減隔震技術(shù)在醫(yī)療建筑中的應(yīng)用
——以北京同仁醫(yī)院、唐山市婦幼保健院為例

康　凱　石　誠(chéng)　張　興

減隔震技術(shù)在醫(yī)療建筑中的應(yīng)用
——以北京同仁醫(yī)院、唐山市婦幼保健院為例

康凱石誠(chéng)張興

康凱，中國(guó)中元國(guó)際工程有限公司醫(yī)療結(jié)構(gòu)所所長(zhǎng)，教授級(jí)高級(jí)工程師。1992年畢業(yè)于清華大學(xué)土木工程系。從事醫(yī)療工程設(shè)計(jì)二十余年，主持完成了解放軍總醫(yī)院、解放軍總醫(yī)院海南分院、協(xié)和醫(yī)院、安貞醫(yī)院、總裝部總醫(yī)院、河南省人民醫(yī)院、河北省人民醫(yī)院、唐山婦幼醫(yī)院、天津?yàn)I海醫(yī)院、同仁醫(yī)院等大量醫(yī)療工程設(shè)計(jì)。先后獲得省部級(jí)優(yōu)秀設(shè)計(jì)獎(jiǎng)、科學(xué)技術(shù)獎(jiǎng)十余項(xiàng)。積極倡導(dǎo)推進(jìn)減隔震技術(shù)的實(shí)際工程應(yīng)用。主持設(shè)計(jì)并完成了國(guó)內(nèi)首個(gè)隔震醫(yī)療建筑建設(shè)。參與了隔減震方面規(guī)范、規(guī)程和標(biāo)準(zhǔn)圖集的制定與評(píng)審工作。近年帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)完成了醫(yī)療建筑隔減震設(shè)計(jì)近二十項(xiàng)。

近年來(lái)，隨著研究的不斷深入，減震隔震技術(shù)日漸成熟，已經(jīng)成為減輕地震作用，提升房屋抗震設(shè)防能力的一種有效手段。部分實(shí)際應(yīng)用工程經(jīng)受了地震的考驗(yàn)，保障了人民生命財(cái)產(chǎn)安全，產(chǎn)生了良好的社會(huì)效益。為了進(jìn)一步推進(jìn)減隔震技術(shù)的應(yīng)用，住建部于2014年頒布了《住房城鄉(xiāng)建設(shè)部關(guān)于房屋建筑工程推廣應(yīng)用減隔震技術(shù)的若干意見(jiàn)（暫行）》（建質(zhì)［2014］25號(hào)）。通知規(guī)定位于地震高烈度區(qū)、地震重點(diǎn)監(jiān)視防御區(qū)的學(xué)校、幼兒園、醫(yī)院等人員密集公共建筑，應(yīng)優(yōu)先采用減隔震技術(shù)。各省市積極下發(fā)貫徹該文件的同時(shí)，又各自提出了不同的具體要求，充分體現(xiàn)了各級(jí)政府對(duì)于抗震工作的重視及對(duì)減隔震技術(shù)先進(jìn)性的肯定。

醫(yī)療建筑作為承擔(dān)震災(zāi)醫(yī)療救護(hù)功能的生命線(xiàn)工程，牽系到社會(huì)公共安全，是功能最復(fù)雜的民用建筑，也是抗震設(shè)防的重點(diǎn)。在國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)《建筑工程抗震設(shè)防分類(lèi)標(biāo)準(zhǔn)》（GB 50223—2008）中，醫(yī)療建筑被劃分為重點(diǎn)設(shè)防類(lèi)（乙類(lèi)）。汶川大地震后，各地政府相繼對(duì)醫(yī)療建筑的抗震設(shè)防提出了更高的要求。合理地將先進(jìn)的減隔震技術(shù)應(yīng)用于醫(yī)療建筑，造福社會(huì)、造福人民，其意義重大深遠(yuǎn)，同時(shí)也為廣大工程技術(shù)人員提出了重要課題。

減隔震技術(shù)在醫(yī)療建筑中的應(yīng)用是個(gè)非常復(fù)雜的問(wèn)題，需要結(jié)合多領(lǐng)域、多專(zhuān)業(yè)的綜合考慮。作為國(guó)內(nèi)醫(yī)療建筑設(shè)計(jì)的主力軍，中國(guó)中元國(guó)際工程有限公司積極倡導(dǎo)和推進(jìn)減隔震技術(shù)，自2005年至今已有十幾所大型醫(yī)院的應(yīng)用案例，積累了較豐富的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)。

下面以?xún)蓚€(gè)工程為例，介紹減隔震技術(shù)在醫(yī)療建筑中的應(yīng)用。

減震技術(shù)工程應(yīng)用案例

北京同仁醫(yī)院經(jīng)濟(jì)技術(shù)開(kāi)發(fā)區(qū)院區(qū)擴(kuò)建工程，總建筑面積152020 m2，床位規(guī)模為900張，日門(mén)診量約6000人次。建筑功能涵蓋門(mén)急診、醫(yī)技及病房等。病房主樓地上15層，裙房5層，地下3層。首層周邊有多次下沉庭院，結(jié)構(gòu)嵌固面取地下一層地面。為避免結(jié)構(gòu)超長(zhǎng)及布置不規(guī)則，通過(guò)一道南北向防震縫將地上建筑劃分為A、B兩個(gè)結(jié)構(gòu)單元（以下簡(jiǎn)稱(chēng)A區(qū)和B區(qū)）。工程整體鳥(niǎo)瞰圖見(jiàn)圖1，結(jié)構(gòu)平面布置見(jiàn)圖2。

根據(jù)北京市地震局關(guān)于本工程的抗震設(shè)防批復(fù)，工程抗震設(shè)防烈度確定為Ⅷ度（0.30 g），設(shè)計(jì)地震分組第一組，場(chǎng)地類(lèi)別Ⅲ類(lèi)。傳統(tǒng)的結(jié)構(gòu)形式難以滿(mǎn)足建筑使用功能及既定的抗震設(shè)防目標(biāo)。項(xiàng)目在可研階段進(jìn)行了方案比選，因各方面條件限制，無(wú)法有效實(shí)施建筑隔震方案，故采用多種減震方案進(jìn)行比較，具體見(jiàn)表1。

消能器布置以平面分散、對(duì)稱(chēng)布置為原則，結(jié)合樓層豎向剛度變化及建筑需求，消能器選擇了墻式連接，每處連接墻段頂部放置兩個(gè)軟鋼消能器。A區(qū)從3層～14層共布置202對(duì)消能器，噸位為700 KN和500 KN兩種；B區(qū)地下1層至地上4層共布置了106對(duì)消能器，噸位為800 KN和500 KN兩種。以B區(qū)為例，典型的消能器布置見(jiàn)圖3。

圖1　工程?hào)|南側(cè)鳥(niǎo)瞰圖

圖2　結(jié)構(gòu)平面布置及單元?jiǎng)澐?/p>

表1　醫(yī)療綜合樓A、B區(qū)結(jié)構(gòu)方案比選表

分析表明，小震下消能器屈服程度不宜太深，因?yàn)橄芷鲃偠鹊耐嘶瘜⒑艽蟪潭鹊氐窒哪軒?lái)的減震效果，而過(guò)早的屈服也使得消能器在中、大震下變形能力儲(chǔ)備不足。本項(xiàng)目耗能減震設(shè)計(jì)思路如下：①小震作用下，結(jié)構(gòu)層間變形較小，消能器處于彈性工作階段，主要給主體結(jié)構(gòu)提供一定的附加剛度和少量的附加阻尼，滿(mǎn)足承載力及變形需求；②中大震作用下，結(jié)構(gòu)層間變形增大，消能器先于主體結(jié)構(gòu)發(fā)生屈服從而進(jìn)入彈塑性階段，利用軟鋼剪切變形耗散地震能量，從而減小主體結(jié)構(gòu)的地震反應(yīng)。

通過(guò)合理的整體分析和細(xì)部設(shè)計(jì)，本項(xiàng)目可達(dá)到較高的設(shè)防目標(biāo)，在大震作用下消能器處于正常工作狀態(tài)，主要豎向構(gòu)件基本處于彈性狀態(tài)，可以保持震后正常使用功能。

圖3　B區(qū)消能器墻式連接布置示意

隔震技術(shù)工程應(yīng)用案例

唐山市婦幼保健院遷建工程醫(yī)療綜合樓（圖4為工程鳥(niǎo)瞰圖），總建筑面積為138865 m2，總床位數(shù)為1200張。本樓設(shè)有2層地下室（部分僅1層地下室），地上病房樓為12層、門(mén)急診樓為3層、醫(yī)技樓為6層，地下部分連為一體，地上部分劃分10個(gè)結(jié)構(gòu)單元。

根據(jù)《唐山市防震減災(zāi)管理?xiàng)l例》規(guī)定，2011年3月后，新建、改建、擴(kuò)建的學(xué)校、醫(yī)院、地震避難場(chǎng)館、高層建筑等人員密集的建設(shè)工程，其抗震設(shè)防要求應(yīng)當(dāng)按照當(dāng)?shù)乜拐鹪O(shè)防標(biāo)準(zhǔn)至少提高1度進(jìn)行設(shè)防。故本項(xiàng)目的抗震設(shè)防烈度提高至Ⅸ度（0.40 g），設(shè)計(jì)地震分組第一組，場(chǎng)地類(lèi)別Ⅲ類(lèi)，屬于重點(diǎn)設(shè)防類(lèi)，傳統(tǒng)抗震體系基本不能滿(mǎn)足以上抗震設(shè)防要求，經(jīng)過(guò)消能減震與隔震的方案比選，本項(xiàng)目采用隔震設(shè)計(jì)方案。

隔震設(shè)計(jì)方案的確定需要結(jié)合建筑功能、隔震效果、造價(jià)控制、施工難度等多方面因素綜合考慮，本項(xiàng)目的方案確定也是如此。

隔震設(shè)計(jì)主要分基礎(chǔ)隔震和層間隔震兩種方案?；A(chǔ)隔震是將隔震層設(shè)置于地下室與基礎(chǔ)之間，將結(jié)構(gòu)自地下室以上整體隔震?；A(chǔ)隔震對(duì)電梯，機(jī)電管線(xiàn)連接的施工影響小，技術(shù)處理相對(duì)簡(jiǎn)單方便，但由于沿地下室周邊須設(shè)置隔震溝，會(huì)大幅提高工程造價(jià)，嚴(yán)重削弱因隔震設(shè)計(jì)帶來(lái)的工程整體性?xún)r(jià)比優(yōu)勢(shì)。層間隔震是在結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上部某層設(shè)置隔震層，自隔震層以上進(jìn)行隔震設(shè)計(jì)。因隔離縫僅需要在隔震層處設(shè)置，且隔震層可以利用為設(shè)備、管道夾層，提高了工程整體性?xún)r(jià)比。但對(duì)電梯，機(jī)電管線(xiàn)連接技術(shù)處理相對(duì)復(fù)雜。

圖4　工程鳥(niǎo)瞰圖

圖5　結(jié)構(gòu)分區(qū)圖

本項(xiàng)目地上結(jié)構(gòu)體型復(fù)雜，若地上結(jié)構(gòu)聯(lián)成一體，則上部結(jié)構(gòu)存在平面及豎向多項(xiàng)不規(guī)則且各單體間連接非常薄弱等問(wèn)題，屬于嚴(yán)重超限的復(fù)雜高層建筑，抗震極為不利，因此須將上部結(jié)構(gòu)劃分為多個(gè)有利于抗震的獨(dú)立結(jié)構(gòu)單元，圖5為結(jié)構(gòu)單體分區(qū)圖。如果在各獨(dú)立結(jié)構(gòu)單元下部分別設(shè)置隔震層，形成與結(jié)構(gòu)單元一一對(duì)應(yīng)的獨(dú)立隔震單元，由于隔震建筑在地震作用下位移較大，獨(dú)立隔震單元之間需要預(yù)留80 ～100 cm寬的隔震縫，嚴(yán)重影響建筑及醫(yī)療功能的實(shí)現(xiàn)，方案難以成立。

最終，結(jié)合各方面條件，本項(xiàng)目確定在地下室以上首層以下設(shè)置整體隔震層，隔震層頂板（首層底板）連成一體不分開(kāi)，隔震層頂板（不含）以上設(shè)置10 ～20 cm寬的抗震縫將結(jié)構(gòu)劃分為十個(gè)單元，形成以隔震層頂板（首層底板）為大底盤(pán)的多塔結(jié)構(gòu)隔震體系（圖6、圖7）。

圖6　大底盤(pán)多塔結(jié)構(gòu)隔震模型 立面圖

圖7　隔震后質(zhì)量串式模型

本項(xiàng)目設(shè)定預(yù)期減震目標(biāo)為隔震以上地震作用降低1度。采用鉛芯橡膠墊作為隔震支座，基本上采用一柱一墊的隔震墊布置方式，隔震墊數(shù)量520個(gè)。設(shè)計(jì)中通過(guò)合理調(diào)節(jié)隔震層上部重量分布，隔震墊直徑和隔震墊抗扭轉(zhuǎn)指標(biāo)等，取得較好的隔震效果。經(jīng)計(jì)算結(jié)構(gòu)的水平向減震系數(shù)為0.40。同時(shí)，設(shè)計(jì)中也考慮了隔震支座拉壓剛度的差異、豎向地震作用、大震下位移控制、大底盤(pán)樓板整體性等，保證結(jié)構(gòu)安全。在隔震工程技術(shù)處理方面，本項(xiàng)目設(shè)計(jì)采用建筑信息模型（BIM）技術(shù)進(jìn)行了機(jī)電管道的軟連接整體方案設(shè)計(jì)，對(duì)樓電梯、隔震溝封閉防護(hù)、隔震支座防火、管道軟連接等相關(guān)方面進(jìn)行了逐一深化處理，力求實(shí)現(xiàn)工程隔震效果的全方位提升。

減隔震技術(shù)在工程應(yīng)用中的特點(diǎn)

傳統(tǒng)的抗震結(jié)構(gòu)，主要通過(guò)增大結(jié)構(gòu)自身剛度及承載力以抵抗地震作用，在大震下以結(jié)構(gòu)的局部破壞來(lái)消耗地震能量，震后修復(fù)難度大、代價(jià)高。減隔震技術(shù)區(qū)別于傳統(tǒng)的抗震思路，是有組織地將局部耗能和破壞集中到耗能裝置上，從而在一定程度上減小主體結(jié)構(gòu)的地震反應(yīng)和破壞，在提高房屋安全度的同時(shí)也使房屋震后修復(fù)更易實(shí)現(xiàn)。

在減震技術(shù)中，減震裝置通過(guò)其屈服、摩擦或者是滯回耗散地震能量，為主體結(jié)構(gòu)提供附加的剛度和阻尼。在隔震技術(shù)中，隔震裝置形成在地震中相對(duì)容易產(chǎn)生變形的隔震層，可以產(chǎn)生很大的水平變形耗散能量，從而減少地震能量向上部主體結(jié)構(gòu)傳遞。

減震與隔震技術(shù)的原理和特性有所不同，在具體工程應(yīng)用中也呈現(xiàn)不同特點(diǎn)。減震裝置布置相對(duì)靈活，對(duì)建筑使用功能及水電管線(xiàn)電梯等相關(guān)專(zhuān)業(yè)影響較小，技術(shù)措施涉及專(zhuān)業(yè)分工少，施工成本相對(duì)較低，但減震效果相對(duì)有限；隔震結(jié)構(gòu)需要設(shè)置單獨(dú)的隔震層（計(jì)入建筑面積），對(duì)建筑使用功能及相關(guān)專(zhuān)業(yè)要求較高，技術(shù)措施涵蓋各個(gè)專(zhuān)業(yè)分工，施工成本較高，但減震效果比較顯著。

普通建筑的抗震設(shè)防目標(biāo)是“小震不壞，中震可修，大震不倒”。減隔震結(jié)構(gòu)改變了傳統(tǒng)抗震結(jié)構(gòu)“硬碰硬”的抗震方式，改“抗”為“消”為“隔”，通過(guò)合理的減隔震設(shè)計(jì)，可以使設(shè)防目標(biāo)達(dá)到較高的水準(zhǔn)。尤其是隔震結(jié)構(gòu)，在大幅度減小地震作用的同時(shí)，上部結(jié)構(gòu)在地震作用下趨于平動(dòng)，安全性大大提高，基本可以達(dá)到“小震無(wú)感，中震不壞，大震可修”的設(shè)防目標(biāo)。另外，隔震建筑還可以大大減少隔墻吊頂?shù)确浅兄貥?gòu)件損壞、減少相應(yīng)次生破壞、減少設(shè)施設(shè)備的損壞，地震后保證不中斷建筑使用功能，這些優(yōu)點(diǎn)都非常符合醫(yī)療建筑的抗震設(shè)防要求，相信在我國(guó)醫(yī)療建設(shè)領(lǐng)域會(huì)擁有更大更廣闊的發(fā)展空間。