人防结构设计关键技术

李建宇

（山西省人防建筑设计研究院，山西太原 030013）

0 引言

在建筑行业的发展过程中，人防工程一直是人们重点关注的工程项目，而人防结构设计会对人防工程战时功能的实现造成直接的影响，一旦人防结构设计出现问题，就会导致人防工程建设无法正常进行。在建筑工程的建设过程中，为了满足战时需要，必须按照人防工程建设管理条例的规定修建人防工程，与其他工程项目相比，人防工程对施工单位、设计单位及监理单位提出了更高的要求，尤其是在结构设计方面，相关的技术标准显著提高，只有准确把握人防结构设计关键技术，才能更好地满足人防结构设计要求。因此，为了保证人防工程建设顺利进行，必须充分重视人防结构设计工作，全面掌握人防工程的各项技术标准，准确把握人防结构设计关键技术，妥善解决人防结构设计存在的问题，才能有效提高人防结构设计水平，更好地满足人防工程建设要求。

1 人防结构设计的重要性

在人防工程建设过程中，人防结构设计发挥着十分重要的作用，如果存在人防结构设计不合理的情况，就可能导致后续施工无法顺利进行。对于社会发展而言，人防工程的施工质量会带来深远的影响，只有不断提高人防结构设计水平，才能保证人防工程的施工质量满足相关要求，更好发挥自身作用。因此，施工单位必须充分认识到人防结构设计的重要性，了解人防工程各个构件的特殊构造要求，再将更多的精力投入这部分工作中，不断提高人防工程的整体水平。

2 人防结构设计特点

在人防工程建设中，人防结构设计具有以下两个方面的特点。

2.1 复杂性

与一般建筑工程相比，人防工程的结构更加复杂，因此，人防工程对于结构设计提出了更高的要求，在一定程度上增加了设计工作的难度。这是由于人防工程不但需要承担上部建筑传来的静荷载，而且还需要承担常规武器、核武器爆炸动荷载的两个作用。在一般建筑工程的结构设计中，关于构件承载力的设计，只需要满足建筑结构带来的最大荷载，但是在人防结构设计中，需要建筑结构可以承受常规武器或者核武器产生的振动以及爆炸动荷载作用，因此具备复杂性的特点。

2.2 多重性

在和平年代，人防工程需要发挥其防患于未然的作用，在和平的形势下做到未雨绸缪，时刻做好战时准备。然而，只将人防工程作为战时准备，将会造成一定的资源浪费，尤其是目前城市地下空间紧缺，有效地提高城市地下空间利用率才能满足城市发展的需求。为了充分发挥人防工程的重要作用，在进行人防结构设计的过程中，需要保证其能够满足多重标准，不但要具备人防设施的属性，而且能够作为正常建筑使用。因此，人防结构设计通常需要进行叠加设计，在满足战时需求的基础上还需满足建筑的平时功能，有利于提高城市空间利用率，满足城市发展的需求。例如，在进行空间设计时，需要重点分析人防工程的人数承载能力，保证战时容纳人员数量，并且还要分析和平时期人防建筑的功能性。由于人防工程具有多重性的特点，因此大幅度增加了人防结构设计的难度，设计工作中需要满足不同设计标准的严格要求，需要引起足够的重视。

3 人防结构设计基本要求

对于人防工程而言，结构设计需要满足以下5 个方面的要求。

3.1 材料性能设计要求

甲类防空地下室结构应能承受常规武器爆炸动荷载和核武器爆炸动荷载的作用，乙类防空地下室结构应能承受常规武器爆炸动荷载的作用。对常规武器爆炸动荷载和核武器爆炸动荷载，设计时均按一次作用。人防爆炸动荷载最突出的特点是持续时间短，一般发生在几毫秒的时间内，随后会随着时间的推移而减弱，为了保证人防工程可以承受爆炸动荷载，需要选择合适的材料。与静载荷相比，材料在承受动载荷时会发生力学变化，因此，在人防结构设计中，需要分析构件材料中承载能力及可靠性等指标，并进行相关验证，确定材料的性能要求以及强度综合调整系数，才能选择合适的构件材料。

3.2 构件延性设计要求

人防工程在承受爆炸动载荷作用时，人防结构会出现屈服状态，进而产生一定程度的形变，在动载荷逐渐消失后，变形也会逐渐变小，最后恢复到静止状态。一般情况下，人防工程可以出现一定程度的塑型变形，但需要保证其整体结构不会受到破坏，只有这样，才能保证其能够承受动载荷。经过大量的实践验证，延性破坏的安全性要高于脆性破坏，因此，在人防结构设计中，需要充分参考这一特点，制定针对性的设计方案，一般采用墙柱、弱弯的设计方案，并且要对延性比进行严格控制，保证延性比为1，在这种情况下，结构处于弹性阶段，如果延性比超过1，需要将钢筋配筋率控制在1.5%以上，采用调整钢筋配筋率的方法来满足以上要求，与此同时，还要适当的提高混凝土的强度以及相关数据，以便保证构件的延性满足设计要求[1]。

3.3 出入口设计要求

在人防工程中，出入口的设计同样要求满足特定的要求，其中最重要的是出入口需要有明确指示。在战争发生时，为了保证人防工程可以正常使用，主要出入口位置需要避免因受到冲击波的影响而摧毁或堵塞，因此，人防工程的出入口需要承受更大的等效静荷载，不但要满足最小防护厚度的要求，而且充分考虑早期核辐射因素。在人防结构设计中，出入口设计通常是最关键的部分，需要保证其强度高于其他部位，这样才能够具有更高的安全性。在进行人防结构出入口设计时，需要综合考虑防护密闭门的设计、消波系统的设计、出入口通道内临空墙的设计以及出入口通道门框墙的设计等。在门框墙的设计中，通常需要根据悬臂梁进行相关计算，但是计算时需要区分平时使用和战时使用的不同状态。对于人防工程而言，平时使用时对于出入口宽度的要求不高，而在战争时则对出入口的宽度提出了更高的要求，为了满足这样的要求，如果设计较长的门框墙的悬臂梁，会造成水平筋长度增加。在这种情况下，为了改善门框墙的受力效果，需要在结构设计时增设一定的附加边柱和上挡墙加强梁，但这样的设计应保证不会影响门框墙的实际使用。此外，在人防工程孔口设计中，同样要深入贯彻平战转换的思想，确保人防工程可以在发生战争时快速切换成为战时状态，以便为人们提供安全的避难空间。

3.4 构造设计要求

在人防工程构造设计中，需要满足的要求主要包括以下3 个方面：①在人防工程中，对于防毒通道、密闭通道及滤毒室的密闭性提出了极高的要求，为了更好的满足这方面的技术标准，需要在施工中采取一次性浇筑的施工方法。②对于梅花形拉结筋，可以将其作为受力筋，并且对其直径以及间距进行严格的控制，符合相关规范标准的要求。③人防工程墙体以及楼板的设计必须严格执行相关要求，一般情况下，墙体以及楼板的厚度应超过250mm。但是，如果人防结构设计中无法满足这项要求，将会使人防工程的安全性受到严重的影响。

3.5 平战转换要求

为了贯彻“长期准备、重点建设、平战结合”的人民防空建设方针，适应人民防空工程平战结合设计的需要，使人防工程平时为城市人民的生产、生活服务。战时只需经过适量的恢复、加固和补充，达到预定的防护等级，充分发挥其战备效益、社会效益和经济效益[2]。

人防工程防护功能平战转换设计应做到安全可靠、就地取材、加工和安装快速简便的原则，并应采取切实可靠的技术措施，保证平时使用功能向战时使用功能转换。

4 人防结构设计关键技术分析

在人防工程的建设过程中，结构设计方案是影响工程施工质量的关键因素，因此，为了有效提高人防工程施工质量，在进行人防结构设计时，需要对工程中的区域形式进行优化，妥善处理建筑空间，并为内部设计制定科学的方案，确定合理的区域划分。因此，在人防结构设计工作中，需要把握的关键技术主要包括以下3 个方面。

4.1 人防结构主体设计关键技术

在人防结构主体设计工作中，为了保证设计方案的合理性，需要事先对施工现场进行全面的勘察，根据防护类别、抗力等级及战时功能制定设计方案。一般情况下，人防工程都要划分为染毒区域和清洁区域等不同区域。在防护单元的设计中，需要对防护单元进行合理的调整，并且要在不同的防护单元之间设置相应的防护单元隔墙。在大部分人防工程中，防护单元隔墙采用钢筋混凝土浇筑，形成密封防护墙，发挥良好的阻隔作用，还要对防护单元隔墙的厚度进行严格的控制，保证其满足相关规范的要求[3]。

4.2 人防结构配筋计算关键技术

对于人防结构设计而言，配筋计算结果的合理性是影响结构安全性与稳定性的关键因素。因此，在进行配筋计算时，需要全面的掌握人防工程的类别以及要求达到的等级，根据实际承载能力进行计算，保证计算方法的合理性。对于不同构件的各项参数，需要分别进行推算，并且要做到施工图纸尽量详尽，避免在施工过程中因施工图纸存在问题而出现不必要的失误。此外，还要在施工过程中严格执行施工方案，保证结构尺寸的准确性，才能保证配筋计算数值的合理性。

4.3 人防结构口部设计关键技术

防空地下室的每个防护单元不应少于两个出入口（不包括竖井式出入口、防护单元之间的连通口），其中至少有一个室外出入口（竖井式除外）。战时主要出入口应设在室外出入口。甲类防空地下室中，其战时作为主要出入口的室外出入口通道的出地面段（即无防护顶盖段），宜布置在地面建筑的倒塌范围以外，以便有效的防治因地面建筑发生坍塌而造成的堵塞[4]。

5 人防结构设计中存在的问题及处理措施

由于人防结构设计具有较强的复杂性和多重性特点，因此设计难度较高。在具体的设计工作中，设计人员需要综合考虑各方面的因素，一旦在工作中出现疏忽，就会对设计方案的合理性造成不利影响，导致人防工程的功能无法正常发挥。为了妥善的解决这些问题，必须明确问题产生的原因，制定科学合理的处理措施，将这些问题带来的影响降至最低。

5.1 出入口位置防倒塌棚架梁箍筋设计问题

一旦爆发战争，人防地下室能够庇护人们的生命安全，在很大程度上降低各种杀伤性武器造成的危害。对于人防地下室来说，出入口位置的设计工作是十分关键的，科学合理地设计与安装防倒塌棚架，能够使得出入口更加安全稳固，进而有效防止震动导致的倒塌问题，为人防地下室的安全性提供保证。以设计角度为出发点来分析，完工之后的防倒塌棚架顶板需要负担极重的荷载，在一般情况下，荷载的来源主要有两种：①在房屋倒塌的过程中，建筑结构可以给防倒塌棚架顶板带来很大的垂直角度的荷载；②爆炸物的燃爆过程会形成很大的冲击波，通常是水平方向的。而部分工作人员在设计人防地下室防倒塌棚架时，没有全面研究各种可能遇见的问题，其中以箍筋设计问题为最，具体体现在箍筋间距的设计方面，出现的问题主要包括棚架梁箍筋的间距超过150mm、箍筋加密区间距比纵筋直径大5 倍等，这些问题会造成防倒塌棚架的荷载承受能力大幅度下降，继而无法充分发挥出人防地下室应有的作用。所以，设计人员在进行防倒塌棚架的设计工作时，应该科学地研判箍筋间距，同时根据相关的设计规定，并结合工程项目的实际需求开展设计，合理缩短箍筋的间距，以此促进防倒塌棚架的承载能力的显著增强，进一步提高人防工程的施工质量，确保在战争期间可以为人们提供更加安全的庇护[5]。

5.2 合理设计门框墙

人防地下室的结构设计标准具有多重性的特点，不仅要求能够在战争时期，为人们提供安全的场所，还需要在此基础上，不断提升前期实用性能，在平战结合原则的框架内，以此类的方式促进人防地下室功能性作用的进一步强化。其中，以常规建筑结构设计为例，一般来说，在设计门框墙时应当设置位于上下左右不同位置的四道挡墙，并且以此为基础，精密的计算挡墙的抗应力能力，之后再依此开展结构设计工作，完成挡墙配筋。然而，从战时情况为立足点来分析，挡墙的功能就上升为极其关键的战时防御构件，不仅需要负担建筑物自身的荷载，还要求可以抵抗外来的荷载，具体涉及了爆炸物在爆炸瞬间形成的震动和冲击。可是对于很多设计人员而言，在实际设计挡墙时，往往不重视甚至忽略了墙体的合力，结果导致侧墙对左右挡墙传来弯矩的承载力大幅度降低。不仅如此，还会严重削弱顶底板对上下挡墙传来弯矩的承载力，从而形成抗力无法协调的不利局面，如果使用了此种设计模式，会在很大程度上减少挡墙的功能性，因而无法全面有效地发挥出挡墙的防御功能[6]。因此，设计人员应该严格遵循平战结合的原则，全面分析整体角度上的各种因素，差异性地设计各个位置上的挡墙，进而提高抗力的协调性，让挡墙设计更加科学合理，有效促进挡墙防御能力的显著增强。

5.3 合理设计人防地下室扩散室

在人防地下室的整体结构中，扩散室是其中非常关键的一部分内容，合理设计扩散室，能够很好地削弱爆炸物带来的极强的冲击波，有效降低冲击波对人防地下室内的人们的危害，从而为人们的安全提供坚实的保障。所以，工作人员在设计人防地下室结构时，应该重视扩散室的设计环节，不断强化扩散室的设计质量，从而确保在战争期间，扩散室的功能性作用得以全面发挥出来。然而，在实际设计扩散式结构的过程中，往往会发生诸多的问题，扩散室的取值缺乏合理性，同时余压设计也并不科学，和对余压的实际要求不符，没有充分考虑扩散室各种构件的等效静负荷问题，从而在很大程度上弱化了扩散室的功能性作用，对人防地下室的安全造成了严重的负面影响，一旦发生战争，将无法有效的保护人们的生命安全。基于扩散室的重要作用，设计人员在实际设计环节中，应该全面分析竖井和扩散室之间的墙体结构部件的强度，并进行科学的设计，不仅如此，还必须要全面考虑扩散室和土体接触的顶板、底板以及外墙等结构部件的强度，同时展开合理设计，以此确保分析问题的全面性。不仅如此，设计人员还应该准确计算扩散室的抗动荷载能力，并且根据战时建设标准，对钢筋进行科学的配置，从而大幅度提高扩散室的质量，进一步削弱爆炸冲击波的威胁，从而确保人防地下室中人员的安全[7]。

6 严格控制人防结构设计质量

6.1 制定并不断完善人防结构质量控制机制

一般而言，人们都会选择专业的、经验丰富的人防工程设计单位，并逐步淘汰专业性差、后期服务无法保障的人防工程设计单位。因此，应该建立健全人防结构质量控制体系，加大力度监督控制好人防工程设计质量，为其长远发展发挥积极的影响。与此同时，还可以获取更加精准的数据信息，继而推动人防工程设计市场化的可持续发展。

6.2 构建并优化人防工程设计单位内部质量控制体系

积极建立并优化人防工程设计单位内部质量控制体系，能够确保人防工程设计的质量。首先，严格遵循规范性、准确性等原则，人防工程的施工图质量符合规范、图集的相关规定；其次，建立质量控制机制并不断进行优化升级，进一步提高人防工程设计的科学性。

6.3 不断提高人防工程设计人员的整体水平

为了促进人防工程设计质量的进一步提升，应该大幅度提高人防工程设计人员的培训时间，促进设计人员设计质量的全面增强[8]。

7 结语

总而言之，人防地下室具有极其重要的作用，设计人员在设计人防地下室结构时，应该严格遵循平战结合的原则，不断提高人防地下室结构的设计质量，从而全面发挥出人防地下室应有的功能性作用。