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高層建筑人防地下室設計分析高層建筑人民防空工程日常作為停車場或地下室，戰(zhàn)時作為人防地下室，具有“平戰(zhàn)結合”多重功能。在設計高層建筑人防地下室時，需兼顧日常使用的功能要求、人防工程建設要求、結構強度要求，進行全面設計?；诖耍挛目偨Y高層建筑人防地下室設計難點，探討設計方案。1高層建筑人防地下室設計難點1.1基礎設計要求高地下人防工程設計復雜度高，干擾因素多，設計要求高于傳統(tǒng)民用建筑：1)人防工程擁有獨立的工程規(guī)范，與建筑工程有明顯區(qū)別，設計時必須考慮到各項特殊規(guī)范，進行針對性設計；2)人防工程質量要求高，必須由高素質的設計單位和監(jiān)理單位參與，考核的內容包含地下建筑作業(yè)經驗、連續(xù)混凝土施工技術水平等，必須由足夠資質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，需在前期設計階段便確定材料類型、混凝土性能指標、溫度控制措施、單次澆筑厚度、澆筑速度等，任何一項細節(jié)的設計不合理時均有可能引起質量問題，因此整體設計難度較高[1]。1.2預埋結構復雜 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)狀況時進行臨時避難，為人們的人身安全提供保障。在設計高層建筑人防地下室時，需要協(xié)調多組工程之間的關系，例如做好基礎性土建工程設計、電氣工程設計等分項工程的設計工作，再協(xié)調好分項工程的關系，消除在工序、空間、功能等方面的矛盾。設計工作具有全面性，除了考慮人防工程主體因素外，還需兼顧周邊其它因素，均衡管線的分布關系也是高層建筑人防地下室設計中的重難點內容。由于人防地下室屬于隱蔽工程，預埋結構的設置具有復雜性，一旦預埋結構的位置不合理或各類預埋結構之間缺乏足夠的安全間距，預埋結構均有可能受到影響，建成的地下室結構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目，混凝土內部水化熱問題較為嚴重，易引起開裂。在設計中，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、添加劑的用量、澆筑量、養(yǎng)護措施等，抑制混凝土的水化熱作用，將混凝土內部和表面的溫差控制在許可范圍內。同時，設計期間需考慮混凝土澆筑時可能出現的異常狀況，例如模板縫隙漏漿、振搗不密實、開裂等，制定異常狀況的應對措施，以備不時之需。2某高層建筑人防地下室設計分析2.1工程概況某高層住宅小區(qū)項目，共建設6棟住宅樓，人防工程位于地下1層、2層和車庫，抗震設防烈度為8度，常規(guī)武器抗力級別為6級，根據“平戰(zhàn)結合”的要求，人防保護區(qū)平時作儲藏間，戰(zhàn)時提供空間供人員隱蔽。人防防護區(qū)共分為6個防護單元，實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。根據人防工程設計要求，普通民用建筑的防空地下室人防等級為5級、6級，考慮平時和戰(zhàn)時兩種荷載效應組合，使設計的地下室兼作人防防護區(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計要點2.2.1基本組成人防地下室的核心結構包含兩部分：一是主體結構，屬于人防地下室的框架，提供戰(zhàn)時防護及其它功能；二是口部，是主體和地表面的連接結構。 1)主體的設計。①對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距離ts不小于250mm；②根據“平戰(zhàn)結合”的原則設計防空地下室時，要求頂板厚度至少達到250mm，若頂板未滿足此厚度要求，采取頂板上覆土的加強防護方法，覆土厚度按如下公式計算確定：ht≥hs-d1(1)式中：ht-覆土最小厚度，m；hs-土體最小防護厚度，m；d1-防空地下室頂板厚度，m。根據安全防護要求，戰(zhàn)時人防地下室必須隔絕外部環(huán)境，保持空間獨立，而此時人防地下室的通風無法通過外界環(huán)境實現，此時需要采取室內循環(huán)通風的方式，在設計時必須考慮到人防地下室可容納的人數以及凈體積容納空氣，保證空氣充足。2)出入口的設計。①人員隱蔽所戰(zhàn)時出入口門洞的每樘門通過人數不超過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根據方便疏散的要求，宜將密閉通道的防護密閉門設計為活門檻；在密閉通道內設置濾毒室，防止進排風短路，維持良好的內部空氣環(huán)境；適當減少防毒通道的體積，降低換氣量；③在設計消波設施時，若難以準確判斷沖擊波的方向，需按照嵌入深度不少于300mm的要求設計防爆波活門，并驗算擴散室的尺寸，確保地下室的安全使用。2.2.2人防地下室的設計特點在明確人防地下室結構組成的基礎上，分結構類型探討設計特點。主體結構，重點設計底板、頂板、外墻等部位，追求結構的穩(wěn)定性和耐久性；孔口結構，重點考慮消波系統(tǒng)、防護設施等方面的設計，追求結構的防護功能。由于戰(zhàn)時武器爆炸產生動荷載，使得人防地下室的設計比非人防地下室更加復雜，設計人員應考慮構造規(guī)定、材料強度、內力、荷載等方面的特殊性。設計人員需把握人防地下室的設計特點，主要有以下幾點。 1)平戰(zhàn)轉換。高層建筑的地下室在戰(zhàn)時應充當人防地下室，根據該要求，應以“平戰(zhàn)轉換”的原則設計人防地下室結構，并權衡好結構穩(wěn)定性和建造成本可控性兩項要求。側墻和底板根據地下室結構特點而定，頂板基本由戰(zhàn)時控制，總體上以5級、6級設計要求為主。2)結構的可靠度。相比一般鋼筋混凝土延性構件失效概率，人防地下室的該指標是其的100倍左右，約6.1%。3)材料強度。材料強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，強度設計值分別提高約1.2～1.3倍、1.2～1.5倍。4)結構動力分析。地下室人防結構設計使用年限內可能無人防荷載，此設定的主要原因在于此類荷載屬偶然荷載，并非必然發(fā)生，因此在分析結構動力時主要采用等效靜荷載法進行，再做靜力計算，評價結構內力。5)強度計算。結構變形極限用允許延性比控制，因此非必要時僅進行強度計算即可，地基承載力及變形裂縫不在強度計算考慮范疇內。6)構造要求嚴格。設計時除了考慮受力特性外，還需兼顧構造措施的設計，合理設計最小配筋率、地下室構件最小厚度等關鍵指標，使構造形式合理、穩(wěn)定可靠[4]。7)按彈塑性工作狀態(tài)設計。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生的動荷載，作用時間約為1s，按一次作用考慮。因此，結構內力的計算宜按照彈塑性工作狀態(tài)進行，此思路下的設計方案可提升人防地下室結構的承受性能，確保在一定強度的爆炸動荷載作用下仍保持正常。2.2.3荷載組合和內力分析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；二是動荷載，有戰(zhàn)時常規(guī)武器爆炸動荷載和核武器爆炸動荷載。地下室結構不同部位的荷載組合各異，以頂板、底板、外墻三處為例進行分析，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)人防地下室內力分析。按靜力計算方法分析人防地下室結構內力，設計結構承載力時采用如下公式：(2)式中：γ0—結構重要性系數，取1.0；γG—永久荷載分項系數；SGk—永久荷載效應標準值；γQ—等效靜載分項系數；SQk—等效靜載效應標準值；R—結構承載力設計值；fcd—混凝土動力強度設計值；fyd—鋼筋動力強度設計值；αkk—幾何參數標準值。關于永久荷載分項系數的取值，分效應對結構不利、有利兩種工況，分別取1.2、1.0。對于公式(2)的取值，做如下說明：結構重要性系數γ0取1的原因在于結構的重要性基本已體現在抗力級別上；等效荷載的分項系數取1，原因在于等效靜荷載是設計中的規(guī)定值，動荷載屬偶然荷載，按照規(guī)定，偶然作用的代表性不乘以分項系數，即便是偶然荷載，也是結構設計中不可忽視的一類荷載，分項系數不宜小于1，同時地下室的可靠度要求降低，因此采用的分項系數取值不宜超過1，兼顧多項要求，按折中的思路取值，最終認為等效靜荷載的分項系數取1較為合適[5]。3孔口防護設計和平戰(zhàn)兼顧人防地下室孔口防護設計的重點在于：1)防護密閉門與消波系統(tǒng)的設計；2)出入口通道內臨空墻、門框墻的設計；3)風井、開敞式通道、防倒塌棚架、相鄰單元間隔墻等孔口其它構件的設計。 門框墻的計算按懸臂梁進行，但必須合理控制寬度，因為戰(zhàn)時使用時門寬應較窄，而日常使用時應有較寬的出入通道，以保證空間的有效利用，由于兩項因素的影響，門框墻的懸臂長度較大，建設門框墻時配置的水平筋的尺寸較大，可通過增設柱、梁的方式調節(jié)門框墻的受力型式，以降低成本，但不可由于增設柱、梁而影響功能的正常使用。對于隔墻，可按一般墻體的計算模式進行設計，明確隔墻的內力和鋼筋配置方式。風井的設計不考慮空氣沖擊波，僅考慮壓縮波的壓力。開敞式通道僅考慮靜土側壓力。防倒塌棚架設計時的作用力有如下兩部分：一是橫向力，即動壓力設計，取值主要依據《規(guī)范》第4.8.10條進行；二是豎向力，即倒塌荷載50KN/m2，不考慮同時作用的情況，因為兩項受力作用存在時間差。出入口部位存在門和墻體，空氣波到達此部位后發(fā)生反射作用，作用在出入口通道處門上的總效應高于空氣波的壓力，差異明顯時約為空氣波壓力的2.0～3.5倍。由于技術的更新迭代和產品生產水平的提高，為設計人員的提供了更多便捷條件，例如挑選定型防護密閉門，滿足設計壓力要求，與門洞尺寸配套。濾毒通風設備承受壓力極限比空氣沖擊波低，根據此關系，需增設消波系統(tǒng)，避免因防護措施有限而難以與主體抗力相適應的問題。按照“以堵為主、堵消結合”的方式設計消波系統(tǒng)，“堵”的關鍵在于設置防爆波活門，盡可能用此設施阻擋沖擊波，避免過量沖擊波進入室內；“消”的關鍵在于利用擴散室的擴散膨脹作用削弱沖擊波，盡可能控制攔截后仍進入室內的沖擊波，將設備受到的壓力穩(wěn)定在許可范圍內，設計時還需考慮允許余壓值和抗力等級，建議聯(lián)合采用擴散室和防爆波活門，以行業(yè)規(guī)范為準，結合工程數據進行計算，確定各部分結構的尺寸。擴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散室與土相鄰頂底板及外墻的荷載[6]。4結語 高層建筑人防地下室的設計質量影響到建筑整體質量、居民人身財產安全多個方面，而高層建筑人防地下室具有隱蔽性，設計因素多，設計難度高，設計人員應升級理念，優(yōu)化設計方法。設計人員需要高度重視高層建筑人防地下室的設計，兼顧平面規(guī)劃、構造規(guī)劃等內容，計算、分析各項關鍵指標，嚴格管控各項細節(jié)，強化人防地下室結構，根據規(guī)范化、標準化的理念設計高層建筑人防地下室。經過本文的探究，梳理出高層建筑人防地下室的設計思路，強調了重點設計項目，希望所提內容可作為同仁的參考。