新冠肺炎疫情背景下應急性建筑的結構設計實踐與思考

劉 挺， 王術春， 孫 娜， 和 超， 劉 芳

(中聯西北工程設計研究院有限公司， 西安 710077)

0 引言

在新冠肺炎疫情背景下，各地均采取措施積極應對。我國在疫情發展初期，為了提高收治率，緊急擴展醫療資源，全國多地新建了應急性傳染病醫院，典型工程有武漢火神山、雷神山醫院。

隨著疫情的發展，避免人員無序流動是政府采取的一項重要而有效的措施。為實現旅客流動形成閉環，人員輸送點對點，就需要在機場、高鐵站、客運站等交通樞紐設置專門的旅客分流轉運場所，典型工程有西安咸陽國際機場旅客應急分流轉運中心。

上述工程與“非典”時期建設的小湯山醫院類似，都屬于重大疫情期間的應急性建筑。

目前，我國的工程設計標準中沒有專門的應急性建筑設計標準，對該類建筑的結構設計的研究報道不多。《新型冠狀病毒感染的肺炎傳染病應急醫療設施設計標準》(T/CECS 661-2020)[1]對新冠肺炎傳染病應急醫療設施的設計做了規定，文獻[2]對武漢雷神山醫院結構設計做了介紹。

鑒于疫情期間上述應急性建筑發揮的重要作用，對這類建筑的結構設計特點、設計原則、設計流程及關鍵技術進行深入研究具有十分重要的意義。

本文以西安咸陽國際機場旅客應急分流轉運中心為例，對該項目的結構設計方案確定、參數取值等關鍵技術做了詳細介紹，對應急性建筑的結構設計特點及原則進行了分析與探討。

1 工程背景

為疏解北京的境外輸入性疫情防控壓力，西安作為第一入境點的指定城市之一，承接了部分目的地為北京的國際航班。

因原有旅客分流轉運中心場地受限，為防止旅客數量增加導致人流聚集的風險，當地疫情防控部門經過論證，在沒有合適的既有建筑可供改建的情況下，決定新建一處旅客分流轉運場所。

常規條件下，同等規模的建筑建設周期一般在四個月左右。為確保中央的防疫政策部署按計劃落實，要求該項目從開工到投入使用必須在7d內完成。因此，該項目的設計與施工均采取了非常規的措施。

2 工程概況

新建的旅客分流轉運中心位于西咸新區空港新城空港東三路東側，總建筑面積7 113m2。建設場地原狀為一塊足球場和兩塊籃球場，見圖1。

圖1 建設場地原狀

項目由緩沖區、分流區組成，功能包括：旅客緩沖區、旅客核酸檢測樣本采集、疑似或確診病例臨時隔離、旅客出行信息登記、按目的地分流轉運等候、轉運車輛停車區以及相應的生活配套設施。為降低病毒傳播風險，建筑流線布局借鑒了傳染病醫院的部分設計理念，并且在滿足遮陽擋雨的基礎上盡可能保持自然通風流暢。

圖2 工程效果鳥瞰圖

項目建成后將主要承擔國際航班中轉、省內航班旅客轉運分撥相關任務，圖2為工程效果鳥瞰圖。

3 結構設計

3.1 結構方案選型

常見的結構類型有混凝土結構、砌體結構、鋼結構等。鋼結構又包括鋼框架、門式剛架等。其中，門式剛架具有受力合理、裝配化程度高、運輸安裝便捷等優點，廣泛應用在輕型廠房等建筑結構中。

本項目根據建筑功能及疫情防控的需要，要求形成開敞的高大空間以利于空氣流通。綜合考慮施工條件、建筑材料采購、建設周期等因素，確定主體結構形式采用雙坡門式剛架，檐口標高7m，屋面坡度5%。建筑內部的辦公區、值班室、配電間、衛生間等功能房間均采用模塊化組裝的集裝箱箱式房。

3.2 結構設計使用年限及抗震設防分類標準

疫情防控指揮部門明確該建筑僅供疫情防控期間使用，為臨時性建筑，待疫情得到有效控制，入境航班旅客量減少后即被拆除，樂觀估計實際使用年限不超過半年，但考慮到疫情發展的不確定性，設計時使用年限按五年。

依據《建筑結構可靠性設計統一標準》(GB 50068—2018)[3]第3.2.1條及條文說明，建筑安全等級可定為三級，考慮到對旅客生命安全的保障以及項目的社會影響力較大，主體剛架設計時安全等級按二級，結構重要性系數取1.0。

依據《建筑工程抗震設防分類標準》(GB 50223—2008)[4]第2.0.3條及條文說明：“臨時性建筑通常可不設防”。又考慮到門式剛架屬輕型鋼結構房屋，自重小，同等場地條件下相較其他形式的結構抗震性能優越。因此，本項目結構設計時未考慮地震作用的影響。

3.3 荷載取值

荷載取值依據《建筑結構荷載規范》(GB 50009—2012)[5]及《門式剛架輕型房屋鋼結構技術規程》(GB 51022—2015)[6]的相關規定。本項目采用壓型鋼板輕型屋面，屋面無吊頂，無吊掛設備，屋面僅吊掛照明及部分電纜橋架，恒荷載取0.3kN/m2；一榀剛架受荷水平投影面積大于60m2，驗算主剛架時活荷載取0.4kN/m2，驗算檁條時活荷載取0.5kN/m2。

考慮到當地春夏兩季常出現強對流天氣，風荷載計算時基本風壓按50年一遇，取0.35kN/m2，地面粗糙度類別按B類。根據建筑條件，外圍護墻板大部分頂標高為2.4m，該標高以上開敞，部分跨間墻板封至屋面。因此，風荷載計算時體型系數分別按封閉式、部分封閉式取包絡。

本項目雖為臨時性建筑，但門式剛架輕型房屋鋼結構屋蓋較輕，屬于對雪荷載敏感的結構，雪荷載經常是控制荷載，因此，雪荷載計算時基本雪壓按100年重現期取值[6]，取0.3kN/m2。

3.4 地基基礎設計

依據《建筑地基基礎設計規范》(GB 50007—2011)[7]，地基基礎設計等級為丙級；依據《濕陷性黃土地區建筑標準》(GB 50025—2018)[8]，濕陷性黃土場地上的建筑物分類為丙類。

因項目的特殊性，先進行巖土工程勘察再開展結構設計工作不具備可行性。依據經驗并參考附近其他工程的地勘報告，推斷該場地基底標高處老土層應為濕陷性黃土，承載力特征值一般介于130～170kPa之間。

如嚴格按照《濕陷性黃土地區建筑標準》(GB 50025—2018)[8]的要求處理濕陷性，一方面處理標準及處理深度無法明確，另一方面增加的工程量勢必延長工期。綜合研判后，決定按如下方法進行地基基礎設計，采取防止基礎浸水的措施后不對場地土的濕陷性進行處理。

(1)要求施工單位對現場典型部位進行開挖并向設計反饋土層斷面情況，見圖3。據現場反饋，自地表向下分布土層分別為：60mm厚瀝青、200mm厚二灰石、700mm厚灰土、原始土層(黃土層)，假定的基礎底基本進入原始土層。

圖3 現場對場地進行開挖以探明土層分布

(2)基礎采用柱下獨立基礎，驗算時持力層承載力特征值按120kPa取值，不考慮深寬修正，基礎平面尺寸比計算值適當放大，盡量降低基底壓力。最終邊列柱基礎平面尺寸取2 000mm×2 000mm，中列柱基礎平面尺寸取1 500mm×1 500mm，基礎底標高均為-1.500m。

(3)為加快施工進度，基礎混凝土強度等級比計算值C30提高一個等級，采用C35，同時要求摻加早強劑，以利于混凝土盡早達到強度。

(4)屋面采用有組織排水，充分利用操場原有的排水明溝收集雨水，沿建筑四周外墻根部外擴約1 000mm范圍內鋪設防水卷材，減小地基基礎浸水的可能性。

3.5 上部結構設計

3.5.1 確定柱網

建設地點從表面上看非常平坦，適宜建筑，待施工單位進場開展作業后發現，場地下方管線縱橫交錯，存在供水、污水及航油管道，如不慎挖斷，有可能危及到機場的正常運轉。如此緊張的工期下，待機場地勤部門將管線資料匯總提交后再開展設計工作或者另行選址不具備可行性。

經各方協商后采取如下應對措施：1)機場相關部門在建設現場對管線進行探測，在地表放好線，明確可以開挖的范圍；2)結構工程師依據建筑功能提出結構平面布置初步方案；3)施工單位根據結構平面布置初步方案在現場放線復核，實時將基礎與管道碰撞信息進行反饋，再由結構工程師做出相應調整。按此方法經過多輪調整，方可確定柱網。

確定柱網尺寸時還考慮了如下因素：

(1)滿足建筑內部集裝箱房的擺放。集裝箱房的平面標志尺寸為3m×6m，如剛架任一方向的尺寸不合適，要么會使集裝箱房與剛架柱相碰撞，要么會使建筑功能分區劃分不合理，造成無用空間。

(2)權衡跨度大小。大跨度可減少柱列，可減少梁柱節點的焊接量，但梁、柱截面尺寸會更大，梁需要拼接后再吊裝，不僅增加現場吊裝難度，也不便于展開多個作業面。小跨度盡管會使柱列增加，但單根構件自重輕，構件加工、運輸、吊裝均相對容易，可多個區域同時開展施工，工廠加工時在柱頂梁下翼緣標高處焊上臨時小牛腿，梁柱焊接時更容易施焊。

(3)主剛架的跨數。如采用奇數跨，屋脊不在柱列上，中間跨的鋼梁需要拼接，相對來說，采用偶數跨將屋脊置于柱列上更便于施工。

綜合考慮各種因素，與施工單位密切溝通，經過多輪調整后最終確定：緩沖區為4跨，柱跨度分別為8，10，10，8m；分流區為6跨，柱跨度均為9m；兩個區柱距均為6m。

3.5.2 柱腳

門式剛架柱腳可按鉸接，也可按剛接，一般常用鉸接，通常為平板支座，設一對或兩對地腳錨栓，施工時需待基礎施工完畢后方可吊裝主體剛架，對預埋錨栓的定位精度要求較高，在梁、柱、支撐系統整體施工完畢前為不穩定體系，需采取措施保證結構的穩定性，從而會導致施工周期較長。

經與施工方會商，本工程柱腳按剛接，采用埋入式。柱腳埋入深度取3倍的柱截面高度，埋入段柱翼緣設抗剪栓釘以增強鋼柱與混凝土基礎短柱的共同受力作用。鋼柱吊裝至基坑后，在地坪處采用兩道型鋼將柱根部夾緊固定，并在柱半高處四個方向設臨時支撐確保柱子的垂直度及穩定性，見圖4。按此方法，基礎混凝土澆筑、鋼梁及屋面系統吊裝焊接可穿插進行，互不影響，大大縮短了工期。

圖4 鋼柱臨時支撐措施

3.5.3 梁柱節點連接方式

鋼結構中常用的梁柱節點連接方式有全焊接、全螺栓連接及栓焊混合連接。全焊接連接方式對現場施焊人員的操作水平要求較高，一般質量不易保證，在常規的鋼結構工程中不是首選的方案。全螺栓連接對梁、柱安裝精度要求較高，稍有偏差，螺栓孔有可能無法對位，在現場進行整改難度較大。因此，常規的鋼結構設計梁柱節點連接方式以栓焊混合居多。

本項目如采用螺栓連接，施工方擔心現場安裝時螺栓孔無法精確對位的概率較高，會嚴重影響工期。因此，要求梁柱連接方式采用全焊接。

3.5.4 主體剛架驗算

常規的結構設計流程為結構工程師根據確定好的設計條件及建筑資料，對梁、柱截面進行計算，并不斷優化調整，直至各項指標滿足規范要求，并且將應力比控制在經濟合理的范圍內。施工單位再根據設計圖紙進行材料采購、加工及現場施工。應急性建筑的結構設計，采用上述設計流程顯然不能滿足建設工期的需要。

本項目初期，設計方與施工方充分溝通，由施工方提供其短時間內可采購到貨的梁、柱、檁條等結構構件的規格，見表1。

結構構件的規格 表1

圖5 主體剛架計算簡圖

緩沖區、分流區各取一榀剛架進行驗算，剛架簡圖見圖5。計算程序采用PKPM V4.3.4軟件，計算結果顯示各項指標均滿足《門式剛架輕型房屋鋼結構技術規范》(GB 51022—2015)[6]要求。緩沖區鋼梁最大應力比為0.74，鋼柱最大應力比為0.18；分流區鋼梁最大應力比為0.62，鋼柱最大應力比為0.20。

3.5.5 柱間支撐

緩沖區在兩側邊列柱的兩端第二個開間共設置4道柱間支撐，分流區在兩側邊列柱、中列柱的兩端第二個開間、中間開間共設置12道柱間支撐。柱間支撐均采用張緊的φ30圓鋼交叉型支撐。

3.6 溝通與協調

應急性建筑的建設過程中，建立高效便捷的溝通與協調機制具有非常重要的意義。

本項目前期，施工方派代表進駐設計院。首先，可以將現場施工條件實時向設計師反饋，以利于設計師根據現場客觀條件調整設計方案。其次，對設計方案的落地性及可操作性可以及時探討，及時確認，避免設計返工。此外，還可及時將設計成果傳送至施工現場，確保邊設計、邊施工模式下現場不窩工。

圖6 分流區室內實景

項目后期，設計成果提交后再由設計師進駐施工現場進行配合，及時發現了諸如柱間支撐影響房間門開啟、梁柱節點焊接時梁上下翼緣未按圖紙要求采用全熔透坡口焊等問題，在現場及時出具解決方案，避免了不必要的返工，對確保項目按期交付發揮了重要作用。

經各參建方通力合作，本項目從開工到交付僅用了5d時間，比原計劃提前2d，對于落實中央決策部署，有效控制人員流動，防止新冠肺炎疫情傳播發揮了重要作用。圖6為分流區建成后室內實景。

4 對應急性建筑的結構設計特點及原則的思考

通過本工程的實踐，筆者認為應急性建筑的結構設計特點及原則與常規條件下的結構設計存在諸多差異，本文對此做了深入分析與思考。

4.1 對應急性建筑的理解

何謂應急性建筑，現階段尚未有確切的定義。筆者認為，相對于常規建筑，應急性建筑是指在發生重大自然災害、大規模傳染病疫情等特殊時期，由政府主導，為了應對突發公共事件而需要在極短時間內投入使用的、具備特定功能的建筑。

同時，筆者認為應急性建筑不能等同于常規條件下工期較為緊張的臨時性建筑。

4.2 應急性建筑的結構設計特點

與常規條件下的結構設計相比，應急條件下的結構設計具有如下特點：

(1)應急性建筑是特殊時期、特定條件下的產物，一般服役期較短。因此結構設計使用年限、抗震性能目標、地基基礎設計等級指標可參照現行標準中臨時性建筑的要求確定。

(2)應急性建筑因其特殊的用途，需要在短時間內投入使用，建造工期極為苛刻。同時，防疫性的應急性建筑建成后，施工人員再次進行維護的風險較大，一般較為困難。因此結構設計時，在保證安全的前提下，結構類型的選擇、節點形式、建筑材料的選擇以及各項技術措施等均需通盤考慮，既要保證建造快捷，突出應急的性質，又要盡量做到后期免維護。

(3)應急性建筑往往具有較高的社會關注度及影響力。例如，武漢雷神山、火神山醫院建設過程中，“云監工”使得建設現場一覽無余；西安咸陽國際機場旅客應急分流轉運中心建造過程中，受到省內主流媒體廣泛關注。

(4)應急性建筑結構設計時，建設場地地形圖、管線資料、地質勘察報告往往無法得到完善提供，建筑物的定位、柱網的確定需要與施工現場緊密配合，反復調整。地基基礎的設計需要結合當地的習慣做法并依據經驗確定，需要設計人具備豐富的工程實踐經驗。

(5)應急性建筑的結構設計，需要各參建單位緊密配合，需要建立高效便捷的溝通機制，需要由政府主導，發揮社會主義制度優越性，可以在短時間內調動優質資源。

4.3 應急性建筑的結構設計原則

《混凝土結構設計規范》(GB 50010—2010)[9]指出“安全、適用、經濟”為混凝土結構設計的原則；《鋼結構設計標準》(GB 50017—2017)[10]指出“技術先進、安全適用、經濟合理、保證質量”為鋼結構設計的原則。常規條件下的結構設計均應遵循上述原則。

基于應急性建筑的特點，筆者認為，采用上述原則指導應急性建筑的結構設計不完全適宜。

應急性建筑建造工期短，留給設計的周期更短，進行多種方案比選幾乎不可能。構件截面不是依據計算結果優化調整得出，而是根據施工單位可以在短時間內大量采購到貨的材料進行反算驗證。因此難以做到“經濟合理”。

此外，應急性建筑苛刻的建造工期需要結構設計師選用的節點連接方式、柱腳形式、樓屋蓋等技術措施不必是最先進的，但必須保證現場操作簡便，可快速安裝并且在使用階段盡量少維護。

無論是常規建筑還是應急性建筑，安全以及滿足建筑的使用功能是結構設計的基本要求，并且這一原則始終應排在首位。

基于上述分析，筆者認為，應急性建筑的結構設計應以“安全適用、建造快捷、便于維護”為原則。

5 結語與建議

本文對西安咸陽國際機場旅客分流轉運中心工程結構設計做了詳細介紹，對應急性建筑的結構設計特點進行了分析探討，提出應急性建筑的結構設計應以“安全適用、建造快捷、便于維護”為原則。

現行的建設工程法規條例均明確規定不適用于搶險救災及其他臨時性房屋建筑，造成應急性建筑的建設缺乏相應的法律依據及監管。鑒于應急性建筑在歷次重大災害或者疫情期間發揮的作用，筆者認為應完善相應的法律法規，確保應急性建筑建設的合法合規性。應建立專門的應急性建筑設計與建造標準，確保這類建筑的技術可靠性。

致謝：本工程在設計時，得到了許惠雯高級工程師及竇鵬高級工程師的指導與幫助，特此致謝。