐久性高等优点，对于提高高层建筑梁式转换层寿命起着有效助力。最后，在转换梁的浇筑中，要确保转换梁中的配筋率，也就是钢筋比例。《规程》第十章中明确要求，转换梁的配筋率应以高层建筑的抗震等级呈正比，非抗震设计的高层建筑配筋率应≥0.3%，抗震设计的高层建筑以特一级为例，配筋率应≥0.6%。转换梁中的配筋率直接影响高层建筑的抗震等级，因此，在设计高层建筑梁式转换层结构时要合理设计转换梁[4]。
2.4 核定抗震等级
《规程》中明确规定了高层建筑的抗震等级，分别为标准设防类、重点设防类、特殊设防类和适度设防类。在高层建筑梁式转换层结构设计中，要根据抗震类型、房屋高度、防震等级等因素结合设计。以30层的高层建筑为例，地下1层、2层均作为地下停车场，层高2m～3m、1层到5层作为商业用途，层高5m～6m、6层及以上作为民用住宅，每层住宅的层高宜为2.8m。那在此建筑中，转换层应设置在7层，因其已经属于高位转换。在核定该建筑的抗震等级时，应结合《规程》中的明确规定，对梁式转换层的不同结构针对核定抗震等级，例如框支架的抗震级别应为2级、转换层以上的剪力墙抗震等级应强化为4级、转换层以下的剪力墙加强部分抗震等级为3级等。也可依托计算机技术，利用中国建筑科学研究院PKPM CAD工程部开发的SATWE软件，将楼层作为数据参数输入到计算流程中，自动识别梁式转换层结构的抗震等级，提高高层建筑的使用安全性。
综上所述，随着经济时代的快速发展，高层建筑的建设更符合当代人民生活工作的需要，使用者也更看重建筑外观的美观性和使用安全性。转换层结构作为高层建筑中的重要一环，对提高高层建筑的安全性至关重要，设计人员应从确定转换层结构横竖布局、科学设计转换层、合理设计转换梁、核定转换层抗震等级四方面出发，优化梁式转化层的结构设计，确保高层建筑的使用稳定。
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