于2019年底开始,一场突如其来的新型冠状病毒肺炎疫情,以迅雷不及掩耳之势火速蔓延,武汉这座常住人口逾千万的华中重镇拉响了警报。党中央、国务院对此高度重视,要求对湖北武汉市等地陆续发生新型冠状病毒感染的肺炎疫情,全力做好防控工作。2020年1月24日,武汉市防疫指挥部决定,在武汉火神山医院之外,再建一所北京“小汤山”模式的应急临时医院,即武汉雷神山医院。随即参建各方迅速完成前期准备工作,于2020年1月25日,雷神山医院建设动工。

　　 经过十几个昼夜的全力奋战,由中南建筑设计院设计的武汉雷神山医院在万众期待下,于2020年2月6日正式开展验收工作,分区逐步移交,2月8日开始陆续接收患者,为抗击疫情提供了有力保障。在全国近4 000万“云监工”注视下,设计者、建设者们顶风冒雨、奋力拼搏,从零开始建成了一所功能齐全的传染病隔离医院。整体效果如图1所示。

　　 武汉雷神山医院选址于江夏区军运村强军路以北地块。该地块曾用作军运村停车场,在军运会后闲置,地块紧邻军运村万人食堂,市政配套较完善,场地平整且有硬化地坪,十分适合建设临时建筑。同时场地四周道路环通,交通完善,且远离中心城区,周边尚未开发成熟,具有封闭管控与隔离的条件。

　　 雷神山医院建设用地面积约22万m²,总建筑面积约7.9万m²。主要用途为收治已确诊的新型冠状病毒肺炎患者。规划设计将东、西两区分别规划为隔离医疗区和医护生活区,其中隔离医疗区总床位数为1 500床,医护生活区可容纳医护人员约2 300人,并配备相关运维用房,总平面分区如图2所示。隔离医疗区和医护生活区做到了相对独立;并规划了严格的医护、病患、物流、污物流线,医患分流、洁污分流,互不交叉。

　　 隔离医疗区为新建一层临时建筑,设有卫生通过单元、病区护理单元、医技单元、接诊区,不含门急诊。病区护理单元为轻型模块化组合建筑,医技区为钢框架+轻型墙板式建筑,平面呈“鱼骨状”布局。隔离医疗区共设30个隔离病区及2个重症监护病区。

　　 医护生活区包括宿舍区、办公区、餐饮区及清洁用品库。宿舍区一共新建10栋宿舍楼,均为轻钢活动板房建筑,大部分为两层。其中在原军运会运动员餐厅内新建7栋,在室外场地上新建3栋。办公区和餐饮区则利用原有建筑空间改造而成。

　　 由于建设时机特殊,应急医院的结构设计不仅要保证安全性,更关键的问题是要在极短的时间内完成建成目标。装配式建设的方式可以有效地压缩建筑的建设周期,轻型模块化体系可以摆脱传统建筑建设方式对施工场地的要求,同时满足应急医院功能空间的需求,在应对突发性公共卫生事件的层面具有至关重要的意义 ^[1]。在SARS爆发期间仅用了8d建设完成的北京小汤山医院就是最典型的装配式建设应对突发事件的案例。

　　 雷神山医院装配式结构设计遵循标准化、模数化与集成化原则,尽可能地利用成熟工业化产品体系。装配式的模块集成度越高,现场安装工作相对越少,则施工速度越快,成品质量也更易于确保。在结构设计过程中需要充分考虑现场施工条件,设计初期必须与施工方就工期、加工运输、人力设备、材料供应、现场施工方法等方面取得沟通。在充分论证的前提下提出结构方案,确保现场实施的可行性。

　　 本工程针对隔离医疗区、医护生活区不同建筑功能和空间特点,相应选用了不同的结构形式。

　　 隔离医疗区从平面功能和空间特点上可分为病区护理区和医技区两种典型区域,建筑平面如图3所示。其中病区护理单元为尺寸规格统一的病房单元与医护办公单元,具有典型的标准化与模块化的特征,病区护理单元平面如图4所示,故该单元选择采用轻型模块化钢结构组合房屋(箱式房)结构体系。该体系是指在工厂内制作完成,或者在现场拼装完成,且具有使用功能的轻型钢结构建筑模块单元,通过装配连接而成的低、多层建筑。组合房屋的模块单元由模块地板、顶板以及墙板组成,同时可将设备管线、门窗及装饰部件集成在模块中。模块单元除满足各项建筑性能要求外,还需满足吊装运输的性能要求 ^[2]。图5为病区护理单元安装现场实景。

　　 组合房屋的模块单元整体采用钢结构骨架和彩钢复合板墙体,骨架以冷弯薄壁型材为主要材料,通过焊接连接,结构整体性强,承载力高。箱式房模块构件组成如图6所示。模块单元能根据使用需求进行多元化改造,自由拼接,以箱体为基本单元,可单独使用,也可拆除墙板,通过水平及竖直方向的不同组合形成宽敞的使用空间。在垂直方向可以叠层,一般不超过3层。

　　 考虑到箱式房厂家当时的生产及库存情况,本工程选用了名义尺寸为3.0m×6.0m×2.9m,2.0m×6.0m×2.9m的两种规格的模块单元,建筑平面按照该基本单元模数进行布置。箱式房的整体设计,包括结构构件深化设计均由生产厂家完成,能够满足《建筑结构荷载规范》(GB 50009—2012)使用活荷载的要求。各厂家的产品实际尺寸略有差别,所采用的工艺、材料、截面形式规格也略有不同。本工程采用的其中一种箱式房单元的底板结构平面布置如图7所示,主要构件参数见表1,结构构件均为镀锌冷弯薄壁型钢,材质均为Q235B。

　　 隔离医疗区的ICU及医技区层高为4.3m,平面柱网不均匀且跨度较大,一期ICU最大柱距为7.28m(平面如图8所示),二期ICU最大柱距则达到18.28m。箱式房、板式房等预制装配式体系难以满足要求,故主体结构采用了钢框架体系。为了便于快速安装,围护墙板与内隔墙仍采用彩钢夹芯板材,柱网尺寸遵循1 820mm的模数。屋盖采用立缝咬合式面板保温屋面系统。

　　 为了缩短设计周期及深化流程,医技区钢结构设计采用一阶段正向设计方式,即设计开始即采用详图设计软件Tekla Structure进行建模,然后将模型转换至通用有限元软件MIDAS/Gen计算,完成构件截面设计。设计图纸采用模型直接生成加工详图的方式表达,可直接与加工厂对接进行下料并加工。

　　 参照《建筑结构可靠性设计统一标准》(GB 50068—2018)临时结构要求,医技区钢结构设计使用年限为5年,结构按承载力极限状态进行设计,并满足正常使用极限状态下的变形要求。屋面恒荷载取0.3kN/m²,屋面活荷载取1.0kN/m²。考虑到轻钢结构体系对风荷载较敏感,风荷载采用了50年重现期基本风压,基本风压w₀=0.35kN/m²,未考虑地震作用。以医技区(一期)的设计为例,给出主要计算分析结果,MIDAS/Gen分析模型如图9所示。

　　 MIDAS/Gen计算得到的标准荷载组合包络工况下竖向位移见图10。由图10可知,在标准荷载组合包络工况下,跨中最大挠度值d=13.862-6.426=7.436mm <7 280/400=18.2mm,满足《钢结构设计标准》(GB 50017—2017)限值要求。

　　 荷载基本组合下考虑稳定的构件承载力验算结果见图11。由图11可知,梁最大组合应力比为0.918,柱最大组合应力比为0.3,均小于1,满足承载力要求。其中框架柱计算长度系数按有侧移体系考虑。计算屋面主梁稳定性时,考虑檩条侧向支撑的有利作用,主梁平面外计算长度按4倍檩距取值,平面内计算长度按梁跨度取值。主要构件材质均为Q235B,截面尺寸如表2所示。

　　 医护生活区结构为两层,层高均为3m,下设1.7m高架空层。根据建筑平面和空间要求,采用了轻钢活动板房体系。建筑平面布置以墙板宽度1 820mm为模数,标准房间单元平面尺寸为3 640mm×5 460mm,具体布置如图12所示。

　　 轻钢活动板房平面布局较箱式房更灵活,能满足医护生活区建筑的各项功能性需求。活动板房技术体系成熟,采用标准化、模数化生产,安装和拆卸较方便,作为临时建筑具有优势。活动板房主体结构为轻型钢框架,承重构件采用冷弯薄壁型钢,构件为工厂预制现场组装,可多次重复使用,本工程采用的活动板房构造如图13所示。楼面承重体系采用轻型钢桁架,其上铺设分配梁与木地板。屋面及外围护墙板采用彩钢夹芯板。活动板房的总体刚度较弱,纵向柱间支撑、横向柱间支撑、楼面和屋面水平支撑是保障其整体稳定的必要措施 ^[3]。

　　 场地地貌单元为长江三级阶地垅岗与坳沟相间分布区。除部分人工填土外,场地土层主要为第四系冲洪积成因的黏性土及残积黏性土,下伏基岩为白垩-第三系(K-E)泥质粉砂岩,现状场地典型地质剖面如图14所示。其中粉质黏土层(Q₃^al+pl)适合作为天然基础持力层,其承载力特征值f_ak=400kPa,压缩模量E_s1-2=15.0MPa;层顶埋深0～11.7m,层厚4.0～12.7m;该层在拟建场地大部分地段分布,土质均匀;呈黄褐色、褐红色,硬塑状态,含大量铁锰质氧化物、结核及少量灰白色条带状高岭土,属中偏低压缩性土。

　　 隔离区选址在原停车场或绿化带区域,其中原停车场区域存在硬化地坪,构造如图15所示。 设计中尽量利用原有硬化地坪。在缺少硬化地坪的绿化区域,复核土层承载力特征值至少需要达到60kPa,否则采用砂石垫层换填处理。随后现浇200mm厚C30混凝土硬化层,内置单层双向■12@200钢筋网。先将整个场区的硬化地坪形成整体,后期再根据上部建筑布置来做支墩或筏板。一方面解决了结构基础或筏板的垫层问题,另一方面也为满场区铺设HDPE防渗膜(高密度聚乙烯膜)创造了良好条件。施工过程中,尚需提前与给排水专业配合到位,明确排水主管的走向和标高,确定开挖范围,先开槽、回填后,再进行场地硬化施工。施工现场实景如图16所示。

　　 病区护理单元箱式房自重较轻,硬化地坪可直接承担上部荷重。仅为满足排水管道安装空间需要,在硬化地坪上设置了一定高度的支墩将箱式房架起。混凝土条形支墩沿建筑外边设置,支承上部建筑的同时用于抵挡室外回填土,分段式H型钢支墩则用于内部范围。典型区域基础布置如图17所示。

　　 医技区域采用钢框架结构体系,柱底反力较大。若采用硬化地坪难以满足局部受力要求,故在硬化地坪上整浇300mm厚的钢筋混凝土叠合层,形成叠合平板式筏形基础,其具体构造如图18所示,图19为施工实景。

　　 平板式筏形基础自身刚度大,能有效扩散上部结构荷载,降低地基承载力需求,针对局部软弱的不均匀地基有协调沉降的作用。采用平板式筏形基础,使得钢柱脚的位置可以适当调整,解决了上部柱网不稳定对基础施工的制约,极大地方便了施工,加快了工程进度。同时还解决了底层架空地板安装高度过大的问题。钢柱脚、架空地板与筏形基础的关系如图20所示。

　　 医护休息用房位于原万人食堂建筑内部,原有硬化地坪承载力能满足上部两层轻钢活动板房的荷载要求。由于板房下方需留出排水管道安装空间,为避免破除原有地坪,设置了1.7m高的架空层。架空层原设计拟采用钢框架或混凝土支墩,后根据施工单位能够调配的资源,替换为成品321型贝雷梁,形成装配式架空层结构,既满足受力要求,又可循环利用,节约材料,同时也节省了人力,缩短了工期,具体形式如图13所示。

　　 本工程的病区护理单元、医技单元与医护生活区分别根据各自建筑空间需求和功能特点,采用了三种不同的装配式结构体系,各体系的适用条件和特点分析详见表3。

　　 雷神山医院与北京小汤山医院 ^[4]及与本项目同期在建的火神山医院在项目建设规模、场地条件、结构形式等方面的特点对比详见表4。由表4可见,雷神山医院秉承了北京小汤山医院的设计思想,同样采用了装配式的体系以保证快速建造。但在建设规模、功能、技术与材料等方面更进一步,所采用的装配式体系工业化程度更高。

　　 雷神山医院的整个施工过程仅用时12d,从2020年1月25日开工至2月6日竣工移交,具体施工过程大致分如下阶段:①场地平整→②管槽开挖、局部回填→③场地硬化地坪施工→④HDPE膜施工→⑤条形及型钢支墩、筏板基础施工→⑥箱房安装、钢结构安装→⑦围护墙板隔断及屋面安装→⑧管线安装、装饰装修→⑨医用设备、家具安装及调试。部分施工阶段现场实景如图21所示。

　　 结构设计时须结合施工单位现有资源,采用现有的材料及规格。在充分了解现场施工条件与状态的前提下,提出设计方案,并确保现场能落实。节点构造形式应简单可靠,便于加工,连接方式应便于现场安装。

　　 当施工条件发生变化,按原设计实施有困难时,需要及时配合调整方案。如最初设计方案采用现浇钢筋混凝土支墩,根据现场人工和材料情况,及时将基础形式调整为H型钢支墩。为了解决型钢不便于找平的问题,采取了先用砖或钢板定位,后浇筑混凝土的方法,如图22所示。

　　 快速施工过程中,各项工序难免压缩到一起,带来新的问题。如混凝土龄期还未满足,就需要承担上部结构的施工荷载。为弥补混凝土强度不足,施工时采用了C40早强混凝土。同时在柱脚等受力集中的部位,增配了局部抗剪、抗冲切钢筋。施工现场难免出现有一些构件漏做,工序不到位的情况,需要随时灵活处置,以既要保证临时结构安全,又不影响工期为原则,采取加强措施。

　　 雷神山医院作为特殊时期的应急临时医疗设施,设计中面临任务重、时间紧、要求高的挑战,采用了边设计、边施工的特殊工作方式。得益于高效的设计与施工组织协调能力,以及目前较成熟的轻型钢结构装配式模块化建筑工业体系,在极短的时间内顺利完成了建设。结合在设计及施工配合中的体会,有以下几点建议供参考:

　　 (1)设计初期需和施工方在工期、加工运输、人力设备、材料供应、现场施工方法等方面进行充分沟通,减少现场调整和修改方案的情况。

　　 (2)临时医院结构设计优先选择预制装配式结构形式,遵循标准化、模数化、集成化,要了解和善于利用现有的工业化建筑产品体系。装配式建筑是建造方式的改变,更是设计理念的升级。

　　 (3)要简化设计流程,同步配合施工。

　　 (4)采用适应性强的结构及基础形式,以结构“不变”应方案“万变”。

　　 (5)结构设计要充分考虑机电管线的空间与荷载要求,并仔细配合以满足给排水的需求。

　　 (6)节点构造形式应简单可靠,便于加工,连接方式应便于现场安装。

　　 (7)应加强模块拼缝处的防水构造,以及确保金属屋面的抗风措施实施到位。

　　 (8)快速施工过程中应注意安全风险的控制,需采取合适的应对措施。