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        固強大講堂文章

          淺談高層建筑結構轉換層

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          摘要: 本文主要介紹了高層建筑的發展特點,并且提出目前高層建筑的發展趨勢,集吃、住、辦公、娛樂、購物、停車為一體的綜合建筑。由于空間功能的復雜化,使得建筑結構也隨之變化。為了適應上部小空間下部大空間的功能需要,需在兩種結構的交接部位設置過渡結構,也就是轉換層,因高層建筑結構的多樣性,轉換層也呈現多種形式。


          關鍵詞: 高層建筑 結構 轉換層功能

           

          在我國高層建筑發展的早期階段,所設計建造的高層建筑大都為單一用途,例如高層住宅、高層旅館、高層辦公樓等。近年來高層建筑發展迅速,建筑朝體型復雜、功能多樣的綜合性方向發展,因而相應的結構形式也復雜多樣。后來陸續開始在高層住宅底層設置生活福利設施,并且開始大量興建集吃、住、辦公、購物、停車等為一體的多功能綜合性高層建筑,尤其是在城市主干道兩側,并已成為現代高層建筑的一大趨勢。

          高層建筑功能綜合化的優點:

          (1)將各種使用功能的建筑單元集中布置并上下組合在一起,使用上更方便省時,為人們提供良好的生活環境和工作條件,適應現代社會高效率、快節奏生活的需要;

          (2)集中緊湊的建筑布置,達到建筑面積最高利用率,相應集中緊湊的管道線路,有利于節約建設投資及減少能源消耗,也有利于物業管理,節約管理經費;

          (3)可減少建筑占地面積,節約土地費用,增加城市的綠化面積。

          一、多功能綜合性高層建筑結構體系的特點

            從建筑使用功能而言,在設計中,通常將大柱網的購物商場、餐廳、娛樂設施設于多功能綜合性高層建筑的下層部分,而將較小柱網、較小開間的住宅、公寓、旅館、辦公功能的建筑設于中、上層部分。這種建筑使用功能的特點相應決定了多功能綜合性高層建筑結構體系的特點。由于不同建筑使用功能要求不同的空間劃分布置,相應地,要求不同的結構形式,如何將他們之間通過合理地轉換過渡,沿豎向組合在一起,就成為多功能綜合性高層建筑結構體系的關鍵技術。這對高層建筑結構設計提出了新的問題,需要設置一種稱為“轉換層”的結構形式,來完成上下不同柱網、不同開間、不同結構形式的轉換,簡單地說,就是上下兩層的結構不一樣,必需設置一個轉換層來“承上啟下”。結構上的轉換層概念,主要是指在整個建筑結構體系中,合理解決豎向結構的突變性轉化和平面的連續性變化的結構單元體系。它在主要滿足結構安全功能要求的同時,多數情況下解決一些特殊技術性建筑功能要求。比如在結構轉換層空間內布置管道、設備等等。這種轉換層廣泛應用于剪力墻結構及框架—剪力墻等結構體系中。

          二、轉換層的類型及其工程實例

            按照不同的結構轉換功能,轉換層可分為三種類型:

          1、高層建筑上層與下層的結構形式不同,通過轉換層完成其從上層至下層不同結構形式的變化。

          工程實例之一:北京南洋飯店。地面以上24層,總高度為85m。第1~4層為框架結構,第6層以上為剪力墻結構,第5層為轉換層,剪力墻的托梁高度為4.5m,底層柱最大直徑為1.6m。

          2、高層建筑上層與下層的結構形式不變,但通過轉換層完成其從上層到下層不同柱網軸線布置的變化。

          工程實例之一:香港新鴻基中心,51層,總高度為178.6m,筒中筒結構體系。1~4層為大空間商業用房,5層以上為辦公樓。外框筒柱距為2.4m,為解決底層大柱網入口處上、下不同結構柱網軸線的轉換,采用截面尺寸為2.0m×5.5米的預應力混凝土大梁,將下層柱距擴大為16.8m和12m。

          3、通過轉換層同時完成高層建筑上層與下層結構形式與柱網軸線布置的變化。

          工程實例-香港Harber Road Development大廈。49層,總高度為180m,上層為小柱距框筒結構,通過截面尺寸為1800m(b)×4250m(b)的預應力混凝土大梁的轉換,將下層柱距擴大為9.6m和12m。

          三、內部結構采用的轉換層結構形式

            為實現高層建筑內部上、下層結構形式與柱網的變化,可以用以下的結構轉換形式:

          1、梁式轉換

          由于它受力明確,設計與施工簡單,一般用于上層為剪力墻結構,下層為框架結構的轉換。當縱、橫向同時需要轉換時,可采用雙向梁布置的轉換方式。

          2、板式轉換層

            當上、下柱網、軸線有較大錯位,不便用梁式轉換層時,可以采用板式轉換方式。板的厚度一般很大,以形成厚板式承臺轉換層。它的下層柱網可以靈活布置,不必嚴格與上層結構對齊,但板很厚,自重很大,材料用量很多。

          3、箱式轉換層

            當需要從上層向更大跨度的下層進行轉換時,若采用梁式或板式轉換層已不能解決問題,這種情況下,可以采用箱式轉換層。它很像箱形基礎,也可看成是由上、下層較厚的樓板與單向托梁、雙向托梁共同組成,具有很大的整體空間剛度,能夠勝任較大跨度、較大空間、較大荷載的轉換。

          4、桁架式轉換層

            這種形式的轉換層受力合理明確,構造簡單,自重較輕,材料節省,能適應較大跨度的轉換,雖比箱式轉換層的整體空間剛度相對較小,但比箱式轉換層少占空間。

          5、空腹桁架式轉換層

            這種形式的轉換層與桁架式轉換層的優點相似,但空腹桁架式轉換層的桿系都是水平、垂直的,而桁架式轉換層則具有斜撐竿??崭硅旒苁睫D換層在室內空間上比桁架式轉換層好,比箱式轉換層更好。

          四、外圍結構采用的轉換層結構形式

             前述轉換層結構形式主要用于內部結構的上、下層轉換。對于外圍結構,往往由于建筑功能的需要在底部擴大柱距,一般采用梁式轉換、絎架式轉換、墻式轉換、間接式轉換、合柱式轉換、拱式轉換。美國紐約世界貿易中心采用合柱式轉換。

            以下介紹兩種形式的結構轉換:

          1、V形柱式結構轉換

             重慶銀星商城,總建筑面積49800m2,地上28層,總高度101.2m,為商住、商貿綜合樓,1~9層為商場,基本柱網為7.80m×7.80m及7.80m×9.30m,第10層為技術層及物業管理,第11~26層為住宅,第27層及第28層為電梯技術間及水箱間。由于上部住宅的柱網、軸線與下部商場不能完全重合,對前述的轉換層結構形式都不適合該工程的特點,而且材料用量及造價均較高。后來在第9層與第10 層利用兩層空間設置了4根V形柱來完成結構轉換?!                                                       ?/p>

             在該設計中V形柱占據兩層空間。其斜度為1/5.3,在上面一層為兩肢對稱的斜柱,到下面一層合成為實腹的倒梯形狀,雙斜柱的截面積之和不小于下面倒梯形柱的截面積。在斜柱的頂部用拉梁互相聯結,同時在斜柱的外跨框架梁采取加腋措施。采用V形柱式結構轉換時,該層梁的剪力及彎矩要小的多,同時節省了材料用量及比較。

          2、斜柱式結構轉換

            沈陽華利廣場大廈,33層,總高度115m,框架-核心筒結構體系。7層以上用作寫字間、公寓,環繞圓形核筒設有16根走廊柱,目的是為了減小呈輻射狀平面布置的主梁的跨度,并相應減小層高,然而,在7層以下,這16根環狀布置的柱對商場的布置是不需要的,應予去除,這就構成了上、下層結構轉換的問題。

            在設計中,采用了斜柱雙環轉換結構。將轉換層以上16根環狀平面布置的豎直柱,在兩層樓高范圍內,一律向核心筒方向轉折,最終予核心筒相交。魚油核心筒內設有電梯、樓梯、管道井、樓板,樓板開洞較多,這16根斜柱內力的水平分量主要由核心筒外的圓環形樓板來承受。在斜柱頂部的樓層梁板出現環向拉力,在斜柱底靠近核心筒的樓層梁板則出現環向壓力,。于是,相應分別在斜柱頂與斜柱底設置了抗拉環梁與抗壓環梁,在設計中將環梁、樓板、斜柱頂主環梁的中心置于同一水平面上。

          由于斜柱在其與豎柱相交處產生水平分力作用于樓層,對該水平力最好的處理辦法是設法在最短的傳力途徑上予以平衡消失。就這點來說,斜柱宜成對稱設置。如重慶銀星商城大廈。而沈陽華利廣場大廈雖用的是單斜柱,但它對核心筒呈對稱環狀分布,在斜柱頂部的環向拉力及斜柱底部的環向壓力分別由抗拉環梁與抗壓環梁來承擔。斜柱穿越的層數最少是一層,也可根據需要穿越2~3層,增多穿越的層數可使斜柱對樓層的水平分力大為降低。

          五、結語

          根據高層綜合樓建筑功能的需要,選擇適宜的結構轉換層,不但可以節省材料用量,而且也可以節省建造費用。同時靈活的將建筑與結構統一,實現建筑之美。

           

          參考文獻:

          1.       邱洪興、舒贛平、曹雙寅等主編,建筑建筑結構設計,南京,東南大學出版社,2002

          2.       張重陽. 某高層商住樓轉換層結構方案的選擇. 工業建筑. 2005(12)

          3.       朱波. 高層建筑梁式轉換層結構設計探討. 三峽大學學報. 2005(4)

          4.       傅學怡. 帶轉換層高層建筑結構設計建議. 建筑結構學報. 1999(2)


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        摘要: 本文主要介紹了高層建筑的發展特點,并且提出目前高層建筑的發展趨勢,集吃、住、辦公、娛樂、購物、停車為一體的綜合建筑。由于空間功能的復雜化,使得建筑結構也隨之變化。為了適應上部小空間下部大空間的功能需要,需在兩種結構的交接部位設置過渡結構,也就是轉換層,因高層建筑結構的多樣性,轉換層也呈現多種形式。


        關鍵詞: 高層建筑 結構 轉換層功能

         

        在我國高層建筑發展的早期階段,所設計建造的高層建筑大都為單一用途,例如高層住宅、高層旅館、高層辦公樓等。近年來高層建筑發展迅速,建筑朝體型復雜、功能多樣的綜合性方向發展,因而相應的結構形式也復雜多樣。后來陸續開始在高層住宅底層設置生活福利設施,并且開始大量興建集吃、住、辦公、購物、停車等為一體的多功能綜合性高層建筑,尤其是在城市主干道兩側,并已成為現代高層建筑的一大趨勢。

        高層建筑功能綜合化的優點:

        (1)將各種使用功能的建筑單元集中布置并上下組合在一起,使用上更方便省時,為人們提供良好的生活環境和工作條件,適應現代社會高效率、快節奏生活的需要;

        (2)集中緊湊的建筑布置,達到建筑面積最高利用率,相應集中緊湊的管道線路,有利于節約建設投資及減少能源消耗,也有利于物業管理,節約管理經費;

        (3)可減少建筑占地面積,節約土地費用,增加城市的綠化面積。

        一、多功能綜合性高層建筑結構體系的特點

          從建筑使用功能而言,在設計中,通常將大柱網的購物商場、餐廳、娛樂設施設于多功能綜合性高層建筑的下層部分,而將較小柱網、較小開間的住宅、公寓、旅館、辦公功能的建筑設于中、上層部分。這種建筑使用功能的特點相應決定了多功能綜合性高層建筑結構體系的特點。由于不同建筑使用功能要求不同的空間劃分布置,相應地,要求不同的結構形式,如何將他們之間通過合理地轉換過渡,沿豎向組合在一起,就成為多功能綜合性高層建筑結構體系的關鍵技術。這對高層建筑結構設計提出了新的問題,需要設置一種稱為“轉換層”的結構形式,來完成上下不同柱網、不同開間、不同結構形式的轉換,簡單地說,就是上下兩層的結構不一樣,必需設置一個轉換層來“承上啟下”。結構上的轉換層概念,主要是指在整個建筑結構體系中,合理解決豎向結構的突變性轉化和平面的連續性變化的結構單元體系。它在主要滿足結構安全功能要求的同時,多數情況下解決一些特殊技術性建筑功能要求。比如在結構轉換層空間內布置管道、設備等等。這種轉換層廣泛應用于剪力墻結構及框架—剪力墻等結構體系中。

        二、轉換層的類型及其工程實例

          按照不同的結構轉換功能,轉換層可分為三種類型:

        1、高層建筑上層與下層的結構形式不同,通過轉換層完成其從上層至下層不同結構形式的變化。

        工程實例之一:北京南洋飯店。地面以上24層,總高度為85m。第1~4層為框架結構,第6層以上為剪力墻結構,第5層為轉換層,剪力墻的托梁高度為4.5m,底層柱最大直徑為1.6m。

        2、高層建筑上層與下層的結構形式不變,但通過轉換層完成其從上層到下層不同柱網軸線布置的變化。

        工程實例之一:香港新鴻基中心,51層,總高度為178.6m,筒中筒結構體系。1~4層為大空間商業用房,5層以上為辦公樓。外框筒柱距為2.4m,為解決底層大柱網入口處上、下不同結構柱網軸線的轉換,采用截面尺寸為2.0m×5.5米的預應力混凝土大梁,將下層柱距擴大為16.8m和12m。

        3、通過轉換層同時完成高層建筑上層與下層結構形式與柱網軸線布置的變化。

        工程實例-香港Harber Road Development大廈。49層,總高度為180m,上層為小柱距框筒結構,通過截面尺寸為1800m(b)×4250m(b)的預應力混凝土大梁的轉換,將下層柱距擴大為9.6m和12m。

        三、內部結構采用的轉換層結構形式

          為實現高層建筑內部上、下層結構形式與柱網的變化,可以用以下的結構轉換形式:

        1、梁式轉換

        由于它受力明確,設計與施工簡單,一般用于上層為剪力墻結構,下層為框架結構的轉換。當縱、橫向同時需要轉換時,可采用雙向梁布置的轉換方式。

        2、板式轉換層

          當上、下柱網、軸線有較大錯位,不便用梁式轉換層時,可以采用板式轉換方式。板的厚度一般很大,以形成厚板式承臺轉換層。它的下層柱網可以靈活布置,不必嚴格與上層結構對齊,但板很厚,自重很大,材料用量很多。

        3、箱式轉換層

          當需要從上層向更大跨度的下層進行轉換時,若采用梁式或板式轉換層已不能解決問題,這種情況下,可以采用箱式轉換層。它很像箱形基礎,也可看成是由上、下層較厚的樓板與單向托梁、雙向托梁共同組成,具有很大的整體空間剛度,能夠勝任較大跨度、較大空間、較大荷載的轉換。

        4、桁架式轉換層

          這種形式的轉換層受力合理明確,構造簡單,自重較輕,材料節省,能適應較大跨度的轉換,雖比箱式轉換層的整體空間剛度相對較小,但比箱式轉換層少占空間。

        5、空腹桁架式轉換層

          這種形式的轉換層與桁架式轉換層的優點相似,但空腹桁架式轉換層的桿系都是水平、垂直的,而桁架式轉換層則具有斜撐竿??崭硅旒苁睫D換層在室內空間上比桁架式轉換層好,比箱式轉換層更好。

        四、外圍結構采用的轉換層結構形式

           前述轉換層結構形式主要用于內部結構的上、下層轉換。對于外圍結構,往往由于建筑功能的需要在底部擴大柱距,一般采用梁式轉換、絎架式轉換、墻式轉換、間接式轉換、合柱式轉換、拱式轉換。美國紐約世界貿易中心采用合柱式轉換。

          以下介紹兩種形式的結構轉換:

        1、V形柱式結構轉換

           重慶銀星商城,總建筑面積49800m2,地上28層,總高度101.2m,為商住、商貿綜合樓,1~9層為商場,基本柱網為7.80m×7.80m及7.80m×9.30m,第10層為技術層及物業管理,第11~26層為住宅,第27層及第28層為電梯技術間及水箱間。由于上部住宅的柱網、軸線與下部商場不能完全重合,對前述的轉換層結構形式都不適合該工程的特點,而且材料用量及造價均較高。后來在第9層與第10 層利用兩層空間設置了4根V形柱來完成結構轉換?!                                                       ?/p>

           在該設計中V形柱占據兩層空間。其斜度為1/5.3,在上面一層為兩肢對稱的斜柱,到下面一層合成為實腹的倒梯形狀,雙斜柱的截面積之和不小于下面倒梯形柱的截面積。在斜柱的頂部用拉梁互相聯結,同時在斜柱的外跨框架梁采取加腋措施。采用V形柱式結構轉換時,該層梁的剪力及彎矩要小的多,同時節省了材料用量及比較。

        2、斜柱式結構轉換

          沈陽華利廣場大廈,33層,總高度115m,框架-核心筒結構體系。7層以上用作寫字間、公寓,環繞圓形核筒設有16根走廊柱,目的是為了減小呈輻射狀平面布置的主梁的跨度,并相應減小層高,然而,在7層以下,這16根環狀布置的柱對商場的布置是不需要的,應予去除,這就構成了上、下層結構轉換的問題。

          在設計中,采用了斜柱雙環轉換結構。將轉換層以上16根環狀平面布置的豎直柱,在兩層樓高范圍內,一律向核心筒方向轉折,最終予核心筒相交。魚油核心筒內設有電梯、樓梯、管道井、樓板,樓板開洞較多,這16根斜柱內力的水平分量主要由核心筒外的圓環形樓板來承受。在斜柱頂部的樓層梁板出現環向拉力,在斜柱底靠近核心筒的樓層梁板則出現環向壓力,。于是,相應分別在斜柱頂與斜柱底設置了抗拉環梁與抗壓環梁,在設計中將環梁、樓板、斜柱頂主環梁的中心置于同一水平面上。

        由于斜柱在其與豎柱相交處產生水平分力作用于樓層,對該水平力最好的處理辦法是設法在最短的傳力途徑上予以平衡消失。就這點來說,斜柱宜成對稱設置。如重慶銀星商城大廈。而沈陽華利廣場大廈雖用的是單斜柱,但它對核心筒呈對稱環狀分布,在斜柱頂部的環向拉力及斜柱底部的環向壓力分別由抗拉環梁與抗壓環梁來承擔。斜柱穿越的層數最少是一層,也可根據需要穿越2~3層,增多穿越的層數可使斜柱對樓層的水平分力大為降低。

        五、結語

        根據高層綜合樓建筑功能的需要,選擇適宜的結構轉換層,不但可以節省材料用量,而且也可以節省建造費用。同時靈活的將建筑與結構統一,實現建筑之美。

         

        參考文獻:

        1.       邱洪興、舒贛平、曹雙寅等主編,建筑建筑結構設計,南京,東南大學出版社,2002

        2.       張重陽. 某高層商住樓轉換層結構方案的選擇. 工業建筑. 2005(12)

        3.       朱波. 高層建筑梁式轉換層結構設計探討. 三峽大學學報. 2005(4)

        4.       傅學怡. 帶轉換層高層建筑結構設計建議. 建筑結構學報. 1999(2)




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