醫院建筑結構設計要點及探討

陳志權

1 項目基本情況

某醫院遷建項目擬建成擁有醫療、教學、科研等功能的三級綜合性公立醫院，該遷建項目的參考標準為國際醫療衛生機構認證聯合委員會（Joint Commission on Accreditation of Healthcare Organizations，JCI）制訂標準，建設目標為節能環保智慧型醫院。

該項目的一期門診醫技病房綜合樓，可以劃分為提供給病患的病房樓與提供給醫護人員的門診醫技樓。對于病房樓，在平面設計中擁有137 m的最大曲線長度，而對于門診醫技樓平面設計最大曲線長度為210 m。樓板中間位置呈東西向布設，總長度為160 m，大于《混凝土結構設計規范》（GB 50010—2010）中對于伸縮縫最大間距的相關規定。

2 醫院建筑結構抗震設計

2.1 病房樓結構抗震設計

為有效降低結構設計產生的扭轉影響，該項目的北側決定使用懸臂式擋土墻設計，結合增加縫隙工藝，合理規避主體結構兩側承受的壓力不相等的情況，提高病房樓結構抗扭轉性能，如圖1 所示。

圖1 懸臂式擋土墻示意圖（來源：網絡）

病房樓平面設置成扇形，平面曲線平均長度為131 m，寬度為23.2 m，結構總高度為83.2 m。根據醫院建筑應用功能與高層建筑抗震標準，使用現澆鋼筋混凝土框架—剪力墻結構設計抗側結構體系。在醫院建筑結構設計中，由于要求南北立面的房間外墻設置成玻璃幕墻，所以在設置剪力墻時，選擇在結構中部位置設置剪力墻。又考慮到病房樓的結構平面存在偏心與扭轉效應，需要降低偏置樓的數量，合理控制電梯筒剪力墻厚度。在剪力墻剛度設置方面，需要減弱中部、強化兩端。這意味著需要通過降低病房樓結構偏心，減少結構的扭轉效應[1]。

對于病房樓結構側向剛度，需要遵循下大上小的標準進行合理控制，即病房樓柱墻混凝土強度等級最下部為C50，最上部為C35，中間位置進行均勻調整。最下部的框架柱截面為1000 mm×1000 mm，最上部框架柱截面為700 mm×700 mm，確保病房樓結構剛度實現均勻調整，提升病房樓結構的抗震水平。在設置超筋連梁時，選擇雙連梁設計模式，也可以考慮使用型鋼進行連接[2]。

2.2 門診醫技樓結構抗震設計

對于門診醫技樓，采用扇形平面設計模式，平面最大曲線長度可達210 m，寬度為111 m，結構總高度為29.2 m。在設計門診醫技樓結構時，可設置2 個設計方案。

2.2.1 門診醫技樓結構設計方案一

鋼筋混凝土框架體系。門診醫技樓在水平地震影響下，產生的位移是影響框架柱規格與框架梁截面規格的重要因素。經過計算后發現，門診醫技樓結構中的柱、梁擁有較大的規格，會影響門診醫技樓的使用功能，并且需要受到較大的扭轉效應。在一定的水平力條件下，門診醫技樓樓層的最大彈性水平位移，將會超過1.2 倍的兩端彈性水平位移[3]。

2.2.2 門診醫技樓結構設計方案二

混凝土框架-剪力墻體系。因為門診醫技樓擁有較多采光井，采用方案二可以穩定提升結構安全水平。可以選擇簡體模式的剪力墻，確保剪力墻可以達到互相支撐的效果，在后續使用中可以實現互相約束，為門診醫技樓結構提供更大的剛度。根據數據分析，門診醫技樓結構可以考慮使用框架-剪力墻體系，合理提升門診醫技樓的抗震強度。

2.3 門診醫技樓弱連接抗震設計

對于門診醫技樓門診建筑部分與建筑醫技部分存在單跨框架的弱連接部位，需要針對樓板部位做相應的彈性分析。通過分析數據，決定調整樓板厚度，即提升0.25%的樓板通長配筋率。將弱連接部位的框架梁、框架柱的抗震等級提升一個級別，再做相應的中震彈性數據分析，保證弱連接部位擁有相匹配的中震抗剪彈性，以此提升門診醫技樓的抗震性能[4]。

2.4 門診醫技樓入口位置抗震設計

為有效提升門診醫技樓施工建設效果，結構設計時，需在門診醫技樓入口處，設置高度為19.8 m 的躍層柱，確保躍層柱可達到預期的使用效果。

整理并分析地震條件下的躍層柱結構彈性數據后，最終決定躍層柱結構采用型鋼混凝土。盡管型鋼混凝土結構的抗震性能較好，但是在施工流程、工藝等方面較為復雜，要做必要的可行性分析。躍層柱的型鋼混凝土框架柱規格為700 mm×1000 mm，使用規格為H500 mm×250 mm×20 mm×24 mm的工字鋼，如圖2所示，通過焊接設置為躍層柱鋼骨。

圖2 工字鋼（來源：網絡）

在制訂施工設計方案時，決定采用“菱形箍+箍筋”的方式，與型鋼腹板進行組合連接，設置柱箍筋，確保柱箍筋肢距設計合理，避免箍筋在穿過型鋼時，破壞工字鋼的截面。而且，這種施工方法也可以有效提升施工效率，合理規避栓釘對柱箍筋造成的物理損傷[5]。

為有效提升混凝土柱的變形性能，需要適當提升箍筋直徑，利用全高加密工藝提高混凝土柱的體積配箍率。對框架梁與型鋼柱做連接處理時，要確保框架梁的縱筋、角筋等部件，以繞過型鋼的方式，設置在梁柱節點。如果無法直接通過型鋼，需要先確認無法直接通過的鋼翼緣，將其和鋼牛腿焊接，再完成框架梁與型鋼柱的連接。框架梁與型鋼柱連接位置的框架梁規格為450 mm×900 mm，可根據鋼筋保護層厚度逆向計算鋼牛腿規格，即鋼牛腿設定規格H840 mm×250 mm×18 mm×24 mm[6]。

3 醫院建筑結構溫度應力設計

3.1 醫院建筑溫度應力分析

為滿足醫院建筑運行功能需求，病房樓與門診醫技樓兩部分結構并沒有額外設置溫度縫。門診醫技樓設置的采光井，可以有效釋放部分溫度應力。為保障整個醫院建筑正常運行，發揮預期的使用功能，在結構設計方面，會將剪力墻以集中設置方式，設置在醫院建筑的樓梯間與電梯間等位置，造成結構樓板受到較大的束縛。

施工區域的最高氣溫為33 ℃，最低氣溫為-12 ℃，參考《建筑結構荷載規范》（GB 50009—2012），可以將15 ℃設定為建筑物的合攏溫度。需要考慮當地在各個季節的最大溫度與最小溫度差距變化，合理分析在混凝土發生收縮現象時生成的熱量。分析大量數據之后，確認混凝土的收縮升降溫度需要保持在19.5 ～20.5 ℃。考慮到混凝土存在一定的徐變概率，在充分整理數據后，考慮將折減系數設定為0.3。對樓板進行分析，可以發現在中間部位存在較大的拉應力與壓應力，而向兩側位置，應力則出現明顯下降[7]。

3.2 降低醫院建筑溫度應力的措施

在進行醫院建筑結構設計時，需要采取合適的措施，降低溫度應力對建筑結構造成的負面影響，可以從以下6 個方面開展相關工作。

3.2.1 設置收縮后澆帶

對于后澆帶，需要以高出結構建設一個等級作為混凝土的施工作業標準，寬度設定為1000 mm，并對后澆帶做澆筑封閉處理，如圖3 所示。在結束混凝土澆筑作業后，可以在2 個月后做澆筑封閉處理。在配置混凝土時，可以考慮使用低水化熱水泥，添加適量的粉煤灰，做好水灰比的控制工作。為有效控制醫院建筑的溫度應力，需要向混凝土中添加適量的膨脹劑與高強防裂纖維。

圖3 收縮后澆帶（來源：網絡）

3.2.2 提升混凝土梁與混凝土板的配筋率

制訂框架梁與次梁施工設計方案時，可以考慮采用受拉搭接工藝，設計梁頂跨架立筋與梁兩端支座，將腰筋設置在梁兩側位置，確保腰筋和主筋間距控制在200 mm 以內，腰筋間距低于200 mm。在框架梁兩端支座的腰筋，需要以受拉錨固方式進行設計。

設計樓板時，需要保證樓板的每一層、每個方向擁有大于0.25%配筋率的貫通鋼筋。針對門診醫技樓與病房樓，需要以150 mm 作為樓板厚度標準，并需要將貫通鋼筋配筋率提升至0.3%。

對于樓板下支座，需要做到盡量拉通，或者通過間隔的方式，在支座上設計受拉錨固模式。對于剪力墻，需要在陽角位置設置附加放射筋，選擇直徑為7 和12 mm 的3 m 長三級鋼筋，間隔150 mm，進行交替放置；對于陰角位置，需要設置附加斜向鋼筋。一般情況下，選擇這種設計模式，可以有效提升醫院建筑對溫度應力的抵抗性能[8]。

3.2.3 混凝土材料合理配置

在混凝土配置過程中，選擇擁有低水化熱的水泥材料，并向混凝土中摻入適量的粉煤灰。因混凝土的水灰比越大，混凝土收縮幅度越大，所以需要做好水灰比的控制工作，比如將水灰比控制在0.4 ～0.6。可以根據混凝土的用量，以0.5‰～3‰的標準摻入適量的膨脹劑。需要注意，在使用膨脹劑之前，需要做好粒徑的篩選工作，粒徑過大的膨脹劑，難以有效填充混凝土的空隙，降低膨脹劑的預期應用效果。如果施工環境溫度降低至0 ℃，還需要向混凝土中添加適量的早強劑與防凍劑，避免因混凝土澆筑質量影響醫院建筑溫度應力控制效果。在混凝土冷卻到4 ℃后，再拆除模板與保溫層。如果混凝土與施工環境溫度差超過20 ℃，需要在拆除模板后，使用草席等覆蓋物，對混凝土做臨時覆蓋，讓混凝土緩慢冷卻。

3.2.4 后澆帶分段施工

可以將后澆帶劃分為若干施工段，并取消一部分功能性偏低的后澆帶，避免混凝土結構出現裂縫。對于后澆帶分段間隔，建議控制在30 ～40 m，要保證后澆帶可以貫通結構的橫截面。可以在梁、板等位置，以分跨部形式通過后撓帶，在縱橫墻體相交位置或是門洞口連梁位置也可以考慮使用后澆帶分段施工工藝。需要注意，可以考慮不斷開梁的主筋。

3.2.5 使用鋼纖維混凝土

除以上常規處理工藝外，也可以考慮使用鋼纖維混凝土。即在制備混凝土階段，根據混凝土用量的2‰～3‰，將長度為1 ～2 cm 的鋼纖維摻入混凝土中。混凝土自身具有一定的抗拉強度，可以有效提升整個建筑工程的抗溫度收縮性能。

在使用鋼纖維混凝土時，需要考慮以下2 個問題：第1，將鋼纖維與混凝土混合攪拌過程中，可能會產生鋼纖維成團情況，無法確保鋼纖維在混凝土保持均勻分布狀態；第2，鋼纖維是以隨機分布狀態存在于混凝土內部，使用相同工藝的鋼纖維混凝土，實際表現的抗拉強度存在較大差異。建議充分考慮鋼纖維混凝土的優勢與劣勢，分析醫院建筑是否擁有其他降低醫院建筑溫度應力的方案，再決定是否需要通過鋼纖維混凝土降低醫院建筑的溫度應力。

3.2.6 設置溫度應力鋼筋

通過設置溫度應力鋼筋，降低醫院建筑溫度應力，可以從以下2 個角度思考：第1，使用普通鋼筋抵抗溫度應力；第2，使用高強預應力鋼絲抵抗溫度應力。對于高強預應力鋼絲，其設計抗拉強度約為1320 MPa，可以承受400 MPa 壓力的熱軋帶肋鋼筋，其設計抗拉強度僅有360 MPa，前者是后者的3.7 倍。綜合分析，在設置溫度應力鋼筋時，優先選擇高強預應力鋼絲。

在實際應用過程中，需要考慮以下2 個問題：第1，醫用建筑規模較大，建筑結構相對較長，在設置溫度應力鋼筋時，需要通過分段張拉技術完成，這會產生一定的張拉重疊區域。在這個區域中，會受到反方向的張拉應力影響，造成混凝土沒有預壓應力，可考慮使用普通熱軋帶肋鋼筋。又因為張拉重疊區域通常會產生較大的溫度應力，所以需要在制訂施工設計方案時，應重點考慮該區域的設計內容，避免發生醫用建筑開裂漏水現象。第2，在對鋼筋做張拉處理時，鋼筋墩頭會向板支座傳輸較大側向拉應力。如果鋼筋墩頭位置的板支座沒有上部墻體結構，會導致板支座位置的墻體受到較大偏壓，有較大概率會生成水平裂縫，也需要在施工設計階段關注這個問題[9-10]。

4 結語

綜上所述，在開展醫院建筑結構設計作業時，要對醫院建設規模、建筑工程應用需求等做詳細分析，制訂一套內容完整、結構完善的建筑結構施工設計方案。在方案執行過程中，要合理吸納相同地區的同類醫院建筑結構設計優點，不斷優化方案的細節內容。