高烈度区医疗类建筑的消能减震技术应用研究

路瑶

（太原理工大学建筑设计研究院有限公司，山西 太原 030024）

0 引言

对于高烈度区医疗建筑，由于本身设防烈度较高，结构自身所受地震力较大。除此之外，根据设防分类标准的相关要求，对于重点设防类建筑，结构构件设计时一般需要考虑将地震设防烈度提高一度，通常表现为构件抗震等级提高一级，结构设计难度进一步加大。历次地震经验总结表明，单纯通过传统结构设计中增加构件截面、配筋等方法往往难以达到理想效果，甚至部分建筑由于建筑平面规则性较差，结构布置方案中结构构件尺寸对于建筑的使用功能影响较大，同时施工难度及工程成本也相应增加较多。自2014 年开始，国家及部分省级建设部门，如北京市、甘肃省、山西省、海南省等相继发布了一系列关于减隔震技术在房屋建筑工程中的应用指导性文件，特别是对于高烈度区学校、医院等重点设防类建筑，从国家政策引导及法律法规层面均明确指出重点设防类建筑均需要优先考虑采用减隔震技术，这些举措也极大推动了该项技术在我国的应用。四川省雅安市芦山县人民医院新门诊楼是汶川地震灾后重建项目，该大楼采用先进隔震技术，地震中建筑基本没有损坏，成为全县唯一的急救中心，这也是隔震技术在国内医疗建筑应用的成功典范。2021 年，国务院批准了《建设工程抗震管理条例》（国令第744 号），明确指出了高烈度区医疗建筑应当按照国家有关规定采用隔震减震等技术，同时强调了要保证发生本区域设防地震时医疗建筑能够满足正常使用要求。本文结合《建设工程抗震管理条例》（国令第744 号）对某高烈度区医疗建筑进行设计。

1 隔震设计的意义

地震是最常见的一类自然灾害，地震因地壳运动引起，由强大的地震波伴随着剧烈的地壳移动而产生。据资料显示，全世界每年发生的地震不计其数，小规模的地震对人类的生活影响不大，然而，高强度的地震却给人类生命和财产带来了极大的威胁。当发生地震自然灾害时，具有隔震作用的建筑物，仅仅呈现为简单的倾斜，建筑物内的陈设与不隔震的差别较为明显[1]。建筑物在地震中容易受到不同程度的损坏，因为破坏力从地面产生，由于地面的剧烈移动，引起了建筑物的高速震动，换句话说，震动是由地基传递到上层的结构。隔震设计可以最大限度地降低地震对建筑物、人员的损害并达到抗震效果。

2 建筑结构抗震设计的内容

2.1 考察施工地点

在建筑工程施工过程中，抗震设计是保证建筑稳定性与可靠性的重要手段。因此，在前期准备阶段，首先，设计人员需要根据建筑工程的建设要求，对施工地点进行实地考察，并做好地质勘测和记录工作。设计人员在考察施工地点时收集的工程数据是建筑结构抗震设计的重要参考依据。其次，专业设计人员需要做好分析、研究等工作，排查建筑工程施工场地周边存在的各种不利因素，并有针对性地加以规避。最后，在实地考察工作结束后，设计人员可根据考察结果来完成建筑结构抗震设计工作，从而有效减少周边环境存在的安全隐患，进一步保证建筑工程的安全性。

2.2 优化建筑布局

提高建筑专业、科学、合理的布局，可以有效避免地震灾害发生时建筑倒塌或危及居民生命财产安全，有利于提高建筑结构的安全性。在一定程度上，不科学的建筑设计往往会导致建筑之间的相互作用。因此，在建筑结构的抗震设计中，设计师应确保建筑布局的平衡性和完整性，例如，为了建筑的美观性和独特性，尽量避免使用不规则的建筑造型。此外，在建筑施工过程中，建筑的布局必须严格遵循国家相关法规和行业规范的要求，建设单位在制定建筑结构抗震设计方案时，必须采用符合建筑布局要求的建筑材料。

2.3 选择合适的地震系统

在进行建筑结构抗震设计时，设计师需要根据施工现场的周围环境确定抗震系统，并提高建筑的安全系数。为了提高建筑的抗震性能，设计者应在实际工作中选择合适的抗震系统。在此过程中，设计师应仔细分析和比较施工现场的情况，并结合建筑结构的抗震性能和地震效应的相关参数进行科学评估，以便在众多地震系统中选择最适合的地震系统[2]。需要注意的是，在建筑设计的早期阶段，设计师还需要根据实地调查数据确定能够满足当前建设项目要求的最佳施工场地。

3 隔震与消能减震基本原理

3.1 隔离设计

“隔震”是对地震的隔震，一般分为基础和地面建筑物，楼层之间的两种隔震方式。根据建筑功能和设计强度要求，在相应部位设计橡胶隔震支座，可以减少地震力向结构上部的传递，从而减少对结构安全的影响，满足抗震设防要求。国内常用的隔震支座有橡胶型、滑动型、复合型等。

3.2 消能减震设计

耗能减震是吸收和消耗地震能量，在建筑物特别是地下结构构件中设置减震器，利用减震器与结构之间的内摩擦和张力来提供建筑物的运动阻力，降低地震能量，并与隔震装置相结合的应用，大大减少地震波对建筑物的破坏，从而达到消能减震的效果。

3.3 减隔震规范要求

《建设工程抗震管理条例》已于2021 年9 月1 日起施行，其规定，位于高烈度设防地区、地震重点监视防御区的新建学校、幼儿园、医院、养老机构、儿童福利机构、应急指挥中心、应急避难场所、广播电视等建筑应当按照国家有关规定采用隔震减震等技术，保证发生本区域设防地震时能够满足正常使用要求。《建筑抗震设计规范》（GB 50011—2021）中明确要求，设计文件上应注明对隔震部件和消能部件的性能要求；隔震和消能减震部件的设计参数和耐久性应由试验确定；并在安装前对工程中所用各种类型和规格的消能部件原型进行抽样检测，每种类型和每一规格的数量不应少于3 个，抽样检测的合格率应为100%；设置隔震和消能减震部件的部位，除按计算确定外，应采取便于检查和替换的措施。

4 建筑结构抗震设计流程

4.1 抗震措施选择

相关部门对抗震措施有着明确的规定，因此，设计人员需要根据相关规定来确定建筑结构抗震设计中的空间分布、建筑面积、建筑高度、建筑选址等内容。与此同时，为保证抗震措施选择的科学性，设计人员需要根据当地的气候条件、地震灾害的发生概率等客观因素来进一步检验建筑结构抗震设计方案中抗震措施的科学性。抗震措施的选择是为了有效抵御地震灾害，设计人员需要选择安全性较高的抗震措施来减少地震灾害对建筑造成的破坏。因此，设计人员需要优化构件截面的变形能力，以保证建筑结构的安全性。另外，在选择抗震措施的过程中，设计人员还需要综合考虑建筑的结构形式，以保证建筑结构在地震灾害中仍然能够保持理想的抗震效果[3]。例如，当烈度较低的地震发生时，建筑能够保持结构完整；当中等烈度的地震发生时，建筑受到较小的破坏，并且能够在重新修缮后正常使用；当烈度较大的地震发生时，建筑能够屹立不倒。通常情况下，设计人员在选择抗震措施时，大多注重建筑的结构、抗震性能、造价、施工技术等方面。当然，设计人员也会结合建筑的实际情况来采取抗震措施，以提高建筑的安全系数。

4.2 采取有效的抗震构造措施

抗震构造措施在建筑结构抗震设计中具有非常重要的作用，抗震构造措施是否合理直接决定着建筑结构防震效果是否良好。由于建筑上部主体结构的类型存在差异，所以对应的抗震构造措施也不尽相同。笔者以砖混结构的建筑为例对抗震构造措施进行了分析，具体内容如下。首先，设计人员需要按楼板标高设置水平圈梁，以便在实现内外墙连接的同时，保证建筑的整体性。水平圈梁不仅能够有效避免预制板散落，还能够防止砖墙倒塌。作为边缘构件，水平圈梁还具有提高楼、屋盖的水平刚度的重要作用[4]。因此，在地震发生时，较强的硬度和刚度能够避免房梁被砸断。其次，水平圈梁还能有效降低墙体在受到地震灾害冲击后出现斜裂缝的概率。即使建筑墙体已经开裂，水平圈梁也能够控制裂缝的长度与深度，减轻不均匀沉降对建筑造成的不利影响。最后，除水平圈梁外，设计人员还需要注重构造柱位置的合理性。只有与建筑结构相匹配，构造柱的塑性、变形、滑移以及摩擦性能才能充分发挥出来。总之，采取有效的抗震构造措施，能够提高建筑结构的变形能力，有利于快速消耗地震能量，不断增强建筑结构的稳定性和安全性。

5 建筑结构设计隔震减震措施

5.1 隔震措施

在建筑结构设计中使用隔离措施时，设计师应首先明确可供选择的构件，并对不同的构件进行有针对性的设计处理，以更好地增强其隔离性能，避免对建筑结构的稳定性产生干扰。结合目前结构设计阶段可以选择的隔震措施，一般有以下两种。

（1）基础隔离。在建筑工程的总体结构布局中，基础结构的重要性不容忽视。作为直接针对地震进行力障的主要结构层，它在隔震中发挥着重要作用，设计者应结合实际情况进行优化。一般来说，为了促进相应的基础结构形成更理想的隔震性能，往往可以采用软黏土或砂垫层段，在不影响建设项目整体结构稳定性和承载能力的基础上，努力有效提高地震波的吸收效果。避免建筑结构体系在地震作用下的严重破坏是建筑结构保护的重要组成部分。

（2）基础隔离。鉴于建筑工程基础设施的渐进式隔震处理也是必不可少的，设计者应重点关注基础结构和上部结构，根据不同的隔震要求，合理设置隔震层，以促进形成对地下地震波的理想响应[5]。目前，常用的基础隔震方法包括基础滑移隔震、夹层橡胶垫隔震、混合隔震和其他不同的方法。设计者不仅需要根据实际情况优化选择，还需要重点关注相应隔离装置的应用，以确保其能够有效降低地震能量波。因此，它可以保护建筑工程的上部结构，减少可能的破坏程度。

5.2 减震措施

减震措施在建筑结构设计中的应用也不容忽视。设计人员应结合不同建筑结构在减震方面的特点和要求，选择更合适、更合理的减震方式，从而更好地实现地震破坏程度的降低。从目前建筑结构设计中常用的减震措施来看，主要有以下两种。

（1）能量耗散和减震。在建筑结构设计中普遍采用耗能减震法，主要是通过提高建筑工程本身结构的附加抗力值来达到减震的目的。要求确保耗能结构构件能够得到理想的使用，从而实现地震能量波的吸收，形成良好的建筑结构防护功能。基于这种能量耗散和减震措施的应用，它们通常表现出很强的适用性。它们不仅可以应用于一些新的工程项目，也可以在现有的建筑项目中进行改造和应用，从而达到理想的消能减震目的。消能减震措施不仅能在钢结构和混凝土结构中发挥积极作用，在钢结构中也能形成良好的效果。整体结构体系的保护更为突出，因此成为一种流行的减震措施。当然，为了更好地提高耗能减震效果，建筑结构设计师往往需要着重选择合适的耗能减震装置，如塑性阻力装置、粘滞阻力装置或摩擦阻力装置，应进行深入分析，结合建筑工程项目的结构体系进行适当的设计。促进这些能量耗散和减震器可以适当地集成到其中，然后为相应的建筑结构系统发挥更理想的保护功能。

（2）机械减震。机械减震也是建筑结构设计中减震措施应用的重要设计方法。设计人员可以使用无黏结钢支撑减震系统来提高原建筑工程结构的抗震性能，并有效削弱相应的地震能量波[6]。为了更好地促进机械减震措施发挥更理想的作用价值，最重要的是构建建筑结构的内部钢支撑和外部钢覆层的非黏结效应，从而形成更理想的滑移结构，使相应的滑移结构能够有效地实现对地震能量波的主动响应。当然，除了要求促进相应的结构体系更加准确合理之外，建筑结构设计人员往往需要关注机械材料的适当使用，以确保相应的机械材料不仅具有理想的应用性能，还需要进行精细化设计，从而与建筑结构系统形成协调关系。

6 结语

地壳运动规律复杂，目前，国内外均无法精确预测地震的大小、地震发生的准确位置以及地震发生的时间。在地震发生时，若房屋建筑等设施设防烈度或者抗震性能不具备抵抗、消减地震的能力，将很难避免经济损失和人员伤亡。我们无法控制地震活动，但可以保证工程项目的抗震性能满足设防要求，因此甲类房屋建筑隔震与消能减震施工新技术在当今抗震防灾措施下占主导作用。