减隔震技术在医疗建筑中的应用——以北京同仁医院、唐山市妇幼保健院为例

康　凯　石　诚　张　兴

减隔震技术在医疗建筑中的应用
——以北京同仁医院、唐山市妇幼保健院为例

康凯石诚张兴

康凯，中国中元国际工程有限公司医疗结构所所长，教授级高级工程师。1992年毕业于清华大学土木工程系。从事医疗工程设计二十余年，主持完成了解放军总医院、解放军总医院海南分院、协和医院、安贞医院、总装部总医院、河南省人民医院、河北省人民医院、唐山妇幼医院、天津滨海医院、同仁医院等大量医疗工程设计。先后获得省部级优秀设计奖、科学技术奖十余项。积极倡导推进减隔震技术的实际工程应用。主持设计并完成了国内首个隔震医疗建筑建设。参与了隔减震方面规范、规程和标准图集的制定与评审工作。近年带领团队完成了医疗建筑隔减震设计近二十项。

近年来，随着研究的不断深入，减震隔震技术日渐成熟，已经成为减轻地震作用，提升房屋抗震设防能力的一种有效手段。部分实际应用工程经受了地震的考验，保障了人民生命财产安全，产生了良好的社会效益。为了进一步推进减隔震技术的应用，住建部于2014年颁布了《住房城乡建设部关于房屋建筑工程推广应用减隔震技术的若干意见（暂行）》（建质［2014］25号）。通知规定位于地震高烈度区、地震重点监视防御区的学校、幼儿园、医院等人员密集公共建筑，应优先采用减隔震技术。各省市积极下发贯彻该文件的同时，又各自提出了不同的具体要求，充分体现了各级政府对于抗震工作的重视及对减隔震技术先进性的肯定。

医疗建筑作为承担震灾医疗救护功能的生命线工程，牵系到社会公共安全，是功能最复杂的民用建筑，也是抗震设防的重点。在国家标准《建筑工程抗震设防分类标准》（GB 50223—2008）中，医疗建筑被划分为重点设防类（乙类）。汶川大地震后，各地政府相继对医疗建筑的抗震设防提出了更高的要求。合理地将先进的减隔震技术应用于医疗建筑，造福社会、造福人民，其意义重大深远，同时也为广大工程技术人员提出了重要课题。

减隔震技术在医疗建筑中的应用是个非常复杂的问题，需要结合多领域、多专业的综合考虑。作为国内医疗建筑设计的主力军，中国中元国际工程有限公司积极倡导和推进减隔震技术，自2005年至今已有十几所大型医院的应用案例，积累了较丰富的实践经验。

下面以两个工程为例，介绍减隔震技术在医疗建筑中的应用。

减震技术工程应用案例

北京同仁医院经济技术开发区院区扩建工程，总建筑面积152020 m2，床位规模为900张，日门诊量约6000人次。建筑功能涵盖门急诊、医技及病房等。病房主楼地上15层，裙房5层，地下3层。首层周边有多次下沉庭院，结构嵌固面取地下一层地面。为避免结构超长及布置不规则，通过一道南北向防震缝将地上建筑划分为A、B两个结构单元（以下简称A区和B区）。工程整体鸟瞰图见图1，结构平面布置见图2。

根据北京市地震局关于本工程的抗震设防批复，工程抗震设防烈度确定为Ⅷ度（0.30 g），设计地震分组第一组，场地类别Ⅲ类。传统的结构形式难以满足建筑使用功能及既定的抗震设防目标。项目在可研阶段进行了方案比选，因各方面条件限制，无法有效实施建筑隔震方案，故采用多种减震方案进行比较，具体见表1。

消能器布置以平面分散、对称布置为原则，结合楼层竖向刚度变化及建筑需求，消能器选择了墙式连接，每处连接墙段顶部放置两个软钢消能器。A区从3层～14层共布置202对消能器，吨位为700 KN和500 KN两种；B区地下1层至地上4层共布置了106对消能器，吨位为800 KN和500 KN两种。以B区为例，典型的消能器布置见图3。

图1　工程东南侧鸟瞰图

图2　结构平面布置及单元划分

表1　医疗综合楼A、B区结构方案比选表

分析表明，小震下消能器屈服程度不宜太深，因为消能器刚度的退化将很大程度地抵消屈服耗能带来的减震效果，而过早的屈服也使得消能器在中、大震下变形能力储备不足。本项目耗能减震设计思路如下：①小震作用下，结构层间变形较小，消能器处于弹性工作阶段，主要给主体结构提供一定的附加刚度和少量的附加阻尼，满足承载力及变形需求；②中大震作用下，结构层间变形增大，消能器先于主体结构发生屈服从而进入弹塑性阶段，利用软钢剪切变形耗散地震能量，从而减小主体结构的地震反应。

通过合理的整体分析和细部设计，本项目可达到较高的设防目标，在大震作用下消能器处于正常工作状态，主要竖向构件基本处于弹性状态，可以保持震后正常使用功能。

图3　B区消能器墙式连接布置示意

隔震技术工程应用案例

唐山市妇幼保健院迁建工程医疗综合楼（图4为工程鸟瞰图），总建筑面积为138865 m2，总床位数为1200张。本楼设有2层地下室（部分仅1层地下室），地上病房楼为12层、门急诊楼为3层、医技楼为6层，地下部分连为一体，地上部分划分10个结构单元。

根据《唐山市防震减灾管理条例》规定，2011年3月后，新建、改建、扩建的学校、医院、地震避难场馆、高层建筑等人员密集的建设工程，其抗震设防要求应当按照当地抗震设防标准至少提高1度进行设防。故本项目的抗震设防烈度提高至Ⅸ度（0.40 g），设计地震分组第一组，场地类别Ⅲ类，属于重点设防类，传统抗震体系基本不能满足以上抗震设防要求，经过消能减震与隔震的方案比选，本项目采用隔震设计方案。

隔震设计方案的确定需要结合建筑功能、隔震效果、造价控制、施工难度等多方面因素综合考虑，本项目的方案确定也是如此。

隔震设计主要分基础隔震和层间隔震两种方案。基础隔震是将隔震层设置于地下室与基础之间，将结构自地下室以上整体隔震。基础隔震对电梯，机电管线连接的施工影响小，技术处理相对简单方便，但由于沿地下室周边须设置隔震沟，会大幅提高工程造价，严重削弱因隔震设计带来的工程整体性价比优势。层间隔震是在结构基础上部某层设置隔震层，自隔震层以上进行隔震设计。因隔离缝仅需要在隔震层处设置，且隔震层可以利用为设备、管道夹层，提高了工程整体性价比。但对电梯，机电管线连接技术处理相对复杂。

图4　工程鸟瞰图

图5　结构分区图

本项目地上结构体型复杂，若地上结构联成一体，则上部结构存在平面及竖向多项不规则且各单体间连接非常薄弱等问题，属于严重超限的复杂高层建筑，抗震极为不利，因此须将上部结构划分为多个有利于抗震的独立结构单元，图5为结构单体分区图。如果在各独立结构单元下部分别设置隔震层，形成与结构单元一一对应的独立隔震单元，由于隔震建筑在地震作用下位移较大，独立隔震单元之间需要预留80 ～100 cm宽的隔震缝，严重影响建筑及医疗功能的实现，方案难以成立。

最终，结合各方面条件，本项目确定在地下室以上首层以下设置整体隔震层，隔震层顶板（首层底板）连成一体不分开，隔震层顶板（不含）以上设置10 ～20 cm宽的抗震缝将结构划分为十个单元，形成以隔震层顶板（首层底板）为大底盘的多塔结构隔震体系（图6、图7）。

图6　大底盘多塔结构隔震模型 立面图

图7　隔震后质量串式模型

本项目设定预期减震目标为隔震以上地震作用降低1度。采用铅芯橡胶垫作为隔震支座，基本上采用一柱一垫的隔震垫布置方式，隔震垫数量520个。设计中通过合理调节隔震层上部重量分布，隔震垫直径和隔震垫抗扭转指标等，取得较好的隔震效果。经计算结构的水平向减震系数为0.40。同时，设计中也考虑了隔震支座拉压刚度的差异、竖向地震作用、大震下位移控制、大底盘楼板整体性等，保证结构安全。在隔震工程技术处理方面，本项目设计采用建筑信息模型（BIM）技术进行了机电管道的软连接整体方案设计，对楼电梯、隔震沟封闭防护、隔震支座防火、管道软连接等相关方面进行了逐一深化处理，力求实现工程隔震效果的全方位提升。

减隔震技术在工程应用中的特点

传统的抗震结构，主要通过增大结构自身刚度及承载力以抵抗地震作用，在大震下以结构的局部破坏来消耗地震能量，震后修复难度大、代价高。减隔震技术区别于传统的抗震思路，是有组织地将局部耗能和破坏集中到耗能装置上，从而在一定程度上减小主体结构的地震反应和破坏，在提高房屋安全度的同时也使房屋震后修复更易实现。

在减震技术中，减震装置通过其屈服、摩擦或者是滞回耗散地震能量，为主体结构提供附加的刚度和阻尼。在隔震技术中，隔震装置形成在地震中相对容易产生变形的隔震层，可以产生很大的水平变形耗散能量，从而减少地震能量向上部主体结构传递。

减震与隔震技术的原理和特性有所不同，在具体工程应用中也呈现不同特点。减震装置布置相对灵活，对建筑使用功能及水电管线电梯等相关专业影响较小，技术措施涉及专业分工少，施工成本相对较低，但减震效果相对有限；隔震结构需要设置单独的隔震层（计入建筑面积），对建筑使用功能及相关专业要求较高，技术措施涵盖各个专业分工，施工成本较高，但减震效果比较显著。

普通建筑的抗震设防目标是“小震不坏，中震可修，大震不倒”。减隔震结构改变了传统抗震结构“硬碰硬”的抗震方式，改“抗”为“消”为“隔”，通过合理的减隔震设计，可以使设防目标达到较高的水准。尤其是隔震结构，在大幅度减小地震作用的同时，上部结构在地震作用下趋于平动，安全性大大提高，基本可以达到“小震无感，中震不坏，大震可修”的设防目标。另外，隔震建筑还可以大大减少隔墙吊顶等非承重构件损坏、减少相应次生破坏、减少设施设备的损坏，地震后保证不中断建筑使用功能，这些优点都非常符合医疗建筑的抗震设防要求，相信在我国医疗建设领域会拥有更大更广阔的发展空间。