高层建筑人防地下室设计分析

李晓东

(阳泉市建筑设计院有限公司，山西 阳泉 045000)

高层建筑人民防空工程日常作为停车场或地下室，战时作为人防地下室，具有“平战结合”多重功能。在设计高层建筑人防地下室时，需兼顾日常使用的功能要求、人防工程建设要求、结构强度要求，进行全面设计。基于此，下文总结高层建筑人防地下室设计难点，探讨设计方案。

1 高层建筑人防地下室设计难点

1.1 基础设计要求高

地下人防工程设计复杂度高，干扰因素多，设计要求高于传统民用建筑：1)人防工程拥有独立的工程规范，与建筑工程有明显区别，设计时必须考虑到各项特殊规范，进行针对性设计；2)人防工程质量要求高，必须由高素质的设计单位和监理单位参与，考核的内容包含地下建筑作业经验、连续混凝土施工技术水平等，必须由足够资质的单位参与人防工程；3)高层建筑地下室混凝土浇筑一次成型，需在前期设计阶段便确定材料类型、混凝土性能指标、温度控制措施、单次浇筑厚度、浇筑速度等，任何一项细节的设计不合理时均有可能引起质量问题，因此整体设计难度较高[1]。

1.2 预埋结构复杂

人防地下室具有隐蔽性，建造的人防地下室供居民在遇到突发状况时进行临时避难，为人们的人身安全提供保障。在设计高层建筑人防地下室时，需要协调多组工程之间的关系，例如做好基础性土建工程设计、电气工程设计等分项工程的设计工作，再协调好分项工程的关系，消除在工序、空间、功能等方面的矛盾。设计工作具有全面性，除了考虑人防工程主体因素外，还需兼顾周边其它因素，均衡管线的分布关系也是高层建筑人防地下室设计中的重难点内容。由于人防地下室属于隐蔽工程，预埋结构的设置具有复杂性，一旦预埋结构的位置不合理或各类预埋结构之间缺乏足够的安全间距，预埋结构均有可能受到影响，建成的地下室结构缺乏足够的承载性能，威胁到建筑的使用安全[2]。

1.3 混凝土施工难度高

根据连续性的原则浇筑人防地下室的混凝土，但人防地下室属于大体积混凝土施工项目，混凝土内部水化热问题较为严重，易引起开裂。在设计中，需考虑到高层建筑人防地下室混凝土施工的特殊性，明确材料类型、混凝土性能指标、添加剂的用量、浇筑量、养护措施等，抑制混凝土的水化热作用，将混凝土内部和表面的温差控制在许可范围内。同时，设计期间需考虑混凝土浇筑时可能出现的异常状况，例如模板缝隙漏浆、振捣不密实、开裂等，制定异常状况的应对措施，以备不时之需。

2 某高层建筑人防地下室设计分析

2.1 工程概况

某高层住宅小区项目，共建设6栋住宅楼，人防工程位于地下1层、2层和车库，抗震设防烈度为8度，常规武器抗力级别为6级，根据“平战结合”的要求，人防保护区平时作储藏间，战时提供空间供人员隐蔽。人防防护区共分为6个防护单元，实建面积和隐蔽面积如表1所示。人防工程主要出入口和次要出入口的净宽之和满足0.4m/100人。根据人防工程设计要求，普通民用建筑的防空地下室人防等级为5级、6级，考虑平时和战时两种荷载效应组合，使设计的地下室兼作人防防护区，以保证人防工程满足两种状态下的不同使用要求[3]。

2.2 人防地下室的组成和设计要点

2.2.1 基本组成

人防地下室的核心结构包含两部分：一是主体结构，属于人防地下室的框架，提供战时防护及其它功能；二是口部，是主体和地表面的连接结构。

1)主体的设计。①对于全埋式防空地下室，顶板地面不超过室外地平面，地下室顶部的最小防护距离ts不小于250mm；②根据“平战结合”的原则设计防空地下室时，要求顶板厚度至少达到250mm，若顶板未满足此厚度要求，采取顶板上覆土的加强防护方法，覆土厚度按如下公式计算确定：

ht≥hs-d1

(1)

式中：ht-覆土最小厚度，m；hs-土体最小防护厚度，m；d1-防空地下室顶板厚度，m。

根据安全防护要求，战时人防地下室必须隔绝外部环境，保持空间独立，而此时人防地下室的通风无法通过外界环境实现，此时需要采取室内循环通风的方式，在设计时必须考虑到人防地下室可容纳的人数以及净体积容纳空气，保证空气充足。

2)出入口的设计。①人员隐蔽所战时出入口门洞的每樘门通过人数不超过500人，门洞净宽之和不低于0.375m/100人，出入口通道和楼梯的净宽不小于该门洞的净宽；②根据方便疏散的要求，宜将密闭通道的防护密闭门设计为活门槛；在密闭通道内设置滤毒室，防止进排风短路，维持良好的内部空气环境；适当减少防毒通道的体积，降低换气量；③在设计消波设施时，若难以准确判断冲击波的方向，需按照嵌入深度不少于300mm的要求设计防爆波活门，并验算扩散室的尺寸，确保地下室的安全使用。

2.2.2 人防地下室的设计特点

在明确人防地下室结构组成的基础上，分结构类型探讨设计特点。主体结构，重点设计底板、顶板、外墙等部位，追求结构的稳定性和耐久性；孔口结构，重点考虑消波系统、防护设施等方面的设计，追求结构的防护功能。由于战时武器爆炸产生动荷载，使得人防地下室的设计比非人防地下室更加复杂，设计人员应考虑构造规定、材料强度、内力、荷载等方面的特殊性。设计人员需把握人防地下室的设计特点，主要有以下几点。

1)平战转换。高层建筑的地下室在战时应充当人防地下室，根据该要求，应以“平战转换”的原则设计人防地下室结构，并权衡好结构稳定性和建造成本可控性两项要求。侧墙和底板根据地下室结构特点而定，顶板基本由战时控制，总体上以5级、6级设计要求为主。

2)结构的可靠度。相比一般钢筋混凝土延性构件失效概率，人防地下室的该指标是其的100倍左右，约6.1%。

3)材料强度。材料强度在快速加载条件下将提高，以砌体、钢材两类典型材料为例，强度设计值分别提高约1.2～1.3倍、1.2～1.5倍。

4)结构动力分析。地下室人防结构设计使用年限内可能无人防荷载，此设定的主要原因在于此类荷载属偶然荷载，并非必然发生，因此在分析结构动力时主要采用等效静荷载法进行，再做静力计算，评价结构内力。

5)强度计算。结构变形极限用允许延性比控制，因此非必要时仅进行强度计算即可，地基承载力及变形裂缝不在强度计算考虑范畴内。

6)构造要求严格。设计时除了考虑受力特性外，还需兼顾构造措施的设计，合理设计最小配筋率、地下室构件最小厚度等关键指标，使构造形式合理、稳定可靠[4]。

7)按弹塑性工作状态设计。人防地下室的人防荷载主要指的是常规武器和核武器爆炸产生的动荷载，作用时间约为1s，按一次作用考虑。因此，结构内力的计算宜按照弹塑性工作状态进行，此思路下的设计方案可提升人防地下室结构的承受性能，确保在一定强度的爆炸动荷载作用下仍保持正常。

2.2.3 荷载组合和内力分析

1)荷载组合。一是静荷载，有上部建筑自重、防空地下室自重、水压力、土压力等；二是动荷载，有战时常规武器爆炸动荷载和核武器爆炸动荷载。地下室结构不同部位的荷载组合各异，以顶板、底板、外墙三处为例进行分析，荷载组合如表2所示。

表2 人防地下室各部位的荷载组合

2)人防地下室内力分析。按静力计算方法分析人防地下室结构内力，设计结构承载力时采用如下公式：

(2)

式中：γ0—结构重要性系数，取1.0；γG—永久荷载分项系数；SGk—永久荷载效应标准值；γQ—等效静载分项系数；SQk—等效静载效应标准值；R—结构承载力设计值；fcd—混凝土动力强度设计值；fyd—钢筋动力强度设计值；αkk—几何参数标准值。关于永久荷载分项系数的取值，分效应对结构不利、有利两种工况，分别取1.2、1.0。

对于公式(2)的取值，做如下说明：结构重要性系数γ0取1的原因在于结构的重要性基本已体现在抗力级别上；等效荷载的分项系数取1，原因在于等效静荷载是设计中的规定值，动荷载属偶然荷载，按照规定，偶然作用的代表性不乘以分项系数，即便是偶然荷载，也是结构设计中不可忽视的一类荷载，分项系数不宜小于1，同时地下室的可靠度要求降低，因此采用的分项系数取值不宜超过1，兼顾多项要求，按折中的思路取值，最终认为等效静荷载的分项系数取1较为合适[5]。

3 孔口防护设计和平战兼顾

人防地下室孔口防护设计的重点在于：1)防护密闭门与消波系统的设计；2)出入口通道内临空墙、门框墙的设计；3)风井、开敞式通道、防倒塌棚架、相邻单元间隔墙等孔口其它构件的设计。

门框墙的计算按悬臂梁进行，但必须合理控制宽度，因为战时使用时门宽应较窄，而日常使用时应有较宽的出入通道，以保证空间的有效利用，由于两项因素的影响，门框墙的悬臂长度较大，建设门框墙时配置的水平筋的尺寸较大，可通过增设柱、梁的方式调节门框墙的受力型式，以降低成本，但不可由于增设柱、梁而影响功能的正常使用。对于隔墙，可按一般墙体的计算模式进行设计，明确隔墙的内力和钢筋配置方式。风井的设计不考虑空气冲击波，仅考虑压缩波的压力。开敞式通道仅考虑静土侧压力。防倒塌棚架设计时的作用力有如下两部分：一是横向力，即动压力设计，取值主要依据《规范》第4.8.10条进行；二是竖向力，即倒塌荷载50KN/m2，不考虑同时作用的情况，因为两项受力作用存在时间差。出入口部位存在门和墙体，空气波到达此部位后发生反射作用，作用在出入口通道处门上的总效应高于空气波的压力，差异明显时约为空气波压力的2.0～3.5倍。由于技术的更新迭代和产品生产水平的提高，为设计人员的提供了更多便捷条件，例如挑选定型防护密闭门，满足设计压力要求，与门洞尺寸配套。滤毒通风设备承受压力极限比空气冲击波低，根据此关系，需增设消波系统，避免因防护措施有限而难以与主体抗力相适应的问题。按照“以堵为主、堵消结合”的方式设计消波系统，“堵”的关键在于设置防爆波活门，尽可能用此设施阻挡冲击波，避免过量冲击波进入室内；“消”的关键在于利用扩散室的扩散膨胀作用削弱冲击波，尽可能控制拦截后仍进入室内的冲击波，将设备受到的压力稳定在许可范围内，设计时还需考虑允许余压值和抗力等级，建议联合采用扩散室和防爆波活门，以行业规范为准，结合工程数据进行计算，确定各部分结构的尺寸。扩散室前墙属于临空墙，墙面所受的荷载按照临空墙荷载取值方式予以确定，此外，按土中压缩波压力确定扩散室与土相邻顶底板及外墙的荷载[6]。

4 结语

高层建筑人防地下室的设计质量影响到建筑整体质量、居民人身财产安全多个方面，而高层建筑人防地下室具有隐蔽性，设计因素多，设计难度高，设计人员应升级理念，优化设计方法。设计人员需要高度重视高层建筑人防地下室的设计，兼顾平面规划、构造规划等内容，计算、分析各项关键指标，严格管控各项细节，强化人防地下室结构，根据规范化、标准化的理念设计高层建筑人防地下室。经过本文的探究，梳理出高层建筑人防地下室的设计思路，强调了重点设计项目，希望所提内容可作为同仁的参考。