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建筑物转换层的解析

 

建筑物某楼层的上部与下部因平面使用功能不同,该楼层上部与下部采用不同结构类型,并通过该大楼层进行结构转换,则该楼层称为结构转换层。

结构转换层的实际应用
现代高层建筑向多功能和综合用途发展,在同一竖直线上,顶部楼层布置住宅、旅馆,中部楼层作办公用房,下部楼层作商店、餐馆和文化娱乐设施。不同用途的楼层,需要大小不同的开间,采用不同的结构形式。建筑要求上部小开间的轴线布置、较多的墙体,中部办公用房要小的和中等大小的室内空间,下部公用部分,则希望有尽可能大的自由灵活空间,柱网要大,墙尽量少。这种要求与结构的合理、自然布置正好相反,因为结构下部楼层受力很大,即正常应当下部刚度大、墙多、柱网密,到上部逐渐减少。为了满足建筑功能的要求,结构必须以与常规方式相反进行布置,上部小空间,布置刚度大的剪力墙,下部大空间,布置刚度小的框架柱。为此,必须在结构转换的楼层设置转换层,称结构转换层。按结构功能,转换层可分为三类:1.上层和下层结构类型转换。多用于剪力墙结构和框架-剪力墙结构,它将上部剪力墙转换为下部的框架,以创造一个较大的内部自由空间。2.上、下层的柱网、轴线改变。转换层上、下的结构形式没有改变,但是通过转换层使下层柱的柱距扩大,形成大柱网,并常用于外框筒的下层形成较大的入口。3.同时转换结构形式和结构轴线布置。即上部楼层剪力墙结构通过转换层改变为框架的同时,柱网轴线与上部楼层的轴线错开,形成上下结构不对齐的布置。转换层的结构形式:当内部要形成大空间,包括结构类型转变和轴线转变时,可采用梁式、桁架式、空腹桁架式、箱形和板式转换层;当框筒结构在底层要形成大的入口,可以有多种转换层的形式,如梁式、桁架式、墙式、合柱式和拱式等。目前,国内用得最多的是梁式转换层,它设计和施工简单,受力明确,一般用于底部大空间剪力墙结构。当上下柱网、轴线错开较多,难以用梁直接承托时,可以做成厚板或箱式转换层,但其自重较大,材料耗用较多,计算分析也较复杂。

在我国高层建筑发展的早期阶段,所设计建造的高层建筑大都为单一用途,例如高层住宅、高层旅馆、高层办公楼等。近年来高层建筑发展迅速,建筑朝体型复杂、功能多样的综合性方向发展,因而相应的结构形式也复杂多样。后来陆续开始在高层住宅底层设置生活福利设施,并且开始大量兴建集吃、住、办公、购物、停车等为一体的多功能综合性高层建筑,尤其是在城市主干道两侧,并已成为现代高层建筑的一大趋势。

   高层建筑功能综合化的优点:

(1)将各种使用功能的建筑单元集中布置并上下组合在一起,使用上更方便省时,为人们提供良好的生活环境和工作条件,适应现代社会高效率、快节奏生活的需要;

2)集中紧凑的建筑布置,达到建筑面积最高利用率,相应集中紧凑的管道线路,有利于节约建设投资及减少能源消耗,也有利于物业管理,节约管理经费;

3)可减少建筑占地面积,节约土地费用,增加城市的绿化面积。

一、多功能综合性高层建筑结构体系的特点

   从建筑使用功能而言,在设计中,通常将大柱网的购物商场、餐厅、娱乐设施设于多功能综合性高层建筑的下层部分,而将较小柱网、较小开间的住宅、公寓、旅馆、办公功能的建筑设于中、上层部分。这种建筑使用功能的特点相应决定了多功能综合性高层建筑结构体系的特点。由于不同建筑使用功能要求不同的空间划分布置,相应地,要求不同的结构形式,如何将他们之间通过合理地转换过渡,沿竖向组合在一起,就成为多功能综合性高层建筑结构体系的关键技术。这对高层建筑结构设计提出了新的问题,需要设置一种称为“转换层”的结构形式,来完成上下不同柱网、不同开间、不同结构形式的转换,简单地说,就是上下两层的结构不一样,必需设置一个转换层来“承上启下”。结构上的转换层概念,主要是指在整个建筑结构体系中,合理解决竖向结构的突变性转化和平面的连续性变化的结构单元体系。它在主要满足结构安全功能要求的同时,多数情况下解决一些特殊技术性建筑功能要求。比如在结构转换层空间内布置管道、设备等等。这种转换层广泛应用于剪力墙结构及框架—剪力墙等结构体系中。

二、转换层的类型及其工程实例

   按照不同的结构转换功能,转换层可分为三种类型:

1、高层建筑上层与下层的结构形式不同,通过转换层完成其从上层至下层不同结构形式的变化。

1)工程实例之一—北京南洋饭店。地面以上24层,总高度为85m。第14层为框架结构,第6层以上为剪力墙结构,第5层为转换层,剪力墙的托梁高度为4.5m,底层柱最大直径为1.6m

2)工程实例之二-广东肇庆星湖大酒店,34层,总高度为118.4m6层以上客房采用剪力墙结构,5层处设置转换大梁,截面尺寸为0.5m×2.5m,转换为下层的框架结构。

2、高层建筑上层与下层的结构形式不变,但通过转换层完成其从上层到下层不同柱网轴线布置的变化。

1)工程实例之一-香港新鸿基中心,51层,总高度为178.6m,筒中筒结构体系。14层为大空间商业用房,5层以上为办公楼。外框筒柱距为2.4m,为解决底层大柱网入口处上、下不同结构柱网轴线的转换,采用截面尺寸为2.0m×5.5米的预应力混凝土大梁,将下层柱距扩大为16.8m12m

2)工程实例之二-香港康乐中心,52层,总高度为178.7m,筒中筒结构体系,外筒为薄壁剪力墙筒,墙厚由底部的500mm变化到顶部的150mm,墙上开由圆形的窗洞。在底层入口进行了转换:通过采用截面尺寸为2.2m×3.56m的预应力混凝土大梁作为转换大梁,将外筒全部竖向荷载通过10根外柱传至下部基础。

3、通过转换层同时完成高层建筑上层与下层结构形式与柱网轴线布置的变化。

1)工程实例-香港Harber Road Development大厦。49层,总高度为180m,上层为小柱距框筒结构,通过截面尺寸为1800m(b)×4250m(b)的预应力混凝土大梁的转换,将下层柱距扩大为9.6m12m

三、内部结构采用的转换层结构形式

  为实现高层建筑内部上、下层结构形式与柱网的变化,可以用以下的结构转换形式:

1、梁式转换

  由于它受力明确,设计与施工简单,一般用于上层为剪力墙结构,下层为框

  架结构的转换。当纵、横向同时需要转换时,可采用双向梁布置的转换方式。前述的北京南洋饭店,广东肇庆星湖大酒店都是采用梁式转换层。

2、板式转换层

   当上、下柱网、轴线有较大错位,不便用梁式转换层时,可以采用板式转换方式。板的厚度一般很大,以形成厚板式承台转换层。它的下层柱网可以灵活布置,不必严格与上层结构对齐,但板很厚,自重很大,材料用量很多。

3、箱式转换层

   当需要从上层向更大跨度的下层进行转换时,若采用梁式或板式转换层已不能解决问题,这种情况下,可以采用箱式转换层。它很像箱形基础,也可看成是由上、下层较厚的楼板与单向托梁、双向托梁共同组成,具有很大的整体空间刚度,能够胜任较大跨度、较大空间、较大荷载的转换。

4、桁架式转换层

   这种形式的转换层受力合理明确,构造简单,自重较轻,材料节省,能适应较大跨度的转换,虽比箱式转换层的整体空间刚度相对较小,但比箱式转换层少占空间。

5、空腹桁架式转换层

   这种形式的转换层与桁架式转换层的优点相似,但空腹桁架式转换层的杆系都是水平、垂直的,而桁架式转换层则具有斜撑竿。空腹桁架式转换层在室内空间上比桁架式转换层好,比箱式转换层更好。

四、外围结构采用的转换层结构形式

   前述转换层结构形式主要用于内部结构的上、下层转换。对于外围结构,往往由于建筑功能的需要在底部扩大柱距,一般采用梁式转换、绗架式转换、墙式转换、间接式转换、合柱式转换、拱式转换。美国纽约世界贸易中心采用合柱式转换。

   以下介绍两种形式的结构转换:

1V形柱式结构转换

   重庆银星商城,总建筑面积49800m2,地上28层,总高度101.2m,为商住、商贸综合楼,19层为商场,基本柱网为7.80m×7.80m7.80m×9.30m,10层为技术层及物业管理,第1126层为住宅,第27层及第28层为电梯技术间及水箱间。由于上部住宅的柱网、轴线与下部商场不能完全重合,对前述的转换层结构形式都不适合该工程的特点,而且材料用量及造价均较高。后来在第9层与第10 层利用两层空间设置了4V形柱来完成结构转换。                                                                                                                

   在该设计中V形柱占据两层空间。其斜度为1/5.3,在上面一层为两肢对称的斜柱,到下面一层合成为实腹的倒梯形状,双斜柱的截面积之和不小于下面倒梯形柱的截面积。在斜柱的顶部用拉梁互相联结,同时在斜柱的外跨框架梁采取加腋措施。采用V形柱式结构转换时,该层梁的剪力及弯矩要小的多,同时节省了材料用量及比较。

2、斜柱式结构转换

   沈阳华利广场大厦,33层,总高度115m,框架-核心筒结构体系。7层以上用作写字间、公寓,环绕圆形核筒设有16根走廊柱,目的是为了减小呈辐射状平面布置的主梁的跨度,并相应减小层高,然而,在7层以下,这16根环状布置的柱对商场的布置是不需要的,应予去除,这就构成了上、下层结构转换的问题。

   在设计中,采用了斜柱双环转换结构。将转换层以上16根环状平面布置的竖直柱,在两层楼高范围内,一律向核心筒方向转折,最终予核心筒相交。鱼油核心筒内设有电梯、楼梯、管道井、楼板,楼板开洞较多,这16根斜柱内力的水平分量主要由核心筒外的圆环形楼板来承受。在斜柱顶部的楼层梁板出现环向拉力,在斜柱底靠近核心筒的楼层梁板则出现环向压力,。于是,相应分别在斜柱顶与斜柱底设置了抗拉环梁与抗压环梁,在设计中将环梁、楼板、斜柱顶主环梁的中心置于同一水平面上。

   由于斜柱在其与竖柱相交处产生水平分力作用于楼层,对该水平力最好的处理办法是设法在最短的传力途径上予以平衡消失。就这点来说,斜柱宜成对称设置。如重庆银星商城大厦。而沈阳华利广场大厦虽用的是单斜柱,但它对核心筒呈对称环状分布,在斜柱顶部的环向拉力及斜柱底部的环向压力分别由抗拉环梁与抗压环梁来承担。斜柱穿越的层数最少是一层,也可根据需要穿越23层,增多穿越的层数可使斜柱对楼层的水平分力大为降低。

   根据高层综合楼建筑功能的需要,选择适宜的结构转换层,不但可以节省材料用量,而且也可以节省建造费用。同时灵活的将建筑与结构统一,实现建筑之美。

 
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