高层建筑错层结构设计研究

李勋文（山西晋设拓凡建筑设计咨询有限公司，山西 太原 030000）

建筑建设的发展促进了人民群众居住环境的不断改善，在满足基本居住、工作需求的同时，建筑设计朝着美观的方向发展。近年来，错层结构成为建筑设计的一种流行趋势，错层结构就是平面和竖向均不规则分布、结构错综复杂，基于这种不规则的结构每层楼的标高和竖向构建高度均不同，楼板和平面也不规则。因此需要在符合设计原则的基础上，对当前建筑的错层设计结构中存在的问题进行修正，以便提高建筑工程质量[1-5]。

1 建筑工程错层结构的定义与特点

1.1 错层结构的定义

建筑工程的错层结构是指每层楼水平面高度不一致，且房间的屋顶和地面形状不同于常规平面。目前，主要运用错层进行建筑设计，以便最大化利用空间来满足业主需求。错层结构建筑楼层标高差要大于常规建筑，且错层结构不少于该层的30%。

1.2 错层结构的特点

错层结构的最大特征就是形状和结构不规则，很多错层结构的楼板不连续，从而使得下部受力减小，同时错层结构的不规则性也影响了整个楼板的受力。针对错层结构应严格复查错层部分竖向的抗侧力构件刚度和错层设计数量，在很多建筑中错层结构受力集中于某一部分，使得整个建筑抗震性降低成为钢筋混凝土的短柱体系。因此，对错层结构的设计应充分考虑错层结构对整体建筑的影响，同时提高其承载能力和延性。

2 建筑工程错层结构设计中存在的问题

建筑结构通过错层设计之后，在一定程度上提高了建筑的美学价值，虽然层高没有改变，但是增加了使用空间，提高了建筑空间利用率，拓展了建筑的使用功能。因此，错层式建筑可以满足实际生活和工作的需求，尤其深受年轻群体的喜爱。因错层设计导致的圈梁无法闭合、墙体强度等级不一、计算误差、水平荷载无法有效传递等，给建筑结构带来较多不利问题。

2.1 计算方面的问题

2.1.1 承载能力计算

建筑工程采用错层设计，需要在设计过程中进行建模，并对错层后的结构进行承载力计算。错层设计后原本一层空间变成两层空间，使得建筑的承载力降低，当超过限制时会对建筑产生安全隐患；楼板弹性验算需要结合具体结构设计进行计算。错层处结构存在多个柱，则按照多柱进行计算，错层后柱长度变低，柱所受荷载较小，计算配筋时则按照错层后的荷载作用进行配筋计算。

2.1.2 周期及位移比的计算

建筑采用错层结构设计后需要计算一定周期内的位移比，位移比指的就是建筑最大位移与平均位移之比，相关规范中建筑位移指的是错层结构的整个楼板的位移。一般会按照项目实际情况对刚性楼板进行假定，虽然实际楼板会有出入，但是整体定性不会改变，不会改变刚性楼板与弹性楼板的性质。在设计阶段，设计人员需要充分考虑到错层结构的复杂性和不确定性，并且通过相关软件进行计算和验算，及时发现错层结构建筑中相关设计的薄弱之处。

2.1.3 错层对结构抗震能力存在的影响

建筑采用了错层结构设计，改变了整体建筑的受力情况，同时设计者也应该熟悉楼层概念，不能因为错层结构设计将2层结构设计成3层建模。整个楼板会因错层结构设计后而变得不连续，间断处会存在不受桥梁控制力的自由点，因此在设计构成中应考虑到楼板不对称、不均匀和刚性偏移等情况。

2.2 构造方面的问题分析

建筑物经过错层设计后，其抗震性能会受到影响，虽然在相关建筑规范中没有对错层结构的抗震性能有明确规定，但是设计人员应该明确错层结构对抗震性能的影响。错层框架和不规则错层剪力墙本身的抗震性能都比不上平面剪力墙。因此在错层结构设计时，应基于错层结构的设计原则和特点，尽量结合平面规则的建筑结构，将错层结构的抗震性能设计成与常规结构抗震性能相一致。

2.3 缺少对于温度变化的考量

在错层结构设计中应考虑气候环境对结构受力等造成影响，部分设计人员忽视了室内外环境变化尤其是温度变化的影响。在建筑结构中顶层温差变化较大会对温度应力产生影响，原本错层处形成的弯曲应力和剪切应力发生改变，对建筑结构的可靠性和安全性能造成影响。

3 建筑工程错层结构的加强措施

3.1 以“抗”为主技术应用

设计人员应充分考虑建筑工程的强度和刚度，并解决建筑结构设计中的相关计算问题。某工程占地面积39万m2，设计66栋错层结构建筑。设计人员需要在满足抗震要求的基础上，提升错层结构的等级。因此，在计算位移比时充分考虑错层结构影响，并采用两种及以上的方法进行核算。错层结构的楼板不规则、不均匀等，计算时充分考虑到楼板洞口所切成的狭长板带、层高不一致对岩性较差矮墙和矮柱的影响程度。采用总纲分析法，对楼板区域的大量不受约束的自由点和卧层竖向构件进行计算，计算时需借助SATWE等软件，尤其是承载比、刚度比、位移比、跃层柱的长度和各段的配筋中最大值进行计算，避免造成计算误差。要严格按照规范和标准对建筑各部分层数、结构位置和高度不同进行计算，本项目中的6栋建筑均为28层，避难所设计在9层，设备层设计在17层，因此9层的层高应不大于6m，错层结构顶楼高度不大于33.9m，同时顶层层高应占据屋面总高度的29.8%。在对建筑设计中要根据核心筒跨距和标准层框架具体参数，结合具体边长和边柱，选择C60混凝土。考虑到错层结构和相关调研数据，楼板厚度应由120mm变为140mm，内墙厚度从300mm变成200mm。

3.2 明确上下楼板高差设计

错层结构的设计要结合具体的错层结构框架对短柱的特征进行比较，应该详细计算上下楼板的设计高差。设计者应该依据具体的设计目标，在充分保证楼层的水平荷载的前提下，运用相关技术方法研究错层位置的扭转效应，设计过程中结合相关梁抗扭，灵活运用大跨度的结构方式，做好错层结构的科学设计。

3.3 错层结构的抗震措施

建筑物采用错层结构设计后，其抗震性能会发生变化，应结合具体情况变化采取相应抗震措施。将底部错层的框架柱轴压比限制控制在规定范围，同时错层导致的穿层柱增加会扩宽相关楼层地震剪力，因此要不断优化和加强错层位置的框架柱抗震的荷载力。设计人员采用Pushovera软件，对建筑本身结构和错层结构进行分析，通过静力弹塑性推覆的研究，按照相关标准详细计算对于楼板的正应力。科学的处理错层结构两侧板厚度，将厚度提升至140mm，同时强化边缘构件的配筋。

3.4 建筑工程错层结构问题的解决

错层结构设计使得整个地面产生不均匀的沉降对地梁造成影响，地梁作为建筑的基础应谨慎对待。将地梁视为空架梁对待，在忽略梁弯矩的情况下将其剪力传给框架柱，来解决地梁受力问题。通过错层处加密柱箍筋，加大纵筋和梁箍筋的扭转，提高错层结构的稳定性。对于错层结构处出现无法满足刚性楼面的结构，可以采取增加梁系梁板、双层配筋和斜向配筋来缩小计算误差提高其结构刚性。错层结构设计复杂，因此设计过程中要结合建筑具体情况和相关规范，错层处体积配箍率和柱的纵筋要大于1.5%。同时设计剪力墙时由于竖向构件受力的复杂性，可以根据不同的框架结构的独特性单独建立模型，根据错层结构平面内受剪力墙来求平面外受力。

4 结语

错层结构作为当前建筑工程当中最常见的结构形式，本文首先分析了错层结构的相关特点，然后对目前建筑工程错层结构设计过程中存在的问题进行分析和阐述，并结合建筑工程的具体实际情况提出错层结构设计的建议和对策，通过对目前建筑工程当中的错层结构进行优化和改变，消除错层结构设计带来的安全隐患，增强了建筑工程错层设计的实用性和可靠性，为错层结构的推广应用提供参考和方向。