石油化工企业中心控制室建筑结构设计探讨

王耀东

（中石化宁波工程有限公司，浙江 宁波315103）

随着信息化的不断深入，管理与控制一体化变得越来越重要，而中心控制室作为管控一体化的中心，已经被列为全厂性重要设施之一，具有生产操作、生产过程控制、安全保护、先进控制与优化、仪表维护、仿真培训、生产管理及信息管理等一系列功能。在中心控制室中，不仅安装有大量贵重的控制设备和计算机，还有一定数量的操作和系统维护人员、生产管理人员、生产调度人员；而石油化工企业中许多生产装置具有易燃、易爆的特性，中心控制室必须为内部人员及控制设备提供保护，确保全厂在任何情况下都能正常生产，并且在事故状态下能够及时采取应急措施，控制事故状态，抑制灾情蔓延，避免次生灾害，中心控制室的抗爆设计已成必然。

为此，SH／T 3006—2012《石油化工控制室设计规范》规定：“中心控制室宜布置在生产管理区；对于有爆炸危险的石油化工装置，中心控制室的建筑结构应根据其相邻装置在设计寿命期间内可能发生爆炸的概率、类型及可能产生的破坏特征进行安全评估，安全评估报告作为中心控制室抗爆设计的重要依据”。

1 中心控制室建筑设计要点

1.1 总体布置要求

中心控制室应独立设置，不应与变配电所相邻；宜布置在非爆炸危险区域内，尽可能远离装置，且不应被装置包围，与其他建构筑物或装置的防火间距应同时满足GB 50160—2008《石油化工企业设计防火规范》的相关规定。建筑物所在场地标高不应低于相邻装置区的地坪，并远离产生振动及噪声的设备；为了保证装置在爆炸力下即使产生巨大的塑性变形也不会垮塌，钢筋混凝土抗爆整体结构外形要求为长方体；同时为减少受力，要求建筑物尽可能紧凑，宜为1层建筑，不应超过2层；高度尽可能低，既不设凸出的部件，如雨篷等，也无阴角造型，以防止爆炸力的积聚和结构应力集中；安全出口应开向不同方向且数量不少于2个，当人员的安全出口面向有爆炸危险的生产装置时，必须在抗爆门的外侧设置有顶的抗爆墙等防护措施。

1.2 室内环境

抗爆的中心控制室为封闭性建筑，室内采用人工照明，应进行温度和湿度控制，重要房间采用恒温、恒湿的全空气空调系统，一般房间采用舒适性空调系统。操作室、机柜室、工程师室、UPS间、电信室等为重要房间，其冬季温度为（20±2）℃，夏季温度为（26±2）℃；其相对湿度为40%～60%；操作室、工程师站、电信室的噪声不得大于65dB，机柜室、UPS室的噪声不得大于75dB。

1.3 建筑功能设计

在石油化工项目中，由于装置的多样化、规模超大化、高度自动化的生产特点，作为全厂生产装置的中枢，中心控制室的规模越来越大，其主要功能房间包括操作室、机柜室、工程师站、空调机室、UPS室、电信设备室、打印机室、过程计算机室、备件室及安全消防监控室；辅助房间包括交接班室、生产调度室、会议室、办公室、更衣室、资料室、休息室、接待室、培训师、卫生间等。功能房间的面积根据控制系统的操作站、机柜和仪表盘等设备数量及布置确定。辅助用房设计中应根据使用人数合理确定房间的建筑面积，优先布置重要房间，保证有关联的房间紧密布置，使用方便。

1.4 建筑门窗

在中心控制室的抗爆设计中，建筑外门是抗爆防护体系中的最薄弱点，因而对抗爆防护门的数量和尺寸应严格控制，以满足最基本的功能要求为设计原则。建筑外门可分为两种类型，即人员通道的抗爆门和设备通道的抗爆门。

人员通道的抗爆门洞口尺寸宽度不宜大于1.5m，高度不宜大于2.4m，抗爆外门的计算荷载与所在墙面计算冲击波超压相同，隔离前室内的其他内门也应选用抗爆防护门，其计算冲击波超压为外门计算冲击波超压的50%；并确保在计算荷载作用下，内外抗爆门均处于弹性状态，所有人员通道门均外开并设置门镜或抗爆观察窗，以便于事故状态下人员可观察门外侧的状况，可以安全撤离。

设备通道抗爆门的洞口应满足设备进出的要求，可以不设抗爆隔离前室，在不使用时将保持完全封闭的状态，其计算荷载与所在建筑墙面计算冲击波超压相同，在计算荷载的作用下，处于弹塑性状态。

由于飞散的破碎玻璃在爆炸时对人员的威胁最大，因此应严格限制建筑外墙上玻璃的使用，中心控制室的次要房间如卫生间、餐厅等可以开设面积较小的固定抗爆防护窗，其计算荷载与所在建筑墙面计算冲击波超压相同。重要房间不应在外墙开设窗户，避免装置爆炸后产生的有害烟、气、火、热流等可能通过炸坏的窗洞口进入中心控制室内。内窗和内部玻璃隔断应采用金属框架及安全玻璃。

1.5 建筑屋面

屋面应具有防水、保温及隔热的性能，其防水等级应为Ⅰ级。屋顶上不应覆盖石砾或松动的混凝土砖，不得采用装配式架空隔热构造；女儿墙宜采用钢筋混凝土结构，在满足屋面防水构造要求的情况下取最小值，应根据爆炸力的特性加以验算，确保在爆炸力作用下不至于破坏或产生碎块，防止爆炸时飞到空中伤人。

1.6 其他建筑要求

抗爆的中心控制室建筑具有其特殊性，既不属于可燃物较多的生产厂房，又不属于人员较多的公共建筑，根据SH 3017—1999《石油化工生产建筑设计规范》，其火灾危险性等级划分为丁类，耐火等级为一级。设计中应按民用建筑考虑其防火分区、安全疏散、建筑节能。

2 结构设计要点

2.1 结构布置要求

抗爆设计不同于一般的工业与民用建筑设计，主要表现为爆炸产生冲击波对结构表面产生巨大的压力，所以在GB 50779—2012《石油化工控制室抗爆设计规范》的基本规定中作出了平面宜为矩形、层数宜为1层不应超过2层、结构宜为钢筋混凝土结构的要求，但这只是基本要求，根据设计经验，在结构设计时尚需考虑以下要求：

1）根据爆炸产生冲击波对结构表面产生巨大压力的特点，控制室抗爆结构设计首先应考虑如何减小作用在结构上的冲击波。

2）要求抗爆建筑物应该尽量远离爆炸源，即使受场地限制，建筑物离爆炸源的距离也不宜小于30m。

3）冲击波参数要由安全专业人员考虑石油化工装置性质、平面布置、风向等因素，运用安全模拟分析软件计算后提出。

4）仅有不应超过2层要求是不够的，还应尽量降低抗爆建筑物的高度。

5）要选择合理的结构类型。由于圆形及地下式的抗爆结构抗爆性能好，但是存在不易布置、施工难度大等问题，故一般选择建筑平面为矩形的框架－剪力墙结构方案，美国的相关抗爆规范对结构类型的选择要求也是如此。框架－剪力墙结构中，钢筋混凝土墙承受水平爆炸力（不承受竖直方向的荷载），侧墙承受前墙通过屋盖传递的水平剪力，框架部分承受竖直方向的自身重力及竖向爆炸荷载，框架一般为钢筋混凝土框架，也可采用钢结构框架。

2.2 爆炸荷载取值

爆炸荷载是一种偶然作用，冲击波压力大且持续时间很短。在石油化工装置中最常见的爆炸为蒸汽云爆炸，其冲击波参数是由安全专业人员考虑石油化工装置性质、平面布置、风向等因素，运用安全模拟分析软件，模拟计算后得到。当没有进行安全评估时，采用冲击波峰值入射超压21kPa，正压作用时间100ms，该参数近似相当于直径60m，高4m乙烷体积分数为6%的气体爆炸，距中心距离75m处产生的冲击波超压，这与美国相关规范的规定是一致的。

2.2.1 爆炸荷载的基本参数

确定爆炸荷载参数冲击波峰值入射超压pso和正压作用时间td以后，按下列公式换算作用在建筑物各个部位的荷载。

波速v：

式中：v——冲击波波速，m／s；pso——冲击波峰值入射超压，kPa。

峰值动压p0：

式中：p0——峰值动压，kPa；patm——环境标准大气压，kPa。

冲击波的波长Lw：

式中：Lw——冲击波波长，m；td——冲击波正压作用时间，s。

2.2.2 前墙冲击波荷载参数

峰值反射压力pr：

式中：pr——峰值反射压力，kPa。

停滞压力ps：

式中：ps——停滞压力，kPa；Cd——拖曳力系数，取决于障碍物表面的形状及朝向。

前墙正压等效作用时间：

式中：tc——反射压持续时间，s；S——停滞压力点到建筑物边缘的最小距离，取H或B／2中的较小值，m。

式中：te——前墙正压等效作用时间，s；Iw——正压冲量，Iw＝0.5（pr－ps）tc＋0.5pstd。

2.2.3 侧墙及屋面冲击波参数

侧墙以及平屋顶建筑物（屋面坡度小于10°）屋面上的冲击波荷载参数pa：

式中：Pa——作用在侧墙及屋面上的有效冲击波超压，kPa；tr——侧墙及屋面有效冲击波超压升压时间，s；L1——冲击波前进方向结构构件的长度，m。

2.2.4 后墙的冲击波荷载参数

式中：pb——作用在后墙上的有效冲击波超压，kPa；ta——冲击波达到后墙的时间，s；D——冲击波前进方向建筑物宽度，m；trb——后墙上有效冲击波超压升压时间，s。

构件受到冲击波荷载作用后，在一段时间内作往复运动，按GB 50779—2012《石油化工控制室抗爆设计规范》第5.5.2条进行验算时，还应该考虑构件回弹的荷载效应可能为负值的问题。

2.3 结构设计要点

GB 50779—2012《石油化工控制室抗爆设计规范》第5.2.3条规定：“不得任意提高钢筋强度等级和加大配筋面积”。该条规定的前提条件，是抗爆构件的钢筋强度等级和钢筋面积应提高计算确定，即经计算确定后的钢筋强度等级和配筋面积不得任意提高，这对抗爆构件十分重要。抗爆建筑设计不同于一般的工业与民用建筑设计，抗爆结构要求构件有较好的变形能力以适应在爆炸荷载下的变形，因而要求结构设计时尽量采用高强度等级的钢筋和低强度等级的混凝土，但混凝土的强度等级不得低于规范规定的C30，建议尽量采用C30。

1）有关裂缝的控制。GB 50779—2012《石油化工控制室抗爆设计规范》第5.1.2条规定对结构构件的裂缝可不进行验算，这对于在偶然爆炸荷载作用下要求结构裂而不倒、构件进入塑性变形的前提下是正确的，但随着石油化工企业规模越来越大，控制室的规模也越来越大，其平面尺寸，尤其是中心控制室的长度尺寸严重超过GB 50010—2010《混凝土结构设计规范》规定的设置温度缝的长度要求，这对在正常工作状态下，控制室建筑的外墙保温要求越来越高。

2）有关抗爆外墙孔洞。无论是国标还是行标，抗爆规范都严禁在抗爆外墙上的任意位置设置孔洞。规范对门窗孔洞尺寸也作了限制：GB 50779—2012第4.2.1－2对门窗孔洞做出了不得大于1 500mm×2 400mm的限制；GB 50779—2012第4.2.1－3同时要求洞口需满足设备进出的要求；电缆进口采用地下进口；要求门窗等外墙附件的抗爆荷载与所在外墙的冲击波超压荷载相同。

3）有关抗爆外墙设置附件的问题。SH 3160—2009《石油化工控制室抗爆设计规范》第5.3.1条规定抗爆外墙不得设置普通雨棚、挑檐等建筑装饰物，同样也不得设置诸如电缆支架等其他构件，主要原因是难以满足附件的抗爆荷载与所在外墙的冲击波超压荷载相同的要求；事故中外设构件容易造成次生伤害。

3 结束语

随着国家对安全的日益重视，石油化工装置中心控制室的抗爆设计更加重要，但同时要注意在建筑布置时不能把控制室的功能扩大化；平面布置、层数的要求须满足相关规范的规定；结构设计要注意在计算后不得任意提高钢筋强度等级和加大配筋面积，以免造成投资增大的同时，也无法满足规范的要求。

［1］中国石化集团洛阳石油化工工程公司.SH／T 3160—2009石油化工控制室抗爆设计规范［S］.北京：中国石化出版社，2010.

［2］刘武，路以宁，张俊，等.GB 50779—2012石油化工控制室抗爆设计规范［S］.北京：中国计划出版社，2012.

［3］ASCE.Design of Blast－Resistant Buildings in Petrochemical Facilities［M］.2nd ed.ASCE，2010.

［4］ACI.ACI 318－11Building Code Requirements for Structural Concrete and Commentary［S］.ACI，2011.

［5］BIGGS J M.Introduction to Structural Dynamics ［M］.New York：Mc Graw－Hill Book Company，1964.

［6］中华人民共和国工业和信息化部.SH／T 3006—2012石油化工控制室设计规范［S］.北京：中国石化出版社，2012.

［7］中国建筑科学研究院.GB 50010—2010混凝土结构设计规范［S］.北京：中国建筑工业出版社，2010.

［8］中国建筑科学研究院.GB 50011—2010建筑抗震设计规范［S］.北京：中国建筑工业出版社，2010.

［9］国家人民防空办公室.GB 50038—2005人民防空地下室设计规范［S］.北京：中国建筑标准设计研究院，2011.