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(jié)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(jié)構強度要求，進行全面設計。基于此，下文總結(jié)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(zhì)量要求高，必須由高素質(zhì)的設計單位和監(jiān)理單位參與，考核的內(nèi)容包含地下建筑作業(yè)經(jīng)驗、連續(xù)混凝土施工技術水平等，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(zhì)量問題，因此整體設計難度較高[1]。1.2預埋結(jié)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(diào)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(diào)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(nèi)容。由于人防地下室屬于隱蔽工程，預埋結(jié)構的設置具有復雜性，一旦預埋結(jié)構的位置不合理或各類預埋結(jié)構之間缺乏足夠的安全間距，預埋結(jié)構均有可能受到影響，建成的地下室結(jié)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(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目，混凝土內(nèi)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(nèi)部和表面的溫差控制在許可范圍內(nèi)。同時，設計期間需考慮混凝土澆筑時可能出現(xiàn)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(jù)“平戰(zhàn)結(jié)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(jù)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(jié)構包含兩部分：一是主體結(jié)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(jié)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(jù)“平戰(zhàn)結(jié)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(jù)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(xiàn)，此時需要采取室內(nèi)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(shù)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(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密閉門設計為活門檻；在密閉通道內(nèi)設置濾毒室，防止進排風短路，維持良好的內(nèi)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(jié)構組成的基礎上，分結(jié)構類型探討設計特點。主體結(jié)構，重點設計底板、頂板、外墻等部位，追求結(jié)構的穩(wěn)定性和耐久性；孔口結(jié)構，重點考慮消波系統(tǒng)、防護設施等方面的設計，追求結(jié)構的防護功能。由于戰(zhàn)時武器爆炸產(chǎn)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(nèi)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(zhuǎn)換。高層建筑的地下室在戰(zhàn)時應充當人防地下室，根據(jù)該要求，應以“平戰(zhàn)轉(zhuǎn)換”的原則設計人防地下室結(jié)構，并權衡好結(jié)構穩(wěn)定性和建造成本可控性兩項要求。側(cè)墻和底板根據(jù)地下室結(jié)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(jié)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(jié)構動力分析。地下室人防結(jié)構設計使用年限內(nèi)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(jié)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(jié)構內(nèi)力。5)強度計算。結(jié)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(nèi)。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(chǎn)生的動荷載，作用時間約為1s，按一次作用考慮。因此，結(jié)構內(nèi)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(jié)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(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(jié)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(nèi)力分析。按靜力計算方法分析人防地下室結(jié)構內(nèi)力，設計結(jié)構承載力時采用如下公式：(2)式中：γ0—結(jié)構重要性系數(shù)，取1.0；γG—永久荷載分項系數(shù)；SGk—永久荷載效應標準值；γQ—等效靜載分項系數(shù)；SQk—等效靜載效應標準值；R—結(jié)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(shù)標準值。關于永久荷載分項系數(shù)的取值，分效應對結(jié)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(jié)構重要性系數(shù)γ0取1的原因在于結(jié)構的重要性基本已體現(xiàn)在抗力級別上；等效荷載的分項系數(shù)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(shù)，即便是偶然荷載，也是結(jié)構設計中不可忽視的一類荷載，分項系數(shù)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(shù)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(shù)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(nèi)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(diào)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(nèi)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(cè)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(jù)《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(chǎn)品生產(chǎn)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(jù)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(jié)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(nèi)；“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(nèi)的沖擊波，將設備受到的壓力穩(wěn)定在許可范圍內(nèi)，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(jié)合工程數(shù)據(jù)進行計算，確定各部分結(jié)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?shù)装寮巴鈮Φ暮奢d[6]。4結(jié)語高層建筑人防地下室的