機電抗震設計在科技新創項目中應用

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摘要：地震是自然災害之一，具有突發性和不可預測性。我國是全世界地震活動最活躍、地震災害影響最大的國家之一，有近30%的區域、1/2的城市和80%以上的特大城市位于7度以上的高地震烈度區。因此，建筑物的抗震要求顯得尤為重要，通常建筑抗震由3部分構成，即建筑結構抗震、建筑非結構構件抗震、建筑機電設備抗震。通過項目實例，展望建筑機電設備抗震的應用和前景。

關鍵詞：抗震支架；大型管道；建筑抗震

1概述

根據GB50981—2014《建筑機電工程抗震設計規范》，抗震設防烈度≥6度地區的建筑機電工程必須進行抗震設計。抗震設防烈度指的是按國家規定的權限批準作為一個地區抗震設防依據的地震烈度，其中北京市、上海市、廣州市作為3個人口密集型產業中心，抗震設防烈度均在6度以上。北京60%以上的區域甚至達到了8級。建筑機電設備的抗震應用主要包括建筑給排水，供暖通風與空調，電氣工程、燃氣、消防、弱電等各類型管道及設備，主要的抗震措施為抗震支吊架。抗震支架在構成上大致由加固的吊桿、抗震的斜撐、描固體和抗震所需的連接構件組成。抗震支架主要是利用地震力作為主要抗震的維持系統，當遭遇較強震度的地震時，可有效地將機電管線及設備承受的橫向力與縱向力，盡快傳遞到構筑物上，使其在震中能不影響系統運轉，在震后能盡快恢復建筑機電管線功能。臨港某科技創新城A0202地塊項目位于上海市浦東新區滴水湖畔。整個項目以辦公研發中心為主，包含一些配套的商業餐飲設施，并設置輔助的會議展示及多功能空間。其中，地下室面積達4萬m2，頂部機電管線錯綜復雜，施工難度較大。作為抗震設計的關鍵區域，地下室的綜合管道在設計及施工中使用了抗震支架。

2機電抗震設計的方案確認

機電抗震設計的技術核心應根據設防烈度、建筑使用功能、房屋高度、結構類型和變形特征、附屬設備所處的位置和運轉要求等，按國家標準和行業協會要求，經綜合分析后確定。機電抗震設計作為一項技術嚴謹的系統性過程，每個項目都具有其獨特性，設計方案不可一味照搬照抄。機電抗震需要經過精細化的計算。結合現場實際管線布置，并配套廠家的成熟產品，為機電系統提供切實有效的抗震保護效果。目前在抗震支架的選用上，普遍采用裝配式綜合支吊架（下文簡稱“裝配式支吊架”）。盡管規范并未強調抗震支架必須采用裝配式支吊架，但現在市場上大部分項目的抗震支架采用裝配式支吊架。采用裝配式支吊架大幅簡化了前期的深化設計和后期的施工。通常抗震支吊架的安裝通常分為4個步驟，即抗震支吊架點位的確認→抗震支吊架的選型計算→抗震支吊架的現場安裝→現場驗收。建筑機電工程設施抗震設計應以建筑結構設計為基準，一般不會高于建筑結構的抗震設計級別。機電管線類別數量繁多，尺寸大小不一，并非所有的機電管線均需要安裝抗震支吊架。根據GB50981—2014，通常需要做抗震支吊架的管線主要有4類。（1）懸吊管道中重力＞1.8KN的設備（通俗說法為大約180kg的承重）。（2）DN65以上的生活給水、消防管道系統（水管）。（3）矩形截面積≥0.38m2和圓形直徑≥0.7m的風管系統。（4）內徑≥60mm的電氣配管及重力≥150N/m的電纜橋架、電纜槽盒、母線槽。抗震支吊架四部分之一的抗震斜撐，通常采用C型鋼，型鋼鋼材力學性能如表1所示。在臨港某科技創新城項目中，以地下室主通道的綜合管線進行的抗震設計，對于抗震支吊架的點位，須嚴格按照規范要求的范圍內，結合現場實際情況進行點位布置，水、暖、電3專業的圖紙均需要布點。對地下室暖通防排煙風管和地下室空調水管道進行抗震支吊架布點深化設計。為有效結合抗震設計的功能性、節能性、美觀性原則，對管道進行單項抗震和雙向抗震支架交替布置，間距基本一致，同時滿足規范的最大布置間距要求。本項目地下室暖通防排煙風管布點如圖1所示。在抗震支吊架的型鋼的選用上，受力較大的為支撐形式型鋼，以本項目最大的綜合管組為例（總重約800kg的冷凍水供回水管組）進行力學計算選型。在8KN（約816kg）的集中力作用下，通過表1的型鋼鋼材力學性能表，按簡支梁計算公式，得出對應型鋼的不同跨距的撓度表，如表2所示。根據選型表，可以直觀地對現場的大管道進行抗震支吊架型鋼規格的匹配，如DN300以上的冷凍水供回水管道，應采用尺寸41mm×41mm規格及以上的雙拼槽鋼最為合適。抗震支吊架四部分之一的吊桿，采用圖集03S402《室內管道支架及吊架》規定，進行吊桿凈面積An按式（2）計算。An≥1.5N/（0.85F）（2）式中：An——吊桿凈截面面積，mm2；N——吊桿拉力設計值，N；F——鋼材強度設計值，N/mm。吊桿最大使用荷載如表3所示。根據不同拉力允許值，對應配置不同直徑的吊桿，大直徑吊桿可以覆蓋小直徑吊桿，確保吊桿管材在拉力允許范圍內進行最佳經濟性選型。抗震支吊架的錨固件通常采用具有機械鎖鍵效應的后擴底錨栓，不同于膨脹螺栓通過擠壓產生摩擦力的方式來固定，后擴底錨栓允許有光面螺桿，利用機械鎖鍵力進行受力，其具有極強的錨固效果，適用于對安全系數要求高的場合。對于抗震支吊架而言，在承重支吊架或托架在地震作用下松脫滑落的情況下，其務必保證與結構體的可靠連接，同時還需要將地震作用力盡快傳遞到構筑物上，故后擴底錨栓是最佳的錨固件選擇。另外還需注意的是，錨入基材混凝土強度不得＜C15，本項目臨港科技創新城主體結構的混凝土強度均≥C40。抗震支吊架所需的連接構件，因廠家不同，連接構件的差異較大，具體可根據不同廠家的選型表進行匹配選型。

3現場施工要點

本項目機電系統繁多，管線錯綜復雜。作為抗震設計重點區域的地下室，面積達4萬m2，特別是主車道上方的管線，抗震支吊架施工難度較大。對圖紙進行深化設計之后，將成套支吊架運抵現場安裝，需要注意的是抗震支吊架的施工需在原支架和管線安裝完成后進行，本項目現場抗震支吊架由以下4類管線組成。①管道支撐（給排水、消防管道）。②電纜橋架支撐（電纜線盒、母線槽）。③矩形風管支撐（空調送排風、防排煙管道）。④組合式支架（適用于多種類型管道組合）。給排水管道的抗震支吊架如圖2所示。按形式，抗震支吊架分為側向抗震支吊架與縱向抗震支吊架2類。確保管線在各個方向上的抗震性能穩定、可靠。管道組的縱向抗震支吊架如圖3所示，上下兩排管道的抗震支吊架角度一致，排列整齊，錯落有致，不影響原有管道承重支架的設置，在滿足規范要求的同時，兼顧了機電管線的美觀度。本項目地下室主通道及各類型機房是抗震支架應用最為廣泛的區域。對于臨港科技創新城項目管線密集復雜的地下室，其抗震支吊架的現場施工過程中，貫徹落實了如下幾點要求。（1）所有的抗震支吊架均應在管道支撐（承重）支架安裝完成后進行，抗震支吊架不得作為支撐支架。（2）抗震支吊架必須和現場主體結構可靠連接。當管道穿越建筑沉降縫時應考慮不均勻沉降的影響，預留一定的伸縮余量，確保管線在地震作用下，建筑物出現沉降時不會斷裂損壞。（3）側向、縱向抗震支撐的斜撐安裝應避開支撐支架，垂直角度應≥30°，且≤90°，宜采用45°。連接立管的水平管道應在靠近立管0.6m范圍內。

4結語

上海臨港某科技創新城項目大量采用抗震設計，其中主要在機電安裝方面進行設計，并安裝了大面積的抗震支吊架。根據本項目的抗震支吊架使用經驗來，抗震支吊架必須在前期進行較為詳細的圖紙深化設計，同時對現場已完成的支撐（承重）支架和管道進行考察丈量，避開支撐（承重）支架位置，因為繁雜密集的管線會給現場施工帶來一定的難度。抗震支吊架采用大量成品連接件和型鋼，除部分異型支撐外，均采用成品現場加工制作及安裝。如此又給施工帶來了便利，大幅縮短了施工工期。抗震支吊架有如下特點。（1）抗震支吊架的應用越來越廣泛，從商用建筑逐步向民用住宅的推進，進一步保障人民的生命財產安全。（2）一體化趨勢。深化圖紙、設計相配套的軟件包括報價軟件、力學計算軟件、繪圖軟件等，其采購、設計、施工一體化服務或成趨勢。（3）抗震連接件其連接的模式多元化。采用圓球式可萬向轉連接方式、去外螺桿連接方式，盡可能采用圓管來支撐，普通支架參與加裝抗震連接件等。

作者:朱立偉 單位:上海建工七建集團有限公司