李曉東

(陽泉市建筑設(shè)計(jì)院有限公司，山西 陽泉 045000)

高層建筑人民防空工程日常作為停車場(chǎng)或地下室，戰(zhàn)時(shí)作為人防地下室，具有“平戰(zhàn)結(jié)合”多重功能。在設(shè)計(jì)高層建筑人防地下室時(shí)，需兼顧日常使用的功能要求、人防工程建設(shè)要求、結(jié)構(gòu)強(qiáng)度要求，進(jìn)行全面設(shè)計(jì)?；诖耍挛目偨Y(jié)高層建筑人防地下室設(shè)計(jì)難點(diǎn)，探討設(shè)計(jì)方案。

1 高層建筑人防地下室設(shè)計(jì)難點(diǎn)

1.1 基礎(chǔ)設(shè)計(jì)要求高

地下人防工程設(shè)計(jì)復(fù)雜度高，干擾因素多，設(shè)計(jì)要求高于傳統(tǒng)民用建筑：1)人防工程擁有獨(dú)立的工程規(guī)范，與建筑工程有明顯區(qū)別，設(shè)計(jì)時(shí)必須考慮到各項(xiàng)特殊規(guī)范，進(jìn)行針對(duì)性設(shè)計(jì)；2)人防工程質(zhì)量要求高，必須由高素質(zhì)的設(shè)計(jì)單位和監(jiān)理單位參與，考核的內(nèi)容包含地下建筑作業(yè)經(jīng)驗(yàn)、連續(xù)混凝土施工技術(shù)水平等，必須由足夠資質(zhì)的單位參與人防工程；3)高層建筑地下室混凝土澆筑一次成型，需在前期設(shè)計(jì)階段便確定材料類型、混凝土性能指標(biāo)、溫度控制措施、單次澆筑厚度、澆筑速度等，任何一項(xiàng)細(xì)節(jié)的設(shè)計(jì)不合理時(shí)均有可能引起質(zhì)量問題，因此整體設(shè)計(jì)難度較高[1]。

1.2 預(yù)埋結(jié)構(gòu)復(fù)雜

人防地下室具有隱蔽性，建造的人防地下室供居民在遇到突發(fā)狀況時(shí)進(jìn)行臨時(shí)避難，為人們的人身安全提供保障。在設(shè)計(jì)高層建筑人防地下室時(shí)，需要協(xié)調(diào)多組工程之間的關(guān)系，例如做好基礎(chǔ)性土建工程設(shè)計(jì)、電氣工程設(shè)計(jì)等分項(xiàng)工程的設(shè)計(jì)工作，再協(xié)調(diào)好分項(xiàng)工程的關(guān)系，消除在工序、空間、功能等方面的矛盾。設(shè)計(jì)工作具有全面性，除了考慮人防工程主體因素外，還需兼顧周邊其它因素，均衡管線的分布關(guān)系也是高層建筑人防地下室設(shè)計(jì)中的重難點(diǎn)內(nèi)容。由于人防地下室屬于隱蔽工程，預(yù)埋結(jié)構(gòu)的設(shè)置具有復(fù)雜性，一旦預(yù)埋結(jié)構(gòu)的位置不合理或各類預(yù)埋結(jié)構(gòu)之間缺乏足夠的安全間距，預(yù)埋結(jié)構(gòu)均有可能受到影響，建成的地下室結(jié)構(gòu)缺乏足夠的承載性能，威脅到建筑的使用安全[2]。

1.3 混凝土施工難度高

根據(jù)連續(xù)性的原則澆筑人防地下室的混凝土，但人防地下室屬于大體積混凝土施工項(xiàng)目，混凝土內(nèi)部水化熱問題較為嚴(yán)重，易引起開裂。在設(shè)計(jì)中，需考慮到高層建筑人防地下室混凝土施工的特殊性，明確材料類型、混凝土性能指標(biāo)、添加劑的用量、澆筑量、養(yǎng)護(hù)措施等，抑制混凝土的水化熱作用，將混凝土內(nèi)部和表面的溫差控制在許可范圍內(nèi)。同時(shí)，設(shè)計(jì)期間需考慮混凝土澆筑時(shí)可能出現(xiàn)的異常狀況，例如模板縫隙漏漿、振搗不密實(shí)、開裂等，制定異常狀況的應(yīng)對(duì)措施，以備不時(shí)之需。

2 某高層建筑人防地下室設(shè)計(jì)分析

2.1 工程概況

某高層住宅小區(qū)項(xiàng)目，共建設(shè)6棟住宅樓，人防工程位于地下1層、2層和車庫(kù)，抗震設(shè)防烈度為8度，常規(guī)武器抗力級(jí)別為6級(jí)，根據(jù)“平戰(zhàn)結(jié)合”的要求，人防保護(hù)區(qū)平時(shí)作儲(chǔ)藏間，戰(zhàn)時(shí)提供空間供人員隱蔽。人防防護(hù)區(qū)共分為6個(gè)防護(hù)單元，實(shí)建面積和隱蔽面積如表1所示。人防工程主要出入口和次要出入口的凈寬之和滿足0.4m/100人。根據(jù)人防工程設(shè)計(jì)要求，普通民用建筑的防空地下室人防等級(jí)為5級(jí)、6級(jí)，考慮平時(shí)和戰(zhàn)時(shí)兩種荷載效應(yīng)組合，使設(shè)計(jì)的地下室兼作人防防護(hù)區(qū)，以保證人防工程滿足兩種狀態(tài)下的不同使用要求[3]。

2.2 人防地下室的組成和設(shè)計(jì)要點(diǎn)

2.2.1 基本組成

人防地下室的核心結(jié)構(gòu)包含兩部分：一是主體結(jié)構(gòu)，屬于人防地下室的框架，提供戰(zhàn)時(shí)防護(hù)及其它功能；二是口部，是主體和地表面的連接結(jié)構(gòu)。

1)主體的設(shè)計(jì)。①對(duì)于全埋式防空地下室，頂板地面不超過室外地平面，地下室頂部的最小防護(hù)距離ts不小于250mm；②根據(jù)“平戰(zhàn)結(jié)合”的原則設(shè)計(jì)防空地下室時(shí)，要求頂板厚度至少達(dá)到250mm，若頂板未滿足此厚度要求，采取頂板上覆土的加強(qiáng)防護(hù)方法，覆土厚度按如下公式計(jì)算確定：

ht≥hs-d1

(1)

式中：ht-覆土最小厚度，m；hs-土體最小防護(hù)厚度，m；d1-防空地下室頂板厚度，m。

根據(jù)安全防護(hù)要求，戰(zhàn)時(shí)人防地下室必須隔絕外部環(huán)境，保持空間獨(dú)立，而此時(shí)人防地下室的通風(fēng)無法通過外界環(huán)境實(shí)現(xiàn)，此時(shí)需要采取室內(nèi)循環(huán)通風(fēng)的方式，在設(shè)計(jì)時(shí)必須考慮到人防地下室可容納的人數(shù)以及凈體積容納空氣，保證空氣充足。

2)出入口的設(shè)計(jì)。①人員隱蔽所戰(zhàn)時(shí)出入口門洞的每樘門通過人數(shù)不超過500人，門洞凈寬之和不低于0.375m/100人，出入口通道和樓梯的凈寬不小于該門洞的凈寬；②根據(jù)方便疏散的要求，宜將密閉通道的防護(hù)密閉門設(shè)計(jì)為活門檻；在密閉通道內(nèi)設(shè)置濾毒室，防止進(jìn)排風(fēng)短路，維持良好的內(nèi)部空氣環(huán)境；適當(dāng)減少防毒通道的體積，降低換氣量；③在設(shè)計(jì)消波設(shè)施時(shí)，若難以準(zhǔn)確判斷沖擊波的方向，需按照嵌入深度不少于300mm的要求設(shè)計(jì)防爆波活門，并驗(yàn)算擴(kuò)散室的尺寸，確保地下室的安全使用。

2.2.2 人防地下室的設(shè)計(jì)特點(diǎn)

在明確人防地下室結(jié)構(gòu)組成的基礎(chǔ)上，分結(jié)構(gòu)類型探討設(shè)計(jì)特點(diǎn)。主體結(jié)構(gòu)，重點(diǎn)設(shè)計(jì)底板、頂板、外墻等部位，追求結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性和耐久性；孔口結(jié)構(gòu)，重點(diǎn)考慮消波系統(tǒng)、防護(hù)設(shè)施等方面的設(shè)計(jì)，追求結(jié)構(gòu)的防護(hù)功能。由于戰(zhàn)時(shí)武器爆炸產(chǎn)生動(dòng)荷載，使得人防地下室的設(shè)計(jì)比非人防地下室更加復(fù)雜，設(shè)計(jì)人員應(yīng)考慮構(gòu)造規(guī)定、材料強(qiáng)度、內(nèi)力、荷載等方面的特殊性。設(shè)計(jì)人員需把握人防地下室的設(shè)計(jì)特點(diǎn)，主要有以下幾點(diǎn)。

1)平戰(zhàn)轉(zhuǎn)換。高層建筑的地下室在戰(zhàn)時(shí)應(yīng)充當(dāng)人防地下室，根據(jù)該要求，應(yīng)以“平戰(zhàn)轉(zhuǎn)換”的原則設(shè)計(jì)人防地下室結(jié)構(gòu)，并權(quán)衡好結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性和建造成本可控性兩項(xiàng)要求。側(cè)墻和底板根據(jù)地下室結(jié)構(gòu)特點(diǎn)而定，頂板基本由戰(zhàn)時(shí)控制，總體上以5級(jí)、6級(jí)設(shè)計(jì)要求為主。

2)結(jié)構(gòu)的可靠度。相比一般鋼筋混凝土延性構(gòu)件失效概率，人防地下室的該指標(biāo)是其的100倍左右，約6.1%。

3)材料強(qiáng)度。材料強(qiáng)度在快速加載條件下將提高，以砌體、鋼材兩類典型材料為例，強(qiáng)度設(shè)計(jì)值分別提高約1.2～1.3倍、1.2～1.5倍。

4)結(jié)構(gòu)動(dòng)力分析。地下室人防結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)使用年限內(nèi)可能無人防荷載，此設(shè)定的主要原因在于此類荷載屬偶然荷載，并非必然發(fā)生，因此在分析結(jié)構(gòu)動(dòng)力時(shí)主要采用等效靜荷載法進(jìn)行，再做靜力計(jì)算，評(píng)價(jià)結(jié)構(gòu)內(nèi)力。

5)強(qiáng)度計(jì)算。結(jié)構(gòu)變形極限用允許延性比控制，因此非必要時(shí)僅進(jìn)行強(qiáng)度計(jì)算即可，地基承載力及變形裂縫不在強(qiáng)度計(jì)算考慮范疇內(nèi)。

6)構(gòu)造要求嚴(yán)格。設(shè)計(jì)時(shí)除了考慮受力特性外，還需兼顧構(gòu)造措施的設(shè)計(jì)，合理設(shè)計(jì)最小配筋率、地下室構(gòu)件最小厚度等關(guān)鍵指標(biāo)，使構(gòu)造形式合理、穩(wěn)定可靠[4]。

7)按彈塑性工作狀態(tài)設(shè)計(jì)。人防地下室的人防荷載主要指的是常規(guī)武器和核武器爆炸產(chǎn)生的動(dòng)荷載，作用時(shí)間約為1s，按一次作用考慮。因此，結(jié)構(gòu)內(nèi)力的計(jì)算宜按照彈塑性工作狀態(tài)進(jìn)行，此思路下的設(shè)計(jì)方案可提升人防地下室結(jié)構(gòu)的承受性能，確保在一定強(qiáng)度的爆炸動(dòng)荷載作用下仍保持正常。

2.2.3 荷載組合和內(nèi)力分析

1)荷載組合。一是靜荷載，有上部建筑自重、防空地下室自重、水壓力、土壓力等；二是動(dòng)荷載，有戰(zhàn)時(shí)常規(guī)武器爆炸動(dòng)荷載和核武器爆炸動(dòng)荷載。地下室結(jié)構(gòu)不同部位的荷載組合各異，以頂板、底板、外墻三處為例進(jìn)行分析，荷載組合如表2所示。

表2 人防地下室各部位的荷載組合

2)人防地下室內(nèi)力分析。按靜力計(jì)算方法分析人防地下室結(jié)構(gòu)內(nèi)力，設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)承載力時(shí)采用如下公式：

(2)

式中：γ0—結(jié)構(gòu)重要性系數(shù)，取1.0；γG—永久荷載分項(xiàng)系數(shù)；SGk—永久荷載效應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)值；γQ—等效靜載分項(xiàng)系數(shù)；SQk—等效靜載效應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)值；R—結(jié)構(gòu)承載力設(shè)計(jì)值；fcd—混凝土動(dòng)力強(qiáng)度設(shè)計(jì)值；fyd—鋼筋動(dòng)力強(qiáng)度設(shè)計(jì)值；αkk—幾何參數(shù)標(biāo)準(zhǔn)值。關(guān)于永久荷載分項(xiàng)系數(shù)的取值，分效應(yīng)對(duì)結(jié)構(gòu)不利、有利兩種工況，分別取1.2、1.0。

對(duì)于公式(2)的取值，做如下說明：結(jié)構(gòu)重要性系數(shù)γ0取1的原因在于結(jié)構(gòu)的重要性基本已體現(xiàn)在抗力級(jí)別上；等效荷載的分項(xiàng)系數(shù)取1，原因在于等效靜荷載是設(shè)計(jì)中的規(guī)定值，動(dòng)荷載屬偶然荷載，按照規(guī)定，偶然作用的代表性不乘以分項(xiàng)系數(shù)，即便是偶然荷載，也是結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中不可忽視的一類荷載，分項(xiàng)系數(shù)不宜小于1，同時(shí)地下室的可靠度要求降低，因此采用的分項(xiàng)系數(shù)取值不宜超過1，兼顧多項(xiàng)要求，按折中的思路取值，最終認(rèn)為等效靜荷載的分項(xiàng)系數(shù)取1較為合適[5]。

3 孔口防護(hù)設(shè)計(jì)和平戰(zhàn)兼顧

人防地下室孔口防護(hù)設(shè)計(jì)的重點(diǎn)在于：1)防護(hù)密閉門與消波系統(tǒng)的設(shè)計(jì)；2)出入口通道內(nèi)臨空墻、門框墻的設(shè)計(jì)；3)風(fēng)井、開敞式通道、防倒塌棚架、相鄰單元間隔墻等孔口其它構(gòu)件的設(shè)計(jì)。

門框墻的計(jì)算按懸臂梁進(jìn)行，但必須合理控制寬度，因?yàn)閼?zhàn)時(shí)使用時(shí)門寬應(yīng)較窄，而日常使用時(shí)應(yīng)有較寬的出入通道，以保證空間的有效利用，由于兩項(xiàng)因素的影響，門框墻的懸臂長(zhǎng)度較大，建設(shè)門框墻時(shí)配置的水平筋的尺寸較大，可通過增設(shè)柱、梁的方式調(diào)節(jié)門框墻的受力型式，以降低成本，但不可由于增設(shè)柱、梁而影響功能的正常使用。對(duì)于隔墻，可按一般墻體的計(jì)算模式進(jìn)行設(shè)計(jì)，明確隔墻的內(nèi)力和鋼筋配置方式。風(fēng)井的設(shè)計(jì)不考慮空氣沖擊波，僅考慮壓縮波的壓力。開敞式通道僅考慮靜土側(cè)壓力。防倒塌棚架設(shè)計(jì)時(shí)的作用力有如下兩部分：一是橫向力，即動(dòng)壓力設(shè)計(jì)，取值主要依據(jù)《規(guī)范》第4.8.10條進(jìn)行；二是豎向力，即倒塌荷載50KN/m2，不考慮同時(shí)作用的情況，因?yàn)閮身?xiàng)受力作用存在時(shí)間差。出入口部位存在門和墻體，空氣波到達(dá)此部位后發(fā)生反射作用，作用在出入口通道處門上的總效應(yīng)高于空氣波的壓力，差異明顯時(shí)約為空氣波壓力的2.0～3.5倍。由于技術(shù)的更新迭代和產(chǎn)品生產(chǎn)水平的提高，為設(shè)計(jì)人員的提供了更多便捷條件，例如挑選定型防護(hù)密閉門，滿足設(shè)計(jì)壓力要求，與門洞尺寸配套。濾毒通風(fēng)設(shè)備承受壓力極限比空氣沖擊波低，根據(jù)此關(guān)系，需增設(shè)消波系統(tǒng)，避免因防護(hù)措施有限而難以與主體抗力相適應(yīng)的問題。按照“以堵為主、堵消結(jié)合”的方式設(shè)計(jì)消波系統(tǒng)，“堵”的關(guān)鍵在于設(shè)置防爆波活門，盡可能用此設(shè)施阻擋沖擊波，避免過量沖擊波進(jìn)入室內(nèi)；“消”的關(guān)鍵在于利用擴(kuò)散室的擴(kuò)散膨脹作用削弱沖擊波，盡可能控制攔截后仍進(jìn)入室內(nèi)的沖擊波，將設(shè)備受到的壓力穩(wěn)定在許可范圍內(nèi)，設(shè)計(jì)時(shí)還需考慮允許余壓值和抗力等級(jí)，建議聯(lián)合采用擴(kuò)散室和防爆波活門，以行業(yè)規(guī)范為準(zhǔn)，結(jié)合工程數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算，確定各部分結(jié)構(gòu)的尺寸。擴(kuò)散室前墻屬于臨空墻，墻面所受的荷載按照臨空墻荷載取值方式予以確定，此外，按土中壓縮波壓力確定擴(kuò)散室與土相鄰頂?shù)装寮巴鈮Φ暮奢d[6]。

4 結(jié)語

高層建筑人防地下室的設(shè)計(jì)質(zhì)量影響到建筑整體質(zhì)量、居民人身財(cái)產(chǎn)安全多個(gè)方面，而高層建筑人防地下室具有隱蔽性，設(shè)計(jì)因素多，設(shè)計(jì)難度高，設(shè)計(jì)人員應(yīng)升級(jí)理念，優(yōu)化設(shè)計(jì)方法。設(shè)計(jì)人員需要高度重視高層建筑人防地下室的設(shè)計(jì)，兼顧平面規(guī)劃、構(gòu)造規(guī)劃等內(nèi)容，計(jì)算、分析各項(xiàng)關(guān)鍵指標(biāo)，嚴(yán)格管控各項(xiàng)細(xì)節(jié)，強(qiáng)化人防地下室結(jié)構(gòu)，根據(jù)規(guī)范化、標(biāo)準(zhǔn)化的理念設(shè)計(jì)高層建筑人防地下室。經(jīng)過本文的探究，梳理出高層建筑人防地下室的設(shè)計(jì)思路，強(qiáng)調(diào)了重點(diǎn)設(shè)計(jì)項(xiàng)目，希望所提內(nèi)容可作為同仁的參考。