醫(yī)院建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要點(diǎn)及探討

陳志權(quán)

1 項(xiàng)目基本情況

某醫(yī)院遷建項(xiàng)目擬建成擁有醫(yī)療、教學(xué)、科研等功能的三級(jí)綜合性公立醫(yī)院，該遷建項(xiàng)目的參考標(biāo)準(zhǔn)為國(guó)際醫(yī)療衛(wèi)生機(jī)構(gòu)認(rèn)證聯(lián)合委員會(huì)（Joint Commission on Accreditation of Healthcare Organizations，JCI）制訂標(biāo)準(zhǔn)，建設(shè)目標(biāo)為節(jié)能環(huán)保智慧型醫(yī)院。

該項(xiàng)目的一期門(mén)診醫(yī)技病房綜合樓，可以劃分為提供給病患的病房樓與提供給醫(yī)護(hù)人員的門(mén)診醫(yī)技樓。對(duì)于病房樓，在平面設(shè)計(jì)中擁有137 m的最大曲線長(zhǎng)度，而對(duì)于門(mén)診醫(yī)技樓平面設(shè)計(jì)最大曲線長(zhǎng)度為210 m。樓板中間位置呈東西向布設(shè)，總長(zhǎng)度為160 m，大于《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB 50010—2010）中對(duì)于伸縮縫最大間距的相關(guān)規(guī)定。

2 醫(yī)院建筑結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)

2.1 病房樓結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)

為有效降低結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)產(chǎn)生的扭轉(zhuǎn)影響，該項(xiàng)目的北側(cè)決定使用懸臂式擋土墻設(shè)計(jì)，結(jié)合增加縫隙工藝，合理規(guī)避主體結(jié)構(gòu)兩側(cè)承受的壓力不相等的情況，提高病房樓結(jié)構(gòu)抗扭轉(zhuǎn)性能，如圖1 所示。

圖1 懸臂式擋土墻示意圖（來(lái)源：網(wǎng)絡(luò)）

病房樓平面設(shè)置成扇形，平面曲線平均長(zhǎng)度為131 m，寬度為23.2 m，結(jié)構(gòu)總高度為83.2 m。根據(jù)醫(yī)院建筑應(yīng)用功能與高層建筑抗震標(biāo)準(zhǔn)，使用現(xiàn)澆鋼筋混凝土框架—剪力墻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)抗側(cè)結(jié)構(gòu)體系。在醫(yī)院建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，由于要求南北立面的房間外墻設(shè)置成玻璃幕墻，所以在設(shè)置剪力墻時(shí)，選擇在結(jié)構(gòu)中部位置設(shè)置剪力墻。又考慮到病房樓的結(jié)構(gòu)平面存在偏心與扭轉(zhuǎn)效應(yīng)，需要降低偏置樓的數(shù)量，合理控制電梯筒剪力墻厚度。在剪力墻剛度設(shè)置方面，需要減弱中部、強(qiáng)化兩端。這意味著需要通過(guò)降低病房樓結(jié)構(gòu)偏心，減少結(jié)構(gòu)的扭轉(zhuǎn)效應(yīng)[1]。

對(duì)于病房樓結(jié)構(gòu)側(cè)向剛度，需要遵循下大上小的標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行合理控制，即病房樓柱墻混凝土強(qiáng)度等級(jí)最下部為C50，最上部為C35，中間位置進(jìn)行均勻調(diào)整。最下部的框架柱截面為1000 mm×1000 mm，最上部框架柱截面為700 mm×700 mm，確保病房樓結(jié)構(gòu)剛度實(shí)現(xiàn)均勻調(diào)整，提升病房樓結(jié)構(gòu)的抗震水平。在設(shè)置超筋連梁時(shí)，選擇雙連梁設(shè)計(jì)模式，也可以考慮使用型鋼進(jìn)行連接[2]。

2.2 門(mén)診醫(yī)技樓結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)

對(duì)于門(mén)診醫(yī)技樓，采用扇形平面設(shè)計(jì)模式，平面最大曲線長(zhǎng)度可達(dá)210 m，寬度為111 m，結(jié)構(gòu)總高度為29.2 m。在設(shè)計(jì)門(mén)診醫(yī)技樓結(jié)構(gòu)時(shí)，可設(shè)置2 個(gè)設(shè)計(jì)方案。

2.2.1 門(mén)診醫(yī)技樓結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案一

鋼筋混凝土框架體系。門(mén)診醫(yī)技樓在水平地震影響下，產(chǎn)生的位移是影響框架柱規(guī)格與框架梁截面規(guī)格的重要因素。經(jīng)過(guò)計(jì)算后發(fā)現(xiàn)，門(mén)診醫(yī)技樓結(jié)構(gòu)中的柱、梁擁有較大的規(guī)格，會(huì)影響門(mén)診醫(yī)技樓的使用功能，并且需要受到較大的扭轉(zhuǎn)效應(yīng)。在一定的水平力條件下，門(mén)診醫(yī)技樓樓層的最大彈性水平位移，將會(huì)超過(guò)1.2 倍的兩端彈性水平位移[3]。

2.2.2 門(mén)診醫(yī)技樓結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案二

混凝土框架-剪力墻體系。因?yàn)殚T(mén)診醫(yī)技樓擁有較多采光井，采用方案二可以穩(wěn)定提升結(jié)構(gòu)安全水平。可以選擇簡(jiǎn)體模式的剪力墻，確保剪力墻可以達(dá)到互相支撐的效果，在后續(xù)使用中可以實(shí)現(xiàn)互相約束，為門(mén)診醫(yī)技樓結(jié)構(gòu)提供更大的剛度。根據(jù)數(shù)據(jù)分析，門(mén)診醫(yī)技樓結(jié)構(gòu)可以考慮使用框架-剪力墻體系，合理提升門(mén)診醫(yī)技樓的抗震強(qiáng)度。

2.3 門(mén)診醫(yī)技樓弱連接抗震設(shè)計(jì)

對(duì)于門(mén)診醫(yī)技樓門(mén)診建筑部分與建筑醫(yī)技部分存在單跨框架的弱連接部位，需要針對(duì)樓板部位做相應(yīng)的彈性分析。通過(guò)分析數(shù)據(jù)，決定調(diào)整樓板厚度，即提升0.25%的樓板通長(zhǎng)配筋率。將弱連接部位的框架梁、框架柱的抗震等級(jí)提升一個(gè)級(jí)別，再做相應(yīng)的中震彈性數(shù)據(jù)分析，保證弱連接部位擁有相匹配的中震抗剪彈性，以此提升門(mén)診醫(yī)技樓的抗震性能[4]。

2.4 門(mén)診醫(yī)技樓入口位置抗震設(shè)計(jì)

為有效提升門(mén)診醫(yī)技樓施工建設(shè)效果，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，需在門(mén)診醫(yī)技樓入口處，設(shè)置高度為19.8 m 的躍層柱，確保躍層柱可達(dá)到預(yù)期的使用效果。

整理并分析地震條件下的躍層柱結(jié)構(gòu)彈性數(shù)據(jù)后，最終決定躍層柱結(jié)構(gòu)采用型鋼混凝土。盡管型鋼混凝土結(jié)構(gòu)的抗震性能較好，但是在施工流程、工藝等方面較為復(fù)雜，要做必要的可行性分析。躍層柱的型鋼混凝土框架柱規(guī)格為700 mm×1000 mm，使用規(guī)格為H500 mm×250 mm×20 mm×24 mm的工字鋼，如圖2所示，通過(guò)焊接設(shè)置為躍層柱鋼骨。

圖2 工字鋼（來(lái)源：網(wǎng)絡(luò)）

在制訂施工設(shè)計(jì)方案時(shí)，決定采用“菱形箍+箍筋”的方式，與型鋼腹板進(jìn)行組合連接，設(shè)置柱箍筋，確保柱箍筋肢距設(shè)計(jì)合理，避免箍筋在穿過(guò)型鋼時(shí)，破壞工字鋼的截面。而且，這種施工方法也可以有效提升施工效率，合理規(guī)避栓釘對(duì)柱箍筋造成的物理?yè)p傷[5]。

為有效提升混凝土柱的變形性能，需要適當(dāng)提升箍筋直徑，利用全高加密工藝提高混凝土柱的體積配箍率。對(duì)框架梁與型鋼柱做連接處理時(shí)，要確保框架梁的縱筋、角筋等部件，以繞過(guò)型鋼的方式，設(shè)置在梁柱節(jié)點(diǎn)。如果無(wú)法直接通過(guò)型鋼，需要先確認(rèn)無(wú)法直接通過(guò)的鋼翼緣，將其和鋼牛腿焊接，再完成框架梁與型鋼柱的連接。框架梁與型鋼柱連接位置的框架梁規(guī)格為450 mm×900 mm，可根據(jù)鋼筋保護(hù)層厚度逆向計(jì)算鋼牛腿規(guī)格，即鋼牛腿設(shè)定規(guī)格H840 mm×250 mm×18 mm×24 mm[6]。

3 醫(yī)院建筑結(jié)構(gòu)溫度應(yīng)力設(shè)計(jì)

3.1 醫(yī)院建筑溫度應(yīng)力分析

為滿足醫(yī)院建筑運(yùn)行功能需求，病房樓與門(mén)診醫(yī)技樓兩部分結(jié)構(gòu)并沒(méi)有額外設(shè)置溫度縫。門(mén)診醫(yī)技樓設(shè)置的采光井，可以有效釋放部分溫度應(yīng)力。為保障整個(gè)醫(yī)院建筑正常運(yùn)行，發(fā)揮預(yù)期的使用功能，在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方面，會(huì)將剪力墻以集中設(shè)置方式，設(shè)置在醫(yī)院建筑的樓梯間與電梯間等位置，造成結(jié)構(gòu)樓板受到較大的束縛。

施工區(qū)域的最高氣溫為33 ℃，最低氣溫為-12 ℃，參考《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》（GB 50009—2012），可以將15 ℃設(shè)定為建筑物的合攏溫度。需要考慮當(dāng)?shù)卦诟鱾€(gè)季節(jié)的最大溫度與最小溫度差距變化，合理分析在混凝土發(fā)生收縮現(xiàn)象時(shí)生成的熱量。分析大量數(shù)據(jù)之后，確認(rèn)混凝土的收縮升降溫度需要保持在19.5 ～20.5 ℃。考慮到混凝土存在一定的徐變概率，在充分整理數(shù)據(jù)后，考慮將折減系數(shù)設(shè)定為0.3。對(duì)樓板進(jìn)行分析，可以發(fā)現(xiàn)在中間部位存在較大的拉應(yīng)力與壓應(yīng)力，而向兩側(cè)位置，應(yīng)力則出現(xiàn)明顯下降[7]。

3.2 降低醫(yī)院建筑溫度應(yīng)力的措施

在進(jìn)行醫(yī)院建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，需要采取合適的措施，降低溫度應(yīng)力對(duì)建筑結(jié)構(gòu)造成的負(fù)面影響，可以從以下6 個(gè)方面開(kāi)展相關(guān)工作。

3.2.1 設(shè)置收縮后澆帶

對(duì)于后澆帶，需要以高出結(jié)構(gòu)建設(shè)一個(gè)等級(jí)作為混凝土的施工作業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，寬度設(shè)定為1000 mm，并對(duì)后澆帶做澆筑封閉處理，如圖3 所示。在結(jié)束混凝土澆筑作業(yè)后，可以在2 個(gè)月后做澆筑封閉處理。在配置混凝土?xí)r，可以考慮使用低水化熱水泥，添加適量的粉煤灰，做好水灰比的控制工作。為有效控制醫(yī)院建筑的溫度應(yīng)力，需要向混凝土中添加適量的膨脹劑與高強(qiáng)防裂纖維。

圖3 收縮后澆帶（來(lái)源：網(wǎng)絡(luò)）

3.2.2 提升混凝土梁與混凝土板的配筋率

制訂框架梁與次梁施工設(shè)計(jì)方案時(shí)，可以考慮采用受拉搭接工藝，設(shè)計(jì)梁頂跨架立筋與梁兩端支座，將腰筋設(shè)置在梁兩側(cè)位置，確保腰筋和主筋間距控制在200 mm 以內(nèi)，腰筋間距低于200 mm。在框架梁兩端支座的腰筋，需要以受拉錨固方式進(jìn)行設(shè)計(jì)。

設(shè)計(jì)樓板時(shí)，需要保證樓板的每一層、每個(gè)方向擁有大于0.25%配筋率的貫通鋼筋。針對(duì)門(mén)診醫(yī)技樓與病房樓，需要以150 mm 作為樓板厚度標(biāo)準(zhǔn)，并需要將貫通鋼筋配筋率提升至0.3%。

對(duì)于樓板下支座，需要做到盡量拉通，或者通過(guò)間隔的方式，在支座上設(shè)計(jì)受拉錨固模式。對(duì)于剪力墻，需要在陽(yáng)角位置設(shè)置附加放射筋，選擇直徑為7 和12 mm 的3 m 長(zhǎng)三級(jí)鋼筋，間隔150 mm，進(jìn)行交替放置；對(duì)于陰角位置，需要設(shè)置附加斜向鋼筋。一般情況下，選擇這種設(shè)計(jì)模式，可以有效提升醫(yī)院建筑對(duì)溫度應(yīng)力的抵抗性能[8]。

3.2.3 混凝土材料合理配置

在混凝土配置過(guò)程中，選擇擁有低水化熱的水泥材料，并向混凝土中摻入適量的粉煤灰。因混凝土的水灰比越大，混凝土收縮幅度越大，所以需要做好水灰比的控制工作，比如將水灰比控制在0.4 ～0.6。可以根據(jù)混凝土的用量，以0.5‰～3‰的標(biāo)準(zhǔn)摻入適量的膨脹劑。需要注意，在使用膨脹劑之前，需要做好粒徑的篩選工作，粒徑過(guò)大的膨脹劑，難以有效填充混凝土的空隙，降低膨脹劑的預(yù)期應(yīng)用效果。如果施工環(huán)境溫度降低至0 ℃，還需要向混凝土中添加適量的早強(qiáng)劑與防凍劑，避免因混凝土澆筑質(zhì)量影響醫(yī)院建筑溫度應(yīng)力控制效果。在混凝土冷卻到4 ℃后，再拆除模板與保溫層。如果混凝土與施工環(huán)境溫度差超過(guò)20 ℃，需要在拆除模板后，使用草席等覆蓋物，對(duì)混凝土做臨時(shí)覆蓋，讓混凝土緩慢冷卻。

3.2.4 后澆帶分段施工

可以將后澆帶劃分為若干施工段，并取消一部分功能性偏低的后澆帶，避免混凝土結(jié)構(gòu)出現(xiàn)裂縫。對(duì)于后澆帶分段間隔，建議控制在30 ～40 m，要保證后澆帶可以貫通結(jié)構(gòu)的橫截面。可以在梁、板等位置，以分跨部形式通過(guò)后撓帶，在縱橫墻體相交位置或是門(mén)洞口連梁位置也可以考慮使用后澆帶分段施工工藝。需要注意，可以考慮不斷開(kāi)梁的主筋。

3.2.5 使用鋼纖維混凝土

除以上常規(guī)處理工藝外，也可以考慮使用鋼纖維混凝土。即在制備混凝土階段，根據(jù)混凝土用量的2‰～3‰，將長(zhǎng)度為1 ～2 cm 的鋼纖維摻入混凝土中。混凝土自身具有一定的抗拉強(qiáng)度，可以有效提升整個(gè)建筑工程的抗溫度收縮性能。

在使用鋼纖維混凝土?xí)r，需要考慮以下2 個(gè)問(wèn)題：第1，將鋼纖維與混凝土混合攪拌過(guò)程中，可能會(huì)產(chǎn)生鋼纖維成團(tuán)情況，無(wú)法確保鋼纖維在混凝土保持均勻分布狀態(tài)；第2，鋼纖維是以隨機(jī)分布狀態(tài)存在于混凝土內(nèi)部，使用相同工藝的鋼纖維混凝土，實(shí)際表現(xiàn)的抗拉強(qiáng)度存在較大差異。建議充分考慮鋼纖維混凝土的優(yōu)勢(shì)與劣勢(shì)，分析醫(yī)院建筑是否擁有其他降低醫(yī)院建筑溫度應(yīng)力的方案，再?zèng)Q定是否需要通過(guò)鋼纖維混凝土降低醫(yī)院建筑的溫度應(yīng)力。

3.2.6 設(shè)置溫度應(yīng)力鋼筋

通過(guò)設(shè)置溫度應(yīng)力鋼筋，降低醫(yī)院建筑溫度應(yīng)力，可以從以下2 個(gè)角度思考：第1，使用普通鋼筋抵抗溫度應(yīng)力；第2，使用高強(qiáng)預(yù)應(yīng)力鋼絲抵抗溫度應(yīng)力。對(duì)于高強(qiáng)預(yù)應(yīng)力鋼絲，其設(shè)計(jì)抗拉強(qiáng)度約為1320 MPa，可以承受400 MPa 壓力的熱軋帶肋鋼筋，其設(shè)計(jì)抗拉強(qiáng)度僅有360 MPa，前者是后者的3.7 倍。綜合分析，在設(shè)置溫度應(yīng)力鋼筋時(shí)，優(yōu)先選擇高強(qiáng)預(yù)應(yīng)力鋼絲。

在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中，需要考慮以下2 個(gè)問(wèn)題：第1，醫(yī)用建筑規(guī)模較大，建筑結(jié)構(gòu)相對(duì)較長(zhǎng)，在設(shè)置溫度應(yīng)力鋼筋時(shí)，需要通過(guò)分段張拉技術(shù)完成，這會(huì)產(chǎn)生一定的張拉重疊區(qū)域。在這個(gè)區(qū)域中，會(huì)受到反方向的張拉應(yīng)力影響，造成混凝土沒(méi)有預(yù)壓應(yīng)力，可考慮使用普通熱軋帶肋鋼筋。又因?yàn)閺埨丿B區(qū)域通常會(huì)產(chǎn)生較大的溫度應(yīng)力，所以需要在制訂施工設(shè)計(jì)方案時(shí)，應(yīng)重點(diǎn)考慮該區(qū)域的設(shè)計(jì)內(nèi)容，避免發(fā)生醫(yī)用建筑開(kāi)裂漏水現(xiàn)象。第2，在對(duì)鋼筋做張拉處理時(shí)，鋼筋墩頭會(huì)向板支座傳輸較大側(cè)向拉應(yīng)力。如果鋼筋墩頭位置的板支座沒(méi)有上部墻體結(jié)構(gòu)，會(huì)導(dǎo)致板支座位置的墻體受到較大偏壓，有較大概率會(huì)生成水平裂縫，也需要在施工設(shè)計(jì)階段關(guān)注這個(gè)問(wèn)題[9-10]。

4 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，在開(kāi)展醫(yī)院建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)作業(yè)時(shí)，要對(duì)醫(yī)院建設(shè)規(guī)模、建筑工程應(yīng)用需求等做詳細(xì)分析，制訂一套內(nèi)容完整、結(jié)構(gòu)完善的建筑結(jié)構(gòu)施工設(shè)計(jì)方案。在方案執(zhí)行過(guò)程中，要合理吸納相同地區(qū)的同類醫(yī)院建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)點(diǎn)，不斷優(yōu)化方案的細(xì)節(jié)內(nèi)容。