昆山市第一人民医院开发区分院远景
工程概况
昆山市第一人民医院开发区分院位于昆山市开发区震川东路以北，青阳中路以东。基地占地面积3.20公顷，呈L形。本工程主体医疗大楼建筑面积为91547.8㎡， 地上建筑面积72862.5㎡， 地下建筑面积18685.3㎡( 其中五级急救医院建筑面积4065.4㎡) 。
设计效果图
门诊楼
本工程设一层地下室，地上部分按建筑功能结合结构设抗震缝的位置，分为五个抗震单元。本次重点介绍第二抗震单元: 本抗震单元长 93.6m， 宽44.0m， 建筑物总高度为19.6m， 分为四层， 地下室层高 5.5m， 一 层 层 高7.0m， 二、 三 层 层 高均为4.5m，四层层高3.6m。地下一层主要是作为设备房、 停车库。一层为地下室顶盖， 是门诊、 病房主要出入口， 人流、 车流密集。二层有 MRI 室、 CT 室及造影、 透视等等医技， 设备重， 人流比较密集， 荷载较大。三层是手术室及其附属科室。四层主要是手术部专用设备房。四层顶为屋盖。
结构体系的确定
由上述介绍可知，由于建筑平面功能及立面造型的要求，一层需要一个竖向构件尽量少的、 开阔的大空间，二层以上建筑功能需要较小的空间， 这样必须把二层设为转换层，把上部的小空间转换成下部的大空间( 图 1) 。
图 1 转换层以下竖向构件简图
转换层采用的是梁式转换，由四道纵向转换大梁及横向转换次梁构成。其中转换大梁共三跨，中间净跨23.3m， 两端净跨15m。转换层以下， 结合建筑楼梯间及电梯间的布置， 形成八个筒体， 支撑转换大梁。由于建筑立面及楼层净高的要求， 转换大梁最高不能超过1.8m， 因此转换层及其以上应尽量减轻自重。从理论上来说，转换层及其以上采用钢结构较合理，起初我们便提出了做钢结构的设想。但由于钢结构建设及后期维护费用较高， 甲方坚决不接受。考虑各方面因素，最后确定转换层以上采用钢筋混凝土结构，转换梁采用预应力钢筋混凝土结构。
结构方案的优化设计
转换层以下， 由八个筒体支撑转换大梁， 能较好地满足建筑大空间的要求。问题的关键是转换层及其以上采用何种结构方案最合理， 能满足建筑功能及结构设计规范要求。
第一种也就是最初的方案，转换层以上采用纯框架结构，如图2、图 3 所示， 转换层以上纵向柱网间距为 8m， 横向柱网间距为 4m、 6m 及 8m 三种。有些柱从下部筒体中伸出，转换大梁中间长跨上共有三根柱，两端短跨中间各有一根柱。采用 PKPM计算可知，结构周期、 位移等均能满足规范要求，问题是转换大梁中间跨的支座、 跨中弯矩太大。以左边第二条转换大梁中间跨为例， 由表1、表2可知，梁支座、 跨中弯矩都很大，采用预应力钢筋混凝土梁，纵筋排不下。如何降低转换大梁中间跨的弯矩，是结构方案的优化的关键。
图 2 方案一转换层上层平面
图 3 方案一结构立面
第二种方案是在第一种方案的基础上， 为降低转换大梁中间跨支座、 跨中弯矩， 拔掉了中间的柱子，即转换大梁中间长跨上由先前的三根柱变为两根柱，如图 4 所示。为减轻梁的自重， 梁断面改为1500 × 1800，同一条转换大梁中间跨支座、 跨中弯矩均下降显著，如表 1、 表 2 所示。在此基础上， 我们又进一步优化设计方案， 形成了最后的方案三( 图 5) 。方案二、 三的立面图见图 6，7。
图 4 方案二转换层上层平面
图 5 方案三转换层上层平面
图 6 方案二结构立面
图 7 方案三结构立面
在方案三中，我们主要有两个方面的改进：
( 1) 如图 5、 图 7 所示，为减少结构竖向刚度突变，在不影响建筑功能的前提下， 转换层以下的筒体尽可能向上面层延伸， 共有四个筒延伸至三层顶，墙厚由 600 减至 250。
( 2) 为了更有效地减轻转换大梁中间跨的负担，从中间四个筒的角部向上伸出八根柱，在建筑物的四层，在这八根柱与邻近的转换大梁中间跨的立柱之间设置斜撑，这样转换大梁、四层、屋顶的框架梁及筒上、转换大梁上的立柱之间形成一个空间桁架，把作用在转换大梁中间跨的竖向力转移到筒体上。斜撑采用预应力钢筋混凝土结构。
经过这两个方面的改进， 从表 1、 2 可知， 转换大梁中间跨支座、 跨中弯矩更小，效果更理想。
表1 左边第二条转换大梁 PKPM 计算结果
表2 左边第二条转换大梁 MIDAS 计算结果
分析比较
规范规定，对于复杂结构应采用不少于两个不同的力学模型进行对比计算。选用有限元程序MIDAS 与 PKPM 进行对比计算。上述三种方案，两种程序均进行了对比计算， 发现结构的周期、位移比较接近，均正常。对于梁、柱等结构构件来说， 这三种方案两种程序计算结果有些差异( 详见表 1、2) 。以上述的转换大梁为例，对于方案一、二，转换大梁中间跨支座弯矩 PKPM 所得结果偏大， 而跨中弯矩 MIDAS 的计算结果偏大。方案三中，对比柱顶的斜撑，我们发现 MIDAS 的计算结果比 PKPM的大很多，同一根斜撑，在恒载作用下， MIDAS 计算出的拉力为 1953kN， 而 PKPM 计算出的拉力仅为 356kN。由于斜撑受力的不同，引发了转换大梁跨中弯矩相差较大。初步分析，由于 PKPM 考虑施工顺序，荷载逐层增加，而斜撑设于柱顶，作用力较弱。相对而言， MIDAS 考虑结构的整体空间作用，斜撑作用力大。原理不同，结果便不相同。
最终的设计， 综合考虑各方面因素， 取 MIDAS与 PKPM 两者计算结果的较大值为设计依据。
施工中注意的问题
在设计中设置了柱顶的斜撑， 根据 MIDAS 的计算结果，斜撑能发挥较大的作用。为使他们真正发挥作用，施工时转换梁、 转换梁上立柱及筒体上立柱等与顶层柱间斜撑受力有关的结构构件的模板不能随意拆除，待顶层柱间斜撑施工完毕且达到设计强度后方可拆除转换梁等构件的模板，这样才能保证结构的整体空间作用。
小结
通过对三个结构方案的分析比较， 确定了最优方案，并根据计算模型的特点对施工过程提出了一些需要注意的问题， 为同类工程提供一定的参考借鉴。昆山市第一人民医院开发区分院在各方的共同努力下，于二零零九顺利竣工并投入了使用， 得到了各界广泛的好评。
作者：尹胜文、朱建群、陈 坚，深圳市建筑设计研究总院有限公司
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