新冠肺炎疫情背景下应急性建筑的结构设计实践与思考

2021-03-01王术春

建筑结构 2021年3期

关键词：刚架结构设计急性

刘挺，王术春，孙娜，和超，刘芳

(中联西北工程设计研究院有限公司，西安 710077)

0 引言

在新冠肺炎疫情背景下，各地均采取措施积极应对。我国在疫情发展初期，为了提高收治率，紧急扩展医疗资源，全国多地新建了应急性传染病医院，典型工程有武汉火神山、雷神山医院。

随着疫情的发展，避免人员无序流动是政府采取的一项重要而有效的措施。为实现旅客流动形成闭环，人员输送点对点，就需要在机场、高铁站、客运站等交通枢纽设置专门的旅客分流转运场所，典型工程有西安咸阳国际机场旅客应急分流转运中心。

上述工程与“非典”时期建设的小汤山医院类似，都属于重大疫情期间的应急性建筑。

目前，我国的工程设计标准中没有专门的应急性建筑设计标准，对该类建筑的结构设计的研究报道不多。《新型冠状病毒感染的肺炎传染病应急医疗设施设计标准》(T/CECS 661-2020)[1]对新冠肺炎传染病应急医疗设施的设计做了规定，文献[2]对武汉雷神山医院结构设计做了介绍。

鉴于疫情期间上述应急性建筑发挥的重要作用，对这类建筑的结构设计特点、设计原则、设计流程及关键技术进行深入研究具有十分重要的意义。

本文以西安咸阳国际机场旅客应急分流转运中心为例，对该项目的结构设计方案确定、参数取值等关键技术做了详细介绍，对应急性建筑的结构设计特点及原则进行了分析与探讨。

1 工程背景

为疏解北京的境外输入性疫情防控压力，西安作为第一入境点的指定城市之一，承接了部分目的地为北京的国际航班。

因原有旅客分流转运中心场地受限，为防止旅客数量增加导致人流聚集的风险，当地疫情防控部门经过论证，在没有合适的既有建筑可供改建的情况下，决定新建一处旅客分流转运场所。

常规条件下，同等规模的建筑建设周期一般在四个月左右。为确保中央的防疫政策部署按计划落实，要求该项目从开工到投入使用必须在7d内完成。因此，该项目的设计与施工均采取了非常规的措施。

2 工程概况

新建的旅客分流转运中心位于西咸新区空港新城空港东三路东侧，总建筑面积7 113m2。建设场地原状为一块足球场和两块篮球场，见图1。

图1 建设场地原状

项目由缓冲区、分流区组成，功能包括：旅客缓冲区、旅客核酸检测样本采集、疑似或确诊病例临时隔离、旅客出行信息登记、按目的地分流转运等候、转运车辆停车区以及相应的生活配套设施。为降低病毒传播风险，建筑流线布局借鉴了传染病医院的部分设计理念，并且在满足遮阳挡雨的基础上尽可能保持自然通风流畅。

图2 工程效果鸟瞰图

项目建成后将主要承担国际航班中转、省内航班旅客转运分拨相关任务，图2为工程效果鸟瞰图。

3 结构设计

3.1 结构方案选型

常见的结构类型有混凝土结构、砌体结构、钢结构等。钢结构又包括钢框架、门式刚架等。其中，门式刚架具有受力合理、装配化程度高、运输安装便捷等优点，广泛应用在轻型厂房等建筑结构中。

本项目根据建筑功能及疫情防控的需要，要求形成开敞的高大空间以利于空气流通。综合考虑施工条件、建筑材料采购、建设周期等因素，确定主体结构形式采用双坡门式刚架，檐口标高7m，屋面坡度5%。建筑内部的办公区、值班室、配电间、卫生间等功能房间均采用模块化组装的集装箱箱式房。

3.2 结构设计使用年限及抗震设防分类标准

疫情防控指挥部门明确该建筑仅供疫情防控期间使用，为临时性建筑，待疫情得到有效控制，入境航班旅客量减少后即被拆除，乐观估计实际使用年限不超过半年，但考虑到疫情发展的不确定性，设计时使用年限按五年。

依据《建筑结构可靠性设计统一标准》(GB 50068—2018)[3]第3.2.1条及条文说明，建筑安全等级可定为三级，考虑到对旅客生命安全的保障以及项目的社会影响力较大，主体刚架设计时安全等级按二级，结构重要性系数取1.0。

依据《建筑工程抗震设防分类标准》(GB 50223—2008)[4]第2.0.3条及条文说明：“临时性建筑通常可不设防”。又考虑到门式刚架属轻型钢结构房屋，自重小，同等场地条件下相较其他形式的结构抗震性能优越。因此，本项目结构设计时未考虑地震作用的影响。

3.3 荷载取值

荷载取值依据《建筑结构荷载规范》(GB 50009—2012)[5]及《门式刚架轻型房屋钢结构技术规程》(GB 51022—2015)[6]的相关规定。本项目采用压型钢板轻型屋面，屋面无吊顶，无吊挂设备，屋面仅吊挂照明及部分电缆桥架，恒荷载取0.3kN/m2；一榀刚架受荷水平投影面积大于60m2，验算主刚架时活荷载取0.4kN/m2，验算檩条时活荷载取0.5kN/m2。

考虑到当地春夏两季常出现强对流天气，风荷载计算时基本风压按50年一遇，取0.35kN/m2，地面粗糙度类别按B类。根据建筑条件，外围护墙板大部分顶标高为2.4m，该标高以上开敞，部分跨间墙板封至屋面。因此，风荷载计算时体型系数分别按封闭式、部分封闭式取包络。

本项目虽为临时性建筑，但门式刚架轻型房屋钢结构屋盖较轻，属于对雪荷载敏感的结构，雪荷载经常是控制荷载，因此，雪荷载计算时基本雪压按100年重现期取值[6]，取0.3kN/m2。

3.4 地基基础设计

依据《建筑地基基础设计规范》(GB 50007—2011)[7]，地基基础设计等级为丙级；依据《湿陷性黄土地区建筑标准》(GB 50025—2018)[8]，湿陷性黄土场地上的建筑物分类为丙类。

因项目的特殊性，先进行岩土工程勘察再开展结构设计工作不具备可行性。依据经验并参考附近其他工程的地勘报告，推断该场地基底标高处老土层应为湿陷性黄土，承载力特征值一般介于130～170kPa之间。

如严格按照《湿陷性黄土地区建筑标准》(GB 50025—2018)[8]的要求处理湿陷性，一方面处理标准及处理深度无法明确，另一方面增加的工程量势必延长工期。综合研判后，决定按如下方法进行地基基础设计，采取防止基础浸水的措施后不对场地土的湿陷性进行处理。

(1)要求施工单位对现场典型部位进行开挖并向设计反馈土层断面情况，见图3。据现场反馈，自地表向下分布土层分别为：60mm厚沥青、200mm厚二灰石、700mm厚灰土、原始土层(黄土层)，假定的基础底基本进入原始土层。

图3 现场对场地进行开挖以探明土层分布

(2)基础采用柱下独立基础，验算时持力层承载力特征值按120kPa取值，不考虑深宽修正，基础平面尺寸比计算值适当放大，尽量降低基底压力。最终边列柱基础平面尺寸取2 000mm×2 000mm，中列柱基础平面尺寸取1 500mm×1 500mm，基础底标高均为-1.500m。

(3)为加快施工进度，基础混凝土强度等级比计算值C30提高一个等级，采用C35，同时要求掺加早强剂，以利于混凝土尽早达到强度。

(4)屋面采用有组织排水，充分利用操场原有的排水明沟收集雨水，沿建筑四周外墙根部外扩约1 000mm范围内铺设防水卷材，减小地基基础浸水的可能性。

3.5 上部结构设计

3.5.1 确定柱网

建设地点从表面上看非常平坦，适宜建筑，待施工单位进场开展作业后发现，场地下方管线纵横交错，存在供水、污水及航油管道，如不慎挖断，有可能危及到机场的正常运转。如此紧张的工期下，待机场地勤部门将管线资料汇总提交后再开展设计工作或者另行选址不具备可行性。

经各方协商后采取如下应对措施：1)机场相关部门在建设现场对管线进行探测，在地表放好线，明确可以开挖的范围；2)结构工程师依据建筑功能提出结构平面布置初步方案；3)施工单位根据结构平面布置初步方案在现场放线复核，实时将基础与管道碰撞信息进行反馈，再由结构工程师做出相应调整。按此方法经过多轮调整，方可确定柱网。

确定柱网尺寸时还考虑了如下因素：

(1)满足建筑内部集装箱房的摆放。集装箱房的平面标志尺寸为3m×6m，如刚架任一方向的尺寸不合适，要么会使集装箱房与刚架柱相碰撞，要么会使建筑功能分区划分不合理，造成无用空间。

(2)权衡跨度大小。大跨度可减少柱列，可减少梁柱节点的焊接量，但梁、柱截面尺寸会更大，梁需要拼接后再吊装，不仅增加现场吊装难度，也不便于展开多个作业面。小跨度尽管会使柱列增加，但单根构件自重轻，构件加工、运输、吊装均相对容易，可多个区域同时开展施工，工厂加工时在柱顶梁下翼缘标高处焊上临时小牛腿，梁柱焊接时更容易施焊。

(3)主刚架的跨数。如采用奇数跨，屋脊不在柱列上，中间跨的钢梁需要拼接，相对来说，采用偶数跨将屋脊置于柱列上更便于施工。

综合考虑各种因素，与施工单位密切沟通，经过多轮调整后最终确定：缓冲区为4跨，柱跨度分别为8，10，10，8m；分流区为6跨，柱跨度均为9m；两个区柱距均为6m。

3.5.2 柱脚

门式刚架柱脚可按铰接，也可按刚接，一般常用铰接，通常为平板支座，设一对或两对地脚锚栓，施工时需待基础施工完毕后方可吊装主体刚架，对预埋锚栓的定位精度要求较高，在梁、柱、支撑系统整体施工完毕前为不稳定体系，需采取措施保证结构的稳定性，从而会导致施工周期较长。

经与施工方会商，本工程柱脚按刚接，采用埋入式。柱脚埋入深度取3倍的柱截面高度，埋入段柱翼缘设抗剪栓钉以增强钢柱与混凝土基础短柱的共同受力作用。钢柱吊装至基坑后，在地坪处采用两道型钢将柱根部夹紧固定，并在柱半高处四个方向设临时支撑确保柱子的垂直度及稳定性，见图4。按此方法，基础混凝土浇筑、钢梁及屋面系统吊装焊接可穿插进行，互不影响，大大缩短了工期。

图4 钢柱临时支撑措施

3.5.3 梁柱节点连接方式

钢结构中常用的梁柱节点连接方式有全焊接、全螺栓连接及栓焊混合连接。全焊接连接方式对现场施焊人员的操作水平要求较高，一般质量不易保证，在常规的钢结构工程中不是首选的方案。全螺栓连接对梁、柱安装精度要求较高，稍有偏差，螺栓孔有可能无法对位，在现场进行整改难度较大。因此，常规的钢结构设计梁柱节点连接方式以栓焊混合居多。

本项目如采用螺栓连接，施工方担心现场安装时螺栓孔无法精确对位的概率较高，会严重影响工期。因此，要求梁柱连接方式采用全焊接。

3.5.4 主体刚架验算

常规的结构设计流程为结构工程师根据确定好的设计条件及建筑资料，对梁、柱截面进行计算，并不断优化调整，直至各项指标满足规范要求，并且将应力比控制在经济合理的范围内。施工单位再根据设计图纸进行材料采购、加工及现场施工。应急性建筑的结构设计，采用上述设计流程显然不能满足建设工期的需要。

本项目初期，设计方与施工方充分沟通，由施工方提供其短时间内可采购到货的梁、柱、檩条等结构构件的规格，见表1。

结构构件的规格表1

图5 主体刚架计算简图

缓冲区、分流区各取一榀刚架进行验算，刚架简图见图5。计算程序采用PKPM V4.3.4软件，计算结果显示各项指标均满足《门式刚架轻型房屋钢结构技术规范》(GB 51022—2015)[6]要求。缓冲区钢梁最大应力比为0.74，钢柱最大应力比为0.18；分流区钢梁最大应力比为0.62，钢柱最大应力比为0.20。

3.5.5 柱间支撑

缓冲区在两侧边列柱的两端第二个开间共设置4道柱间支撑，分流区在两侧边列柱、中列柱的两端第二个开间、中间开间共设置12道柱间支撑。柱间支撑均采用张紧的φ30圆钢交叉型支撑。

3.6 沟通与协调

应急性建筑的建设过程中，建立高效便捷的沟通与协调机制具有非常重要的意义。

本项目前期，施工方派代表进驻设计院。首先，可以将现场施工条件实时向设计师反馈，以利于设计师根据现场客观条件调整设计方案。其次，对设计方案的落地性及可操作性可以及时探讨，及时确认，避免设计返工。此外，还可及时将设计成果传送至施工现场，确保边设计、边施工模式下现场不窝工。

图6 分流区室内实景

项目后期，设计成果提交后再由设计师进驻施工现场进行配合，及时发现了诸如柱间支撑影响房间门开启、梁柱节点焊接时梁上下翼缘未按图纸要求采用全熔透坡口焊等问题，在现场及时出具解决方案，避免了不必要的返工，对确保项目按期交付发挥了重要作用。

经各参建方通力合作，本项目从开工到交付仅用了5d时间，比原计划提前2d，对于落实中央决策部署，有效控制人员流动，防止新冠肺炎疫情传播发挥了重要作用。图6为分流区建成后室内实景。

4 对应急性建筑的结构设计特点及原则的思考

通过本工程的实践，笔者认为应急性建筑的结构设计特点及原则与常规条件下的结构设计存在诸多差异，本文对此做了深入分析与思考。

4.1 对应急性建筑的理解

何谓应急性建筑，现阶段尚未有确切的定义。笔者认为，相对于常规建筑，应急性建筑是指在发生重大自然灾害、大规模传染病疫情等特殊时期，由政府主导，为了应对突发公共事件而需要在极短时间内投入使用的、具备特定功能的建筑。

同时，笔者认为应急性建筑不能等同于常规条件下工期较为紧张的临时性建筑。

4.2 应急性建筑的结构设计特点

与常规条件下的结构设计相比，应急条件下的结构设计具有如下特点：

(1)应急性建筑是特殊时期、特定条件下的产物，一般服役期较短。因此结构设计使用年限、抗震性能目标、地基基础设计等级指标可参照现行标准中临时性建筑的要求确定。

(2)应急性建筑因其特殊的用途，需要在短时间内投入使用，建造工期极为苛刻。同时，防疫性的应急性建筑建成后，施工人员再次进行维护的风险较大，一般较为困难。因此结构设计时，在保证安全的前提下，结构类型的选择、节点形式、建筑材料的选择以及各项技术措施等均需通盘考虑，既要保证建造快捷，突出应急的性质，又要尽量做到后期免维护。

(3)应急性建筑往往具有较高的社会关注度及影响力。例如，武汉雷神山、火神山医院建设过程中，“云监工”使得建设现场一览无余；西安咸阳国际机场旅客应急分流转运中心建造过程中，受到省内主流媒体广泛关注。

(4)应急性建筑结构设计时，建设场地地形图、管线资料、地质勘察报告往往无法得到完善提供，建筑物的定位、柱网的确定需要与施工现场紧密配合，反复调整。地基基础的设计需要结合当地的习惯做法并依据经验确定，需要设计人具备丰富的工程实践经验。

(5)应急性建筑的结构设计，需要各参建单位紧密配合，需要建立高效便捷的沟通机制，需要由政府主导，发挥社会主义制度优越性，可以在短时间内调动优质资源。