中国建筑钢结构有限公司
总结
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装配式钢结构系统可避免施工现场堆放沙子和水泥，减少模板储运和现浇钢筋混凝土施工作业的噪音和扬尘污染，对周围疾病防护区和正常的医疗工作影响小，适用于医院建筑改扩建工程。结合靖江医院综合建筑项目的改扩建，从主体结构体系、连接节点、管道一体化、三板体系、内部装饰件、防腐防火、生产施工7个方面分析了应用于医院建筑的装配式钢结构技术方案。
0 引言
时代的进步、医疗技术的发展和大众医疗观念的改变，使得医院建筑通常以动态的形式存在。与现代医疗的不断变革和升级速度相比，医院建筑的滞后是不可避免的，导致医院建成后是一个不断的翻新和扩建过程。受建设用地、规划限高、绿地面积、机动车停车位等多种因素影响，医院的改扩建以拆除旧建新为主。在医院改扩建过程中，现有的医疗工作不能停止，也不能有噪音、扬尘等大的干扰，而且施工周期短，传统的钢筋混凝土结构难以满足上述需求。
相对而言，装配式钢结构系统可以避免施工现场堆放砂石和水泥，减少模板储运和现浇钢筋混凝土施工作业的噪音和扬尘污染，对周围病害照护区和正常的医疗工作影响较小，适合在医院改扩建工程中应用。然而，近年来，在国家政策的支持下钢结构楼梯制作安装技术，钢结构医院逐渐出现在实际项目中（图 1），并在医院改扩建过程中显示出其优势。本文将深入分析装配式钢结构医院的应用技术，为今后的此类项目提供参考和借鉴。
a—深圳南山医院改扩建工程;b—上海东方医院扩建工程。
图 1 装配式钢结构医院工程示例
一、装配式钢结构的定义
装配式钢结构建筑是由结构系统、三板系统（内外墙板和楼板）、设备管道系统、内部系统一体化钢结构楼梯制作安装技术，以钢结构为承重结构，具有“配件生产工厂、现场施工拼装、结构装修一体化、 和过程管理信息化”。装配式钢结构医院首先在厂内完成内外墙板、楼板、楼梯、梁柱构件、连接节点，以及标准护理单元、标准诊疗单元等功能部件的生产加工，然后通过现场拼装施工完成整个医院建筑的建设。
2、装配式钢结构医院建筑应用分析
2.1 项目概况
以江苏省靖江市某医院待扩建的医养综合体建筑（图 2）为基础，分析了装配式钢结构在医院建筑中的应用方案。
图 2 建筑效果
该区域抗震设防烈度为6度，设计基本地震加速度峰值为0.05g，设计了第二组抗震群。综合体建筑高度为 47 m，高宽比为 1.4，地上有 11 层，底层高 5.0 m，所有其他楼层高度为 4.2 m。平面投影尺寸为 89.6 m×33.9 m，地上总建筑面积为 25 973 m2。建筑功能包括：病房、门诊部、手术室等。
2.2 主体结构体系
本项目分别建立了钢筋混凝土结构和装配式钢结构两种计算模型（图 3），并采用了框架结构体系。其中，钢结构柱、梁为箱形截面和H型截面，材质为Q345B，混凝土结构为普通矩形截面。对两种方案进行了设计分析和比较，结果如表 1 所示。
a - 钢结构;b - 钢筋混凝土结构。
图 3 结构分析模型
表 1：混凝土框架和钢框架的计算结果比较
从计算结果中可以看出，由于钢材重量轻、强度高，在相同荷载条件下，梁和柱的截面都小于混凝土构件的截面。例如，本项目中混凝土柱的截面尺寸需要为 700 mm×900 mm，如果使用钢柱，截面尺寸可以减少到 400 mm×600 mm。据统计，单层柱数为 60 根，钢框架结构的净可用面积比混凝土结构高 6% 左右;混凝土梁的截面尺寸为 400 mm×700 mm，钢梁的截面尺寸为 250 mm×500 mm，楼板钢结构的净高更高，视觉效果更轻、更透明，如图 4 和图 5 所示。
图 4 混凝土框架结构的效果
图 5 钢框架结构的效果
抗震性能是设计医院结构时需要考虑的关键问题之一。本项目医院综合体建筑为重点设防公共建筑，具有较高的抗震设防水平，但建筑形式的不规则性导致结构抗震性不佳。根据试验计算，混凝土结构的常规设计难以满足地震扭转周期比、位移比等定量指标，因此需要通过基于性能的设计对结构的薄弱部分进行大幅加固，导致工程造价比例增加很大。相比之下，钢结构的抗震性能优越，结构重量较轻，更有利于减弱地震惯性力，分析结果表明，本工程钢结构体系通过常规设计可以满足结构的抗震性能要求。
此外，由于材料重量轻、强度高，预制钢结构建筑基础的反作用力与混凝土结构相比可降低30%左右，可有效降低地基成本。
2.3 预制连接节点
本工程预制钢结构框架梁和框架柱仅用悬臂截面的接头螺栓连接和焊接，钢框架梁的腹板通过高强度螺栓连接，翼缘全焊接连接。次梁和主梁为铰接接头，通过摩擦式高强度螺栓相互连接。框架柱在框架梁顶部 1.2~1.3 m 处设有施工现场拼接接头。如图 6 所示，该连接节点结构简单，传力合理，建筑装配化程度高，工业化特点显著，现场安装受天气和季节影响较小，安装速度快，质量安全可靠。
a—框架柱与框架梁刚性节点;B - 主梁和次梁螺栓连接节点;
c - Box Column 字段停靠节点。
图 6 钢结构连接接头
2.4 Pipeline 集成
对于室内集成管道，一般从梁下方绕过传统的混凝土结构，本工程采用在钢梁腹板上开孔贯穿室内机电管道的方法（图7），矩形孔采用加强筋加固的形式，圆孔采用焊接环形板的形式。钢梁腹板开口和孔口加固在工厂内进行，以确保工程质量。与管道在横梁下旁路的混凝土结构（图 8）相比，使用钢结构可以进一步增加房间的净空，减少机电管道的弯头，并降低风扇和泵的能耗。
图 7 钢结构梁腹板预留孔管道布置的影响
图 8 在混凝土梁下布置管道的效果
2.5 三板制（内外墙板和屋面板）。
本项目墙体材料选用蒸压轻质加气混凝土板（简称ALC板），如图9所示，ALC板以水泥、硅砂等为主要原料，经钢筋防锈处理加固，经高温高压蒸汽固化而成。
图 9 ALC 墙板
这
建筑外墙采用150mm厚的ALC板+保温装饰一体板，其中保温装饰一体板通过专用粘结砂浆和锚栓以粘贴、锚固的形式固定在ALC基墙表面，板与板之间的缝隙填充耐候硅酮密封胶， 连接示意图如图 10 所示。外墙采用滑螺栓法软连接组装固定，如图 11 所示。
图10 保温装饰一体板与ALC基础墙体的连接示意图
图 11 ALC 外墙板滑杆法
这
建筑物内墙由 200 mm 厚的 ALC 板制成，通过卡管方式与主体结构连接，如图 12 所示。配件隐藏，技术比较成熟，焊接量小，施工方便，预制率和装配程度高，湿操作大大减少，施工方便快捷。
图 12 ALC 内墙板卡管方法
这
屋面板均采用钢桁架楼板（图 13），减少了现场绑扎的钢筋数量，并且在施工过程中不需要额外的支撑，可以大大加快施工进度。楼梯板采用预制的PC楼梯构件（图14），易于保证工厂生产的质量和优良的外观，安装施工工艺简单。
图 13 钢桁架地板承重板的结构
图 14 预制楼梯组件
2.6 预制内饰件
这
内部构件采用预制墙门窗、预制架高地板、预制栏杆、预制集成吊顶（图 15）、集成卫生间、预制护理单元（图 16）和诊断单元。
图 15 预制集成吊顶
图 16 预制护理单元
2.7 防腐、防火关键结构
这
钢构件在制造厂内进行喷砂除锈，使构件表面粗糙度达到Sa2.5级，然后在制造厂内喷涂底漆和中间漆，如表2和图17所示。通过防腐层、防火层和装饰层的多层保护，使钢材与氧气隔离，达到钢材的有效防腐效果。
表 2：本工程的防腐要求推荐厚度
a—喷砂和除锈;b—喷涂底漆。
图 17 部件的防腐处理
根据GB 50016-2014《建筑物设计防火规范》规定，建筑高度大于24 m的医疗建筑视为高层公共建筑一类，耐火等级应不低于I.类。本项目建筑高度为47 m，钢结构构件的耐火等级按一级计算，钢柱选用3.0 h厚涂阻燃涂料，钢梁选用2.0 h厚涂阻燃涂料，可满足实际防火能力要求，如图18所示。
A—防火涂料无气喷涂施工;B—防火涂料样品。
图 18 部件的防火处理
2.8 装配式钢结构施工
在施工组织方面，由于钢结构为装配式施工，梁、板、柱不需要模板，钢构件在工厂加工生产，精度高，质量可控，到达现场即可安装，周转材料投入非常少。就地安装措施的材料（钢平台、梯子）均为定型产品，装配率高，可大大化解现场运输组织压力，降低内外风险。
在工艺流程方面，混凝土结构需要经过原材料加工、全程架设等 8 道工序才能完成一个结构层，而钢结构只需要工厂预制、现场安装、钢桁架板铺设、混凝土浇筑安装4道工序，施工过程明显快于混凝土结构。此外，钢结构可同时大面积施工，交错施工，安装速度快，也可提前插入幕墙预埋件和机电套管的安装，易于实现交叉作业;在一般雨水的情况下，构件的安装和地板的混凝土浇筑仍然可以进行，并且雨季的影响很小，有利于工期的进度。按已建成工程计算，同等条件下，钢结构和钢筋混凝土结构的工期仅为后者的1/3~1/2。
3 结束语
结合靖江医院综合建筑工程的改扩建情况，从主体结构体系、连接节点、管道一体化、三板系统、室内装饰件、防腐防火、生产施工7个方面分析了应用于医院建筑的装配式钢结构技术方案，并得出以下主要结论：
1）与混凝土结构相比，装配式钢结构医院具有更大的室内净可用面积、更高的净高、宽敞透明的建筑效果。
2）钢结构材料重量轻，强度高，抗震性能好，适用于抗震等级要求高的医院等重要公共建筑。
3）采用装配式钢结构可使地基反力降低30%左右，同时大大缩短工期，降低施工措施成本。
4）预制钢结构医院外墙可采用ALC板+保温装饰一体板，内墙可采用ALC板，屋面板可采用钢桁架地板承重板，楼梯可采用预制PC楼梯。
5）预制钢结构内饰件可选择预制门窗、预制架空地板、预制栏杆、预制集成吊顶、集成卫生间、预制护理单元和诊断单元。
6）通过防腐层、防火层和装饰层的多层保护，预制钢结构医院可以满足防腐和防火的要求。
来源： 于佳良， 张明远， 张耀林， 等. 装配式钢结构在医院建筑改扩建工程中的应用[J].钢结构， 2019， 34（3）： 59-63
DOI： 10.13206/j.gjg201903010
