1 工程概况

　　珠海中大五院凤凰山院区项目是国内首个以应急方式建造的永久性传染病医院，位于珠海中山附属第五医院院区，项目用地面积约221 673m²，建筑面积约15 599m²，建筑高度13.1m(见图1)。医院主要目的是隔离收治新型冠状病毒肺炎确诊患者，主要设施用房为住院区(接诊区、负压病房等)，并设置针对性的医技区(CT、ICU、手术室等)和保障系统(新风机房、强弱电间、生活水泵房等)，其余急诊部、门诊部、行政管理和院内生活用房与中大五院合并使用。

　　2 抗台风深化设计的重要性

　　

　　图1 医院主体示意  

　　 

　　我国东南沿海地区是遭受台风影响最严重的区域，因台风造成建筑物结构和构件损坏事件屡见不鲜，严重影响建筑物使用安全。广东珠海地区常年多雨，台风频发，提前对建筑构件进行抗台风模拟分析，是保证建筑物安全的重要措施。在台风频发情况下，风管、门窗、钢结构等易受台风影响，需进行抗台风深化设计。

　　3 抗台风深化设计问题分析

　　1)建造工期短珠海中大五院凤凰山院区项目若按常规工程量计算，建造工期达278d，作为应急工程需在25d内完成结构施工、机电管线安装、医疗设备安装、院区装饰装修等，并实现各系统联动调试，满足传染病医院所需负压的标准。通过深化设计，提前考虑15级台风影响，优化施工方案，提高施工效率，避免二次返工，减少资源浪费，保证项目按时完成。

　　2)品质要求高为防止病毒从建筑室内密封不严的缝隙、孔洞经空气流动传播至相邻空间，需密封处理各类机电管道与布线穿过建筑墙体、地面、顶板处及所有墙体板材拼接处，建筑结构自身因满足防渗漏、密封要求，采用符合要求的气密门及气密窗，避免因台风损坏结构造成安全事故。通过深化设计，考虑15级台风下门窗气密性及洞口防渗漏要求，保证项目高质量完成。

　　3)安全要求高排风机设在室外排风管路末端，排风系统排出口不应邻近人员活动区，排风宜高空排放，高空排放风管未采取加固措施会影响建筑构件安全。需经过深化设计，优化结构形式，保证建筑物使用过程安全。深化设计流程如图2所示。

　　

　　图2 深化设计流程  

　　 

　　综上所述，通过分析问题，采取合理的解决措施，优化截面形式和做法，再通过验算进行复核，确定是否满足受力要求，若未通过则调整结构形式和截面尺寸，制定合理的施工方案，控制施工要点，完成抗台风深化设计，保证高质量完成项目。

　　4 屋面风管抗台风深化设计

　　4.1 风管架结构设计

　　根据图纸，屋面共设80个风机排风管，由于屋面风管需穿过楼板，台风来临时，为预防洞口漏水，对屋面洞口做防水隔水处理，同时增加并加固风管架，深化设计风管架材料选型、高度及加固措施(见图3)。

　　对500mm×500mm,630mm×630mm,800mm×800mm 3种风管截面尺寸进行相应设计，风管架拟采用桁架结构，方形框架立柱选用8号方钢，框架小梁采用└40×4与方钢焊接。通过8号方钢立杆、8号方钢横杆与└40×4斜杆组成稳定桁架体系，在承受风荷载作用时，桁架杆件主要承受轴向拉力或压力，从而充分利用桁架轻质高强特点，使装置具有良好的抗风性能。风管与桁架贴紧，用螺栓进行固定加强，自攻螺栓间距100mm。屋面风管承台基础尺寸分别为1 160mm×1 160mm×500mm,1 290mm×1 290mm×500mm,1 480mm×1 480mm×500mm，底座预埋15mm厚钢板(带吊钩)，上部风管架采用桁架结构，桁架自重轻、强度高、抗风性能好。桁架体系中增加10钢丝绳拉结，钢丝绳一端连接于桁架立杆、横杆及斜杆节点位置，另一端与屋面结构板预埋拉钩进行拉结，在抗台风装置正常工作的情况下，增加保险措施，充分利用钢丝绳抗拉强度较高、抗疲劳强度和抗冲击韧性大的特点，减小抗台风装置承受风荷载时产生的位移，同时减小各杆件承受风荷载时产生的内力，增加各杆件抵抗风荷载的拉压应力富余度，保证装置整体抗台风性能的稳定。

　　

　　图3 风管架示意  

　　 

　　4.2 风管架计算

　　为保证设计的合理性，对风管架在Midas Gen软件中进行15级抗台风计算。风管架高6m，截面框架采用8号方钢，小梁采用└40×4，将10细钢丝拉绳一端连接于桁架立杆、横杆及斜杆节点。

　　垂直于门窗平面的风荷载标准值应按下式计算，并应≥1.0kN/m²:

　　

　　 

　　式中:由GB 50009—2012《建筑结构荷载规范》可知，阵风系数β_gz=2.05;风荷载体形系数μ_sl=1.2;风压高度变化系数μ_z=0.65;基本风压w₀=v²/1 600=48²/1 600=1.44kN/m²。计算可得w_k=2.3kN/m²。

　　通过有限元分析结果可知:单风管在15级风荷载作用下可见变形较小，最大位移分别为3.21,2.37mm，满足施工要求。单风管架最大应力发生在风荷载作用下拉索位置，为44.6MPa，除拉索外其余位置最大拉应力为33.5MPa，最大压应力33.9MPa，小于Q235钢材屈服强度215MPa，能承受15级台风荷载，设计合理，满足要求。

　　4.3 施工要点

　　风管架对风管起加固作用，经验算，风管架能承受15级台风荷载，但要保证风管与风管架整体体系可共同抵抗15级台风荷载，需从以下方面进行质量控制:(1)风管与风管间连接的可靠性风管与风管通过镀锌法兰连接，连接形式应采用咬口连接或铆接，不得焊接，连接法兰铆钉时，铆钉中心线必须垂直于板面，让铆钉头压紧板材，使板缝密合，风管与法兰连接的翻边宽度≥6mm，翻边均匀平整，紧贴法兰，翻边不得遮住螺孔，四角必须铲平，不能出现豁口;(2)风管与风管架的连接节点风管与焊接在风管架上的角钢通过螺栓相连，螺栓间距≥100mm，对称布置，风管与角钢紧密连接，保证连接没有缝隙;(3)风管与混凝土结构的连接节点风管与预埋在混凝土中的15mm厚钢板焊接连接，焊接应符合GB 50661—2011《钢结构焊接规范》要求，焊缝表面不得有裂纹、肿瘤等缺陷，二级焊缝不得有表面气孔、夹渣、飞溅、电弧擦伤、弧坑裂纹等缺陷。

　　5 门窗抗台风深化设计

　　5.1 窗形式深化设计

　　普通窗整体性能较弱，抵抗台风荷载能力较差，在台风作用下，易发生变形损坏，故选择系统窗(见图4)。系统窗具有水密性、气密性、抗风压性、机械力学强度、整体性能好的优点。水密性能等级5级，气压500～700Pa，通过减小洞口尺寸，减小受风面积，进一步加强抗台风能力。内外片均采用6mm厚钢化玻璃，钢化玻璃比普通玻璃强度高、力学性能好，能抵抗较大荷载。为保证门窗气密性，室外玻璃外侧需采取密封胶条和密封胶双重密封处理，开启部分采用双层EPDM密封胶条密封。窗铝框与墙体间采用钢副框+固定片连接，卡板连接片与钢筋混凝土采用YD32射钉相连。铝合金窗框T字、十字连接需采用系统专用连接件连接，连接前型材断面需涂断面胶密封，保证连接节点具有足够强度，在风荷载作用下节点不发生破坏。

　　5.2 系统窗计算

　　选取1榀窗进行抗台风验算，宽×高=B×H=700mm×1 500mm，采用中空玻璃，内外片为6mm厚钢化玻璃，简化力学模型为四边简支。该门窗计算标高为13.000m，地面粗糙度为C类地形。玻璃强度设计值如表1所示。

　　作用在门窗上的风荷载如下:

　　

　　 

　　

　　图4 窗节点示意  

　　 

　　  

　　表1 玻璃强度设计值f_g 

　　 

　　 

　　(N/mm2)

　　

　　表1 玻璃强度设计值f_g

　　式中:γ_w为风荷载系数取1.5。

　　1)强度校核

　　玻璃截面最大应力应满足下列条件:

　　

　　 

　　式中:σ为玻璃截面最大应力设计值(N/mm²);m为弯矩系数;q为荷载组合设计值(N/mm²);a为矩形玻璃板材短边边长(mm);η为折减系数，由参数θ确定，其中θ=q_ka⁴/Et⁴,q_k为荷载组合标准值(N/mm²),E为玻璃弹性模量(N/mm²);t为玻璃厚度(mm);f_g为玻璃强度设计值(N/mm²)。

　　外片玻璃产生的最大应力σ₁=16.467N/mm²≤f_g=84N/mm²，外片玻璃强度满足要求。

　　内片玻璃产生的最大应力σ₂=14.992N/mm²≤f_g=84N/mm²，内片玻璃强度满足要求。

　　2)挠度校核

　　按JGJ 102—2003《玻璃幕墙工程技术规范》，夹层玻璃在风荷载作用下的跨中挠度应满足下列条件:

　　

　　 

　　式中:μ为挠度系数，取0.010 54;w_k为风荷载标准值(N/mm²)，取0.002 305;a为矩形玻璃板材短边边长(mm)，取700;η为折减系数;D为玻璃刚度(N·mm)，取315 347.704;d_f,lim为玻璃挠度限值，取a/60。

　　中空玻璃产生的最大挠度d_f=2.519mm≤d_f,lim=700/60=11.667mm，挠度满足要求。

　　5.3 施工要点

　　系统窗比普通窗具有更好的抗台风能力，由于钢化玻璃比普通玻璃强度高、力学性能好，能抵抗较大荷载。为保证门窗系统满足台风情况下的质量要求，需采用以下方法保证门窗连接节点的可靠性和气密性:(1)门窗宜采用干法安装洞口封填的填充砂浆禁止使用含海砂的砂浆，与水泥砂浆接触的铝合金门框应进行防腐处理，用干硬性防水砂浆填充密实，窗铝框与墙体间采用钢副框+固定片连接，<25mm缝隙用1∶2干硬性防水砂浆填充密实，<50mm且>25mm缝隙使用C20防水细石混凝土填充密实;(2)门框不能膨胀变形临时固定用的木楔、垫块不得遗留在洞口缝隙内，铝合金与不锈钢外的其他金属材料接触处设置热隔离垫片，其余钢材均应设置隔热垫片，焊接部位必须做防腐处理。

　　6 阳台抗台风深化设计

　　6.1 阳台深化设计

　　阳台采用钢结构形式，相比混凝土结构，钢结构自重更小，对主体结构连接处荷载更小，且钢结构施工速度快，可在工厂预制生产，到现场拼装，在工期要求极短的情况下，可大幅缩短工期，同时具有较好的力学性能。阳台采用HN450×200型钢梁做主要受力构件，主梁与预埋在混凝土构件中的钢板焊接，主梁焊板尺寸300mm×800mm，通过15个M20螺栓连接，主梁悬挑长度1.5m，间距8.8m，主梁间通过2道HN450×200型钢次梁连接，次梁焊板尺寸260mm×350mm，通过4个M20螺栓与焊接在主梁上的耳板栓接，阳台上部有880mm高栏杆，以└50×5和2.5mm厚冲孔铝板组成。H型钢主梁与次梁共同组成空间桁架受力体系(见图5)。

　　6.2 阳台计算

　　在PKPM软件中进行计算，选取主梁型钢截面HN450×200，悬挑长度1.5m，施加风荷载。

　　1)钢梁荷载

　　钢梁荷载如表2所示。

　　

　　图5 阳台示意  

　　 

　　  

　　表2 钢梁荷载 

　　 

　　 

　　(k N·m-2)

　　

　　表2 钢梁荷载

　　2)钢梁内力计算

　　钢梁计算简图如图6所示。钢梁在64种荷载组合下的内力值如表3所示(选取代表性的4个组合)。

　　

　　图6 钢梁计算简图  

　　 

　　强度计算应力比为0.196，抗剪强度计算应力比为0.123，平面外稳定计算最大应力对应组合为4,M=51.26kN·m。平面外稳定计算最大应力比为0.091;强度计算应力比为0.196<1.0，满足要求;抗剪强度计算应力比为0.123<1.0，满足要求;平面外稳定计算最大应力比为0.091<1.0，满足要求;腹板高厚比为44.00<250.00(按GB 51022—2015《门式刚架轻型房屋钢结构技术规范》)，满足要求;翼缘宽厚比5.89<15.00，满足要求。

　　  

　　表3 梁内力 

　　 

　　 

　　

　　表3 梁内力

　　3)锚栓连接节点验算

　　根据阳台结构计算结果可知，HN450×200钢梁支座最大弯矩为51.26kN·m，钢梁最大拉力F=51.26/0.45=110.69kN;钢梁与混凝土连接受拉区设置15M20锚栓，单根锚栓最大抗拔力F_单=110.69/15=7.37k N。M20锚栓抗拉强度设计值F_设=48kN>F_单，故钢梁与混凝土连接抗拉强度满足设计要求。

　　HN450×200钢梁支座最大剪力V=58.59kN，钢梁与混凝土连接设置15M20锚栓，单根锚栓最大抗剪力V_单=58.59/15=3.9kN,M20锚栓抗剪强度设计值V_设=40kN>V_单，故钢梁与混凝土连接抗剪强度满足设计要求。

　　6.3 施工要点

　　通过分析，H型钢梁具有足够承载力，但要保证桁架结构体系稳定，需要控制钢梁与钢梁间、钢梁与混凝土结构间的连接节点具有足够可靠性，要点如下:(1)M20螺栓应采用高强度螺栓螺栓材料质量较高，能承受较大荷载，螺栓紧固次序应从中间开始，对称向两边进行，保证连接接头中的螺栓受力均匀;(2)钢梁焊接应采用双面焊焊缝质量应达到三级，对接焊缝应达到二级，焊件对口时应做到内壁齐平，如有错口，要求对接单面焊局部错口值不应超过壁厚10%，且≤1mm;对接双面焊局部错口值不超过焊件厚度的10%，且≤3mm。在焊完焊口或焊缝后，要检查每道焊口或焊缝，发现气孔、夹渣、咬边、裂纹等表面缺陷，应立即剔除并修补。

　　7 结语

　　通过分析永久性传染病医院深化设计存在的问题，采取增加、修改、替换的方式，提前对屋面风管、门窗和阳台进行抗台风深化设计，并进行15级台风验算复核，形成现场施工过程中的质量控制要点，保证应急医院建设的施工安全及运营安全，为在沿海地区快速建造类似项目提供借鉴。