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浅谈现代医院建筑的结构设计

发布日期:2019-03-14

摘 要:根据对几个大规模医院的设计经验,从结构计算、结构布置、结构人文设计等方面对现代医院建筑的结构设计进行了总结,提出了适应现代医院建筑特点的结构设计方法。

关键词: 医疗建筑 抗震设防 超长结构 沉降控制

Abstract: Based on the experience of several large-scale design of the hospitals, structural design including structure calculation, structure layout, structure culture design of modern medicine building has been summarized and put forward structural design methods to adapt to the characteristics of modern medicine buildings.

Key words: Hospital buildings Seismic fortification Super-long structure Control of settlement

着人民群众对医疗保健需求的不断增长, 全国各大中城市的医疗基础设施建设速度明显加快,新改扩建项目很多。作者基于对所从事的中国人民解放军总医院、北京大学第三医院、北京协和医院、北京地坛医院、天津第五中心医院、天津医院等的结构设计经验,总结了现代医院建筑结构设计的思路与做法。一、结构计算

(一)抗震设防类别的判断及计算参数的选取

由于医疗建筑是抢救人类生命的工程,在抗震救灾中起到尤为重要的作用。医院建筑在大震中不仅要不倒,还应能继续使用,担负起救援的重要职责,所以医院建筑应高于当地房屋建筑的抗震设防要求。汶川大地震后,住房和城乡建设部颁布的《建筑工程抗震设防分类标准》中,提高了学校、医院等人员密集的公共服务场所的设防要求。这次修订中,明确了将二级、三级医院均提高为重点设防类(即乙类),而且对于二级医院的急救处理范围不能或难以覆盖的县和乡镇,需建立具有外科手术室和急诊科的医院或卫生院,提高其抗震设防类别。

按照《建筑工程抗震设防分类标准》3.0.2 条,

“重点设防类(乙类),应按高于本地区抗震设防烈度一度的要求加强其抗震措施……”。确定为乙类建筑的医疗建筑,一些计算参数与丙类建筑的选取有所区别 :抗震等级应提高烈度后再查《建筑抗震设计规范》表 6.1.2,各种调整系数相应依此取值 ;剪力墙间距、抗震缝均应按照提高烈度后的烈度值进行计算 ;但最大适用高度可按本地区烈度查《建筑抗震设计规范》表 6.1.1。

需要指出的是,根据《中华人民共和国防震减灾法》第三十五条规定,“重大建设工程和可能发生严重次生灾害的建设工程,应当按照国务院有关规定进行地震安全性评价,并按照经审定的地震安全性评价报告所确定的抗震设防要求进行抗震设防”。“对学校、医院等人员密集场所的建设工程,应当按照高于当地房屋建筑的抗震设防要求进行设计和施工,采取有效措施,增强抗震设防能力”。

另根据中华人民共和国《地震安全性评价管理条例》及各地方的地方法规,规定对一定规模以上的医院(如北京市规定在地震动峰值加速度0.15g、0.20g区域内的部分乙类建筑,总投资金额超过1亿元以上的生命线工程)专门进行地震安全性评价,并以此作为抗震设计的依据。

(二)荷载取值

医疗建筑在活荷载取值上有一定的特殊性。

《建筑结构荷载规范》中对于医疗特殊用途的房间荷载取值没有明确规定。参考《全国民用建筑工程设计技术措施》(2003)中关于楼面荷载的补充规定,并配合医疗工艺专业所提供的使用荷载,一般医技及其他专用房间的活荷载取值见表 1。

 二、结构布置

(一)楼盖体系的选择

门诊楼及住院楼柱网一般为7.5m~8.5m, 且两个方向轴网相差不多。此时,楼盖常采用井字梁结构。井字梁结构两个方向受力均匀,并且由于板的跨度不大,对于承担医院中较繁多的布置灵活的隔墙荷载具有一定的优越性。因为板内需敷设较多的管线,楼板厚度不宜小于100mm。对于标准层层高4m左右,由于设备管线较多, 建筑走廊净空要求在2.5m以上,所以对结构梁高有严格要求,此时根据柱跨度,走道部分框架梁可做成宽扁梁,楼盖采用密肋楼盖。宽扁梁应注意裂缝和挠度控制。

(二)结构缝的设置

医疗建筑中的住院楼一般由一个护理单元或两个护理单元组成。根据功能需要,建筑平面多为细长形。从结构上说,即长宽比经常可能达到6以上。建筑长度过长,结构受内部混凝土的约束,易产生温度裂缝;长宽比过大,狭长的建筑物在地震时由于梁端地震波输入有位相差而容易产生不规则震动,产生较大震害。所以,这种情况,通常在中部采用设置防震缝兼伸缩缝的方法将建筑分为两部分。但是,由于医疗建筑使用功能复杂,医疗工艺为了防止上下洁污交叉感染,经常结构中部无法设缝,所以属于超长结

表1 医技房间的活荷载取值


序号

房间用途

荷载标准值KN/m2

序号

房间用途

荷载标准值KN/m2

1

手术室

3.0

5

CT

3.0

2

产房

2.5

6

DSA

5.0

3

血库

5.0

7

MRI

5.0

4

X光室

4.0

8

消毒室

6.0


构。由于未设变形缝,在设计时应充分考虑温度应力的影响。在设计时采取以下措施:1.每隔30m~50m设置后浇带或膨胀加强带;2.加强屋面保温措施,屋面板宜双层双向配筋;内外纵墙、山墙及端开间等温度应力较大部位做好维护结构的保温隔热,设计时考虑温度应力影响增加的配筋并采取构造措施;3.在混凝土搅拌过程中,可以适当掺入少量化学添加剂,补偿混凝土收缩。当然,添加外加剂并不能消除后期温度变化引起的应力。

(三)主楼与裙房基础沉降控制

综合医院一般分门诊楼和住院楼,住院楼多为高层建筑,而门诊楼多为4~6层的建筑。建筑功能上要求住院楼和门诊楼相连。由于高层和多层的荷载差异较大,所以基础易产生显著的沉降差,有可能产生结构难以承受的内力和变形。为了避免由此造成的结构上的过大的裂缝,可以在高层和多层之间设置沉降缝,将其分开成两个独立的单元。

设置沉降缝后,虽然解决了建筑物的沉降差异而产生过大裂缝的问题,但是由于上部结构必须在沉降缝两侧均设置独立的抗侧力构件,形成双梁、双柱、双墙,给建筑在使用和功能上带来不便。结构上也存在基础埋深、整体稳定等问题。因此是否设缝,需要根据具体情况, 综合考虑。

如果不设沉降缝,高层和多层间的沉降协调就至关重要。以天津第五中心医院为例,天津为沿海冲积平原,地质条件较差。一般高层及多层建筑以桩基础为主。根据《建筑桩基技术规范》第 3.1.18 条“以减小差异沉降和承台内力为目标的变刚度调平设计,宜结合具体条件按下列规定实施 :1. 对于主裙楼连体建筑,当高层主体采用桩基时,裙房(含纯地下室)的地基或桩基刚度宜相对弱化,可采用天然地基、复合地基、疏桩或短桩基础。”这样,住院楼部分,根据柱距、荷载情况,可以选择直径较粗、持力层较深,即桩长较长的高承载力桩,如承载力不够,还可采用挤扩灌注桩、灌注桩后压浆技术等。多层部分可以选择相对较细的桩,持力层相对浅些。另外, 可以用水浮力调节两边的压力差。天津地区地下水位较高,通常静止水位在 1m 左右。如果门诊、住院楼都有地下室,水浮力对基础的影响很大。要想增加多层部分压力,减少高层部分压力,可以在计算桩数时,多层部分考虑水浮力的有利影响,使桩的承载力尽量用足,而高层部分不考虑或少考虑水浮力,从而减小两边桩的沉降差异。在其他地区,根据当地的地质条件,可以主楼采用桩基础,裙楼采用筏基 ;或主楼采用筏基,裙楼采用独立基础。

高层与裙楼之间不设永久性沉降缝,在设计中,还需采取以下措施减少主裙楼间沉降差: 1.施工时先施工主楼,后施工裙楼;2.主楼与裙楼间设置沉降后浇带,后浇带内混凝土待主楼沉降稳定后方可浇筑;3.加大主楼与裙楼间连接基础梁刚度及配筋。

(四)特殊医技房间的设计

由于一些特殊的医技用房,如X光、CT、DSA、核磁共振等,有防辐射要求,根据防辐射当量不同,对机房墙壁及顶板的厚度有不同的要求。比如墙体采用360mm厚实心砖墙或200~300mm厚混凝土墙(但应注意混凝土墙对结构刚度的影响),房间顶板及底板混凝土厚度0.18m~0.25m。直线加速器、伽马刀机房等混凝土墙的厚度要达到1.2m~2.5m,设计时应提出大体积混凝土的处理方法,如水泥应采用水化热较低的矿渣硅酸盐水泥,适当掺入少量化学添加剂等措施。此外,这些医技用房需要敷设很多管线,而且部分设备可能会有振动,所以,房间的地面一般采用降板的方式解决,下沉部分采用焦渣填充,上面100mm厚细石混凝土及建筑面层做法。设备管线可以从下沉部分中预埋,同时也可以有效解决设备振动产生的影响。

三、营造舒适环境的结构设计

(一)减振隔声

隔声不仅仅体现在建筑专业设计中,结构工程师也应考虑隔音问题。设计病房楼时应充分考虑患者需要安静环境的需要,故楼板不宜太薄,一般取120mm厚为宜。设备房间应尽量避开病房等医疗房间,且应做好设备基础的减震隔声处理。

(二)隔墙

在选择隔墙材料时,除了考虑抗震及隔声要求外,还应考虑使用的方便。如住院楼、医技楼

使用时需要悬挂一些设备管线,隔墙需要有一定的强度。另外,门诊楼应考虑房间的变化,隔墙采用易于砌筑及拆卸的轻质隔墙为宜。

(三)楼板

医院应该营造一个有利于弱势群体和患者使用的建筑环境,应根据建筑功能需要细致确定结构构件的截面和标高。如楼梯踏步应该使建筑完成面等分平齐、厕所蹲位应与楼面相平、产房消毒间配餐间等有防水设计的房间应该根据防水层做法下沉结构楼板。

四、结束语

正确判断医疗建筑中各个单体的抗震设防烈度,是整个结构设计的关键。但并不是所有医院、所有建筑单体都是乙类建筑,而应根据《建筑工程抗震设防分类标准》正确判别。

医疗设备用房的荷载取值,应根据具体用途、具体设备来确定。

应根据医疗建筑的特点进行结构布置和设计:正确确定梁板布置体系;结构缝的设置根据建筑功能和结构特点进行衡量,无缝设计时应采取必要的措施;对于不设沉降缝的建筑,应采取措施控制主楼与裙房基础的沉降差;对于有防辐射要求的房间,要根据防辐射当量要求,四周隔墙采用砖墙或混凝土墙,顶板、底板楼板加厚, 必要时还要增设铅板满足防辐射要求

参考文献

[1]  GB50223-2008, 建筑工程抗震设防分类标准 [S]

[2] GB50011-2001, 建筑抗震设计规范 [S]

[3] 中国建筑标准技术研究院 . 全国民用建筑工程设计技术措施——结构(2003)[M]. 中国计划出版社

[4]  JGJ 94-2008,建筑桩基技术规范 [S]

[5] 张建民 . 核磁共振成像设备安装场地振动问题的处理 [J]. 工程建设与设计,2009(l7): 82-86

袁文章

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