高层建筑的人防工程结构设计策略探究_赵亮.pdf

140高层建筑的人防工程结构设计策略探究赵 亮赤峰市人民防空办公室 内蒙古 赤峰 024000 摘 要：随着我国经济的快速发展，城市化进程不断加快，人民生活水平日益提高，人们对生活质量的要求也越来越高。在这个背景下，高层建筑数量不断增加，而人防工程是城市中不可或缺的组成部分，对于保障人民安全起到重要作用，设计人员在高层建筑的人防工程结构设计中要充分考虑设计要点，确保人防工程结构设计科学合理。本篇文章主要对高层建筑人防工程结构设计进行了介绍，分析高层建筑的人防工程结构设计的要求，对高层建筑的人防工程结构设计要点进行分析，探究高层建筑的人防工程结构设计优化策略，以供相关人员学习参考。关键词：高层建筑；人防工程；结构设计；策略DOI:10.19569/119313/tu.2023130471 高层建筑人防工程结构设计概述人防工程是国家强制要求防护的建筑，在设计阶段需要根据国家人防规范对结构进行抗震计算和抗爆计算，同时要满足人民防空工程设计规范的规定。在设计中要充分考虑到地震作用、爆炸冲击波和核生化武器等因素对建筑物的影响，合理地布置建筑物，使其能与地震波形成较好的隔震效果。由于人防工程结构体系不同于一般的民用建筑结构，因此在人防工程设计中需要特别注意一些问题：1、在高层建筑中，为了保证结构整体性，要使人防工程与其他民用建筑相协调，不能采用不利布置方式。2、为了降低地震作用效应、减小建筑物整体刚度和减少柱截面等，高层建筑要尽量采用钢筋混凝土柱和钢结构柱。3、高层建筑与地下车库相对独立，地下室顶板为非承重结构，并且不能作为人防工程使用时不应考虑其抗浮问题。4、由于人防工程通常需要很大空间。因此在进行结构设计时要考虑到平战转换问题以及在战时疏散人员和物资时所需的出入口及其它开口部分的处理等1。2 高层建筑的人防工程结构设计要点分析2.1 基础设计人防工程基础设计是高层建筑中重要的一个环节，因高层建筑的高度不同，基础的设计也各不相同。主要介绍高层建筑基础设计要点以及注意事项。第一，地基土选择及承载力计算 高层建筑在进行设计时，选择合理的地基土是关键，设计人员应该从土的强度、承载力、稳定性以及抗变形能力等几个方面进行综合考虑。一般情况下，高层建筑地基土层选择砂性土、淤泥质土等地基持力层较低，承载力较低的土层。除此之外，设计人员还要考虑到地下水位是否处于稳定状态以及地下水对基坑开挖及施工时建筑物沉降是否有影响。第二，地下室底板厚度。在进行基础设计时要注意到地下室底板的厚度要求，一般来说，满足人民防空地下室设计规范中对钢筋混凝土结构构件承载力计算要求。由于人防工程结构要求很高，所以基础设计应保证强度和刚度，在进行基础设计时，应该根据建筑的荷载进行计算，同时需要考虑地基土的类别，根据不同类别进行计算。在进行基础设计时，应该从整体出发，同时要保证裂缝宽度和位移的要求，最终实现建筑物的稳定性和安全性2。第三，对重要或有特殊要求的建筑结构应该提高其承载力，这也是设计者必须考虑到的。对建筑结构中存在以下情况的部位需要进行加固：在地面上建造地下停车场、人防地下室或大型建筑物的地下室；当地基土为软土时，建筑物顶部较低处或地下水位较高处；当建筑物地下室顶部或地面以下有特殊荷载时。第四，在高层建筑结构中存在地震作用时应该增强抗力。由于建筑结构所需荷载超过其自身自重后将产生巨大挠曲变形和整体倾覆现象，因此在进行设计时应提高地基承载力并对高层建筑结构进行稳定分析。此外，还应重视地震作用对建筑物上部结构和基础设计带来的不利影响3。2.2 建筑构造设计人防工程是一项战时防护与平时防灾减灾的重要工程，是确保人民生命安全的重要屏障，在高层建筑中建造人防工程的过程中，需要重点考虑其结构设计要点。具体有以下几点：1、选择适合的防护单元，根据防护要求，合理布置防护单元。2、保证疏散口设计安全可靠：在建筑物的地下部分与室外地面之间应设置隔墙。隔墙上应留有通风口和排烟口及设备检修孔，并与人防门相连。3、在高层建筑结构设计中需要对人防防护要求进行分析，按照相关要求以及规范标准等规定进行设计。4、利用技术措施实现人防工程的防护功能：可以通过技术措施来实现人防工程结构设计中需要达到的防空要求。5、对主要构件进行强度验算。主要构件包括地下主体结构部分和临战转换部分，当主体结构受到破坏时，则必须对其进行强度验算来确保其是否满足实际需要。同时要注意抗爆与抗裂措施的设置，如果该构件本身就是一个重要组成部分的话，则必须根据设计要求和相关规范进行验算来确保抗爆与抗裂措施能够顺利完成4。2.3 建筑顶板结构设计人防工程与其它的建筑结构设计相比，具有特殊性，它所处的位置在高层建筑中是最低处，而人防工程所处的位建筑结构141置是在地下二层，结构形式主要以钢筋混凝土为主。1、钢筋混凝土顶板，钢筋混凝土顶板的结构设计可根据设计需要进行建筑顶板设计时，应按照相关规范要求进行设计；2、顶板构造柱，人防工程平战转换时应尽量利用临空墙、顶板下的防护单元洞口作为战时防护单元，这一规定就说明了在顶板构造柱的设置方面有很大的灵活性。3、楼板厚度，楼板是建筑物重要组成部分，建筑顶板结构设计时也应从建筑整体出发，严格按照相关规范要求进行。在满足功能使用条件下要使建筑物整体刚度大一些，减少在地震作用下其开裂等问题，尽量使顶板标高一致且减少由于不均匀沉降对结构造成的影响等。3 高层建筑的人防工程结构设计优化策略3.1 优化抗震结构设计我国在对高层建筑进行人防设计的过程中，为了能够确保其达到一定的抗震性能，一般采用抗震结构设计。在进行设计的时候，要明确其结构体系，对其中的各个环节进行合理科学的设计。首先需要对高层建筑自身所具备的特点进行明确，再根据其特点合理科学地制定出相应的抗震结构设计方案。在进行方案实施的时候，要充分考虑到高层建筑自身所具有的抗震性能，结合实际情况制订出科学合理的抗震结构设计方案。只有这样才能够有效确保高层建筑本身所具备的抗震性能达到一定程度上行人防护需求。在设计当中，考虑到抗震能力会对建筑产生较大的影响，因此在高层建筑的人防工程结构设计过程中要采用优化抗震结构设计。确定科学合理的抗震设防烈度；确定建筑物的安全性；确保建筑物各部件或各部分具有良好的抗震性能；制定合理有效和符合实际情况的地震应急预案。其次，加强人防工程基础设计阶段工作，保证地基承载力符合要求。当地基承载力满足不了基础设计要求时，需要进行地基处理，确保基底沉降和附加沉降符合标准。对于高层建筑来说，不能只考虑防震要求而忽略结构抗侧刚度和强度，因此在进行抗侧力结构选型时需要与结构的布置相结合。而在具体实施过程中，也需要通过合理安排和调整抗侧力构件之间，以及构件与相邻构件之间的距离，来实现高层建筑抗震性能的有效提高5。最后，在进行高层人防工程抗震设计时，要根据当地地震局发布的地震级别，来确定人防工程的等级。在进行高层建筑抗震结构设计时一定要注意以下几个问题：第一，高层建筑中人员密集区及重要部位应按规范要求设置防冲击波隔墙、临空墙，防护门等人防设施。当防护门窗被倒塌的建筑物砸穿时，应在其上方设置避难通道或人员掩蔽所，并可利用就近的其它防护设备及设施，如掩蔽部、排导井、管道井等来保证人员的安全。根据有关规定，当建筑物埋深大于6m时必须在上部建筑结构与下部基础之间设置隔震装置以降低地震反应。高层建筑在地震作用下会产生倾斜、扭转、破坏甚至倒塌现象，因此应通过调整建筑物各构件之间相对位置来减轻或避免这些不利因素，当采用增大结构构件截面面积法或设置隔震装置时，应注意地震作用下各层水平位移的影响。对具有多个相同部分和构件时，要特别注意其相对位置关系，在地震作用下各部分之间相互影响很大，在布置时要考虑这种因素。为防止人防工程结构破坏或变形过大引起人员伤亡和财产损失，在进行抗震设计时必须保证人防工程质量达到规范要求。3.2 优化人防区位与结构设计的关系第一，在进行人防工程结构设计时，应注意合理地对抗爆单元进行选择。对于防化等级为一级、二级或三级的建筑，应合理地将其抗爆单元的位置选择在底层或顶层，但尽量不将其选在底层或顶层；对于防化等级为三级和四级的建筑，可将其抗爆单元位置选择在底层或顶层。另外，在进行抗爆单元间连接时，应尽量选择刚性连接；当两者之间存在连接缝时，则应将其错开，并尽可能设置成斜向布置。通过对人防工程结构进行设计，可有效提高高层建筑的抗震性能。第二，确定防护单元与周边环境之间关系，人防工程中防护单元和周边环境之间应保持良好的协调性与连通性。相关人员应注意两个问题：首先，在对防护单元和周边环境进行设计时，应确保防护单元和周边环境之间有良好的连通性；其次，通过对不同建筑条件下抗震性能进行分析，可明确不同建筑对高层建筑抗震性能产生的影响。地下建筑是为了避免受到地面建筑物的影响，而在地下空间进行的建筑，可以被分为两个方面，一个是防护密闭的人防工程，另一个是为平时服务的民用建筑。防护密闭人防工程主要是指将受到地面建筑物影响较小的人防空间利用起来。但是对人防工程进行防护密闭时，有一个非常重要的条件就是人防区位。在进行区位时要确保远离污染源、具有一定密度并且距离周围建筑物比较远；而且要远离人口密集地区、交通繁忙路线或者大型物流仓库等。而民用建筑在进行区位设计时，其人防区位主要是指对内部空间利用较小或者不占用外部空间、建筑物结构受力比较小或者不受外部环境影响的地段，这样可以更好的使地下建筑空间得到有效利用。在进行区位设计时要保证抗爆等级和防护级别较高，如果是民用建筑则可以根据规范要求进行人防分区划分，在进行人防区位设计时要尽量减少对上部建筑结构的影响，为整个建筑工程提供更好的防护环境。所以在进行高层建筑防空工程区位设计时要保证其和结构设计能够达到最优状态6。3.3 优化消防设计在高层建筑的人防工程中，消防设计的好坏直接影响了整个工程的安全性和可靠性，由于建筑中设置了大量的防火分区，导致火灾发生时，很难在短时间内进行扑救。为建筑结构142了避免火灾对人民群众生命财产造成严重危害，需要对消防设计进行优化。第一，明确建筑防火分区设置要求，在对高层建筑进行人防工程设计时，需要根据其具体结构特点和防火分区面积的大小来确定合理的建筑高度，保证每个防火分区中有足够的安全空间。第二，明确消防水池、消火栓系统、排烟系统等各种系统的功能，明确人防工程结构设计中应注意的问题，关于加强主体结构耐火极限，高层建筑中应设置固定灭火系统，包括气体灭火系统和干粉灭火系统，和固定防烟、排烟系统，这些消防设施与主体结构一起构成了完整的火灾防治体系。第三，考虑到实际情况，对每个防火分区进行划分后确定每个区域应设置可开启式避难层。通过疏散通道和应急照明使人员安全撤离到避难层，当需要疏散人员时，可利用避难层设备进行人员疏散，若采用机械排烟或自动喷淋灭火时可以直接通过防护门进行疏散，该设计也可以保证结构构件在发生火灾时不会倒塌或烧坏。3.4 优化抗风结构高层建筑抗风方案：框架式和箱式；框架-剪力墙结构和箱式剪力墙结构；剪力墙和框架-抗震墙结构。风载下整体扭转位移比限制在0.50.8之间，高层建筑侧向位移限制在0.40.6之间，考虑了竖向风振系数对侧向位移影响。人防工程规范中要求：“1层以上（含1层）的人防工程宜按6度设防”，因此对于高层建筑在风荷载作用下产生变形而导致上层楼层间位移比过大时，可考虑分层设计，高层建筑中，可采用附加上下层间地震力或增加水平风荷载。抗风计算时可根据上部楼层最大位移和下部楼层平均水平刚度比值进行控制。对于高层民用建筑，尤其是超长结构的塔式结构或大型柱网，超过2层的裙楼或塔楼等构件，应根据风荷载情况合理进行配筋，抗风计算时应考虑由于风引起的层间位移角。此外，抗风方案要充分考虑高层民用建筑可能产生风振的方向以及受力特点和影响范围等因素，以合理确定风振系数和采用抗风措施。风荷载计算 为保证设计的合理性，在计算时要根据各建筑的特点，确定好具体的计算方法，并按具体的条件来进行风荷载计算。对于高层建筑来说，主要是从以下几个方面来进行抗风计算：1、根据建筑使用功能确定风荷载：在满足规定的基础上，风荷载越小越好。2、根据建筑高度及跨度确定风荷载：高层建筑的高度较大时，要考虑到多向风荷载对结构设计的影响。3、根据施工技术要求确定风荷载：当建筑物高度很高时，结构在抗风时会受到很大的应力而产生较大变形，所以要在结构上做适当的加强或构造措施。4、考虑地震作用：在高层建筑中应考虑到地震作用对其带来的影响，特别是高烈度区高层建筑物受到地震作用时会引起较大变形而造成破坏。5、风振动力时程分析法：风荷载通过结构构件传给基础，通过基础传给上部结构；在高层建筑中应采用动力时程分析法来进行验算。4 结语综上所述，高层建筑的人防工程结构设计对整个人防工程施工的顺利开展和促进防空防灾工作水平有着直接影响，在实际工作中应该采取有效措施对其进行优化和完善。在进行高层建筑设计时要考虑到人防要求和经济因素，一方面要满足住宅间距需求、使用面积要求等条件；另一方面还要考虑到人员防护功能要求和经济性，尽量做到人防、经济相结合。由于高层建筑结构受力复杂且有很大差异性，所以在进行结构设计时要考虑到经济因素以及使用功能需求等方面进行综合分析从而选择合适的设计形式。参考文献：1 柴宇.高层建筑下人防工程结构设计思考J.住宅与房地产,2022,29:56-59.2 樊洁.高层建筑人防工程结构设计要点分析J.四川水泥,2022,4:75-77.3 吴荣先.高层建筑的人防工程结构设计策略探究J.中国建筑装饰装修,2022,6:106-108.4 徐飞元.高层建筑的人防工程结构设计研究J.智能城市,2021,7(12):53-54.5 高飞.基于高层建筑的人防工程结构设计研究J.居舍,2019,33:93.6 汪蕾.高层建筑的人防工程结构设计方法J.建材与装饰,2019,26:106-107.作者简介：赵亮，本科，赤峰市人民防空办公室，工程师，研究方向：人防工程。建筑结构