医院建筑结构设计要点及探讨

2024-01-08陈志权

中国建筑装饰装修 2023年24期

陈志权

1 项目基本情况

某医院迁建项目拟建成拥有医疗、教学、科研等功能的三级综合性公立医院，该迁建项目的参考标准为国际医疗卫生机构认证联合委员会（Joint Commission on Accreditation of Healthcare Organizations，JCI）制订标准，建设目标为节能环保智慧型医院。

该项目的一期门诊医技病房综合楼，可以划分为提供给病患的病房楼与提供给医护人员的门诊医技楼。对于病房楼，在平面设计中拥有137 m的最大曲线长度，而对于门诊医技楼平面设计最大曲线长度为210 m。楼板中间位置呈东西向布设，总长度为160 m，大于《混凝土结构设计规范》（GB 50010—2010）中对于伸缩缝最大间距的相关规定。

2 医院建筑结构抗震设计

2.1 病房楼结构抗震设计

为有效降低结构设计产生的扭转影响，该项目的北侧决定使用悬臂式挡土墙设计，结合增加缝隙工艺，合理规避主体结构两侧承受的压力不相等的情况，提高病房楼结构抗扭转性能，如图1 所示。

图1 悬臂式挡土墙示意图（来源：网络）

病房楼平面设置成扇形，平面曲线平均长度为131 m，宽度为23.2 m，结构总高度为83.2 m。根据医院建筑应用功能与高层建筑抗震标准，使用现浇钢筋混凝土框架—剪力墙结构设计抗侧结构体系。在医院建筑结构设计中，由于要求南北立面的房间外墙设置成玻璃幕墙，所以在设置剪力墙时，选择在结构中部位置设置剪力墙。又考虑到病房楼的结构平面存在偏心与扭转效应，需要降低偏置楼的数量，合理控制电梯筒剪力墙厚度。在剪力墙刚度设置方面，需要减弱中部、强化两端。这意味着需要通过降低病房楼结构偏心，减少结构的扭转效应[1]。

对于病房楼结构侧向刚度，需要遵循下大上小的标准进行合理控制，即病房楼柱墙混凝土强度等级最下部为C50，最上部为C35，中间位置进行均匀调整。最下部的框架柱截面为1000 mm×1000 mm，最上部框架柱截面为700 mm×700 mm，确保病房楼结构刚度实现均匀调整，提升病房楼结构的抗震水平。在设置超筋连梁时，选择双连梁设计模式，也可以考虑使用型钢进行连接[2]。

2.2 门诊医技楼结构抗震设计

对于门诊医技楼，采用扇形平面设计模式，平面最大曲线长度可达210 m，宽度为111 m，结构总高度为29.2 m。在设计门诊医技楼结构时，可设置2 个设计方案。

2.2.1 门诊医技楼结构设计方案一

钢筋混凝土框架体系。门诊医技楼在水平地震影响下，产生的位移是影响框架柱规格与框架梁截面规格的重要因素。经过计算后发现，门诊医技楼结构中的柱、梁拥有较大的规格，会影响门诊医技楼的使用功能，并且需要受到较大的扭转效应。在一定的水平力条件下，门诊医技楼楼层的最大弹性水平位移，将会超过1.2 倍的两端弹性水平位移[3]。

2.2.2 门诊医技楼结构设计方案二

混凝土框架-剪力墙体系。因为门诊医技楼拥有较多采光井，采用方案二可以稳定提升结构安全水平。可以选择简体模式的剪力墙，确保剪力墙可以达到互相支撑的效果，在后续使用中可以实现互相约束，为门诊医技楼结构提供更大的刚度。根据数据分析，门诊医技楼结构可以考虑使用框架-剪力墙体系，合理提升门诊医技楼的抗震强度。

2.3 门诊医技楼弱连接抗震设计

对于门诊医技楼门诊建筑部分与建筑医技部分存在单跨框架的弱连接部位，需要针对楼板部位做相应的弹性分析。通过分析数据，决定调整楼板厚度，即提升0.25%的楼板通长配筋率。将弱连接部位的框架梁、框架柱的抗震等级提升一个级别，再做相应的中震弹性数据分析，保证弱连接部位拥有相匹配的中震抗剪弹性，以此提升门诊医技楼的抗震性能[4]。

2.4 门诊医技楼入口位置抗震设计

为有效提升门诊医技楼施工建设效果，结构设计时，需在门诊医技楼入口处，设置高度为19.8 m 的跃层柱，确保跃层柱可达到预期的使用效果。

整理并分析地震条件下的跃层柱结构弹性数据后，最终决定跃层柱结构采用型钢混凝土。尽管型钢混凝土结构的抗震性能较好，但是在施工流程、工艺等方面较为复杂，要做必要的可行性分析。跃层柱的型钢混凝土框架柱规格为700 mm×1000 mm，使用规格为H500 mm×250 mm×20 mm×24 mm的工字钢，如图2所示，通过焊接设置为跃层柱钢骨。

图2 工字钢（来源：网络）

在制订施工设计方案时，决定采用“菱形箍+箍筋”的方式，与型钢腹板进行组合连接，设置柱箍筋，确保柱箍筋肢距设计合理，避免箍筋在穿过型钢时，破坏工字钢的截面。而且，这种施工方法也可以有效提升施工效率，合理规避栓钉对柱箍筋造成的物理损伤[5]。

为有效提升混凝土柱的变形性能，需要适当提升箍筋直径，利用全高加密工艺提高混凝土柱的体积配箍率。对框架梁与型钢柱做连接处理时，要确保框架梁的纵筋、角筋等部件，以绕过型钢的方式，设置在梁柱节点。如果无法直接通过型钢，需要先确认无法直接通过的钢翼缘，将其和钢牛腿焊接，再完成框架梁与型钢柱的连接。框架梁与型钢柱连接位置的框架梁规格为450 mm×900 mm，可根据钢筋保护层厚度逆向计算钢牛腿规格，即钢牛腿设定规格H840 mm×250 mm×18 mm×24 mm[6]。

3 医院建筑结构温度应力设计

3.1 医院建筑温度应力分析

为满足医院建筑运行功能需求，病房楼与门诊医技楼两部分结构并没有额外设置温度缝。门诊医技楼设置的采光井，可以有效释放部分温度应力。为保障整个医院建筑正常运行，发挥预期的使用功能，在结构设计方面，会将剪力墙以集中设置方式，设置在医院建筑的楼梯间与电梯间等位置，造成结构楼板受到较大的束缚。

施工区域的最高气温为33 ℃，最低气温为-12 ℃，参考《建筑结构荷载规范》（GB 50009—2012），可以将15 ℃设定为建筑物的合拢温度。需要考虑当地在各个季节的最大温度与最小温度差距变化，合理分析在混凝土发生收缩现象时生成的热量。分析大量数据之后，确认混凝土的收缩升降温度需要保持在19.5 ～20.5 ℃。考虑到混凝土存在一定的徐变概率，在充分整理数据后，考虑将折减系数设定为0.3。对楼板进行分析，可以发现在中间部位存在较大的拉应力与压应力，而向两侧位置，应力则出现明显下降[7]。

3.2 降低医院建筑温度应力的措施

在进行医院建筑结构设计时，需要采取合适的措施，降低温度应力对建筑结构造成的负面影响，可以从以下6 个方面开展相关工作。

3.2.1 设置收缩后浇带

对于后浇带，需要以高出结构建设一个等级作为混凝土的施工作业标准，宽度设定为1000 mm，并对后浇带做浇筑封闭处理，如图3 所示。在结束混凝土浇筑作业后，可以在2 个月后做浇筑封闭处理。在配置混凝土时，可以考虑使用低水化热水泥，添加适量的粉煤灰，做好水灰比的控制工作。为有效控制医院建筑的温度应力，需要向混凝土中添加适量的膨胀剂与高强防裂纤维。

图3 收缩后浇带（来源：网络）

3.2.2 提升混凝土梁与混凝土板的配筋率

制订框架梁与次梁施工设计方案时，可以考虑采用受拉搭接工艺，设计梁顶跨架立筋与梁两端支座，将腰筋设置在梁两侧位置，确保腰筋和主筋间距控制在200 mm 以内，腰筋间距低于200 mm。在框架梁两端支座的腰筋，需要以受拉锚固方式进行设计。

设计楼板时，需要保证楼板的每一层、每个方向拥有大于0.25%配筋率的贯通钢筋。针对门诊医技楼与病房楼，需要以150 mm 作为楼板厚度标准，并需要将贯通钢筋配筋率提升至0.3%。

对于楼板下支座，需要做到尽量拉通，或者通过间隔的方式，在支座上设计受拉锚固模式。对于剪力墙，需要在阳角位置设置附加放射筋，选择直径为7 和12 mm 的3 m 长三级钢筋，间隔150 mm，进行交替放置；对于阴角位置，需要设置附加斜向钢筋。一般情况下，选择这种设计模式，可以有效提升医院建筑对温度应力的抵抗性能[8]。

3.2.3 混凝土材料合理配置

在混凝土配置过程中，选择拥有低水化热的水泥材料，并向混凝土中掺入适量的粉煤灰。因混凝土的水灰比越大，混凝土收缩幅度越大，所以需要做好水灰比的控制工作，比如将水灰比控制在0.4 ～0.6。可以根据混凝土的用量，以0.5‰～3‰的标准掺入适量的膨胀剂。需要注意，在使用膨胀剂之前，需要做好粒径的筛选工作，粒径过大的膨胀剂，难以有效填充混凝土的空隙，降低膨胀剂的预期应用效果。如果施工环境温度降低至0 ℃，还需要向混凝土中添加适量的早强剂与防冻剂，避免因混凝土浇筑质量影响医院建筑温度应力控制效果。在混凝土冷却到4 ℃后，再拆除模板与保温层。如果混凝土与施工环境温度差超过20 ℃，需要在拆除模板后，使用草席等覆盖物，对混凝土做临时覆盖，让混凝土缓慢冷却。

3.2.4 后浇带分段施工

可以将后浇带划分为若干施工段，并取消一部分功能性偏低的后浇带，避免混凝土结构出现裂缝。对于后浇带分段间隔，建议控制在30 ～40 m，要保证后浇带可以贯通结构的横截面。可以在梁、板等位置，以分跨部形式通过后挠带，在纵横墙体相交位置或是门洞口连梁位置也可以考虑使用后浇带分段施工工艺。需要注意，可以考虑不断开梁的主筋。

3.2.5 使用钢纤维混凝土

除以上常规处理工艺外，也可以考虑使用钢纤维混凝土。即在制备混凝土阶段，根据混凝土用量的2‰～3‰，将长度为1 ～2 cm 的钢纤维掺入混凝土中。混凝土自身具有一定的抗拉强度，可以有效提升整个建筑工程的抗温度收缩性能。

在使用钢纤维混凝土时，需要考虑以下2 个问题：第1，将钢纤维与混凝土混合搅拌过程中，可能会产生钢纤维成团情况，无法确保钢纤维在混凝土保持均匀分布状态；第2，钢纤维是以随机分布状态存在于混凝土内部，使用相同工艺的钢纤维混凝土，实际表现的抗拉强度存在较大差异。建议充分考虑钢纤维混凝土的优势与劣势，分析医院建筑是否拥有其他降低医院建筑温度应力的方案，再决定是否需要通过钢纤维混凝土降低医院建筑的温度应力。

3.2.6 设置温度应力钢筋

通过设置温度应力钢筋，降低医院建筑温度应力，可以从以下2 个角度思考：第1，使用普通钢筋抵抗温度应力；第2，使用高强预应力钢丝抵抗温度应力。对于高强预应力钢丝，其设计抗拉强度约为1320 MPa，可以承受400 MPa 压力的热轧带肋钢筋，其设计抗拉强度仅有360 MPa，前者是后者的3.7 倍。综合分析，在设置温度应力钢筋时，优先选择高强预应力钢丝。

在实际应用过程中，需要考虑以下2 个问题：第1，医用建筑规模较大，建筑结构相对较长，在设置温度应力钢筋时，需要通过分段张拉技术完成，这会产生一定的张拉重叠区域。在这个区域中，会受到反方向的张拉应力影响，造成混凝土没有预压应力，可考虑使用普通热轧带肋钢筋。又因为张拉重叠区域通常会产生较大的温度应力，所以需要在制订施工设计方案时，应重点考虑该区域的设计内容，避免发生医用建筑开裂漏水现象。第2，在对钢筋做张拉处理时，钢筋墩头会向板支座传输较大侧向拉应力。如果钢筋墩头位置的板支座没有上部墙体结构，会导致板支座位置的墙体受到较大偏压，有较大概率会生成水平裂缝，也需要在施工设计阶段关注这个问题[9-10]。