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浅析高原冻土地区气膜建筑的应用_任卫艮

收稿日期：2011－06－07

作者简介：任卫艮（1969－），男，山西朔州人，高级工程师、国家一级注册结构师、注册咨询工程师，1993年毕业于

中国矿业大学，主要从事结构设计和管理工作。

浅析高原冻土地区气膜建筑的应用

任卫艮

（兰州煤矿设计研究院，甘肃兰州730000）

摘

要：针对高原冻土地区天气寒冷，气候干燥，大气压力低、空气中氧气含量相对较低，

永冻层具有冻胀和融沉特征，对建筑基础的影响大、施工工期短等特点，介绍了气膜建筑的应

用，实现了增压增氧，调节温度、湿度，改善了高原地区工作及生活环境，提高工作效率，减少职工患高原病概率，克服了冻土对上部结构的特殊要求，实现大跨度大空间，体现气膜建筑在高原冻土地区节能、节省投资、满足服务年限、施工期短等方面具有绝对优势。

关键词：高原（低压低氧）；永冻层；气膜建筑；上部结构

中图分类号：TU272.1；TU591

文献标识码：B

文章编号：1671－0959（2011）11-0029-031

概

况

江仓矿区位于青海省海西州天峻县木里乡，该地区平均海拔3850m 左右。由于矿区地处高原，天气寒冷，气候干燥，大气压力低、空气中氧气含量相对较低（只有低海拔地区的60%左右），对职工的身体造成了极大地损害；高寒缺氧造成生产效率低；并且受恶劣的环境条件所限制，企业在基本建设方面也存在着巨大的困难，阻碍着企业的快速发展。

该矿区属高原低山、丘陵地形。地表以下为常年不化的永冻层，冻层厚度平均为100m 左右，夏季融化最大深度约2.69m 。冻土是一种对温度极为敏感的土体介质，含有丰富的地下冰。冻土具有流变性，其长期强度远低于瞬时强度特征。冻土在正负温度交替变化过程中水分产生剧烈的相变，伴随产生土体体积的变化。正由于这些特征，在冻土区修筑工程构筑物面临两大危险：冻胀和融沉。多年冻土具有的流变性、融沉性和冻胀性对矿区的建设影响严重，给施工造成了极大的困难，大大降低了传统建筑物的使用寿命。当地流传着一句形容传统建筑的话：“一年建，

两年裂，三年塌”便是这一特征的描述。

另一方面，该矿区天气寒冷，施工期只有短短的6个月时间（5月 10月），建造一座传统的建筑往往需要两到三年的时间。所以，施工季节短，极大地限制了矿区基础设施建设的脚步，制约了企业的快速发展。因此，采取相应措施来保证地面永久建筑物的安全使用，改善职工生产、工作环境，保障职工身心健康等问题，已经成为企业建设者们急需研究解决的头等大事。文中提出一种气膜建筑在高原的设计及应用，供大家参考。

2工程设计2.1

建筑结构设计

1）建筑设计。根据矿方使用要求，气膜办公楼总建筑

面积为2901.94m 2

，东西长72m ，南北宽39m ，共一层，总

高13.4m ，气膜高12.8m 。耐火等级：二级。气膜办公楼为一长方形建筑共有6个出入口，全部设置全自动缓冲仓，满足人员进出，紧急疏散的要求。膜内根据功能及疏散划分为4个办公区，沿办公区周围均有疏散通道，沿疏散通道可以直通室外，并保证两个疏散口之间的距离均小于80m ，膜内办公室均采用轻质隔断分割，保证安装灵活，方便，办公室层高均为3.6m 。气膜办公楼采用白色新型保温自洁膜结构，既时尚又新颖，远看像一个巨型的藏包，这和当地民风融为一体，深受当地藏民喜欢；顶部设置采光带，白天基本能实现自然采光，符合节能要求。

2）结构设计。该工程处于多年冻土地区，针对高原永冻土承载力低，不稳定等特点，故本工程基础设计采用保持地基土冻结状态的设计，基础形式采用机械成孔灌注桩基础，桩端持力层为永冻层，可有效防止冻土水平冻胀力，使房屋基础不损坏。为防止永冻层在桩基施工时被扰动，要求灌注桩混凝土温度应为负温，并渗入适量抗冻早强剂，同时加入适量的纤维抗裂剂，使用桩基础可有效防止冻土的水平冻胀力，并且室内?0.000地面以下铺1m 厚炉渣，炉渣下铺200mm 厚苯板，宽度为出基础梁边线2m ，可有效防止地面热量向下传递，使桩端持力层处于冻结状态。

上部结构引进国外进口新型气膜，该气膜在抗风、抗震、地质灾害、温度变形、沉降变形各方面均具有较好应变性能，在桩基设置基础拉梁，膜材通过在基础梁上埋件

22011年第11期煤炭工程设计技术

与基础梁连接，同时在基础梁下设置钢筋混凝土栏板将冻土隔开，梁底与栏板之间采用弹性物填充，使梁底留有相当于地表冻胀量的空隙。同时，气膜结构的使用，仅在建筑周边布置井桩，减少桩基数量，可以减少对冻土扰动，又可有效解决大跨度建筑问题。

2.2膜内环境改善设计

高原气候具有大气压力低、空气含氧量少、气温低、温差大、空气干燥及天气多变等特点，这些特点也是造成人体舒适感降低，并进而影响人体健康的不利因素。为最大程度降低这些不利因素的影响，通过如下措施改善膜内环境：降低膜内环境的等效海拔，辅助以温度、湿度等控制系统，实现高原的无损性工作。

2.2.1膜内正压

鉴于江仓矿区的特殊地理位置（海拔高度3850m），为使膜内环境尽量等效于低海拔环境，气膜办公楼的膜内正压差定为500 750Pa，由于压力的提高，使膜内等效海拔下降50 75m（等效海拔高度：3800 3775m）。膜内正压的实现依赖于选用高强度的膜材、基础连接及锚固方式。

2.2.2膜内增氧

世界高原医学领域专家一致认为空气中氧含量每上升1%，相当于同等海拔高度下降300m。因此，增加膜内氧气含量是降低等效海拔的最重要的手段。

在标准状况下，海平面的氧分压为159mmHg。海拔3850m的江仓矿区大气压约为标准大气压的62%，因而该地区大气中的氧分压也为海平面氧分压的62%，即98.6mmHg，比海平面氧分压下降了38%，该地区空气中的氧气含量按质量比重约为12%。据调查在海拔3000m的高原地区（氧分压为111mmHg，氧气含量按质量比重约为14%），一般情况下不会出现明显的高原缺氧症状。为使海拔高度3850m的江仓矿区气膜建筑内空气含氧量提升至海拔3000m时大气含氧水平，需将膜内氧气浓度提高2个百分点。氧气来自矿井的制氧车间。针对该气膜办公楼内设置4个氧气浓度测试探头，由控制系统中的氧气监测模块来监控、调节膜内的氧气浓度。

2.2.3温度调节

室内温度调节包括冬季采暖和夏季制冷两个方面，江仓矿区年最低温度零下35?，最高气温19?，因此，可不考虑夏季制冷。常规气膜建筑的采暖使用的是燃气间接加热锅炉，同样考虑到高原地区管道天然气供应不便或不可能，而矿区已有热水采暖锅炉的客观条件，高原气膜办公楼采暖为利用热水采暖。要求输送至气膜配套机械设备单元的热水温度不能低于65?，热交换器采用20?温差设计，回水温度45?。通过控制模块中的温度控制系统，将气膜办公楼内的温度控制在18 22?。

2.2.4湿度调节

气膜配套机械单元特别增加了空气湿度调节装置，通过加湿及除湿功能使气膜内空气相对湿度维持在45%RH 65%RH之间，提升气膜内的舒适性。加湿采用干蒸气加湿器。

除湿采用管道式除湿机，与气膜机械单元对接安装，需要配套空调主机以提供除湿所需的凝露温度。

2.2.5噪音控制

由于气膜建筑的噪声源仅为机械设备单元，特别设计了针对气膜配套机械单元及送回风管路的降噪措施，具体如下：①所有电机及风扇底座均加装减振装置；②燃油引擎选用低噪音型号，排气管加装消音器；③机械单元设备箱体内贴装加厚吸音棉；④送风管路系统流线形设计，减少气流噪音；⑤送、回风口加装消声装置；⑥对送回风口格栅进行优化设计，消除格栅啸叫噪音。

除上述设备改善措施外，气膜办公楼的建筑平面布置也可降低噪声对办公楼内员工的影响。机械设备单元被安放在气膜外围3m以外，且办公楼本身距离外膜4.8m，因此办公楼同设备单元间最小距离为7.8m。同时，膜材的保温也可起到吸声作用，从而保证气膜办公楼在使用上不会受到机械设备运行噪声的影响。

2.2.6采光及照明

1）膜内采光及照明。①白天采光：膜内自然采光为在气膜办公楼顶部设置采光带，该采光带可以实现约3.5%的采光率，满足白天膜内的环境光指标，以此达到白天自然采光的目的，满足膜内人员活动的需要，并节约能源；

②夜间照明：膜内设置一定数量的柱灯，每柱设2盏1000W节能金属卤灯。

2）室内采光及照明。①白天：膜内自然采光不足以满足白天室内采光，应辅助室内灯光照明；②夜间：室内灯光照明。

2.3供配电设计

气膜办公楼需配备380V、220V两个电压等级的电源。与机械单元连接有两路电源，采用一用一备。

1）机械单元：380V机械单元，用电容量满足控制系统、增压系统、增氧系统、温控系统、湿度调节系统、通风与净化系统；

2）照明、缓冲门用电：220V。

2.4给排水设计

因为该项目地处青海江仓地区，属高海拔严寒地区，冬季室外温度可达－40?左右，所以常规的给排水管道敷设方式已不能适用于该地区，在设计时，将给排水管道与采暖管道一起保温后架空敷设，有效地解决了给排水管道受冻损坏的问题。

排水管道为了防止冻损的问题，采用了保温后加电伴热的方式，解决了冬季严寒条件下的排水问题。

2.5消防与安全

气膜建筑是一个大空间、无骨架的围护结构形式，这给消防设施的配备与安装带来了一定的困难，在设计时严格按照《建筑设计防火规范》GB50016－2006要求，设置

设计技术煤炭工程2011年第11期

室内消火栓系统，并按《建筑灭火器配置设计规范》GB50140－2005要求配置了移动式干粉灭火器，因为该建筑室内无梁和柱，所以所有室内消火栓均采用落地式安装；此外由于该建筑的结构特殊性，内部空间净空较高，且围护结构为无骨架式的膜结构，为了防止在火灾时，因明焰将膜结构破坏后，由失压而造成膜体整体塌落，在设计时，要求建筑专业在室内通道高度为4m左右设置一层金属装饰架，并配置了大空间主动喷水灭火系统和自动寻的智能消防炮，更好的做到消防安全工作。

3气膜建筑的优势

1）气膜办公楼的气密性特点使气膜内形成了相对独立的小环境，并且气膜特有的控制方式，使小环境的营造非常容易实现。针对高原地区高寒、缺氧、低压等特点，气膜办公楼可通过增加压力（气膜办公楼的膜内正压差为500 750Pa）、氧气（该地区空气中的氧气含量按质量比重约为12%，气膜办公楼内部氧气含量可提高至按质量比重约为14%）、湿度（通过加湿及除湿功能使气膜内空气相对湿度维持在45 65%之间）及温度（气膜办公楼内的温度控制在18 22?）控制等方式来降低气膜办公楼内部的等效海拔，加强气膜办公楼内部的舒适性，改善职工工作环境，保护职工的身体健康，提高了工作效率。

2）节能环保。气膜办公楼的密闭性、保温性，其能耗相当于传统建筑能耗的1/3；上部结构使用膜结构，建筑材料使用量与传统建筑相比减少2/3，并能与周边环境完美融合，达到国家节能环保要求。

3）满足服务年限。大跨度的实现使井桩数量大幅度减少，除建筑周边，气膜内无井桩，避免通过井桩传热而破坏永冻层，导致基础失效，引起上部结构破坏，缩短使用寿命。

4）节省投资。与传统建筑相比，气膜结构基础形式简单，上部结构用材单一，投资仅占传统建筑的40%左右；安装周期短，易施工，维护简便；符合国家关于“节能环保”相关政策的规定。

4结论

气膜建筑的特殊受力形式———运行后对基础的作用力为拉力，大大降低了建筑物对持力层的要求，在实现了大跨度空间的同时，又克服了基础导热破坏冻土的矛盾，节约了建设成本。同时气膜密闭性为改善小环境提供了可能，通过增氧、增压，改善了高原恶劣环境对高原职工生产、生活的侵害，实现了以人为本的办矿宗旨。

参考文献：

［1］刘如兵．膜结构的设计与施工研究［J］．山西建筑，2006，（1）．

［2］罗赟．盐湖城游泳和网球俱乐部充气膜建筑［J］．建筑结构，2003，（6）．

［3］江锡虎，等．长方形充气膜结构设计简化计算方法研究［J］．合肥工业大学学报，2006，（4）．

［4］翁雁麟，等．充气膜结构的优化设计［J］．科技通报，2006，（4）．

［5］姜玮东，等．充气式索膜结构工程及优化设计［J］．低温建筑技术，2006，（5）．（责任编辑章新敏

櫗櫗櫗櫗櫗櫗櫗櫗櫗櫗櫗櫗櫗櫗櫗櫗櫗櫗櫗櫗櫗櫗櫗櫗櫗櫗櫗櫗櫗櫗櫗櫗櫗櫗櫗櫗櫗櫗櫗櫗櫗櫗櫗櫗櫗櫗

）（上接第28页）

要淡雅明快，建筑形式以现代建筑为主，在变化中求统一，在统一中突出特色，工业建筑应有所创新，避免呆板和千篇一律，同时应特别重视工厂大门和围墙的设计。

2）建筑环境。建筑环境是指对建筑起烘托陪衬作用的建筑外部环境因素，如绿地、广场、广告标识、建筑小品等。建筑环境设计应与周边环境和建筑群的建筑形式与风格相协调，并按环境性质和尺度进行不同方式的布置。

6结语

目前煤炭矿区的控制主要还是依据矿区总体规划，由于其发展阶段和不同开发方式，导致其控制深度不够。呼吉尔特矿区控制性详细规划是依据矿区总体规划，深化细化矿区内各项用地划分和控制指标，直接协调地块开发要求，并作为控规的延伸直接纳入管理，为矿区内一切开发建设活动提供管理依据和建设引导，营造更好的投资环境，加快建设和发展速度。

煤炭行业矿区规划一般不做控制性详细规划，呼吉尔特矿区控制性详细规划给煤炭矿区做控制性详细规划做了尝试，也许能对煤炭矿区建设起一定的示范作用。但是，由于有些问题又涉及到规划体系或是控规的制度层面，而非控规编制单一层面所能解决，所以，该规划仍十分有限，很多工作还需配套进行，还要进一步深入研究。不过，相信这种尝试应该是一个良好的开端。

参考文献：

［1］郑毅．城市规划设计手册［M］．北京：中国建筑工业出版社，2004．

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［4］GB50220－95，城市道路交通规划设计规范［S］．

［5］王伟，谢英挺．积极有效的开发控制规划实践与探索—以厦门为例［J］．城市规划，2010，（10）．

（责任编辑章新敏）

2011年第11期煤炭工程设计技术

建筑结构设计

65 建筑结构设计分析张亚超魏强西安骊山建筑规划设计院摘要：本文主要介绍建筑结构的基本内容,然后针对目前建筑结构设计当中墨守成规的现象,提倡采用概念设计思想来促进结构工程师的创造性,推动结构设计的发展，对建筑结构设计常见问题做了分析，为以后的设计提供参考。关键词：建筑；结构设计；方法；概念设计而建筑结构设计优化方法的应用则既能满足建筑美观、造型优美的要求，又能使房屋结构安全、经济、合理，成为实质意义上的“经济适用”房。 1 结构设计的基本内容 1.1 屋顶（面）结构图当建筑是坡屋面时,结构的处理方式有两种:梁板式及折板式。梁板式适用于建筑平面不规整,板跨度较大,屋面坡度及屋脊线转折复杂的坡屋面。反之,则适用折板式。两种形式的板均为偏心受拉构件。板配筋时应有部分或全部的板负筋拉通以抵抗拉力。板厚基于构造需要一般不宜小于 120 厚。此外梁板的折角处钢筋的布置应有大样示意图。至于坡屋面板的平面画法, 建议采用剖面示意图加大样详图的表示方法（实践证明此方法便于施工人员正确理解图纸）。1.2 结构平面图在绘制结构平面布置图前有个问题需要说明一下, 就是要不要输入结构软件进行建模的问题。当建筑地处抗震设防烈度为 6 度区时,根据建筑抗震设计规范,是可以不用进行截面抗震验算的但应符合有关的抗震措施要求。那么对于砌体结构来讲如果时间不是很充足的话应该可以不用在软件中建模的,直接设计即可,但要注意受压和局部受压的问题。必要时进行人工复核。对于局部受压的防御措施是要按规定对梁下设梁垫以及设置构造柱等措施。如果时间不是很紧张的话建议还是输入建模较好, 有一个便利就是可以利用软件来进行荷载导算。另外，当建筑地处抗震设防烈度为 7 度及以上时我的观点是必须要输入软件建模计算的, 绘制结构平面图时如果没有建模的话就可以直接在建筑的条件图上来绘制结构图了, 这一步必不可少的是删除建筑图中对结构来讲没有用的部分,简单快捷的方法是利用软件的图层功能,直接冻结相关的层。然后再建立新的结构图层:圈梁层、构造柱层、梁层、文字层、板钢筋层等等。这样做的目的是提高绘图效率, 方便在不同结构平面图间的拷贝移动和删除。1.3 楼梯楼梯梯板要注意挠度的控制, 梯梁要注意的是梁下净高要满足建筑的要求, 梯梁的位置尽量使上下楼层的位置统一。局部不合适处可以采用折板楼梯。折板楼梯钢筋在内折角处要断开分别锚固防止局部的应力集中。阁楼层处的楼梯由于有分户墙的存在要设置抬墙梁。注意梁下的净空要求, 并要注意梯板宽度的问题。首段梯板的基础应注意基础的沉降问题, 必要时应设梯梁。1.4 基础基础要注意混凝土的标号选择应符合结构耐久性的要求。基础的配筋应满足最小配筋率的要求（施工图审查中心重点审查部位）。条基交接部位的钢筋设置应有详图或选用标准图。条基交叉处的基底面积不可重复利用,应注意调整基础宽度。局部墙体中有局部的较大荷载时也要调整基础的宽度（因软件计算的是墙下的平均轴力）。基础图中的构造柱,当定位不明确时应给予准确定位。 2 概念设计所谓的概念设计一般指不经数值计算, 尤其在一些难以做出精确理性分析或在规范中难以规定的问题中, 依据整体结构体系与分体系之间的力学关系、结构破坏机理、震害、试验现象和工程经验所获得的基本设计原则和设计思想, 从整体的角度来确定建筑结构的总体布置和抗震细部措施的宏观控制。运用概念性近似估算方法, 可以在建筑设计的方案阶段迅速、有效地对结构体系进行构思、比较与选择,易于手算。所得方案往往概念清晰、定性正确,避免后期设计阶段一些不必要的繁琐运算,具有较好的经济可靠性能，同时,也是判断计算机内力分析输出数据可靠与否的主要依据。概念设计的重要性：概念设计是展现先进设计思想的关键，一个结构工程师的主要任务就是在特定的建筑空间中用整体的概念来完成结构总体方案的设计，并能有意识地处理构件与结构、结构与结构的关系。一般认为，概念设计做得好的结构工程师，随着他的不懈追求，其结构概念将随他的年龄与实践的增长而越来越丰富，设计成果也越来越创新、完善。遗憾的是，随着社会分工的细化，大部分结构工程师只会依赖规范、设计手册、计算机程序做习惯性传统设计，缺乏创新，更不愿（不敢）创新，有的甚至拒绝对新技术、新工艺的采纳（害怕承担创新的责任）。大部分工程师在一体化计算机结构程序设计全面应用的今天，对计算机结果的明显不合理、甚至错误不能及时发现。 3 建筑结构设计常见问题（下转第67页）

建筑结构设计试题及答案

建筑结构设计一、选择题（每小题1分，共20分） 1、单层厂房下柱柱间支撑设置在伸缩缝区段的（）。 A 、两端，与上柱柱间支撑相对应的柱间 B 、中间，与屋盖横向支撑对应的柱间 C 、两端，与屋盖支撑横向水平支撑对应的柱间 D 、中间，与上柱柱间支撑相对应的柱间 2、在一般单阶柱的厂房中，柱的（）截面为内力组合的控制截面。 A 、上柱底部、下柱的底部与顶部 B 、上柱顶部、下柱的顶部与底部 C 、上柱顶部与底部、下柱的底部 D 、上柱顶部与底部、下柱顶部与底部 3、单层厂房柱牛腿的弯压破坏多发生在（）情况下。 A 、0.751.0 C 无论何时 q γ＝1.4 D 作用在挡土墙上q γ=1.4 12、与b ξξ≤意义相同的表达式为（）