抗震避难建筑中光伏一体化的应用研究

张 鑫

（山西世纪通工程咨询有限公司，山西 吕梁 033000）

抗震避难建筑中光伏一体化的应用研究

张 鑫

（山西世纪通工程咨询有限公司，山西 吕梁 033000）

太阳能建筑被认为是未来建筑的发展的趋势，由于大跨度空间结构的特殊性，光伏发电技术与建筑一体化应用于大跨度空间结构将会有更广阔的发展前景。为提高城市应对灾难性突发事件的能力，大型公共建筑通常在紧急情况下作为应急避震疏散场所。本文研究光伏与建筑一体化在大跨度拱桁架建筑中的应用，结合避难所设计要求，研究并设计适合光伏利用并具备抗震避难所功能的大跨度拱桁架结构形式的体育馆建筑。

光伏与建筑一体化 钢拱桁架 体育馆 抗震避难所

现代城市建设中大型公共建筑逐渐增多，在发生地震等自然灾害时,体育场馆等大型公共建筑常用来做临时避难场所。公共建筑面积巨大的空间结构的屋顶和立面也是非常合适的太阳能利用载体，太阳能光伏利用使在外界能源供应中断的情况下实现自身能源的供给，对居民安全避难、震后有效救援以及城市恢复重建都有重要意义。本文以城市中较常见的体育馆公共建筑为切入点，研究并设计适合光伏利用和作为避难所的大跨度体育馆建筑，选取合适的建筑和结构形式，并按照避难所设计要求对其大跨度结构进行结构分析计算。

1. 抗震避难场所的规划理念

我国地震灾害相当广泛，为了防御和减轻地震灾害，应在城市规划建设中应预留应急避难场所[1]。在没有或缺少避震疏散场所的人口密集市区建设防灾据点，可以对人防工程、体育馆或其它公共建筑通过抗震加固改造成为防灾据点或在规划建设时就提高抗震设防等级。避难所在设计时考虑到在遭受高于本地区抗震设防烈度预估的罕见地震影响时，不遭受严重破坏，无或少有人员伤亡，不产生严重次生灾害。在新建的部分体育馆等大型公共建筑中，可适当提高抗震等级，作为受灾群众的避难场所[2]。

2. BIPV抗震避难复合型体育馆设计理念

“光伏与建筑一体化”（Building-integrated Photovoltaic）是指光伏发电技术与建筑一体化，是将太阳能光电效应发电技术与建筑结构的建设结合在一起综合体系[3]。BIPV均有诸多优点：它能有效利用建筑结构表面，无需占用土地；原地发电，就地使用，节省送电确保建筑自身全部或大部分用电投资；增强供电可靠性，对公共电网起一定的调峰作用。

BIPV体育馆建筑与城市抗震避难所的结合，具有良好的经济性和复合型功能。平时为文体活动场所，紧急情况下可作为避难所使用，避免重复建设，降低建设和使用成本。依靠其光伏发电和蓄电功能，可为避难市民生活和救灾工作提供电力支持[4]，这对抢救伤员、发布消息、收集情报、灾情统计等都具有重大意义。

3. BIPV和避震疏散复合型体育馆设计

本体育馆设计方案为中型体育馆，位于太原市区某高校内，采用太阳能节能技术和避震疏散相结合的设计理念。要求能满足训练比赛需要，遇到突发情况可作为应急避难场所。按避震疏散要求规划，把体育馆设为防灾据点，紧急情况下可作为临时医院、临时指挥中心和临时通信中心。

在设计之初就考虑建筑与光伏的一体化设计，建筑外形设计简洁，主入口设置在体育馆的北立面，东西立面设置出入口。屋面和南北立面采用整体钢拱桁架结构，建筑高度由北向南逐渐降低，形成一定坡度，结构倾角利于太阳能收集和排水[5]。采用整体钢管拱桁架结构，拱桁架结构是将拱和桁架有机结合，充分发挥二者的优点，将外荷载产生的弯矩转化为构件的轴向拉压力，从而不断地提高结构的效率，形成的一种受力合理的空间结构形式。其造型美观、受力合理、用钢量省、能覆盖较大空间，是大型公共建筑中经常应用的结构体系之一。本工程钢拱桁架结构跨度为72m，屋面最高处为22m（至桁架上弦），共采用7榀桁架，桁架中心间距为9M，如图1所示。主桁架间由次桁架连接，主桁架为变截面倒三角截面形式。

抗震设防烈度为8度，设计基本地震加速度值为0.20g，设计地震分组为第一组。建筑场地类别拟设为Ⅲ类，多遇地震下水平地震影响系数最大值αmax＝0.16，罕遇地震下水平地震影响系数最大值αmax＝0.90，特征周期值为Tg＝0.45s，罕遇地震下特征周期0.50s，钢结构阻尼比取ζ＝0.02。计算时考虑双向地震作用，结构设计基准期50年。荷载取值：设计采用基本风压 0.45 kN/2m（按n=100选取）；基本雪压按n=100选取）；屋面活荷载；光伏电池板恒载；电池板支撑钢架；屋面恒载。

图1 结构方案图Fig1 Structure of the program plan

本钢拱桁架按常规设计时，为8度小震弹性设计。体育馆属于甲类建筑，根据规范要求,应符合本地区抗震设防烈度提高一度的要求设计，即按9度小震弹性设计。由于本结构还考虑到抗震避难要求，故需再提高抗震设防等级，按8度大震进行弹性设计，以满足抗震避难所的设防要求。

这里所指的抗震设防水平是指考虑的地震作用水平对应的地面运动加速度或反应谱为地震载荷参与结构设计时，结构满足承载能力极限状态和正常使用极限状态。“8度大震”是指以“8度大震”对应的水平影响系数0.9和设计特征周期0.50对应的反应谱为地震载荷参与设计时，结构满足承载能力极限状态和正常使用极限状态。

取单榀钢拱桁架采用SAP2000对结构进行设计，地震计算采用振型分解反应谱法。按8度小震设计时，应力比最大的前10根杆件，其应力由组合1.35恒荷载+1.4活荷载控制，说明地震参与的组合对结构不起控制作用。按8度大震设计时，应力比最大的前10根杆件，其应力均由组合1.2（恒荷载+0.5活荷载）+1.3水平地震+0.5竖向地震控制，说明在以“8度大震”为抗震设防水平时地震参与的组合对结构的起控制作用。

随着抗震设防水平的提高，结构的用钢量有所增加，但增加幅度不大。8度大震的地震加速度为400gal，8度小震的地震加速度为70gal，则8度大震的抗震设防水平比8度小震提高330gal，提高了471.4%，而单位用钢量只增加了28.4%，最终用钢量为28.56 Kg/m²。通过适当增加少量的用钢则可以大幅度提高结构的抗震设防水平，满足抗震避难所的抗震设防要求。

4. 结论

（1）钢拱桁架结构是大跨度空间结构中比较常用的形式，其多向受力性能、刚度和整体性较好，拱形屋面也有利于太阳能的吸收。

（2）BIPV体育馆建筑与避难所设计的相结合，对城市应急避难体系的建立起到至关重要的作用。且节省建造和维护费用，提供了能源保证，并做到了平灾结合，这种具有良好的经济性和复合型功能的设计理念适合在未来城市建设中广泛使用。

（3）体育馆钢拱桁架提高设防等级设计，通过适当增加少量的用钢量则可以大幅度提高结构的抗震设防水平，以满足抗震避难所的设计要求。

[1]苏幼坡,刘瑞兴.城市地震避难所的规划原则与要点.灾害学，2004年3月，87-91.

[2]曹国强.城市避震疏散和救助医疗机构规划问题的研究[学位论文].河北理工大学，2005.

[3]谢晓峰，范星河.燃料电池技术.化学工业出版社，2004：71-88

[4]M.Ponsansky，TSzcasva，AcEkmanns. New Electricity Construction Materials for Roofs and Facades. Renewable Energy,1998，15:541-544.

[5]饶力.光伏技术在太阳能建筑和工程监测系统中的应用研究 [学位论文].浙江大学,2007.

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