抗震避難建筑中光伏一體化的應(yīng)用研究

張 鑫

（山西世紀(jì)通工程咨詢有限公司，山西 呂梁 033000）

抗震避難建筑中光伏一體化的應(yīng)用研究

張 鑫

（山西世紀(jì)通工程咨詢有限公司，山西 呂梁 033000）

太陽(yáng)能建筑被認(rèn)為是未來建筑的發(fā)展的趨勢(shì)，由于大跨度空間結(jié)構(gòu)的特殊性，光伏發(fā)電技術(shù)與建筑一體化應(yīng)用于大跨度空間結(jié)構(gòu)將會(huì)有更廣闊的發(fā)展前景。為提高城市應(yīng)對(duì)災(zāi)難性突發(fā)事件的能力，大型公共建筑通常在緊急情況下作為應(yīng)急避震疏散場(chǎng)所。本文研究光伏與建筑一體化在大跨度拱桁架建筑中的應(yīng)用，結(jié)合避難所設(shè)計(jì)要求，研究并設(shè)計(jì)適合光伏利用并具備抗震避難所功能的大跨度拱桁架結(jié)構(gòu)形式的體育館建筑。

光伏與建筑一體化 鋼拱桁架 體育館 抗震避難所

現(xiàn)代城市建設(shè)中大型公共建筑逐漸增多，在發(fā)生地震等自然災(zāi)害時(shí),體育場(chǎng)館等大型公共建筑常用來做臨時(shí)避難場(chǎng)所。公共建筑面積巨大的空間結(jié)構(gòu)的屋頂和立面也是非常合適的太陽(yáng)能利用載體，太陽(yáng)能光伏利用使在外界能源供應(yīng)中斷的情況下實(shí)現(xiàn)自身能源的供給，對(duì)居民安全避難、震后有效救援以及城市恢復(fù)重建都有重要意義。本文以城市中較常見的體育館公共建筑為切入點(diǎn)，研究并設(shè)計(jì)適合光伏利用和作為避難所的大跨度體育館建筑，選取合適的建筑和結(jié)構(gòu)形式，并按照避難所設(shè)計(jì)要求對(duì)其大跨度結(jié)構(gòu)進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析計(jì)算。

1. 抗震避難場(chǎng)所的規(guī)劃理念

我國(guó)地震災(zāi)害相當(dāng)廣泛，為了防御和減輕地震災(zāi)害，應(yīng)在城市規(guī)劃建設(shè)中應(yīng)預(yù)留應(yīng)急避難場(chǎng)所[1]。在沒有或缺少避震疏散場(chǎng)所的人口密集市區(qū)建設(shè)防災(zāi)據(jù)點(diǎn)，可以對(duì)人防工程、體育館或其它公共建筑通過抗震加固改造成為防災(zāi)據(jù)點(diǎn)或在規(guī)劃建設(shè)時(shí)就提高抗震設(shè)防等級(jí)。避難所在設(shè)計(jì)時(shí)考慮到在遭受高于本地區(qū)抗震設(shè)防烈度預(yù)估的罕見地震影響時(shí)，不遭受嚴(yán)重破壞，無或少有人員傷亡，不產(chǎn)生嚴(yán)重次生災(zāi)害。在新建的部分體育館等大型公共建筑中，可適當(dāng)提高抗震等級(jí)，作為受災(zāi)群眾的避難場(chǎng)所[2]。

2. BIPV抗震避難復(fù)合型體育館設(shè)計(jì)理念

“光伏與建筑一體化”（Building-integrated Photovoltaic）是指光伏發(fā)電技術(shù)與建筑一體化，是將太陽(yáng)能光電效應(yīng)發(fā)電技術(shù)與建筑結(jié)構(gòu)的建設(shè)結(jié)合在一起綜合體系[3]。BIPV均有諸多優(yōu)點(diǎn)：它能有效利用建筑結(jié)構(gòu)表面，無需占用土地；原地發(fā)電，就地使用，節(jié)省送電確保建筑自身全部或大部分用電投資；增強(qiáng)供電可靠性，對(duì)公共電網(wǎng)起一定的調(diào)峰作用。

BIPV體育館建筑與城市抗震避難所的結(jié)合，具有良好的經(jīng)濟(jì)性和復(fù)合型功能。平時(shí)為文體活動(dòng)場(chǎng)所，緊急情況下可作為避難所使用，避免重復(fù)建設(shè)，降低建設(shè)和使用成本。依靠其光伏發(fā)電和蓄電功能，可為避難市民生活和救災(zāi)工作提供電力支持[4]，這對(duì)搶救傷員、發(fā)布消息、收集情報(bào)、災(zāi)情統(tǒng)計(jì)等都具有重大意義。

3. BIPV和避震疏散復(fù)合型體育館設(shè)計(jì)

本體育館設(shè)計(jì)方案為中型體育館，位于太原市區(qū)某高校內(nèi)，采用太陽(yáng)能節(jié)能技術(shù)和避震疏散相結(jié)合的設(shè)計(jì)理念。要求能滿足訓(xùn)練比賽需要，遇到突發(fā)情況可作為應(yīng)急避難場(chǎng)所。按避震疏散要求規(guī)劃，把體育館設(shè)為防災(zāi)據(jù)點(diǎn)，緊急情況下可作為臨時(shí)醫(yī)院、臨時(shí)指揮中心和臨時(shí)通信中心。

在設(shè)計(jì)之初就考慮建筑與光伏的一體化設(shè)計(jì)，建筑外形設(shè)計(jì)簡(jiǎn)潔，主入口設(shè)置在體育館的北立面，東西立面設(shè)置出入口。屋面和南北立面采用整體鋼拱桁架結(jié)構(gòu)，建筑高度由北向南逐漸降低，形成一定坡度，結(jié)構(gòu)傾角利于太陽(yáng)能收集和排水[5]。采用整體鋼管拱桁架結(jié)構(gòu)，拱桁架結(jié)構(gòu)是將拱和桁架有機(jī)結(jié)合，充分發(fā)揮二者的優(yōu)點(diǎn)，將外荷載產(chǎn)生的彎矩轉(zhuǎn)化為構(gòu)件的軸向拉壓力，從而不斷地提高結(jié)構(gòu)的效率，形成的一種受力合理的空間結(jié)構(gòu)形式。其造型美觀、受力合理、用鋼量省、能覆蓋較大空間，是大型公共建筑中經(jīng)常應(yīng)用的結(jié)構(gòu)體系之一。本工程鋼拱桁架結(jié)構(gòu)跨度為72m，屋面最高處為22m（至桁架上弦），共采用7榀桁架，桁架中心間距為9M，如圖1所示。主桁架間由次桁架連接，主桁架為變截面倒三角截面形式。

抗震設(shè)防烈度為8度，設(shè)計(jì)基本地震加速度值為0.20g，設(shè)計(jì)地震分組為第一組。建筑場(chǎng)地類別擬設(shè)為Ⅲ類，多遇地震下水平地震影響系數(shù)最大值αmax＝0.16，罕遇地震下水平地震影響系數(shù)最大值αmax＝0.90，特征周期值為Tg＝0.45s，罕遇地震下特征周期0.50s，鋼結(jié)構(gòu)阻尼比取ζ＝0.02。計(jì)算時(shí)考慮雙向地震作用，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)基準(zhǔn)期50年。荷載取值：設(shè)計(jì)采用基本風(fēng)壓 0.45 kN/2m（按n=100選?。?；基本雪壓按n=100選?。?；屋面活荷載；光伏電池板恒載；電池板支撐鋼架；屋面恒載。

圖1 結(jié)構(gòu)方案圖Fig1 Structure of the program plan

本鋼拱桁架按常規(guī)設(shè)計(jì)時(shí)，為8度小震彈性設(shè)計(jì)。體育館屬于甲類建筑，根據(jù)規(guī)范要求,應(yīng)符合本地區(qū)抗震設(shè)防烈度提高一度的要求設(shè)計(jì)，即按9度小震彈性設(shè)計(jì)。由于本結(jié)構(gòu)還考慮到抗震避難要求，故需再提高抗震設(shè)防等級(jí)，按8度大震進(jìn)行彈性設(shè)計(jì)，以滿足抗震避難所的設(shè)防要求。

這里所指的抗震設(shè)防水平是指考慮的地震作用水平對(duì)應(yīng)的地面運(yùn)動(dòng)加速度或反應(yīng)譜為地震載荷參與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，結(jié)構(gòu)滿足承載能力極限狀態(tài)和正常使用極限狀態(tài)?！?度大震”是指以“8度大震”對(duì)應(yīng)的水平影響系數(shù)0.9和設(shè)計(jì)特征周期0.50對(duì)應(yīng)的反應(yīng)譜為地震載荷參與設(shè)計(jì)時(shí)，結(jié)構(gòu)滿足承載能力極限狀態(tài)和正常使用極限狀態(tài)。

取單榀鋼拱桁架采用SAP2000對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)，地震計(jì)算采用振型分解反應(yīng)譜法。按8度小震設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)力比最大的前10根桿件，其應(yīng)力由組合1.35恒荷載+1.4活荷載控制，說明地震參與的組合對(duì)結(jié)構(gòu)不起控制作用。按8度大震設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)力比最大的前10根桿件，其應(yīng)力均由組合1.2（恒荷載+0.5活荷載）+1.3水平地震+0.5豎向地震控制，說明在以“8度大震”為抗震設(shè)防水平時(shí)地震參與的組合對(duì)結(jié)構(gòu)的起控制作用。

隨著抗震設(shè)防水平的提高，結(jié)構(gòu)的用鋼量有所增加，但增加幅度不大。8度大震的地震加速度為400gal，8度小震的地震加速度為70gal，則8度大震的抗震設(shè)防水平比8度小震提高330gal，提高了471.4%，而單位用鋼量只增加了28.4%，最終用鋼量為28.56 Kg/m2。通過適當(dāng)增加少量的用鋼則可以大幅度提高結(jié)構(gòu)的抗震設(shè)防水平，滿足抗震避難所的抗震設(shè)防要求。

4. 結(jié)論

（1）鋼拱桁架結(jié)構(gòu)是大跨度空間結(jié)構(gòu)中比較常用的形式，其多向受力性能、剛度和整體性較好，拱形屋面也有利于太陽(yáng)能的吸收。

（2）BIPV體育館建筑與避難所設(shè)計(jì)的相結(jié)合，對(duì)城市應(yīng)急避難體系的建立起到至關(guān)重要的作用。且節(jié)省建造和維護(hù)費(fèi)用，提供了能源保證，并做到了平災(zāi)結(jié)合，這種具有良好的經(jīng)濟(jì)性和復(fù)合型功能的設(shè)計(jì)理念適合在未來城市建設(shè)中廣泛使用。

（3）體育館鋼拱桁架提高設(shè)防等級(jí)設(shè)計(jì)，通過適當(dāng)增加少量的用鋼量則可以大幅度提高結(jié)構(gòu)的抗震設(shè)防水平，以滿足抗震避難所的設(shè)計(jì)要求。

[1]蘇幼坡,劉瑞興.城市地震避難所的規(guī)劃原則與要點(diǎn).災(zāi)害學(xué)，2004年3月，87-91.

[2]曹國(guó)強(qiáng).城市避震疏散和救助醫(yī)療機(jī)構(gòu)規(guī)劃問題的研究[學(xué)位論文].河北理工大學(xué)，2005.

[3]謝曉峰，范星河.燃料電池技術(shù).化學(xué)工業(yè)出版社，2004：71-88

[4]M.Ponsansky，TSzcasva，AcEkmanns. New Electricity Construction Materials for Roofs and Facades. Renewable Energy,1998，15:541-544.

[5]饒力.光伏技術(shù)在太陽(yáng)能建筑和工程監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中的應(yīng)用研究 [學(xué)位論文].浙江大學(xué),2007.

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