直升机停机坪设计

试论城市高架直升机场设计 空军工程设计研究局 宋明 戴泓 刘国忠 沈清 机场工程 2006.03 摘要：通过对几种城市高架直升机场设计实践的探讨，介绍了楼顶直升机场设计应注 意的几个方面，指出城市高架直升机场设计应根据使用性质和机型灵活运用规范和标准。 根据标准和规范确立所依据的原理，准确理解某些可能带来歧义的条目是搞好高架直升机 场设计的前提。 关键词：高架直升机场 设计 荷载 前言 随着我国城市向国际化、现代化的发展，高架直升机场也孕育而生。在寸土寸金、交 通拥挤的城市中兴建高架直升机场不仅可以对危重病人实行紧急救护、对社会突发事件进 行应急处理，还可用于消防等很多方面。在现有的高架直升机场中，我局提供设计图纸和 方案的就有十几个，其中包括友谊医院门诊楼楼顶直升机场、北京医院医技楼楼顶直升机 场、郑州蓝码大厦楼顶直升机停机坪、公安部办公大厦楼顶直升机场。 友谊医院门诊楼楼顶直升机场是国内第一个按照国家民航标准的规定尺寸设计的具有 完备导航设施和助航灯光系统的正规城市高架直升机场，它是 2008 年北京奥运会的医用急 救高架直升机场之一。 笔者现正从事某军队医院的高架直升机场设计。在设计实践中，深感城市高架直升机 场的设计有一些亟待解决的问题。现抛砖引玉希求有兴趣关注的同仁们提出更加睿智的真 知灼见。 一、高架直升机场设计的基本要素 谈到城市高架直升机场，就需要界定其确切的含义。顾名思义它是一个供直升机停落 的机场，位于城市之中；“高架”二字则意味着它设在建筑物之上而被架空。 楼顶直升机场设计有多种形式，但基本都包括了以下几个要素：停机坪，助航灯光， 坪面标识、出口、保护围栏、消防设施等。以下概略讨论一下这些方面： 停机坪：楼顶直升机场不同于普通机场的一点是停机坪本身就是起降坪，停机坪可以 直接利用大楼屋顶，但由于净空要求以及屋顶冷却塔等设备的占用，需要采用钢结构支撑 起来，笔者所设计的几个停机坪都是采用钢结构架空的。 坪面标识：停机坪应标出额定起降直升机荷载，主要起落方向，起落区、安全区等。 出口：可以是电梯口，也可以是钢梯出口；对于高层建筑之上的停机坪，应指可用于 消防疏散的钢梯或坡道。 保护围栏：为防止净空超限和安全，需要设置既不超高又足够安全的围护栏杆。 助航灯光：设置在起降区边缘的供夜航指示和超高警示的照明指示灯；可以是易折的 助航灯，也可以是埋人式的助航地灯等 安全区：用于防止直升机偏航时的备降区域。 二、使用性质和设计标准 高架直升机场按使用对象分为军、民两类：如公安部办公大厦楼顶的直升机场。简单 用于消防疏散的蓝码大厦楼顶停机坪以及用于医院救助的北医医技楼楼顶直升机场等。目 前我国城市高架直升机场设计所依据的标准，一是民用直升机场飞行场地技术标准 (MH5013-99)、二是军用永备直升机机场场道工程建设标准(GJB3502-1998)。 此外高层民用建筑防火规范(GB50045-95)和建筑结构荷载规范(GB5009-2001) 也谈到了城市直升机场设计的相关问题，可以作为设计参考。 首先，谈谈两个设计标准的差异： 1民用直升机场飞行场地技术标准(以下简称国标)中就高架直升机场有专门的章 节。对于机坪规格的论述如下：“4.2.1 高架直升机场必须至少设置一块最终进近和起飞 区。最终进近和起飞区宜与接地离地区相重合并应符合下列要求：(1)供 1 级直升机使用 时。最终进近和起飞区的大小应按直升机飞行手册的规定确定在没有规定宽度时，其宽 度不得小于 1.5D；供 2 级直升机使用时,最终进近和起飞区应能包含一个直径不小于 1.5D 的圆。上述 D 为直升机全尺寸，采用预计使用该机场的直升机中的最大值。(2)最终进近和 起飞区的坡度应符合本标准对地面直升机接地离地区的坡度规定。(3)最终进近和起飞区必 须能承受预计使用该机场的直升机的作用。直升机的动载可按其最大起飞全重的 1.5 倍计。 设计中尚应考虑由人员、雪、货物、加油与消防设备等产生的附加荷载。4.2.2 在最终进 近和起飞区周围必须设置安全区，并应符合下列要求：(1)安全区应从最终进近和起飞区的 四周至少延伸 3m 或 0.25D 的距离(两者中取较大值)。上述 D 为直升机全尺寸，采用预计使 用该机场的直升机中的最大值。(2)除因功能要求必须设置于该区内的易折物体外，在安全 区内不得有固定的物体。在直升机运行期间，安全区内不得有移动的物体。(3)因功能要求 而必须设置于安全区内的易折物体当位于最终进近和起飞区边缘时，其高度不得超过 25cm：处于其他位置时，不得超过以最终进近和起飞区边缘 25cm 高度为底线、向外升坡为 5的平面。(4)安全区的表面不得超过从最终进近和起飞区边缘向外 4的升坡。(5)与最 终进近和起飞区相接的安全区的表面应与最终进近和起飞区表面齐平，并能承受预计使 用该机场的直升机而不致造成直升机结构损坏。”同时国标也明确了城市高架直升机场 所应使用的直升机机型的性能分级。限定了在人口稠密区的高架直升机场必须使用具有 I 级性能的直升机。但哪些直升机能够具有 I 级性能尚有待进一步研究。笔者认为，国标的 有关要求是从保障直升机安全停落和城市中广大人民群众生命财产安全两方面来考虑的， 因此也格外严格。 2军用永备直升机机场场道工程建设标准(以下简称军标)对于屋顶直升机场机坪 规格的论述是：“屋顶直升机场通常设起落坪、停机坪，或只设起落坪。其面积规格应根 据所接纳的机型确定，长度通常为直升机机长的 1.5 倍宽度通常为旋翼直径的 1.5 倍。 其起降的方向，根据当地的主风向、建筑物的走向、周围高大建筑物的影响等因素确定。 ”相对于国标，军标中没有安全区的限制。同时增加了导流屏、半埋式指挥塔台和独立泄 油槽与泡沫消防喷洒系统和融雪管道。笔者认为，这与军用直升机的使用性质和机型规格 较大有关。 采用国标还是军标主要取决于停机坪的使用对象。但由于同处于城市之中，其安全 性应该是一致的。比较国标和军标，在机坪规定上却有较大区别。笔者认为：标准的制定 者是基于不同的安全策略。军标的使用对象，其所设置的停机坪往往处于军队或公安部门 的机关大院内的高楼之上，直升机若降落失败甚至坠毁，对城市公众影响很小。并且，军 标还增加了导流屏、独立泄油槽与泡沫消防喷洒系统和融雪管道的多项措施，从而减少了 失效概率。而由于军用直升机型往往远大于民用的救助用直升机型，若再考虑设置安全区， 势必要设计成一个水平尺度极大的平面，导致与下部建筑之间比例失调，头重脚轻。比如 公安部办公大厦地处天安门广场一侧，其建筑形象非常突出。楼顶的停机坪设计起落机型 采用超美洲豹重型直升机，若按 0.25D 增加安全区，其面积将增大到 100 多平米，会扭曲 原建筑物的外立面轮廓线严重破坏其整体形象。此外，若依照军标设计军用直升机停机 坪，而机坪规格不是矩形的时，笔者认为有必要按军标中规定的矩形的对角线来确定机坪 的直径。这样，也许大于国标所确定的最终进近和起飞区的直径，但由于少了安全区有必 要更稳妥地对军标作此引申解读。 高层民用建筑防火规范(GB50045-95)也是一个直接对楼顶停机坪做出规定的规范。 其明确规定了“建筑高度超过 100m，且标准层建筑面积超过 1000 平方米的公共建筑，宜 设置屋顶直升机停机坪或供直升机救助的设施”。该规范主要规定了用于城市消防疏散逃 生的停机坪设置要求，对出口的数量，应急照明和灯光也作了要求。笔者认为：这类停机 坪同样要符合国标的规定。 遗憾的是：现在许多停机坪如北京一些大厦楼顶停机坪的尺度虽属于民用性质却只 符合或小于军标规定，而且缺少安全出口。因此应该只能算是建筑装饰和摆设而不符合标 准有关要求，对于周围的城市公众来说也是不安全的。若付诸实用是不负责任的。 三、飞行程序问题 高架直升机场的设计目前亟待解决的问题是飞行程序。应首先进行净空测量，测出停 机坪所处位置周围的超高建筑物的位置和标高。调研所处城市的气象条件和现址小气候条 件的特殊环境，尤其是高楼风，切变风的规律。针对这些要素上报有关空管部门，委托有 资质的单位根据趋吉避险的最优化原则确定飞行程序。只有解决好这个问题才能经济合理 地确定停机坪的规格形状。最好是能获得停机坪所起降直升机的航管及飞行部门的认可。 而飞行员也能明确其驾临的停机坪的所有环境参数和最佳起降航路。并在建成验收之 后获得空管部门的适航证。 遗憾的是，由于许多未确定因素，许多停机坪在设计甚至建成之前都未能确定飞行程 序，其形状或者是只能做成较大的圆形，或者仅按建筑设计要求做成矩形，而这个矩形的 长方向并不一定适合直升机起降的最佳方位。 飞行程序设计对于量多面广的一般消防疏散用楼顶停机坪也许并不迫切但对于可能 长期或一段特定时间内需频繁使用或其功能使命非常重要的楼顶直升机场来说则是必须 的。而这需要空管部门、建设方和设计部门共同努力。 四、设计荷载的取值 关于楼顶直升机坪的荷载取值不同的规范有不同的要求，其内容很容易产生歧义。 国标要求如下：“最终进近和起飞区必须能承受预计使用该机场的直升机的作用。直升机 的动载可按其最大起飞全重的 1.5 倍计。设计中尚应考虑由人员、雪、货物、加油与消防 设备等产生的附加荷载”。军标则要求：“屋顶强度应根据所接纳直升机的总重并考虑直 升机粗猛着陆时对屋顶的冲击载荷而引起的超重现象进行计算。一般屋顶及支撑结构可按 直升机总质量的 l0 倍设计。”“1.5 倍”和“10 倍”两者有着如此巨大的区别。前者若理 解为动力系数还说得过去。关键是如何理解军标中 10 倍的含义，是全停机坪所能承受活荷 载的总和为直升机总质量的 10 倍，还是指一个局部活荷载就应按直升机总质量的 1 倍来考 虑呢?这对于结构的内力计算结果和支撑结构的规格断面的确定有着极大的影响。因此应该 认为，两个标准的规定都过于模糊，不便操作。 在这里我们不妨看一下国外是如何考虑的。以下引述美国规范(UNIFORM BUILDING CODE1982)： “直升机停机坪之荷载取下列情况中产生最大应力之一种：一是结构永久荷载加上 直升机之实际重量。二是结构永久荷载加上一个集中荷载，该荷载作用面积为 1 平方英寸， 对于装有液压减震装置之直升飞机，该荷载取直升机总重之 0.75 倍。对于装有刚性着陆装 置或滑橇之直升机，取直升机总重之 1.5 倍。三是结构永久荷载加上每平方米 5kN 之活载。 ” 笔者认为：依据我国建筑结构荷载规范(GB5009-2001)所列举的条目同时参照美国 的规范精神来确定直升机的荷载是适宜的。 建筑结构荷载规范4.3.2 条作如下规定：“屋面直升机停机坪荷载应根据直升机 总重按局部荷载考虑，同时其等效均布荷载不低于 5.0kN。 局部荷载应按直升机实际最大起飞重量确定，当没有机型技术资料时，一般可依据轻、 中、重三种类型的不同要求，按下述选用局部荷载标准值及作用面积规定： 轻型，最大起飞重量 2t，局部荷载标准值取 20kN，作用面积为 0.2x0.2m。 中型，最大起飞重量 4t，局部荷载标准值取 40kN，作用面积 0.25x0.25m。 重型最大起飞重量 6t，局部荷载标准值取 60kN作用面积 0.3x0.3m。 荷载的组合值系数应取 0.7，频遇值系数应取 0.6，准永久值系数应取 0。 建筑结构荷载规范4.6.3 条规定：“直升机在屋面上的荷载，也应乘以动力系数， 对具有液压轮胎起落架的直升机可取 l.4；其动力荷载只传至楼板和梁。” 笔者在进行设计时，首先确定好建筑形式和笔者在进行设计时，首先确定好建筑形式 和结构布局，分析并找出直升机受力后会产生最大应力的着力点，作为最不利着陆点。当 获得直升机的确切机型和资料时，首先，由起落架的胎压算得局部荷载和作用面积；若无 有效胎压资料则根据荷载规范确定作用面积，然后将这个局部荷载分别作用于各个最不利 位置，进行内力影响线分析计算，(这里可以按荷载规范附录 B 的方法确定等效均布活荷载)。 同时考虑荷载规范规定各种荷载组合进行内力分析，以确定合适的结构断面。 五、其他设计问题 1设计的协同 作为专业机场设计院，我局设计大楼楼顶机坪时一般是受托于那些没有机场设计资质 而负责机坪大楼设计的设计院，这样就遇到诸如停机坪建筑风格与大楼建筑风格统一协调 的问题和结构的整体计算问题。在这种情况下，我们必须本着精诚合作的原则，充分尊重 负责把关建筑整体形象的主楼设计单位方的意见，结合机场设计特有的规律和要素，使之 与建筑整体形象有机地融合起来，获得一种金冠嵌珠锦上添花的效果，而不致成为狗尾续 貂画蛇添足的败笔。因此在大楼主体设计院先期进行结构的整体设计时，我们应充分配合 提供停机坪的有关计算参数和作用反力。在笔者从事友谊医院停机坪设计时，充分尊重北 京建筑设计研究院的意见，将矩形停机坪改为圆形，并放置在角部与主楼完美结合：北京 医院楼顶停机坪的设计也尊重中元建筑设计院的意见将外飘弧形护栏改为透空金属栏杆以 呼应建筑的整体风格。 2垂直交通的处理 对于医院内的救助用楼顶直升机坪，其垂直交通的功能与那些用于消防疏散的楼顶停 机坪不同：主要用于接收由直升机运来的病患，因此，最好有电梯直达停机坪顶部，以便 及时顺利转运病人到有关科室予以治疗。然而，电梯本身即便是无机房电梯都会高出停机 坪 5 米左右，形成了对停机坪使用 的障碍物，威胁到直升机的安全。其解决方案是：首先确定固定的飞行程序要能够完 全避开电梯井筒，同时电梯井筒距离停机坪不小于 5m；否则应改为升降平台，当飞机降稳 后升起将病床导入平台轿厢，下落到下面电梯门前再做二次转运；也可以采用极缓的封闭 坡道将病床推入下部电梯。 垂直交通的另一个问题是：高层民用建筑防火规范（GB50045-95）的 6.1.14.2 条 规定了停机坪出口不应少于两个，每个出口宽度不宜小于 0.9m，此条往往意味着设置两部 钢梯而不易做到，笔者认为：应根据停机坪的使用性质灵活掌握,对于高层建筑用于消防疏 散的停机坪应严格遵守，设置两部可用于消防疏散的钢梯。而对于非高层建筑上的其他性 质的停机坪则不必遵守，或只设一部可用于消防疏散的钢梯另