高烈度區醫療類建筑的消能減震技術應用研究

路瑤

（太原理工大學建筑設計研究院有限公司，山西 太原 030024）

0 引言

對于高烈度區醫療建筑，由于本身設防烈度較高，結構自身所受地震力較大。除此之外，根據設防分類標準的相關要求，對于重點設防類建筑，結構構件設計時一般需要考慮將地震設防烈度提高一度，通常表現為構件抗震等級提高一級，結構設計難度進一步加大。歷次地震經驗總結表明，單純通過傳統結構設計中增加構件截面、配筋等方法往往難以達到理想效果，甚至部分建筑由于建筑平面規則性較差，結構布置方案中結構構件尺寸對于建筑的使用功能影響較大，同時施工難度及工程成本也相應增加較多。自2014 年開始，國家及部分省級建設部門，如北京市、甘肅省、山西省、海南省等相繼發布了一系列關于減隔震技術在房屋建筑工程中的應用指導性文件，特別是對于高烈度區學校、醫院等重點設防類建筑，從國家政策引導及法律法規層面均明確指出重點設防類建筑均需要優先考慮采用減隔震技術，這些舉措也極大推動了該項技術在我國的應用。四川省雅安市蘆山縣人民醫院新門診樓是汶川地震災后重建項目，該大樓采用先進隔震技術，地震中建筑基本沒有損壞，成為全縣唯一的急救中心，這也是隔震技術在國內醫療建筑應用的成功典范。2021 年，國務院批準了《建設工程抗震管理條例》（國令第744 號），明確指出了高烈度區醫療建筑應當按照國家有關規定采用隔震減震等技術，同時強調了要保證發生本區域設防地震時醫療建筑能夠滿足正常使用要求。本文結合《建設工程抗震管理條例》（國令第744 號）對某高烈度區醫療建筑進行設計。

1 隔震設計的意義

地震是最常見的一類自然災害，地震因地殼運動引起，由強大的地震波伴隨著劇烈的地殼移動而產生。據資料顯示，全世界每年發生的地震不計其數，小規模的地震對人類的生活影響不大，然而，高強度的地震卻給人類生命和財產帶來了極大的威脅。當發生地震自然災害時，具有隔震作用的建筑物，僅僅呈現為簡單的傾斜，建筑物內的陳設與不隔震的差別較為明顯[1]。建筑物在地震中容易受到不同程度的損壞，因為破壞力從地面產生，由于地面的劇烈移動，引起了建筑物的高速震動，換句話說，震動是由地基傳遞到上層的結構。隔震設計可以最大限度地降低地震對建筑物、人員的損害并達到抗震效果。

2 建筑結構抗震設計的內容

2.1 考察施工地點

在建筑工程施工過程中，抗震設計是保證建筑穩定性與可靠性的重要手段。因此，在前期準備階段，首先，設計人員需要根據建筑工程的建設要求，對施工地點進行實地考察，并做好地質勘測和記錄工作。設計人員在考察施工地點時收集的工程數據是建筑結構抗震設計的重要參考依據。其次，專業設計人員需要做好分析、研究等工作，排查建筑工程施工場地周邊存在的各種不利因素，并有針對性地加以規避。最后，在實地考察工作結束后，設計人員可根據考察結果來完成建筑結構抗震設計工作，從而有效減少周邊環境存在的安全隱患，進一步保證建筑工程的安全性。

2.2 優化建筑布局

提高建筑專業、科學、合理的布局，可以有效避免地震災害發生時建筑倒塌或危及居民生命財產安全，有利于提高建筑結構的安全性。在一定程度上，不科學的建筑設計往往會導致建筑之間的相互作用。因此，在建筑結構的抗震設計中，設計師應確保建筑布局的平衡性和完整性，例如，為了建筑的美觀性和獨特性，盡量避免使用不規則的建筑造型。此外，在建筑施工過程中，建筑的布局必須嚴格遵循國家相關法規和行業規范的要求，建設單位在制定建筑結構抗震設計方案時，必須采用符合建筑布局要求的建筑材料。

2.3 選擇合適的地震系統

在進行建筑結構抗震設計時，設計師需要根據施工現場的周圍環境確定抗震系統，并提高建筑的安全系數。為了提高建筑的抗震性能，設計者應在實際工作中選擇合適的抗震系統。在此過程中，設計師應仔細分析和比較施工現場的情況，并結合建筑結構的抗震性能和地震效應的相關參數進行科學評估，以便在眾多地震系統中選擇最適合的地震系統[2]。需要注意的是，在建筑設計的早期階段，設計師還需要根據實地調查數據確定能夠滿足當前建設項目要求的最佳施工場地。

3 隔震與消能減震基本原理

3.1 隔離設計

“隔震”是對地震的隔震，一般分為基礎和地面建筑物，樓層之間的兩種隔震方式。根據建筑功能和設計強度要求，在相應部位設計橡膠隔震支座，可以減少地震力向結構上部的傳遞，從而減少對結構安全的影響，滿足抗震設防要求。國內常用的隔震支座有橡膠型、滑動型、復合型等。

3.2 消能減震設計

耗能減震是吸收和消耗地震能量，在建筑物特別是地下結構構件中設置減震器，利用減震器與結構之間的內摩擦和張力來提供建筑物的運動阻力，降低地震能量，并與隔震裝置相結合的應用，大大減少地震波對建筑物的破壞，從而達到消能減震的效果。

3.3 減隔震規范要求

《建設工程抗震管理條例》已于2021 年9 月1 日起施行，其規定，位于高烈度設防地區、地震重點監視防御區的新建學校、幼兒園、醫院、養老機構、兒童福利機構、應急指揮中心、應急避難場所、廣播電視等建筑應當按照國家有關規定采用隔震減震等技術，保證發生本區域設防地震時能夠滿足正常使用要求。《建筑抗震設計規范》（GB 50011—2021）中明確要求，設計文件上應注明對隔震部件和消能部件的性能要求；隔震和消能減震部件的設計參數和耐久性應由試驗確定；并在安裝前對工程中所用各種類型和規格的消能部件原型進行抽樣檢測，每種類型和每一規格的數量不應少于3 個，抽樣檢測的合格率應為100%；設置隔震和消能減震部件的部位，除按計算確定外，應采取便于檢查和替換的措施。

4 建筑結構抗震設計流程

4.1 抗震措施選擇

相關部門對抗震措施有著明確的規定，因此，設計人員需要根據相關規定來確定建筑結構抗震設計中的空間分布、建筑面積、建筑高度、建筑選址等內容。與此同時，為保證抗震措施選擇的科學性，設計人員需要根據當地的氣候條件、地震災害的發生概率等客觀因素來進一步檢驗建筑結構抗震設計方案中抗震措施的科學性。抗震措施的選擇是為了有效抵御地震災害，設計人員需要選擇安全性較高的抗震措施來減少地震災害對建筑造成的破壞。因此，設計人員需要優化構件截面的變形能力，以保證建筑結構的安全性。另外，在選擇抗震措施的過程中，設計人員還需要綜合考慮建筑的結構形式，以保證建筑結構在地震災害中仍然能夠保持理想的抗震效果[3]。例如，當烈度較低的地震發生時，建筑能夠保持結構完整；當中等烈度的地震發生時，建筑受到較小的破壞，并且能夠在重新修繕后正常使用；當烈度較大的地震發生時，建筑能夠屹立不倒。通常情況下，設計人員在選擇抗震措施時，大多注重建筑的結構、抗震性能、造價、施工技術等方面。當然，設計人員也會結合建筑的實際情況來采取抗震措施，以提高建筑的安全系數。

4.2 采取有效的抗震構造措施

抗震構造措施在建筑結構抗震設計中具有非常重要的作用，抗震構造措施是否合理直接決定著建筑結構防震效果是否良好。由于建筑上部主體結構的類型存在差異，所以對應的抗震構造措施也不盡相同。筆者以磚混結構的建筑為例對抗震構造措施進行了分析，具體內容如下。首先，設計人員需要按樓板標高設置水平圈梁，以便在實現內外墻連接的同時，保證建筑的整體性。水平圈梁不僅能夠有效避免預制板散落，還能夠防止磚墻倒塌。作為邊緣構件，水平圈梁還具有提高樓、屋蓋的水平剛度的重要作用[4]。因此，在地震發生時，較強的硬度和剛度能夠避免房梁被砸斷。其次，水平圈梁還能有效降低墻體在受到地震災害沖擊后出現斜裂縫的概率。即使建筑墻體已經開裂，水平圈梁也能夠控制裂縫的長度與深度，減輕不均勻沉降對建筑造成的不利影響。最后，除水平圈梁外，設計人員還需要注重構造柱位置的合理性。只有與建筑結構相匹配，構造柱的塑性、變形、滑移以及摩擦性能才能充分發揮出來。總之，采取有效的抗震構造措施，能夠提高建筑結構的變形能力，有利于快速消耗地震能量，不斷增強建筑結構的穩定性和安全性。

5 建筑結構設計隔震減震措施

5.1 隔震措施

在建筑結構設計中使用隔離措施時，設計師應首先明確可供選擇的構件，并對不同的構件進行有針對性的設計處理，以更好地增強其隔離性能，避免對建筑結構的穩定性產生干擾。結合目前結構設計階段可以選擇的隔震措施，一般有以下兩種。

（1）基礎隔離。在建筑工程的總體結構布局中，基礎結構的重要性不容忽視。作為直接針對地震進行力障的主要結構層，它在隔震中發揮著重要作用，設計者應結合實際情況進行優化。一般來說，為了促進相應的基礎結構形成更理想的隔震性能，往往可以采用軟黏土或砂墊層段，在不影響建設項目整體結構穩定性和承載能力的基礎上，努力有效提高地震波的吸收效果。避免建筑結構體系在地震作用下的嚴重破壞是建筑結構保護的重要組成部分。

（2）基礎隔離。鑒于建筑工程基礎設施的漸進式隔震處理也是必不可少的，設計者應重點關注基礎結構和上部結構，根據不同的隔震要求，合理設置隔震層，以促進形成對地下地震波的理想響應[5]。目前，常用的基礎隔震方法包括基礎滑移隔震、夾層橡膠墊隔震、混合隔震和其他不同的方法。設計者不僅需要根據實際情況優化選擇，還需要重點關注相應隔離裝置的應用，以確保其能夠有效降低地震能量波。因此，它可以保護建筑工程的上部結構，減少可能的破壞程度。

5.2 減震措施

減震措施在建筑結構設計中的應用也不容忽視。設計人員應結合不同建筑結構在減震方面的特點和要求，選擇更合適、更合理的減震方式，從而更好地實現地震破壞程度的降低。從目前建筑結構設計中常用的減震措施來看，主要有以下兩種。

（1）能量耗散和減震。在建筑結構設計中普遍采用耗能減震法，主要是通過提高建筑工程本身結構的附加抗力值來達到減震的目的。要求確保耗能結構構件能夠得到理想的使用，從而實現地震能量波的吸收，形成良好的建筑結構防護功能。基于這種能量耗散和減震措施的應用，它們通常表現出很強的適用性。它們不僅可以應用于一些新的工程項目，也可以在現有的建筑項目中進行改造和應用，從而達到理想的消能減震目的。消能減震措施不僅能在鋼結構和混凝土結構中發揮積極作用，在鋼結構中也能形成良好的效果。整體結構體系的保護更為突出，因此成為一種流行的減震措施。當然，為了更好地提高耗能減震效果，建筑結構設計師往往需要著重選擇合適的耗能減震裝置，如塑性阻力裝置、粘滯阻力裝置或摩擦阻力裝置，應進行深入分析，結合建筑工程項目的結構體系進行適當的設計。促進這些能量耗散和減震器可以適當地集成到其中，然后為相應的建筑結構系統發揮更理想的保護功能。

（2）機械減震。機械減震也是建筑結構設計中減震措施應用的重要設計方法。設計人員可以使用無黏結鋼支撐減震系統來提高原建筑工程結構的抗震性能，并有效削弱相應的地震能量波[6]。為了更好地促進機械減震措施發揮更理想的作用價值，最重要的是構建建筑結構的內部鋼支撐和外部鋼覆層的非黏結效應，從而形成更理想的滑移結構，使相應的滑移結構能夠有效地實現對地震能量波的主動響應。當然，除了要求促進相應的結構體系更加準確合理之外，建筑結構設計人員往往需要關注機械材料的適當使用，以確保相應的機械材料不僅具有理想的應用性能，還需要進行精細化設計，從而與建筑結構系統形成協調關系。

6 結語

地殼運動規律復雜，目前，國內外均無法精確預測地震的大小、地震發生的準確位置以及地震發生的時間。在地震發生時，若房屋建筑等設施設防烈度或者抗震性能不具備抵抗、消減地震的能力，將很難避免經濟損失和人員傷亡。我們無法控制地震活動，但可以保證工程項目的抗震性能滿足設防要求，因此甲類房屋建筑隔震與消能減震施工新技術在當今抗震防災措施下占主導作用。