復雜建筑結構豎向荷載傳遞工程實例分析

周秋玲 （單縣城市建設投資集團有限公司，山東 菏澤 274300）

1 引言

由于社會和經濟的發展程度限制了傳統建筑的功能，傳統的建筑形式比較規整，垂直載荷的傳播途徑也比較簡單，一般是直接向下傳遞。比如，80 年代初建成的深圳國貿國際集團有限公司以及國內第一個獨立設計的上海金沙江賓館等，它們的垂直載荷都是由垂直向下貫穿的構件直接傳遞給地基。隨著時代的發展，人們對建筑外觀的要求越來越高，功能也越來越多樣化，垂直構件之間的斷續現象帶來了很大的挑戰。第一種是由于建筑形態的需求，出現了大型懸挑、連體等錯綜復雜的建筑物，比如央視總部、深圳騰訊的濱海大廈等；第二種是在垂直方向上的功能變化，比如上海劇院的底層是劇院，上層是宴會大廳，日本中之島音樂廳的中層是音樂廳，上層是一般的辦公室。這兩種類型的建筑物都會造成垂直構件的非連續性，因此必須設置過渡結構。

為了探索復雜結構垂直載荷的傳遞途徑，本文通過大量實例，詳細地分析了復雜結構垂直載荷的傳遞途徑和對應的結構轉化方式，并對其進行了較為全面的整理，希望能對復雜結構進行工程設計有一定的借鑒作用。

2 豎向荷載傳遞路徑

2.1 傳遞路徑分類

按照垂直載荷的傳播方向，它的傳播途徑可以分成三種，一種是垂直向下的傳播，也是最常用的垂直向下傳遞；第二種是先橫向轉移，然后垂直向下轉移，需要設置橫向轉移部件;第三種是由上而下，然后是橫向的，最后是垂直向下的，需要通過安裝吊桿和橫向的轉換部件來完成。在結構復雜的情況下，為了適應建筑的特殊形態或者復雜的功能分配，往往需要使用2、3種載荷路徑。

2.2 第二類荷載傳遞路徑

在建筑物出現立面收縮、連廊、懸挑時，由于底層較大的空間和其它復雜的功能發生改變，造成了垂直構件的非連續性，必須通過改變結構使垂直荷載在橫向上轉移，再在其它縱向上繼續向下轉移。常用的轉換構造類型有轉換梁、轉換桁架、轉換空腹桁架，變換斜桿和變換纜繩，如圖1 所示。不同類型的橫向變換構造有其特點和應用領域，應結合工程的功能需求和結構的受力特點（跨度、荷載）合理選擇。

圖1 水平轉換結構形式

2.3 第三類荷載傳遞路徑

由于建筑造型美觀、視覺通透性的要求，一些復雜的結構可以采用豎立懸掛和橫向變換的方式來完成。按照承載路徑的長度，可將其劃分為屋頂懸掛和分段懸掛兩種類型，如圖2所示。

圖2 豎向荷載向上傳遞結構形式

屋頂懸吊的垂直載荷轉移主要是由吊桿直接傳遞，然后由垂直的連續構件（典型的芯柱或框架柱子）向下傳遞，高雄市立圖書館和西安國際會展中心等多層小高層建筑進行應用。分區懸掛垂直載荷的傳輸模式與屋頂懸掛相似，垂直分段法將垂直載荷由吊桿和橫向轉移結構逐漸轉移到垂直連續構件，如上海中心大廈、北京保利國際大廈等。

3 第二類荷載傳遞路徑實例分析

3.1 轉換梁

轉換梁是一種常用的過渡結構，在跨距較小、兩端有其它垂直支撐的情況下。轉換梁形式簡潔、傳遞力直接、經濟性好，典型的如中國銀聯運營中心、仁恒海岸中心等。

中國銀聯業務總部設在上海市，總樓高150m，地面36 樓，占地90000m2。圖3a、3b 中所展示的主要建筑物的用途是辦公室。為了達到輕而透明的作用，只在下側框架設置4 個巨型立柱。上部的載荷需要由四個大圓柱的過渡構件進行轉移。根據建筑物外形的需要，外觀要整齊，不能有斜截面，所以在過渡段垂直載荷的問題比較嚴重。經過比較，選定了傘式變換梁豎向載荷，可以平衡外框立柱所承受的垂直載荷，從而防止由于交叉變換而導致單個框架柱受力集中的問題。該結構為變斷面的工字型鋼箱形結構，其最大跨距為9.5m，最短跨6.75m。這種轉換機構的受力形式簡單，傳遞力均勻，而且變換梁板構件尺寸小，加工方便。

在結構設計中，把變換梁設在窄側方向上，這是因為它的傳遞通道很小。在35 樓，使用橫斷面1200mm×1800mm、直徑10m 的鋼筋混凝土轉變梁，用于支撐上構架。在這種情況下，轉換梁體的兩端均由核心圓柱和外部框架圓柱支撐，其承載能力的途徑如圖4 所示，并由該轉換梁將上部的受力轉移至兩個垂直的構件。

3.2 轉換桁架

在過渡段跨越過長的情況下，過渡梁段的斷面也會增大，從而降低了經濟效益。日本中之島音樂廳、北京中銀大樓、程十發畫廊等為具有代表性的建筑物。日本中之島音樂廳，坐落在日本大阪，39 樓，200m 高，上層樓的功能是辦公。在大樓的下半部分，跨度為30m，2700 個大型的音樂廳，如圖5（a）、5（b)。由于垂直結構的改變，使其內部不存在垂直的連續構件，因此必須進行結構的過渡。在設計時，選用了大型桁架作為垂直荷載的過渡結構，跨30m。大型桁架的腹桿是一種具有四邊形的箱型鋼結構，其截面為箱形，其高度1500～2000mm。上部結構的核心筒載荷由桁架斜腹桿均勻地傳遞給16 個對稱排列的大型柱子。在轉換桁架的上部增加了一道鋼桁架環形，以增強上部結構的剛性。

圖5 日本中之島音樂廳

3.3 轉換空腹桁架

與變換桁架比較，空腹桁架缺乏斜腹桿，承載能力稍差，而空心桁架的透過率較高。既能滿足建筑的空間設計，又能充分利用室內的空間，從而提高使用的效率。同濟大學圖書館、鄭州新聞大樓等地采用了空腹桁架承載垂直荷載。

同濟大學圖書館的主體建筑為50m 高，11 層為地面。為了不影響舊圖書館的正常使用，在舊圖書館二樓上層設置了一個懸空樓面作為新的主體建筑的閱讀空間。為了達到這種建筑的作用，以兩層為一結構單元，由四根豎向梁柱和腹板壁支撐，構成一懸挑7.65m 的超靜定空心桁架。同時，為了減少懸挑結構的變形，在橫梁中加設預應力筋，見圖6（b）。下弦式空心桁架采用混凝土梁，斷面尺寸為400mm×1150mm，腹板采用混凝土剪力墻，斷面尺寸125mm×1500mm。

為了達到這種結構特征，結構設計中將5 個雙層高聳式腹式桁架與主梁進行鉸接，構成雙塔式連廊，其樓板承載力由空腹桁架傳輸至兩座塔樓。在結構設計中，通過鉸鏈連接可以確保結構的相對變形，而不會對連廊造成很大的應力。

3.4 轉換斜撐

轉換斜拉桿是一種常用的懸挑結構，而斜拉桿一般是采用兩端鉸接的軸向受力構件，其受力比懸挑梁要合理的多。鄭州綠地廣場是典型的轉角斜撐。

鄭州綠地中心商場，地面高285m，60 層，是大型商業綜合體。該建筑物呈“風輪”形狀，在四角構成10.4m 的懸挑區，沿著垂直方向劃分5 個分區，在各分區的下層設有兩層橫梁，橫拉橫梁的橫梁為H600×600×50×70，并將懸挑區的垂直載荷轉移至主要構架立柱，其傳力路線如圖7所示。

圖7 鄭州綠地中央廣場

3.5 轉換拉索

轉換纜繩是中國銀聯營運中心的一種新型的輔助轉換結構。正如3.1 節所講，中國銀聯業務中心（7 樓）的結構下部為傘式轉換梁，為了減小外部框架柱的軸力，在結構的上層區域，利用轉移纜繩來轉移外部框架柱所承擔的垂直載荷。在17F和28F的庇護層拐角（如圖8所示）中，總共設置了8 個纜繩，每個纜繩具有120mm 的直徑，每個纜繩具有2000kN 的預應力。從圖8 中可以看出，在17F、28F 層避險層布置拉索，將外部框架的一些負荷分階段傳給中心筒體，減少了外部框架所承受的垂直載荷，使外部框架的軸力下降15%，并減少了下部（7層）的過渡梁的邊緣厚度。

圖8 中國銀聯運營中心豎向傳力體系

4 第三類荷載傳遞路徑實例與分析

屋面懸挑是將垂直荷載通過吊桿等承重部件傳至屋面，然后再從垂直方向上轉移。高雄城市圖書館及西安國際會展中心是其標志性的建筑物。為了提高大樓的通風效果，圖書館的外墻沒有使用柱子，而使用了3-7 樓的高張力條來懸掛，如圖9所示。

圖9 高雄市立圖書館

圖書館的建筑體系主要包括4 個垂直的核心圓柱、樓面梁、屋頂桁架、拉桿等。通過地面梁將地面的載荷轉移至垂直核心和高張力鋼的拉柱。轉移桁架通過垂直的支撐將其向上轉移到頂部，然后通過過渡桁條傳輸到垂直的芯柱直到地基，如圖9 所示。鋼制拉桿的尺寸一般為60～120mm，而常規的結構柱則可將其橫斷面長度提高900mm。由于其高的承載量，可以有效地減少截面的大小，增加建筑的使用區域，增加建筑物的通過率。

利用受力部件將垂直載荷向下轉移是一種較好的載荷轉移方式。在房屋的高度受到限制的情況下，可以通過拉桿或纜繩把外墻和局部的承重直接傳給屋頂，然后通過屋頂傳給其它的垂直結構。在同樣荷載作用下，桿件或纜繩的斷面一般比承載件（例如框柱梁）的截面要小，其結構形式是由上部向下，然后橫向向下。它能顯著地減少外墻垂直部件的大小，改善外墻的通風。若大樓是高層或超高層，則將幕墻等周邊垂直負荷直接掛到房頂，則會造成吊索負荷過度，故可與裝置層配合使用分段懸掛；多層垂直荷載由懸臂梁傳至核心筒、巨柱等垂直結構。

5 結論

在沒有與其直接相應的下支撐部件時，可以采用橫向轉移的方式將垂直載荷轉移給鄰近的垂直構件。橫向轉換的構造類型多種多樣，包括轉換桁架、轉換斜撐、轉換梁等。在結構上，根據建筑特點、豎向荷載大小、跨度等特點，選擇適當的轉換方式。

在外立面具有高滲透率的情況下，可以采用幕墻荷載、外側樓面荷載等垂直荷載，采用先上、后橫向、后下行的方法。采用小截面的拉桿，減少了外部垂直部件的體積。按承重線路長度的不同，可將其劃分成頂棚和分段式兩種類型，可按建筑高差選用適當的變換方式。

在復雜的結構中，受力方式的選取非常關鍵，合理的受力系統可以簡化設計，減少傳遞距離，提高建筑的美觀度，減少項目成本。