医院住院楼装配式标准化工业化产品研究

时间：2023-05-30 10:28:19 来源：广东省住房和城乡建设厅

医院住院楼装配式标准化工业化产品研究
中建科技集团有限公司深圳分公司香港华艺设计顾问（深圳）有限公司

摘要：本课题基于装配式建筑发展的趋势，立足国家以及深圳市医疗用房需求日益增加的现状，通过科学的研究方法，形成满足现阶段及未来发展要求的研究报告。课题研究基于建筑工业化理念，以建筑体系的标准化、模块化、多样化作为目标，通过构建多层级模块系统，来开展对装配式医院的建筑体系的研究。本研究结合国内研究现状，在交错桁架结构的设计方法、结构布置、构造、经济性分析等方面进行了深入的研究，充分论证了双节空腹交错桁架结构和布置剪力墙的交错桁架结构体系应用于医院住院楼的整体性和合理性。本课题验证了装配式标准化工业化产品设计在医院建筑领域应用的普适性，为装配式建筑技术在医院建筑领域更广泛的应用打下了基础，提升了医院建筑的设计品质和建造质量，具有较为广泛的应用前景。

　　关键词：医院建筑；住院楼；装配式；双节空腹交错桁架结构；布置剪力墙的交错桁架结构

　　一、研究背景

　　装配式建筑的类型主要集中在居住建筑，公共建筑由于功能多样化，形象多样化，采用装配式建造的难度较大，装配式建造水平相对滞后。医疗建筑作为基础民生工程，急需建立起标准化高质量快速建造体系。现阶段我国装配式建造在其他类型的建筑上已经拥有一定的实践经验，在医疗建筑上的应用稍显不足，这也是本课题研究成果的意义之一。医院住院楼为标准化、工业化程度非常显著的建筑类型，交错桁架结构体系可形成大空间的建筑空间，提供灵活的、标准化的建筑模块组合，便于标准化生产和装配化施工，是理想的结构体系选型。目前交错桁架结构体系在国内医疗建筑中应用较少，缺乏设计经验。为充分发挥交错桁架结构体系的优势来满足这些建筑类型的需求，进一步推广交错桁架结构在装配式建筑领域的应用，对交错桁架结构体系设计的关键技术进行深入研究是十分必要的。

　　本研究课题的目标在于：对医院住院楼装配式标准化工业化产品展开系统研究。通过对医院功能的系统梳理，明确空间统一，功能明确的住院楼作为研究的主要对象。从设计标准化、模块化出发，构建多层级模块系统，实现装配式建筑在医院建筑的应用。一方面通过标准化柱网形成可容纳多种功能组合的空间，实现功能布局的灵活可变；另一方面减少结构构件对立面设计的束缚，实现多样性立面风貌，深化医院住院楼形象的研究。

　　基于医疗建筑的功能需求和交错桁架结构体系特征，对医院建筑住院楼分别采用双节空腹交错桁架结构和布置剪力墙的交错桁架结构体系进行研究。通过结构体系的静力分析、动力分析和动力弹塑性分析，得到了交错桁架结构体系受力特征和抗震性能，预应力空心板承载力、整体楼盖水平力传递和节点连接构造，以及结构侧向稳定性的影响因素，对医疗建筑采用装配式结构体系提供指导。

　　二、研究思路

　　本课题的研究，从实地调研、数据分析、模拟实验和项目应用四个层面对医院建筑的装配式标准化工业化进行分析和研究。通过广泛调研深圳市医疗建筑建设的现状，分析研究，找出关键性问题和影响因素，寻求技术解决的可行性和可能性，明确研究方向，确定技术路线。对住院楼标准化、模数化、模块化的相关成果进行数据归类，并与已建成的住院楼进行数据对比分析。在调研与分析的基础上，从功能性、安全性、经济性几个方面分析，提出解决的技术方案，并建立数字化模型进行模拟实验。对住院楼标准化、模数化、模块化成果进行数据归类，并将其应用于实际项目，以验证研究成果的可行性。

图2-1数字化模拟实验矩阵图

　　三、研究内容

　　（一）医院建筑功能空间的标准化分析研究。

　　在装配式标准化中，建筑设计应采用模数化的设计方法。医院建筑的标准化分级从功能空间能否满足下列原则来进行评价：

　　1、空间形态规整，通用性强：平面方正，柱网规整、层高要求一致的独立功能空间，利于各模块衔接。能够通过模块切分组合，适应多种功能要求、满足不同编制组合的单元模块。有利于大量制造。

　　2、重复率高，功能典型：在医院中大量重复出现，有利于建筑构配件生产工厂化，施工机械化。

　　经相关的调研与分析，可将医院建筑各个功能的可标准化程度分为下列等级。

图3-1医院建筑功能标准化程度分级

　　（二）医院住院楼标准化、模块化产品体系研究

　　装配式建筑的“标准化产品思维”是建筑工业化的核心，是工厂生产、装配施工的前提和工业化发展的重要特征。标准化产品应包括基本单元的系列化、通用化、组合化和模块化，使产品能在最少量的基础形态上发展出最多的满足需求的形式。针对医院建筑住院楼构建标准模块和弹性模块两大产品体系，通过模数协调、模块组合、通用接口、空间协调，形成基于标准化工业化产品思维的，多样灵活的医院建筑。

　　对住院楼的功能模块进行归类，对护理单元模块、诊室模块、交通模块、辅助模块分别进行标准化研究，构建一级模块单元。在标准化的基础上进行模块组合，形成住院护理单元等二级模块。用二级模块组合形成适用性强的三级模块，以适应不同要求，不同地形条件的设计方案。

图3-2医院住院楼三级模块系统

　　（三）医院住院楼平面组合适应性与立面多样性研究

　　根据实地调研的数据基础，本课题选取了多个医疗建筑项目的用地红线，将建立的一级模块置入红线中进行模拟实验，根据不同用地红线的限制条件，采用上述方法完成一级模块到三级模块的推演，从而论证本课题所选用的模块化结构在实际项目中的可用性。

图3-3平面布局多样性模拟示意

　　立面多样化以适度为原则，通过外墙构件的组合变化，形成多样统一的立面视觉效果，营造现代、人文的医院建筑效果。住院楼立面的设计应统一在最初的模数系统之下进行，结合空间模块与装修进行一体化集成设计。装配式建筑外围护体系主要包括装饰保温一体化预制混凝土挂板、装饰保温一体化复合外墙挂板、各类幕墙、组合钢（木）骨架、系统窗、模卡墙类等。住院楼建筑可采用预制外墙挂板、预制凸窗、预制阳台等方式，实现立面多样化的装配式建造。

图3-4立面外观多样性模拟示意

　　（四）装配式交错桁架结构体系可行性分析

　　装配式交错桁架结构体系是由预制钢筋混凝土柱或钢柱、横向平面钢桁架和叠合楼板或空心楼板组成的装配式框架结构体系。框架柱布置在建筑的外围，无中柱。交错桁架结构体系应用于医院建筑住院楼时需解决以下关键问题：

　　1、结构体系的特征，即是平面结构还是三维结构，结构体系抗震性能的合理性；

　　2、预应力空心楼板构件的竖向和水平承载力，以及空心板楼盖的整体性和水平力的传递性能；

　　3、节点连接安全性，主要是钢桁架与柱子连接节点，以及预应力空心板与钢桁架的连接节点。

　　经结构受力、抗震等分析，可得出如下结论：

　　（1）交错桁架结构体系是典型的平面内受力的结构体系，其柱子、桁架竖腹杆和斜腹杆与平面单榀结构受力相近，桁架上下弦杆与楼板形成组合梁，共同承受水平和竖向荷载。交错桁架结构体系中，楼板不仅传递水平力，更是将各榀框架联系在一起，形成三维空间受力体系。

　　（2）住院楼结构楼层质量分布均匀，地震力沿高度方向无较大突变。各楼层水平地震力满足规范限值要求。风荷载作用下的层间位移角远小于小震作用结果，结构属于地震敏感体系，地震作用为该结构分析和设计的控制性荷载。结构扭转周期与平动周期之比均小于0.85，结构具有合适的抗扭刚度。

图3-5住院楼结构受力分析图

　　（五）装配式交错桁架结构体系适用性分析

　　1、高度的适用性：选取12层、16层、20层三种情况进行高度适用性分析。分析结果如下：

　　高度对含钢量的影响：交错桁架结构体系用钢量主要体现在钢桁架的用钢量，如果不改变钢桁架的构件截面尺寸，增加结构高度对单位面积用钢量影响较小。

　　高度对刚度比、层间位移比的影响：随着高度增加，下部楼层柱子受荷增大，柱子截面尺寸增加，但对结构两个方向的刚度比、位移比影响很小。

　　高度对层间位移角的影响：随着结构高度的增加，结构变柔，层间位移角增大。

图3-6结构高度适应性分析图

　　2、跨度的适用性：针对单节空腹交错桁架结构，选取15m、18m、21m、24m四种跨度分析不同跨度的结构指标。分析结果如下：

　　交错桁架结构体系用钢量主要体现在钢桁架的用钢量，如果钢桁架的构件截面尺寸改变较少，增加结构跨度对单位面积用钢量影响较小。

　　交错桁架结构体系桁架平面内刚度远大于桁架纵向刚度，故随着桁架跨度增大，桁架平面内刚度增加，平面内刚度与桁架纵向刚度比增大，扭转位移比也随之增大。随着跨度的增大，结构纵向的位移角略微增加。

图3-7结构跨度适应性分析图

　　3、榀数的影响：选取7榀、9榀、11榀、13榀四种榀数分析不同榀数对结构指标的影响。分析结果如下：

　　交错桁架结构体系用钢量主要体现在钢桁架的用钢量，如果钢桁架的构件截面尺寸改变较少，增加榀数对单位面积用钢量影响较小，由于楼电梯间用钢量相对较多，随着榀数增加，单位面积用钢量有所降低。

　　随着桁架榀数增加，桁架纵向刚度略微增大，但结构在桁架平面内的刚度远大于桁架纵向刚度，结构两个方向的刚度比改变较小，但随着结构长宽比增大，扭转效应增加，扭转位移比增大。

图3-8结构榀数影响分析图

　　（六）装配式交错桁架结构体系专项技术分析

　　本项目针对结构体系具有跨度大、荷载大、层高高等特点，对预应力空心板构件的承载力、整体楼盖水平力传递机理和节点连接构造等方面进行深入研究。

　　为了解决这些问题，在动力计算中，设定的性能目标为：

　　1、多遇地震时，抗弯、抗剪为弹性；

　　2、设防地震时，抗弯、抗剪不屈服；

　　3、罕遇地震时，普通楼板满足抗剪截面要求、不开裂；

　　4、极端工况时，满足梁偏位，支撑失效，空心板不掉落。

　　基于所需解决的三个关键问题，实现设定的性能目标，本工程采取三道构造措施进行设计，即节点构造加强、设置叠合层、平面现浇闭合，通过在板端孔内放置桁架钢筋，并灌实混凝土，进而加强空心板与空心板、空心板与钢梁的连接，实现大震不脱落的性能目标。在板顶现浇叠合层，并双向配筋，在支座处附加钢筋，从而保证水平力的有效传递。对于核心筒和楼电梯间位置处，每块设置现浇板带，板端、板缝现浇，实现平面现浇区闭合，箍住空心板，有效传递水平力。

图3-9预应力空心楼板构造示意图

　　四、创新点与特色

　　本《研究》基于建筑工业化理念，探索医院住院楼标准化装配式产品设计的可行性，主要进行了以下探索和创新：

　　（一）实现了装配式建筑产品思维在医院住院楼中的技术落地。

　　研究基于装配式建筑的“标准化产品思维”，构建三级模块产品体系，解构医院设计、建造的复杂程度，提高各单元的可复制性，实现产品的由小到大，由简单到复杂的逻辑化、快速化搭建，模块系统与装配式建造相辅相成，共同推进医院建筑的工业化设计和建造。

　　（二）实现了医院住院楼平面布局的适应性和立面造型的多样性。

　　通过对三级模块的不同组合、可变模块在模数协调原则下的变化，实现医院建筑平面布局的多样性；以预制外墙为单元，通过组合立面的多种变化，形成多样统一的立面视觉效果，考虑预制构件的孔洞预留，以适应不同的功能需求。

　　（三）论证了单节/双节空腹交错桁架结构应用于医院住院楼的整体性和合理性

　　通过对两个空腹节的交错桁架结构体系以及布置剪力墙的单空腹节的交错桁架结构体系进行静力及动力分析，论证了交错桁架结构为单榀面内受力体系，通过楼盖、纵梁或支撑将各榀交错桁架联系在一起，形成三维受力结构体系，并得到交错桁架结构体系的抗震性能。

　　（四）验证了预应力空心叠合板在交错桁架结构体系中应用。

　　通过对预应力空心板构件进行受力分析，以及在两块空心板端部设置桁架筋连接，并在其上设置现浇叠合层的构造措施，获得了预应力空心板构件承载力，解决了整体楼盖水平力传递和极端工况下的防脱落问题，促进了预应力空心叠合板在交错桁架结构体系中应用。

　　五、成果市场推广应用前景分析

　　医疗建筑作为基础民生工程，尤其是在疫情全球化的大环境下，快速建立医疗建筑标准化、工业化的产品体系意义重大。如果能研究出一种理想的适用于医疗基建的“新基建”结构体系类型，不仅能给国家带来巨大的经济效益，且能在疫情全球化的大环境下，快速建立医疗建筑标准化、工业化的产品体系有重要的意义及影响。

　　（一）实现装配式工业化产品设计思维在医院建筑设计中的普遍应用和指导

　　装配式建造无疑是医院建筑革新和发展的方向，然而目前医院装配式建造尚未形成工业化产品思维。本课题旨在对装配式建造进行一定程度的优化与改进，以实现装配式工业化在医院建筑体系中的普适性。设计阶段，装配式建筑的标准化理念易于医院建筑适应医疗功能的转变；制造阶段，模块化的预制构件可以在工厂批量的高效生产且利于提升良品率；施工阶段，装配式施工的现场组装构件、干法施工等手法都是保证建造水平和建筑品质的有效途径。

　　（二）基于建筑模块系统和结构体系的创新，实现装配式建筑技术的提升和发展

　　本课题研究通过模块系统的引入，形成装配式工业化产品体系，结构上，创新性的提出交错桁架结构体系，对关键技术，从功能性、安全性、经济性和适用性的角度进行了研究，具有工程价值。对解决工业化建筑的普适性提供了思路，以此推进装配式建筑在医院建筑方面的快速发展。

　　（三）实现了医院建筑设计到建造的“提质增效”，促进了建筑工业化的技术进步

医疗建筑作为基础民生工程，尤其是在疫情全球化的大环境下，快速建立医疗建筑标准化、工业化的产品体系意义重大。交错桁架结构体系可形成大空间的建筑空间，提供灵活的、标准化的建筑模块组合，构造简单、传力明确、施工周期短，是“从流水线上走下来的建筑体系”。在医院建筑装配式结构体系中采用交错桁架技术，在带来经济效益与社会效益的同时，符合建筑行业低碳创新绿色的发展理念，促进了建筑工业化的技术进步。

　　六、实施成效

　　研究成果于2021年12月完成，得到了评审专家的一致认可，认为成果具有创新型，对医院建筑的工业化建造，具有借鉴和指导意义。研究成果在实际项目中得到了普遍应用和实践。主要包括：

　　（一）创造了明显的经济效益和社会效益。研究成果在龙华区综合医院主体工程和南山医院改扩建施工总承包工程等项目中得到成功应用，取得了明显的经济效益和社会效益。

　　（二）推动了行业发展和技术革新。交错桁架结构体系的工厂化、标准化的特点，是充分适应且符合医院建筑需求的结构体系，能使我国医院建筑又好又快又省的达到国家对医院基建弹性和韧性的需求，对后疫情时代医疗基础设施建筑的推动具有重要借鉴。

（三）为医院建筑的低碳创新绿色探索了发展途径。《研究》基于建筑工业化的发展理念，创新性的结构体系，实现了从设计到建造 “百分之百”的预制化、装配化，为医院建筑的低碳创新绿色建筑，探索了一条新的发展途径。

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