暖通空調(diào)系統(tǒng)抗震支吊架設(shè)置思考

沈雪峰

同濟大學建筑設(shè)計研究院（集團）有限公司

0 引言

建筑工程抗震包括建筑結(jié)構(gòu)抗震、建筑非結(jié)構(gòu)構(gòu)件抗震、建筑機電設(shè)備抗震三個方面的工作內(nèi)容。我國建筑結(jié)構(gòu)抗震和建筑非結(jié)構(gòu)構(gòu)件抗震相關(guān)研究起步較早，相關(guān)設(shè)計、施工、鑒定已有較完備的標準規(guī)范文件，而隨著GB50981-2014《建筑機電工程抗震設(shè)計規(guī)范》于2015 年8 月1 日起正式實施，建筑機電設(shè)備抗震措施方才普遍地、成體系地在建筑工程中落實。建筑機電抗震措施主要包括合理規(guī)劃管線設(shè)備安裝位置、避免設(shè)備位移或傾倒、控制管線位移及因位移造成的接口破壞等，抗震支吊架作為控制吊裝設(shè)備、管線水平位移的裝置自其概念首次被GB50981 規(guī)范引入后，于2015 年起在建筑工程中被廣泛應用。

作為建筑機電的重要組成部分，暖通空調(diào)系統(tǒng)中空調(diào)通風及防排煙設(shè)備數(shù)量繁多，空調(diào)通風風管、防排煙風管、空調(diào)水管工程量巨大，抗震支吊架用量也較大，在暖通空調(diào)系統(tǒng)抗震支吊架設(shè)計及施工安裝中發(fā)現(xiàn)標準規(guī)范之間對接匹配的問題、規(guī)范條文本身合理性的問題，值得探討和研究。

1 抗震支吊架設(shè)置的規(guī)范要求及實施情況

《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》GB50011-2010（2016 年版）適用于抗震設(shè)防烈度為6 度至9 度地區(qū)建筑工程抗震設(shè)計，確定了抗震設(shè)計減輕地震破壞、防止次生傷害、避免人員傷亡、減少經(jīng)濟損失的原則，對包括暖通空調(diào)系統(tǒng)在內(nèi)的建筑機電設(shè)備要求“自身及其與結(jié)構(gòu)主體的連接，應進行抗震設(shè)計”，且明確“非結(jié)構(gòu)構(gòu)件的抗震設(shè)計，應由相關(guān)專業(yè)人員分別負責進行”[1]。相關(guān)規(guī)范條文在《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》GB50011-2001 版本中即已存在，但因具體條文主要為原則性要求，包括暖通空調(diào)系統(tǒng)的建筑機電設(shè)備，在GB50981-2014 實施前極少有進行相關(guān)抗震設(shè)計的情況。

《建筑機電工程抗震設(shè)計規(guī)范》GB50981-2014 適用于抗震設(shè)防烈度為6 度至9 度地區(qū)建筑機電工程抗震設(shè)計，第1.0.4 條要求“抗震設(shè)計烈度為6 度及6 度以上地區(qū)的建筑機電工程必須進行抗震設(shè)計”并作為強制性條文執(zhí)行。該規(guī)范對暖通空調(diào)系統(tǒng)提出了具體的抗震設(shè)計措施要求，明確了抗震支吊架設(shè)置的范圍，并規(guī)定了抗震支吊架形式、設(shè)置間距及數(shù)量。該規(guī)范第5.1.4 條為強制性條文：“防排煙風道、事故通風風道及相關(guān)設(shè)備應采用抗震支吊架”。同時要求應設(shè)置抗震支吊架或抗震支撐的對象包括：鍋爐房、制冷機房、熱交換站內(nèi)的暖通水管道，吊裝、重量大于1.8kN的空調(diào)機組、風機等設(shè)備；要求可設(shè)置抗震支吊架或抗震支撐的對象包括矩形截面面積大于等于0.38 m2和圓形直徑大于等于0.70 m 的風道；對冷熱源機房以外的空調(diào)水管未提及抗震支吊架設(shè)置要求[2]。

與GB50981-2014 匹配，城鎮(zhèn)建設(shè)行業(yè)標準《建筑機電設(shè)備抗震支吊架通用技術(shù)條件》CJ/T476-2015 規(guī)定了建筑機電設(shè)備抗震支吊架的術(shù)語和定義、分類和標記、材料、要求、試驗方法、檢驗規(guī)則、標準、包裝、運輸和貯存等。中國工程建設(shè)協(xié)會標準《抗震支吊架安裝及驗收規(guī)程》CECS420-2015 規(guī)定了抗震支吊架安裝及驗收的相關(guān)要求。國家建筑標準設(shè)計圖集《裝配式管道支吊架（含抗震支吊架）》18R417-2 提供了裝配式抗震吊架做法及選型方案，適用于抗震設(shè)防烈度6～8 度地區(qū)、管徑≤DN300 的空調(diào)冷熱水管、供暖熱水管道[3]。國家建筑標準設(shè)計圖集《金屬、非金屬風管支吊架（含抗震支吊架）》19K112 提供了風管抗震支吊架做法及選型方案，適用于抗震設(shè)防烈度小于等于8 度地區(qū)、直徑不大于2000 mm 的圓形風管或長邊不大于2000 mm 的矩形風管[4]。

自《建筑機電工程抗震設(shè)計規(guī)范》GB50981-2014于2015 年8 月1 日正式實施，得益于規(guī)范標準可實施性較強，同時受強制性條文約束的影響，抗震支吊架在暖通空調(diào)系統(tǒng)中得到了廣泛而普遍的應用，并主要應用于防排煙風道、事故通風風道及相關(guān)設(shè)備。暖通空調(diào)系統(tǒng)中幾種常見抗震支吊架工程應用場景如圖1～3 所示。

圖1 風管側(cè)向抗震支吊架

2021 年4 月9 日發(fā)布并已于2022 年1 月1 日實施的強制性工程建設(shè)規(guī)范《建筑與市政工程抗震通用規(guī)范》GB55002-2021 第5.1.12 條規(guī)定“建筑的非結(jié)構(gòu)構(gòu)件及附屬機電設(shè)備，其自身及與結(jié)構(gòu)主體的連接，應進行抗震設(shè)防”，而《建筑機電工程抗震設(shè)計規(guī)范》GB50981-2014 第1.0.4 條、第5.1.4 條強制性條文隨GB55002-2021 實施同時廢止。考慮相關(guān)條文廢止主要出于規(guī)范工程建設(shè)標準化體系的目的，在《建筑機電工程抗震設(shè)計規(guī)范》GB50981 版本更新發(fā)布之前，抗震支吊架在暖通空調(diào)系統(tǒng)中仍維持原設(shè)置要求。

圖2 風管雙向抗震支吊架

圖3 風機雙向抗震支吊架

2 暖通空調(diào)系統(tǒng)抗震支吊架設(shè)置應用現(xiàn)狀

暖通空調(diào)系統(tǒng)抗震支吊架設(shè)計工作內(nèi)容包括確定設(shè)計標準和設(shè)置范圍、選型應力計算、點位布置等。目前較為普遍的實施方式是由項目設(shè)計單位暖通專業(yè)確定設(shè)計標準和設(shè)置范圍，后續(xù)由抗震支吊架專業(yè)生產(chǎn)廠家或其關(guān)聯(lián)設(shè)計單位深化設(shè)計并完成相關(guān)計算及點位布置圖紙，深化設(shè)計成果提交設(shè)計單位審核確認后，由專業(yè)生產(chǎn)廠家供貨，最終安裝工作由專業(yè)生產(chǎn)廠家或項目安裝單位實施。

該實施方式基于現(xiàn)行規(guī)范要求及設(shè)計行業(yè)現(xiàn)狀產(chǎn)生，有其合理性，主要原因在于根據(jù)GB50981-2014第8.1.2 條要求，“組成抗震支吊架的所有構(gòu)件應采用成品構(gòu)件”，而不同生產(chǎn)廠家的產(chǎn)品存在一定的差異，相關(guān)圖集選型做法也僅基于有限類型產(chǎn)品，根據(jù)《中華人民共和國建筑法（2019 年修訂）》第五十七條的規(guī)定，項目設(shè)計單位設(shè)計人員不能根據(jù)規(guī)范、圖集直接選用最終采購應用的產(chǎn)品，而必須待抗震支吊架產(chǎn)品采購意向確定后由專業(yè)生產(chǎn)廠家參與深化設(shè)計。不過，近年來工程應用中也發(fā)現(xiàn)了專業(yè)生產(chǎn)廠家深化設(shè)計模式存在的一些問題。因抗震支吊架招標后才能進行深化設(shè)計，招標時尚無精確的工程量清單，采用單價合同形式時往往存在過度設(shè)計的問題，而采用總價合同形式時又容易出現(xiàn)質(zhì)量難以保證的情況[5]。

3 問題及思考

3.1 抗震支吊架設(shè)置范圍與抗震設(shè)防標準的關(guān)系

暖通空調(diào)系統(tǒng)包含眾多類型的設(shè)備管線，管線種類包括空調(diào)冷熱水管、冷卻水管、空調(diào)風管、平時通風風管、事故通風風管、防排煙系統(tǒng)風管等，設(shè)備種類包括空調(diào)末端設(shè)備、平時通風設(shè)備、事故通風設(shè)備、防排煙風機等。根據(jù)《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》GB50011-2010（2016 年版）附錄A，我國各縣級及縣級以上主要城鎮(zhèn)中心地區(qū)抗震設(shè)防烈度均在6 度及以上，《建筑機電工程抗震設(shè)計規(guī)范》GB50981-2014 規(guī)定的暖通空調(diào)系統(tǒng)抗震支吊架設(shè)置范圍與建筑自身抗震設(shè)防類別無關(guān)，也與地區(qū)抗震設(shè)防烈度無關(guān)，抗震設(shè)防標準的差異僅體現(xiàn)在抗震支吊架間距計算和地震作用力計算兩個方面。

抗震設(shè)防標準根據(jù)建筑所在地區(qū)的抗震設(shè)防烈度和建筑自身的抗震設(shè)防類別確定。根據(jù)國務院令第744 號文及《建筑工程抗震設(shè)防分類標準》GB50223-2008 相關(guān)條文，根據(jù)使用功能以及在抗震救災中的作用等因素，建筑工程分為特殊設(shè)防類、重點設(shè)防類、標準設(shè)防類、適度設(shè)防類共四個抗震設(shè)防類別，簡稱甲類、乙類、丙類、丁類。甲類、乙類建筑抗震設(shè)防標準“應按高于本地區(qū)抗震設(shè)防烈度一度的要求加強其抗震措施”，丙類建筑抗震設(shè)防標準“應按本地區(qū)抗震設(shè)防烈度確定其抗震措施”，丁類建筑抗震設(shè)防標準“允許比本地區(qū)抗震設(shè)防烈度的要求適當降低其抗震措施”[6]。

從采取抗震措施的目的角度考慮，抗震支吊架設(shè)置范圍應根據(jù)地區(qū)抗震設(shè)防烈度和建筑抗震設(shè)防類別兩方面因素綜合確定差異化的分級標準，即結(jié)合地區(qū)抗震設(shè)防烈度、建筑自身抗震設(shè)防類別兩方面進行考慮。以醫(yī)院建筑為例，為保證其防災救災功能的可靠性，對抗震設(shè)防烈度較高地區(qū)、劃為特殊設(shè)防類的三級醫(yī)院的門診、醫(yī)院、住院用房，暖通空調(diào)系統(tǒng)抗震支吊架設(shè)置范圍建議覆蓋空調(diào)冷熱水管、空調(diào)通風風管，以降低因地震破壞導致的系統(tǒng)受損程度、減少災后維修恢復的工作量，而非僅針對防排煙系統(tǒng)、事故通風系統(tǒng)設(shè)置。對于地區(qū)抗震設(shè)防烈度較低的適度設(shè)防類建筑，也宜相應適度降低抗震支吊架的設(shè)置范圍要求。

3.2 抗震支吊架設(shè)置方位

暖通空調(diào)系統(tǒng)中抗震支吊架設(shè)置范圍，除按系統(tǒng)分類進行考慮外，建議基于避免人員傷亡的原則，增加人員疏散逃生通道上方管線的抗震措施。《建筑機電工程抗震設(shè)計規(guī)范》GB50981-2014 要求重量大于180 kg 的空調(diào)機組、風機等設(shè)備避免設(shè)置在人員活動和疏散通道位置的上方，而對于大口徑空調(diào)冷熱水管、冷卻水管未提及抗震措施。大口徑水管在充水狀態(tài)下重量較大，以Φ530×12 規(guī)格保溫水管為例，管道滿水含保溫重量達332 kg/m，且在工程中水管路由很難避開疏散位置。針對這種情況，建議參照給水排水系統(tǒng)管道抗震設(shè)計要求，在抗震設(shè)計標準較高的項目中對大口徑空調(diào)冷熱水管、冷卻水管設(shè)置抗震支吊架或采取其他有效抗震措施。

3.3 抗震支吊架與既有支吊架體系之間的關(guān)系

支吊架用于支承管道、設(shè)備并與結(jié)構(gòu)主體連接，承受來自各方的力和力矩。暖通空調(diào)系統(tǒng)中應用到眾多類型的支吊架，根據(jù)其使用用途可分為抗震支吊架、固定支吊架、承重支吊架、滑動支吊架、導向支吊架和防晃支吊架等不同類型，各類型支吊架用途見表1。

表1 暖通空調(diào)系統(tǒng)支吊架分類

基于承受荷載的能力，同一支吊架具備同時滿足不同用途的可能。引入抗震支吊架概念之前的既有支吊架體系也能夠滿足部分情況下抗震支撐的需求，如國標圖集《室內(nèi)管道支架及吊架》03S402 中的支吊架已按地震設(shè)防烈度≤8 度計算荷載設(shè)計[7]。固定支吊架承受管道膨脹收縮產(chǎn)生的推力，該推力往往遠大于管道重力荷載和地震力荷載，即便考慮不同類型荷載同時綜合作用，大部分情況下固定支吊架也能夠同時滿足抗震支吊架、承重支吊架和防晃支吊架的功能，在復核滿足地震力荷載要求的情況下，理應可以替代相應部位的抗震支吊架。對防晃支吊架，抗震支吊架也能滿足防晃功能，根據(jù)《通風與空調(diào)工程施工質(zhì)量驗收規(guī)范》GB50243-2016 相關(guān)條文，暖通空調(diào)系統(tǒng)“懸吊的水平主、干風管直線長度大于20 m 時，應設(shè)置防晃支架或防止擺動的固定點”，“冷（熱）媒水、冷卻水系統(tǒng)管道機房內(nèi)總、干管的支、吊架，應采用承重防晃管架”，“當水平支管的管架采用單桿吊架時，應在系統(tǒng)管道的起始點、閥門、三通、彎頭處及長度每隔15 m 處設(shè)置承重防晃支、吊架”[8]，建議當相應風管、空調(diào)水管有抗震支吊架設(shè)置要求時，防晃支吊架與抗震支吊架合并設(shè)置。

抗震支吊架設(shè)置的思路應在既有支吊架體系基礎(chǔ)上對不滿足地震荷載作用的局部部位進行補強設(shè)計，保證抗震功能的同時避免過度冗余設(shè)置。現(xiàn)行《建筑機電工程抗震設(shè)計規(guī)范》GB50981-2014 要求組成抗震支吊架所有構(gòu)件采用成品構(gòu)件，這對利用其它能滿足抗震功能要求的支吊架作為抗震支撐制造了設(shè)計標準上的困難，導致暖通空調(diào)系統(tǒng)在既有支吊架體系外整體增設(shè)抗震支吊架，造成不必要的重復投資。在各支吊架相關(guān)規(guī)范標準更新前，暖通空調(diào)系統(tǒng)各類支吊架設(shè)置可在規(guī)范允許的尺度范圍內(nèi)合理規(guī)劃搭配，同時，支吊架整體應用研究、復合功能支吊架開發(fā)和規(guī)范標準的優(yōu)化更新都是行業(yè)內(nèi)應該關(guān)注的內(nèi)容。

3.4 抗震支吊架形式

建筑機電抗震設(shè)計應根據(jù)工程條件和系統(tǒng)抗震需要選擇最合理的抗震措施和抗震支吊架形式。能夠滿足抗震支承要求的支吊架具體的形式、材質(zhì)是多種多樣的，以日本《建筑設(shè)備耐震設(shè)計·施工指針2014 年版》為例，其水平管道抗震措施章節(jié)列舉了13 種抗震支撐做法，除利用穿越結(jié)構(gòu)梁、墻位置方式外，其余均為支吊架做法，而所用材料主要為角鋼、槽鋼和螺紋鋼筋拉索等[9]。目前，《建筑機電工程抗震設(shè)計規(guī)范》GB50981-2014 要求組成抗震支吊架所有構(gòu)件采用成品構(gòu)件，將抗震支吊架作為一種產(chǎn)品，而相關(guān)配套設(shè)計圖集也均采用裝配式支吊架產(chǎn)品，一方面，這種認定方式適應了發(fā)展裝配式建筑的產(chǎn)業(yè)政策，促進了裝配式抗震支吊架產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，但另一方面，對控制工程成本、提高創(chuàng)新熱情可能存在不利影響。因此，建議規(guī)范標準及相關(guān)圖集在提高裝配式抗震支吊架應用便利性的同時，允許更多形式的抗震支吊架做法，以期根據(jù)不同位置管線設(shè)備受力情況采取最合理的抗震措施，不斷提高建筑機電抗震的水平、促進安裝施工工藝的發(fā)展。

4 結(jié)語

自建筑機電抗震設(shè)計首部規(guī)范實施以來，暖通空調(diào)系統(tǒng)抗震設(shè)計得到了很大重視，系統(tǒng)抗震水平也得到了提高。在已取得成果的基礎(chǔ)上，結(jié)合工程應用中發(fā)現(xiàn)的問題，建議根據(jù)地區(qū)抗震設(shè)防烈度和建筑抗震設(shè)防類別綜合考慮確定抗震支吊架設(shè)置范圍，結(jié)合抗震需求進一步研究抗震支吊架設(shè)置范圍和方位、做法形式，并結(jié)合抗震支吊架和既有支吊架形式研究支吊架體系整體應用、開發(fā)復合功能支吊架，優(yōu)化完善相關(guān)規(guī)范標準，進一步提升暖通空調(diào)系統(tǒng)抗震水平。