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摘要：转换层结构的工程应用正朝着形式多样、方法多样以及结构受力更有理的方向发展。由于高层建筑的建筑和结构功能不同，转换层分为梁式、桁架式、厚板式、箱型、巨型框架式等形式，而这些转换层形式的设计方法又各不相同,。本文在前人的研究基础上，对转换层结构的功能、形式、特点、布置原则等进行了简单的归纳总结，指出了今后研究工作中亟待解决的问题。
关键词： 高层建筑，转换层，布置原则
中图分类号： 中国图书馆分类法查询 文献标志码：A
Abstract: The engineering applications of the conversion layer today are developing towards the direction of verious forms,diverse methods and reasonable force. Due to the architectural and structural features of high-rise buildings, the conversion layer is divided into the form of a beam, truss, thick plate, box, giant frame, etc.The design methods for those conversion layers are different.In this paper, on the basis of previous studies,the function, form, features, layout principles of the conversion layer structures are summarized,and the problems to be solved in future research work are pointed out.
Keywords: high-rise building；conversion layer；layout principles
中图分类号：[TU208.3] 文献标识码：A 文章编号
1 引言
近年来高层建筑迅速发展，建筑物越建越高，越建越大。为给人们提供良好的生活和工作条件，高层建筑正向着形式多样、功能多样的方向发展。在同一座高层建筑中，功能要求沿建筑高度要发生变化：上部楼层一般布置住宅、旅馆，中部布置办公用房，而下部常用作餐馆、商店等文化娱乐设施；另一方面，高层建筑下部受力较大，上部受力相对较小，理论上结构布置应是下部结构刚度大，墙体多，柱网密集，自下至上逐渐减少墙体和柱的数量。这两方面使得结构的布置与建筑的功能在空间上恰好相反。为满足建筑功能要求，结构布置需与常规的布置相反，在下部布置大空间，上部布置小空间；上部布置刚度较大的剪力墙，而下部则布置刚度较小的框架柱。为实现此种布置，就须在结构变化的楼层设置转换构件形成转换层结构。
由于建筑对转换层结构的要求，转换层结构设计和施工的研究就必不可少。本文主要对转换层结构的功能、结构形式等进行归纳总结。
2 转换层功能
2．1 建筑功能
1) 为建筑室内提供较大空间
传统的剪力墙结构楼层适合布置住宅和旅馆的客房等房间，如需在建筑底部布置各种需要较大空间的房间时，可以通过转换层将部分剪力墙用框架柱代替，形成大空间框支剪力墙结构，以满足建筑功能要求。
2) 为建筑物提供较大的出入口
对于一些筒中筒结构的建筑，外框筒的柱距通常布置为3-4m，使得建筑无法设置较大的出入口。在建筑底部设置水平转换构件可以扩大底层柱距。
2．2 结构功能
1) 上下层结构形式转换
转换层可以将上部的剪力墙结构转换为下部的框架结构，形成较大的室内空间。这种转换层结构广泛地用于剪力墙和框架剪力墙结构中。
2) 上下层柱网、轴线的改变
转换层上下层结构形式不变，通过转换层扩大下部柱的柱距以形成大柱网。这种转换层结构用于外框筒底部来形成较大的出入口。
3) 结构形式和柱网轴线位置同时转换
转换层结构将上部剪力墙结构转换为框架结构的同时，上下层柱网轴线错开，形成错位布置。
3 转换层主要结构形式
1) 底部多层组成大空间的转换层
这种转换层最常见，一般有两种基本做法：
(1)转换层跨越建筑平面两端，荷载传递到支撑点上，此种做法称为桥式结构；
(2)转换层的中部支撑在强劲的筒体上，四周悬挑向外，以此形成底部大空间。
2) 外部组成大柱网的转换层
此种转换层一般用于筒中筒结构的外筒，以便在底部布置较大的出入口。
图1 传递竖向荷载的转换层结构体系
a梁柱体系；b,c,d桁架体系；e,f墙梁体系；
g格构式体系；h,i筒体体系；j箱梁体系
3．1 转换层结构形式分类及特点
按照上述结构形式，转换层可以分为梁柱体系转换层、桁架体系转换层（空腹桁架体系、斜杆桁架体系、混合桁架体系）、墙梁体系转换层等。
1) 梁式转换层
图2 梁式转换结构类型
梁式转换层结构是现代高层建筑中用来实现垂直方向转换的最常用结构形式。其传力途径采取墙或柱→转换梁→柱或墙的形式，传力直接、清楚、明确，便于进行工程计算、分析和设计，且造价较低，在实际工程中应用非常广泛。
实际应用中转换梁形式多样，按跨数可分为单跨、双跨和多跨；按上部墙体形式，可分为满跨和不满跨、开洞和不开洞、开门洞和开窗洞；从功能上，可分为托柱和托墙；按转换形式，可分为加腋和不加腋；按转换梁采用的材料，可分为钢筋混凝土、预应力混凝土、钢骨混凝土和钢结构等。
2) 桁架式转换层
在一些梁式转换层中，由于承托的上部层数比较多而且转换梁的跨度比较大，上部的柱传递给转换梁的荷载比较大，这就导致转换梁截面的尺寸偏大，实际实施起来很困难。而且采用转换梁也不利于布置大型管道等设备系统，不利于充分利用转换层建筑空间。理论分析和工程实践表明，采用桁架结构代替转换梁作为转换层结构是一种可行方案。
转换桁架可分为单层桁架和叠层桁架。
3) 厚板式转换层
当转换层上下部柱网轴线错开较多时，转换梁难以直接承托上部荷载，这时需要做成厚板结构，形成板式承台转换层。
厚板转换层可以给上部结构布置带来方便，但也使得板的传力途径变得不清楚，因而其受力非常复杂，计算相对困难，而且从受力角度考虑，往往需要柱与墙、柱与柱指尖配筋加强，相当于设置了暗梁，增加了配筋量。转换板的厚度一般很大，实际工程中可达到2.0-2.8m，重量和混凝土用量都很大，对下部垂直构件的强度和混凝土施工提出了较高的要求。而且相当于几层楼重量的厚板集中在结构中部，振动性能十分复杂，在地震作用下，地震反应强烈，不利于结构抗震。因此，采用这种厚板形式的转换层要慎重对待。
4) 箱型转换层
在有些情况下，建筑的转换梁可以与其上层和下层的厚楼板协同工作，组成了一种刚度很大的整体结构，这种结构称为箱型转换层。由于原有的上下部楼层和剪力墙对这种转换结构有加强作用，其平面内刚度介于单层梁板转換结构与厚板转换结构之间，在受力性能方面有很大的改善。
箱型梁是桥梁工程中的常见结构形式，但在房屋结构工程中很少使用。
5) 巨型框架结构转换层
巨型框架结构体系把结构中的框架设计为主框架和次框架。主框架是大型的跨层框架，每隔6-10层设一根大截面的框架
图3 巨型框架结构体系
a传统框架结构体系；b巨型框架结构体系
梁，每隔3-4个开间设一根大截面的框架柱。主框架大梁之间的楼层中再另设柱网尺寸较小的次框架，其仅负担这几层的竖向荷载，再将其传递给主框架的大梁，水平荷载通过各层楼盖直接传递到框架上。因次框架柱距和荷载小，又不用承担水平荷载，梁柱截面就可以做得很小，利于楼面合理使用。次框架均是独立的，因而柱网的形式及亦可以互不相同。巨型框架梁的本身就构成了结构转换层，因此，巨型框架结构是一种形式复杂的转换层结构。
巨型框架结构中，主框架的梁柱常采用实心截面。从经济和合理的角度来考虑，梁柱截面尺寸又不能做的很大。因此，这种结构抗水平荷载的能力有限，在台风和地震作用强烈的地区，建筑必须与抗震墙或筒体配合使用。
6) 预应力混凝土转换层
预应力技术可带来很多结构和施工上的优点，例如减小截面的尺寸、控制裂缝和挠度、控制施工阶段裂缝以及减轻支撑的负担等。因此预应力混凝土结构适合用于建造大荷载和大跨度的转换层。
预应力混凝土形式的转换层又可分为预应力混凝土转换梁式转换层、预应力钢骨混凝土转换梁式转换层、预应力混凝土曲线转换梁、预应力混凝土桁架转换层和预应力混凝土厚板转换层。
7) 其他结构形式转换层
其他结构形式的转换层还有错列桁架结构体系、错列墙梁结构体系、错列剪力墙结构体系、底部大空间剪力墙结构体系、底部大空间上层鱼骨式剪力墙结构体系和大底盘大空间剪力墙结构体系等。
4 转换层结构在高层建筑中的布置原则
4．1 转换层在高层建筑中的布置
一般来说，高层建筑下部的竖向结构体系或上下结构形式有较大的差异，或下部竖向结构轴线距离扩大或者上下部轴线错位时，必须在结构改变的楼层设置转换构件，即结构转换层。因此，转换构件可以根据建筑的功能和结构的传力需要沿高度的方向一处或多处灵活布置，且自身这个空间即可以作为正常的使用楼层，也可以作为技术设备层，但需确保转换层有足够的刚度来防止建筑沿竖向刚度悬殊。
当建筑的整体刚度可能不足时，在竖向的某部位设置加强层，结构整体的弯曲效应被人为地加强时，转换层可以同加强层和设备层一同考虑。
对于大底层多塔楼的建筑，塔楼转换层可以布置在裙房屋面处，并且增大梁和板的厚度和尺寸，避免建筑中部楼层的刚度特别小，减小地震危害。
对一些框剪结构的建筑，转换层高度应根据所在地区的地震烈度确定：在7度地区转换层高度宜低于第五层，8度地区则宜低于第三层。当与上述的规定不符时应做专门的研究并采用有效措施。
4．2 转换结构构件在平面上的布置
建筑内部要求尽量敞开自由空间时，转换梁可以沿横向或纵向平行布置；当纵横向需同时转换时，可布置双向梁；还可采用间隔布置；但要与相邻层错开布置；可以顺建筑平面柱网变化合理布置；相邻层可以互相垂直布置。上述方案的共同特点是须与相邻层的柱网统一考虑。
5 转换层结构研究中的问题
虽然目前应用转换层的实际工程比较多，但是对其性能研究还不完善，还有一些问题需要进一步研究。
1) 带转换层结构的建筑抗震性能和抗震设计方法的研究
高层建筑中，建筑刚度的均匀性沿高度方向受转换层的影响很大，转换结构抗震性能变差。如何准确地建立带转换层的建筑在地震作用下的计算模型还有待研究。
2) 转换层中构件受力过度的研究
由于在转换层中的梁和柱都存在强弱之分，而以往对施工过程的模拟计算对比分析中均没有涉及。在设计时应注意结构内力变化，采取相应的设计措施，在施工阶段还应充分考虑转换构件的过度受力。
3) 转换层结构关于施工力学问题的研究
为保证转换层整体的承载力和刚度，其截面尺寸不可避免地又高又大，这就使得在施工时有一定的难度。
例如，某高层建筑高度88m，地下2层，采用框剪结构，首层层高6m，在二层楼面布置梁式转换层，板厚200mm，梁截面有1000mm×1800mm、1000mm×2200mm等。由于转换梁尺寸和自重很大，而且首层层高6m，高支模体系的稳定性如何保证就成为一个重要问题；转换梁配筋构造复杂，各构件连接和构造要求如何满足以确保工程质量需要细致考虑；钢筋密集加大了浇筑混凝土的困难，转换梁又有大体积混凝土的施工特点，确保转换层的混凝土质量亦是转换层施工的难点之一。
因此，在结构设计阶段应与施工时支模和拆模的方案一同考虑，建立与实际相符的力学分析模型，施工时注意钢筋连接和混凝土浇筑时易出现的问题，使设计和施工相统一并保证施工质量。
6结语
高层建筑结构的多样性使得转换层结构形式多种多样，而不同结构形式的转换层又有着各自不同的受力特点和适用范围。在研究中应结合各种转换层形式的特点，建立相应的计算和设计方法，尤其是带转换层结构高层建筑结构地震作用的计算模式。此外，高层建筑转换层结构在施工时有一定难度，在今后的研究工作中应结合转换结构施工时的受力特点，确立适当的力学模型，以指导施工工作。
参考文献：
[1]唐兴荣．高层建筑转换层结构设计与施工[M]. 北京：中国建筑工业出版社，2002.
[2] 中华人民共和国国家标准.《高层建筑混凝土结构技术规程》（JGJ-2002）[S].北京：中国建筑工业出版社，2002
[3] 于小虎．高层建筑厚板转换层混凝土施工技术研究[J]．建筑与发展，2010，05：81-82．
[4] 王后举．高层建筑转换层的发展现状与展望[J]．广东土木与建筑，2008，10：34-36．
注：文章內所有公式及图表请以PDF形式查看。
关键词： 高层建筑，转换层，布置原则
中图分类号： 中国图书馆分类法查询 文献标志码：A
Abstract: The engineering applications of the conversion layer today are developing towards the direction of verious forms,diverse methods and reasonable force. Due to the architectural and structural features of high-rise buildings, the conversion layer is divided into the form of a beam, truss, thick plate, box, giant frame, etc.The design methods for those conversion layers are different.In this paper, on the basis of previous studies,the function, form, features, layout principles of the conversion layer structures are summarized,and the problems to be solved in future research work are pointed out.
Keywords: high-rise building；conversion layer；layout principles
中图分类号：[TU208.3] 文献标识码：A 文章编号
1 引言
近年来高层建筑迅速发展，建筑物越建越高，越建越大。为给人们提供良好的生活和工作条件，高层建筑正向着形式多样、功能多样的方向发展。在同一座高层建筑中，功能要求沿建筑高度要发生变化：上部楼层一般布置住宅、旅馆，中部布置办公用房，而下部常用作餐馆、商店等文化娱乐设施；另一方面，高层建筑下部受力较大，上部受力相对较小，理论上结构布置应是下部结构刚度大，墙体多，柱网密集，自下至上逐渐减少墙体和柱的数量。这两方面使得结构的布置与建筑的功能在空间上恰好相反。为满足建筑功能要求，结构布置需与常规的布置相反，在下部布置大空间，上部布置小空间；上部布置刚度较大的剪力墙，而下部则布置刚度较小的框架柱。为实现此种布置，就须在结构变化的楼层设置转换构件形成转换层结构。
由于建筑对转换层结构的要求，转换层结构设计和施工的研究就必不可少。本文主要对转换层结构的功能、结构形式等进行归纳总结。
2 转换层功能
2．1 建筑功能
1) 为建筑室内提供较大空间
传统的剪力墙结构楼层适合布置住宅和旅馆的客房等房间，如需在建筑底部布置各种需要较大空间的房间时，可以通过转换层将部分剪力墙用框架柱代替，形成大空间框支剪力墙结构，以满足建筑功能要求。
2) 为建筑物提供较大的出入口
对于一些筒中筒结构的建筑，外框筒的柱距通常布置为3-4m，使得建筑无法设置较大的出入口。在建筑底部设置水平转换构件可以扩大底层柱距。
2．2 结构功能
1) 上下层结构形式转换
转换层可以将上部的剪力墙结构转换为下部的框架结构，形成较大的室内空间。这种转换层结构广泛地用于剪力墙和框架剪力墙结构中。
2) 上下层柱网、轴线的改变
转换层上下层结构形式不变，通过转换层扩大下部柱的柱距以形成大柱网。这种转换层结构用于外框筒底部来形成较大的出入口。
3) 结构形式和柱网轴线位置同时转换
转换层结构将上部剪力墙结构转换为框架结构的同时，上下层柱网轴线错开，形成错位布置。
3 转换层主要结构形式
1) 底部多层组成大空间的转换层
这种转换层最常见，一般有两种基本做法：
(1)转换层跨越建筑平面两端，荷载传递到支撑点上，此种做法称为桥式结构；
(2)转换层的中部支撑在强劲的筒体上，四周悬挑向外，以此形成底部大空间。
2) 外部组成大柱网的转换层
此种转换层一般用于筒中筒结构的外筒，以便在底部布置较大的出入口。
图1 传递竖向荷载的转换层结构体系
a梁柱体系；b,c,d桁架体系；e,f墙梁体系；
g格构式体系；h,i筒体体系；j箱梁体系
3．1 转换层结构形式分类及特点
按照上述结构形式，转换层可以分为梁柱体系转换层、桁架体系转换层（空腹桁架体系、斜杆桁架体系、混合桁架体系）、墙梁体系转换层等。
1) 梁式转换层
图2 梁式转换结构类型
梁式转换层结构是现代高层建筑中用来实现垂直方向转换的最常用结构形式。其传力途径采取墙或柱→转换梁→柱或墙的形式，传力直接、清楚、明确，便于进行工程计算、分析和设计，且造价较低，在实际工程中应用非常广泛。
实际应用中转换梁形式多样，按跨数可分为单跨、双跨和多跨；按上部墙体形式，可分为满跨和不满跨、开洞和不开洞、开门洞和开窗洞；从功能上，可分为托柱和托墙；按转换形式，可分为加腋和不加腋；按转换梁采用的材料，可分为钢筋混凝土、预应力混凝土、钢骨混凝土和钢结构等。
2) 桁架式转换层
在一些梁式转换层中，由于承托的上部层数比较多而且转换梁的跨度比较大，上部的柱传递给转换梁的荷载比较大，这就导致转换梁截面的尺寸偏大，实际实施起来很困难。而且采用转换梁也不利于布置大型管道等设备系统，不利于充分利用转换层建筑空间。理论分析和工程实践表明，采用桁架结构代替转换梁作为转换层结构是一种可行方案。
转换桁架可分为单层桁架和叠层桁架。
3) 厚板式转换层
当转换层上下部柱网轴线错开较多时，转换梁难以直接承托上部荷载，这时需要做成厚板结构，形成板式承台转换层。
厚板转换层可以给上部结构布置带来方便，但也使得板的传力途径变得不清楚，因而其受力非常复杂，计算相对困难，而且从受力角度考虑，往往需要柱与墙、柱与柱指尖配筋加强，相当于设置了暗梁，增加了配筋量。转换板的厚度一般很大，实际工程中可达到2.0-2.8m，重量和混凝土用量都很大，对下部垂直构件的强度和混凝土施工提出了较高的要求。而且相当于几层楼重量的厚板集中在结构中部，振动性能十分复杂，在地震作用下，地震反应强烈，不利于结构抗震。因此，采用这种厚板形式的转换层要慎重对待。
4) 箱型转换层
在有些情况下，建筑的转换梁可以与其上层和下层的厚楼板协同工作，组成了一种刚度很大的整体结构，这种结构称为箱型转换层。由于原有的上下部楼层和剪力墙对这种转换结构有加强作用，其平面内刚度介于单层梁板转換结构与厚板转换结构之间，在受力性能方面有很大的改善。
箱型梁是桥梁工程中的常见结构形式，但在房屋结构工程中很少使用。
5) 巨型框架结构转换层
巨型框架结构体系把结构中的框架设计为主框架和次框架。主框架是大型的跨层框架，每隔6-10层设一根大截面的框架
图3 巨型框架结构体系
a传统框架结构体系；b巨型框架结构体系
梁，每隔3-4个开间设一根大截面的框架柱。主框架大梁之间的楼层中再另设柱网尺寸较小的次框架，其仅负担这几层的竖向荷载，再将其传递给主框架的大梁，水平荷载通过各层楼盖直接传递到框架上。因次框架柱距和荷载小，又不用承担水平荷载，梁柱截面就可以做得很小，利于楼面合理使用。次框架均是独立的，因而柱网的形式及亦可以互不相同。巨型框架梁的本身就构成了结构转换层，因此，巨型框架结构是一种形式复杂的转换层结构。
巨型框架结构中，主框架的梁柱常采用实心截面。从经济和合理的角度来考虑，梁柱截面尺寸又不能做的很大。因此，这种结构抗水平荷载的能力有限，在台风和地震作用强烈的地区，建筑必须与抗震墙或筒体配合使用。
6) 预应力混凝土转换层
预应力技术可带来很多结构和施工上的优点，例如减小截面的尺寸、控制裂缝和挠度、控制施工阶段裂缝以及减轻支撑的负担等。因此预应力混凝土结构适合用于建造大荷载和大跨度的转换层。
预应力混凝土形式的转换层又可分为预应力混凝土转换梁式转换层、预应力钢骨混凝土转换梁式转换层、预应力混凝土曲线转换梁、预应力混凝土桁架转换层和预应力混凝土厚板转换层。
7) 其他结构形式转换层
其他结构形式的转换层还有错列桁架结构体系、错列墙梁结构体系、错列剪力墙结构体系、底部大空间剪力墙结构体系、底部大空间上层鱼骨式剪力墙结构体系和大底盘大空间剪力墙结构体系等。
4 转换层结构在高层建筑中的布置原则
4．1 转换层在高层建筑中的布置
一般来说，高层建筑下部的竖向结构体系或上下结构形式有较大的差异，或下部竖向结构轴线距离扩大或者上下部轴线错位时，必须在结构改变的楼层设置转换构件，即结构转换层。因此，转换构件可以根据建筑的功能和结构的传力需要沿高度的方向一处或多处灵活布置，且自身这个空间即可以作为正常的使用楼层，也可以作为技术设备层，但需确保转换层有足够的刚度来防止建筑沿竖向刚度悬殊。
当建筑的整体刚度可能不足时，在竖向的某部位设置加强层，结构整体的弯曲效应被人为地加强时，转换层可以同加强层和设备层一同考虑。
对于大底层多塔楼的建筑，塔楼转换层可以布置在裙房屋面处，并且增大梁和板的厚度和尺寸，避免建筑中部楼层的刚度特别小，减小地震危害。
对一些框剪结构的建筑，转换层高度应根据所在地区的地震烈度确定：在7度地区转换层高度宜低于第五层，8度地区则宜低于第三层。当与上述的规定不符时应做专门的研究并采用有效措施。
4．2 转换结构构件在平面上的布置
建筑内部要求尽量敞开自由空间时，转换梁可以沿横向或纵向平行布置；当纵横向需同时转换时，可布置双向梁；还可采用间隔布置；但要与相邻层错开布置；可以顺建筑平面柱网变化合理布置；相邻层可以互相垂直布置。上述方案的共同特点是须与相邻层的柱网统一考虑。
5 转换层结构研究中的问题
虽然目前应用转换层的实际工程比较多，但是对其性能研究还不完善，还有一些问题需要进一步研究。
1) 带转换层结构的建筑抗震性能和抗震设计方法的研究
高层建筑中，建筑刚度的均匀性沿高度方向受转换层的影响很大，转换结构抗震性能变差。如何准确地建立带转换层的建筑在地震作用下的计算模型还有待研究。
2) 转换层中构件受力过度的研究
由于在转换层中的梁和柱都存在强弱之分，而以往对施工过程的模拟计算对比分析中均没有涉及。在设计时应注意结构内力变化，采取相应的设计措施，在施工阶段还应充分考虑转换构件的过度受力。
3) 转换层结构关于施工力学问题的研究
为保证转换层整体的承载力和刚度，其截面尺寸不可避免地又高又大，这就使得在施工时有一定的难度。
例如，某高层建筑高度88m，地下2层，采用框剪结构，首层层高6m，在二层楼面布置梁式转换层，板厚200mm，梁截面有1000mm×1800mm、1000mm×2200mm等。由于转换梁尺寸和自重很大，而且首层层高6m，高支模体系的稳定性如何保证就成为一个重要问题；转换梁配筋构造复杂，各构件连接和构造要求如何满足以确保工程质量需要细致考虑；钢筋密集加大了浇筑混凝土的困难，转换梁又有大体积混凝土的施工特点，确保转换层的混凝土质量亦是转换层施工的难点之一。
因此，在结构设计阶段应与施工时支模和拆模的方案一同考虑，建立与实际相符的力学分析模型，施工时注意钢筋连接和混凝土浇筑时易出现的问题，使设计和施工相统一并保证施工质量。
6结语
高层建筑结构的多样性使得转换层结构形式多种多样，而不同结构形式的转换层又有着各自不同的受力特点和适用范围。在研究中应结合各种转换层形式的特点，建立相应的计算和设计方法，尤其是带转换层结构高层建筑结构地震作用的计算模式。此外，高层建筑转换层结构在施工时有一定难度，在今后的研究工作中应结合转换结构施工时的受力特点，确立适当的力学模型，以指导施工工作。
参考文献：
[1]唐兴荣．高层建筑转换层结构设计与施工[M]. 北京：中国建筑工业出版社，2002.
[2] 中华人民共和国国家标准.《高层建筑混凝土结构技术规程》（JGJ-2002）[S].北京：中国建筑工业出版社，2002
[3] 于小虎．高层建筑厚板转换层混凝土施工技术研究[J]．建筑与发展，2010，05：81-82．
[4] 王后举．高层建筑转换层的发展现状与展望[J]．广东土木与建筑，2008，10：34-36．
注：文章內所有公式及图表请以PDF形式查看。