醫(yī)院建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計要點及探討

陳志權(quán)

1 項目基本情況

某醫(yī)院遷建項目擬建成擁有醫(yī)療、教學(xué)、科研等功能的三級綜合性公立醫(yī)院，該遷建項目的參考標準為國際醫(yī)療衛(wèi)生機構(gòu)認證聯(lián)合委員會（Joint Commission on Accreditation of Healthcare Organizations，JCI）制訂標準，建設(shè)目標為節(jié)能環(huán)保智慧型醫(yī)院。

該項目的一期門診醫(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)護人員的門診醫(yī)技樓。對于病房樓，在平面設(shè)計中擁有137 m的最大曲線長度，而對于門診醫(yī)技樓平面設(shè)計最大曲線長度為210 m。樓板中間位置呈東西向布設(shè)，總長度為160 m，大于《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》（GB 50010—2010）中對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

2.1 病房樓結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計

為有效降低結(jié)構(gòu)設(shè)計產(chǎn)生的扭轉(zhuǎn)影響，該項目的北側(cè)決定使用懸臂式擋土墻設(shè)計，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（來源：網(wǎng)絡(luò)）

病房樓平面設(shè)置成扇形，平面曲線平均長度為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準，使用現(xiàn)澆鋼筋混凝土框架—剪力墻結(jié)構(gòu)設(shè)計抗側(cè)結(jié)構(gòu)體系。在醫(yī)院建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計中，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，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、強化兩端。這意味著需要通過降低病房樓結(jié)構(gòu)偏心，減少結(jié)構(gòu)的扭轉(zhuǎn)效應(yīng)[1]。

對于病房樓結(jié)構(gòu)側(cè)向剛度，需要遵循下大上小的標準進行合理控制，即病房樓柱墻混凝土強度等級最下部為C50，最上部為C35，中間位置進行均勻調(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，選擇雙連梁設(shè)計模式，也可以考慮使用型鋼進行連接[2]。

2.2 門診醫(yī)技樓結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計

對于門診醫(yī)技樓，采用扇形平面設(shè)計模式，平面最大曲線長度可達210 m，寬度為111 m，結(jié)構(gòu)總高度為29.2 m。在設(shè)計門診醫(yī)技樓結(jié)構(gòu)時，可設(shè)置2 個設(shè)計方案。

2.2.1 門診醫(yī)技樓結(jié)構(gòu)設(shè)計方案一

鋼筋混凝土框架體系。門診醫(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)過計算后發(fā)現(xiàn)，門診醫(yī)技樓結(jié)構(gòu)中的柱、梁擁有較大的規(guī)格，會影響門診醫(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，門診醫(yī)技樓樓層的最大彈性水平位移，將會超過1.2 倍的兩端彈性水平位移[3]。

2.2.2 門診醫(yī)技樓結(jié)構(gòu)設(shè)計方案二

混凝土框架-剪力墻體系。因為門診醫(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?？梢赃x擇簡體模式的剪力墻，確保剪力墻可以達到互相支撐的效果，在后續(xù)使用中可以實現(xiàn)互相約束，為門診醫(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，合理提升門診醫(yī)技樓的抗震強度。

2.3 門診醫(yī)技樓弱連接抗震設(shè)計

對于門診醫(yī)技樓門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，需要針對樓板部位做相應(yīng)的彈性分析。通過分析數(shù)據(jù)，決定調(diào)整樓板厚度，即提升0.25%的樓板通長配筋率。將弱連接部位的框架梁、框架柱的抗震等級提升一個級別，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，以此提升門診醫(yī)技樓的抗震性能[4]。

2.4 門診醫(yī)技樓入口位置抗震設(shè)計

為有效提升門診醫(yī)技樓施工建設(shè)效果，結(jié)構(gòu)設(shè)計時，需在門診醫(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，通過焊接設(shè)置為躍層柱鋼骨。

圖2 工字鋼（來源：網(wǎng)絡(luò)）

在制訂施工設(shè)計方案時，決定采用“菱形箍+箍筋”的方式，與型鋼腹板進行組合連接，設(shè)置柱箍筋，確保柱箍筋肢距設(shè)計合理，避免箍筋在穿過型鋼時，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)避栓釘對柱箍筋造成的物理損傷[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。對框架梁與型鋼柱做連接處理時，要確?？蚣芰旱目v筋、角筋等部件，以繞過型鋼的方式，設(shè)置在梁柱節(jié)點。如果無法直接通過型鋼，需要先確認無法直接通過的鋼翼緣，將其和鋼牛腿焊接，再完成框架梁與型鋼柱的連接?？蚣芰号c型鋼柱連接位置的框架梁規(guī)格為450 mm×900 mm，可根據(jù)鋼筋保護層厚度逆向計算鋼牛腿規(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

3.1 醫(yī)院建筑溫度應(yīng)力分析

為滿足醫(yī)院建筑運行功能需求，病房樓與門診醫(yī)技樓兩部分結(jié)構(gòu)并沒有額外設(shè)置溫度縫。門診醫(yī)技樓設(shè)置的采光井，可以有效釋放部分溫度應(yīng)力。為保障整個醫(yī)院建筑正常運行，發(fā)揮預(yù)期的使用功能，在結(jié)構(gòu)設(shè)計方面，會將剪力墻以集中設(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€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)象時生成的熱量。分析大量數(shù)據(jù)之后，確認混凝土的收縮升降溫度需要保持在19.5 ～20.5 ℃?？紤]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。對樓板進行分析，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

在進行醫(yī)院建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計時，需要采取合適的措施，降低溫度應(yīng)力對建筑結(jié)構(gòu)造成的負面影響，可以從以下6 個方面開展相關(guān)工作。

3.2.1 設(shè)置收縮后澆帶

對于后澆帶，需要以高出結(jié)構(gòu)建設(shè)一個等級作為混凝土的施工作業(yè)標準，寬度設(shè)定為1000 mm，并對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防裂纖維。

圖3 收縮后澆帶（來源：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)計方案時，可以考慮采用受拉搭接工藝，設(shè)計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行設(shè)計。

設(shè)計樓板時，需要保證樓板的每一層、每個方向擁有大于0.25%配筋率的貫通鋼筋。針對門診醫(yī)技樓與病房樓，需要以150 mm 作為樓板厚度標準，并需要將貫通鋼筋配筋率提升至0.3%。

對于樓板下支座，需要做到盡量拉通，或者通過間隔的方式，在支座上設(shè)計受拉錨固模式。對于剪力墻，需要在陽角位置設(shè)置附加放射筋，選擇直徑為7 和12 mm 的3 m 長三級鋼筋，間隔150 mm，進行交替放置；對于陰角位置，需要設(shè)置附加斜向鋼筋。一般情況下，選擇這種設(shè)計模式，可以有效提升醫(yī)院建筑對溫度應(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‰的標準摻入適量的膨脹劑。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20 ℃，需要在拆除模板后，使用草席等覆蓋物，對混凝土做臨時覆蓋，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，以分跨部形式通過后撓帶，在縱橫墻體相交位置或是門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度，可以有效提升整個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 個問題：第1，將鋼纖維與混凝土混合攪拌過程中，可能會產(chǎn)生鋼纖維成團情況，無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，實際表現(xiàn)的抗拉強度存在較大差異。建議充分考慮鋼纖維混凝土的優(yōu)勢與劣勢，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，再決定是否需要通過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，使用高強預(yù)應(yīng)力鋼絲抵抗溫度應(yīng)力。對于高強預(yù)應(yīng)力鋼絲，其設(shè)計抗拉強度約為1320 MPa，可以承受400 MPa 壓力的熱軋帶肋鋼筋，其設(shè)計抗拉強度僅有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，優(yōu)先選擇高強預(yù)應(yīng)力鋼絲。

在實際應(yīng)用過程中，需要考慮以下2 個問題：第1，醫(yī)用建筑規(guī)模較大，建筑結(jié)構(gòu)相對較長，在設(shè)置溫度應(yīng)力鋼筋時，需要通過分段張拉技術(shù)完成，這會產(chǎn)生一定的張拉重疊區(qū)域。在這個區(qū)域中，會受到反方向的張拉應(yīng)力影響，造成混凝土沒有預(yù)壓應(yīng)力，可考慮使用普通熱軋帶肋鋼筋。又因為張拉重疊區(qū)域通常會產(chǎn)生較大的溫度應(yīng)力，所以需要在制訂施工設(shè)計方案時，應(yīng)重點考慮該區(qū)域的設(shè)計內(nèi)容，避免發(fā)生醫(yī)用建筑開裂漏水現(xiàn)象。第2，在對鋼筋做張拉處理時，鋼筋墩頭會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有上部墻體結(jié)構(gòu)，會導(dǎo)致板支座位置的墻體受到較大偏壓，有較大概率會生成水平裂縫，也需要在施工設(shè)計階段關(guān)注這個問題[9-10]。

4 結(jié)語

綜上所述，在開展醫(yī)院建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計作業(yè)時，要對醫(yī)院建設(shè)規(guī)模、建筑工程應(yīng)用需求等做詳細分析，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)計方案。在方案執(zhí)行過程中，要合理吸納相同地區(qū)的同類醫(yī)院建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計優(yōu)點，不斷優(yōu)化方案的細節(jié)內(nèi)容。