中国能源建设集团广东省电力设计研究院有限公司 广州 510663
摘要：质子治疗是为克服癌症，提高人民健康水平而开展的高科技医疗措施。虽然建设资金巨大，质子治疗中心依然在全球迎来建设潮，中国也不例外，目前我国正在实施和计划建设的质子治疗中心多达数十个，单个造价几亿到10几亿不等。质子治疗采用高能粒子束杀死肿瘤细胞，因此对环境会产生很大的辐射，治疗中心建筑结构需要采取相应的防辐射措施，与普通的建筑结构设计存在一定的差异。本文旨在通过对某质子治疗中心的结构设计的介绍，旨在为同类型工程设计提供参考。
关键词：质子治疗；结构设计；探讨
一、工程概况：
本工程位于南方某省会城市。场地整平后室外地坪标高为47.0m（原场地57.0m标高以上山体部分保留）。本工程建筑物主要包括质子设备治疗区与一层地下车库(层高4m)，前者主要包含质子设备及支持设备区（地下，净高13m，），病人及支持与公共区(地下一层，地上二层)。质子设备区（主要为回旋加速器房间、束流传送系统廊道，三个旋转支架房间、一个治疗室等）靠山布置，基础部分坐落在基岩上；地下车库与病人及支持区、公共区的地下部分相连为一个整体，与质子设备区通过变形缝分开。
质子设备治疗区平面尺寸约为33.8mX85.5m， 室内主要地坪标高为36.5m。由于设备运行时存在辐射，根据防辐射要求，质子设备区旋转支架房间与治疗室入口混凝土墙体均采用迷宫布置方式。质子设备区地下室底板厚约为2m，顶板厚度2.5m（上覆有1.5m厚土层），地下室墙体厚度基本为2m。质子设备区设备对基础沉降变形要求严格，建成后前3年沉降差每10m每年不超过0.35mm，3年后每年不超过0.25mm
地下车库平面尺寸约为34mX68m。 病人及支持区、公共区地下部分平面呈梯形，尺寸约为37.5~31.5mX55m。上述区域-1层与地下车库按常规一层地下室结构设计考虑，其中地下车库上覆2米厚土层。该部分结构采用桩筏基础，地下室底板厚度拟采用500mm厚，作为结构基础。地上两层部分采用混凝土框架结构，每层层高约为5m, 建筑顶部标高约为57.0m。
二、结构设计特点
2.1振动要求：质子治疗系统的正常运转依赖于所有部位的精确定位，当变形超过临界值时，设备需要重新进行校准，会较长时间地影响医院的正常运营。因此，对地面振动水平要求控制在较低的水平。根据相关文献，在5Hz~35Hz频率范围内，地面振动振幅要小于0.01mm；根据设备说明书，当地面振动达到1.8gal时，质子束将自动停机，一般由交通引起的地面振动幅度在0.3gal以下较好。
目前项目选址场地北侧规划有南部快速路，西侧有地铁线路正在建设，距离场地不超过或接近200m。南部快速路和地铁开通后，将对场地地面振动产生较大的影响。
为了满足对振动和沉降的要求，结合场地东侧基岩埋藏浅的特点，辐射区基础均放置在基岩上，超挖部分采用素混凝土回填。
2.2 防辐射要求: 质子加速器放射治疗区需采取防辐射措施，以一定厚度的混凝土墙对辐射区进行屏蔽，具体厚度以辐射防护环评报告书为准。
为了确保设备运行期间，不激化钢筋混凝土材料中的微量元素而产生危害人体和环境的辐射，必须控制屏蔽器墙板原材料混凝土、矿粉、粉煤灰中微量元素的含量，以各成分质量占混凝土总质量的10%要求为例，必须满足以下微量元素的限量：钴、银、铱含量要<0.0055, 其它元素如铕、钐、Cd、Dy、铥含量必须保证<0.001%。 质子设备混凝土密度均应达到2350kg/m3。
质子区混凝土壁厚从3米到1米不等，属于大体积混凝土，施工设计不当容易产生裂缝。
2.3 结构平面和竖向不规则，平面质子区与非质子区之间开有大洞口，楼板不连续，质子区竖向承重柱上下错位，不连续，设计采用多模型反复调整计算,保证各项指标满足规范要求。
2.4 中庭屋顶钢结构横跨两个下部独立的塔楼，须克服两者变形不协调对结构产生的不利影响。
三、结构模型
图三：结构模型三维简图
3.1 首先解决地下室侧壁的建模问题，侧壁如果按混凝土墙输入，没有办法准确计算出墙体的配筋，因为墙体单元的荷载直接传递到了支撑柱上，事实上墙体首先承受楼板及地下室底板的荷载，再传递到支柱上，墙壁同时要抵抗室外的水土压力，因此是一个复合受力状态，侧壁的配筋要考虑传递楼板荷载的剪力，叠加上外壁的侧压力，否则结构就是不安全的。在建模时，把侧壁按梁输入，保证荷载传递的正确。
3.2 由于建筑布局上下的错位，部分柱子落在下层的厚板上，那么也可以把这块板按梁来输入，在板里面设置暗梁。
四、质子区和非质子区两个塔楼位移不协调对中庭设计的不利影响解决方案
中庭一侧柱顶采用滑动支座，可以自由伸缩，预留按最不利抗震计算产生的最大位移，节点大样如下图：柱顶设置了一个限位支座，纵向可自由滑动，横向预留可自由移动距离。
图四：中庭柱顶节点详图
五、总结
质子医院的结构设计由于存在防辐射的问题，需要设置厚壁混凝土，空间布置上也和普通工业与民用建筑不一样，建模时有很多的细节需要考虑，需要想办法去准确的模拟结构的真实状态，因为计算软件基于杆系单元，实际结构很多是大块式的实体，结构模型如果和实际结构不能很好模拟吻合的话，必然造成结构的计算结果存在错误，造成设计的不安全，所以准确的建立一个模型是很关键的。
质子医院由于防辐射的需要，质子区墙体厚度达到1~3米，属于大体积混凝土，防止裂缝的产生非常重要，需要在设计时重点考虑。
论文作者:江雨声
论文发表刊物:《基层建设》2018年第25期
论文发表时间:2018/9/18
标签：质子论文; 混凝土论文; 设备论文; 结构论文; 墙体论文; 结构设计论文; 侧壁论文; 《基层建设》2018年第25期论文;