地下室人防結構工程的設計要點分析

文／呂柯 廣東和諧人防工程設計有限公司 廣東惠州 516001

引言：

古語有云：居安思危，有備無患。生活在和平年代的我們，應該時刻保持清醒，深諳天下局勢分合不定的道理，就是身處和平環境也要做好戰爭準備深刻意識到地下室人防結構的戰備價值，在建筑工程建設中有效融入平戰結合思維,合理構建地下室人防結構工程，這就需要我們在開展地下室人防結構工程設計時重點考慮地下室人防區域在和平年代的應用狀態，以便確保地下室人防結構工程不論是在戰時情況下，還是在和平年代都具備存在價值，從而充分發揮地下室人防結構工程的社會與經濟效益以及戰備效益，所以相關設計人員應詳細分析和掌握人防地下室結構設計特點與設計要點，以便在提升自身專業水平的同時，確保地下室人防結構工程設計的科學合理性。

1、人防地下室結構設計特點

人防地下室是整體建筑的一部分，一方面需要滿足平時的使用要求，另一方面又能有效的滿足戰時需求。有利于戰備運營工作的開展，在設計上要滿足日常與戰時情況下的荷載差異狀況，依據建筑情況自身狀況來合理設計，從而有效的滿足實際多方面的承載需求。本文在論述人防地下室結構設計特點的過程中選擇的案例為框架剪力墻結構。與大多數民用建筑相比較，人防工程在設計過程中還應當考慮到建筑物在抵抗戰爭時出現的爆炸引起沖擊波的防御能力，使其能夠具備比常規建筑物更強的保護力。在近期烏克蘭與俄羅斯的戰爭就因缺乏相應的人防地下室導致出現大量平民傷亡。在近代史上，我國抗戰經驗中，底層人民就擅長挖掘地道，利用地下甬道，在每次戰前預警時提前把民眾和必要的物質送往地下室，最大程度的保證了普通民眾的安全，這是近代史上，我國最初步的人防地下室。隨著社會的發展及科技的進步，我們應在和平年代預備更好的人民防空地下室，為未知做好充足的準備。除了抵御炸彈帶來的沖擊波產生的巨大破壞作用之外，人防工程還應當考慮在現代戰爭中可能出現的化學生物以及核武器所帶來的其他影響。同時人防工程應當滿足平時居住在其中人們的生活需求。所以在具體的設計中應提高各類地下室結構的防御潛能。比如大多數人防結構設計人員采用鋼筋混凝土結構彈塑性狀態來開展設計，同時還需結合建筑物各使用功能來完善人防地下室結構的設計。

2、人防地下室結構設計案例

2.1 工程簡述

本案例選擇的工程為某城市高層住宅地下室車庫，該建筑由民用高層住宅及附建式人防地下室組成，結構形式為框架剪力墻結構，兩層地下車庫，地下負二層局部為人防區。頂板覆土厚度為1.5m，負一層高度為3.9m，負二層高度為3.7m。項目總體建筑面積為637218m，地下室負二層建筑面積為68608m，主管部門設計要點核定人防建筑面積為17485m，戰時設五個核六級、常六級二等人員掩蔽所、一個人防汽車庫、一個人防物資庫和一個人防固定電站，防護類別為甲類；非戰爭狀態下該人防地下室的主要功能為地下車庫。該項目在市建筑協會舉辦的人防工程優秀設計評審中獲得一等獎。

2.2 建筑物防護和抗力等級

地下二層作為人防地下室，平時主要功能為車庫，戰爭狀態下為核六級二等掩體。該掩體的核武器等級設定為六級，能夠防御的常規武器等級為六級，該人防工程結構為框架結構，抗震等級為三級。

2.3 平時荷載設計

人防工程底板的等效靜載荷取值應依據施工現場的具體地質情況進行確定。擬建場地范圍內未發現影響建筑物穩定性的活動性斷裂，也未發現崩塌、滑坡、泥石流等不良地質作用及地質災害，場地的穩定性良好。據《建筑抗震設計規范》（GB50011-2010），和省市有關規定，擬建工程抗震設防烈度為6 度，地震設計分組為第一組，設計基本地震加速度為0.05g，抗震設防類別屬不低于標準設防類（丙類），設計部門應按相關規定進行抗震設防。地下室底板高程為5.30m，地面整平標高約13.3 ～14.7m，基坑開挖深度約為7.00 ～8.40m。地下室抗浮設防水位按室外地坪標高（1985 國家高程基準14.10m）設防。

2.4 人防荷載以及地下室結構設計

人防地下工程的結構通常由底板，頂板以及側面墻體組成。在進行地下室入口設計時通常會增加相應的消波系統作為防護體系的組成部分。防護體系要使得防護區具備良好的密封性能，同時還需要計算風井，通道以及臨空墻體和門框等相關參數。該人防地下工程的主要設計目標是防止在戰時可能出現的空氣沖擊波對建筑物所造成的破壞。如果在戰爭環境中出現了核武器所帶來的沖擊波影響，在其傳播過程中可能會生成反射沖擊波，該沖擊波在傳播的過程中會提升受沖擊區域的壓力，導致反射沖擊波的傳播速度高于入射波，當二者出現持平狀態時就會產生合成波，該波的震動通常與地面呈現垂直狀態，抗力等級較低的人防工程主要受到的沖擊波類型為合成波。需針對人防地下室的抗力等級進行結構計算。

人防工程頂板主要承受來自地表產生沖擊波的壓力和負壓的綜合作用，而底板和側墻則承受因為沖擊波土體變化所帶來的外部荷載作用。除此之外，當土體上層的沖擊波以垂直方向傳遞壓力時，如果遇到了底板或者側墻壁帶來的阻礙就會出現動壓或超壓現象，所以在進行人防工程側壁和底盤結構設計時應當考慮不同沖擊波所帶來的壓力組合對建筑物結構產生的影響，根據分類通常有以下幾點：

（1）考慮到該人防工程處于地下室負二層，當戰爭狀態下，由地面爆炸產生的沖擊波穿過地面上部建筑傳遞給人防工程頂板，在該沖擊波進行傳播的過程中，主體建筑會抵消一部分沖擊波所產生的作用，即考慮上部建筑的有利影響。此時地下負二層的人防工程頂板的等效靜荷載為55KN/m。該項目柱跨為7.8mX8.1m，層高較低，采用無梁樓蓋能夠較好的控制層高，從而減少開挖成本及方便設備管線布置。缺點是無梁樓蓋延性較差造價較高。

（2）本工程主體結構形式為框架剪力墻結構，在沖擊波傳遞的過程中上部建筑會吸收一部分空氣波所產生的壓力，依據施工現場的具體地質情況，人防地下室外墻等效靜荷載為50KN/m，外墻截面及配筋由裂縫控制，外墻最終配筋取平時荷載組合與戰時荷載組合中的大值。

（3）本人防工程底板為筏板基礎，考慮到該地下室抗浮水位較高，底板的等效靜荷載為50KN/m，地下室底板截面及配筋均由裂縫控制，底板最終配筋取平時荷載組合與戰時荷載組合中的大值。

（4）地下人防工程的出入口、人防樓梯及各門框墻等部位的等效靜荷載取值存在明顯的差異，例如：與普通地下室相鄰的臨空墻等效靜荷載為110KN/m，風井豎井以及人防樓梯臨空墻等效靜荷載為130KN/m，車道處的臨空墻等效靜荷載為160KN/m。防護密閉門門框墻在相鄰普通地下室處等效靜荷載為170KN/m，樓梯豎井處等效靜荷載為200KN/m，車道處等效靜荷載為240KN/m。人防地下室結構設計既要考慮人防工程對于建筑物的影響，也要對結構構件的最小防護厚度進行考量。例如在針對室外出入口臨空墻體進行設計時，考慮到戰爭狀態下墻體需具備一定的防輻射能力，外墻壁厚度應當大于設計外墻壁厚度，在滿足各種狀態下受力設計要求的同時使外墻應具備一定的防輻射能力。該項目核六級的人防防護單元之間的隔墻墻厚采用200mm，人防臨空墻、密閉門門框墻按照最小的墻厚250mm，防護密閉門門框墻采用300mm。

3、人防設計中需要考慮的問題

（1）建筑結構設計首先要考慮的因素就是如何保證建筑物能夠同時滿足平時使用功能以及戰時使用功能要求。高層地下室塔樓區域墻體密集，空間零散，可將人防口部結合墻體布置，既能滿足人防出入口的配置要求,又能節約地下室車庫的車位面積，提高車位配比指標。人防樓梯盡量布置在地下室轉角位置，這樣也能夠一定程度節省車位。

（2）人防工程出口地面處，為了有效滿足人防功能要求，在框架梁柱和填充墻之間降低連接數量，在戰爭狀態下可以提前摧毀填充墻，以此來保證通道和出口的輸送能力，或采用鋼筋混凝土墻替代填充墻以提升抵御人防載荷的能力。平時狀態下需要對填充墻增加相應的防倒塌措施，防倒塌措施應考慮對本建筑物及周邊建筑物影響。

（3）人防設計規范強條要求甲類人防地下室頂板面必須低于室外地坪，在具體的設計過程中，受到多種外部因素的影響，不少設計人員對該規范強條沒有足夠重視。若頂板面低于室外坪，在戰爭狀態下空氣波傳至該區域時，人防工程的上部結構會受到破壞，這種破壞力是不會摧毀低于地面高度下的人防外墻的。所以如果嚴格執行該規范結構設計中只需要考慮墻體的輻射等級即可，鋼筋混凝土本身的性能決定了其上部主體結構不會受到沖擊波所帶來的重要影響，但會對人防地下室高出地面部分產生較大的外力作用，可能會破壞人防工程的主體結構。本工程由于地勢條件限制，如果僅設置一層地下室就會導致人防地下室外露，所以才經過項目的方案調整增加一層全埋地下室同時滿足人防設計及平時車位要求。

（4）在進行人防工程設計時除了滿足人防工程的功能要求外，還要考慮到人防工程的抗震性能，應當嚴格依照人防規范來保證人防工程的結構具備較好的延性和塑性。

（5）在進行人防工程設計時，墻體設計非常關鍵，需要將人防工程的墻體作為結構設計當中的重要核心內容進行考量和處理，以滿足人防設計特殊功能要求，同時避免因為特殊設計與主體結構設計所產生的沖突。墻體設計按規范要求的最小配筋率（混凝土等級控制C40 以下，按照0.25%的配筋率即可）進行控制設計，計算參數應當結合平時地下室各類設計規范中的墻體需求，考慮地下水以及土體對墻體產生的載荷作用，調整計算增加配筋率，以滿足人防工程各功能要求，保證人防地下室墻體的整體穩定性，同時有效的控制成本。

4、人防工程設計優化措施

（1）在進行人防結構設計時應當對建筑圖紙進行充分的了解，避免對建筑圖紙閱讀不足所帶來的錯誤計算，同時應當對人防工程口部對應的防爆抗爆單元的技術參數進行必要的校對，保證墻體安全性和經濟性。要將人防工程的外墻與普通建筑的外墻進行有效的區分。為了能夠有效的獲得準確人防荷載數值需要對人防結構件進行正確的定義，同時依照相關規范查表進行比對，保證獲得準確的載荷數值計算，保證各個不同構件符合其受力要求，滿足人防工程的各個構件具備基本的防輻射功能，同時在受到爆炸沖擊波所帶來的影響時具備相應的延性。

（2）大多數情況下，人防工程設計應考慮地下水作用進行抗浮設計，針對人防工程的局部和整體分別進行抗浮設計計算，結合工程項目的具體特點進行綜合性的考量，抗浮措施諸如延伸基板法以及增加自重法，甚至抗拔樁下拉法都能夠有效的為抗浮演算的精確性提供有效的輔助作用。事實上，當該工程地下結構物的重量低于地下水浮力之時，該工程的地下結構則會出現上浮的狀況，繼而導致建筑結構出現安全隱患。設計人員在進行人防地下工程抗浮設計需要進行整體抗浮以及局部抗浮的驗算，并加強對于工程特點、地質情況、場地環境等因素的考慮，確保抗浮方案的有效性以及實用性。

（3）還需做好主體結構中柱網的設計，避免柱網分布不合理影響結構安全與功能，具體設計措施有：1）在出入口位置，柱網要盡量避免占用停車位，將其選擇在車庫的邊角位置。盡量使用統一種類的柱網，使其尺寸保持一致。2）在柱網比例關系設計中，要滿足停車、行車的技術要求，并在保證結構合理性基礎上，提高結構經濟性。人防地下室柱網與上部建筑結構柱網保持統一。

（4）地下室的板結構形式常見的有大板結構（包括加腋大板）、次梁梁板及無梁樓蓋（地下室頂板不建議用無梁樓蓋）等等。人防地下室在負二層及以下時，人防頂板等效靜荷載考慮上部建筑影響，核六級只需要考慮55KN/m，核五級考慮100KN/m即可。梁板截面尺寸有以下幾種情況：1）規則柱網且柱網較小（5m＊5.5m左右）建議采用大板板厚200mm，通長鋼筋配筋率在混凝土等級不大于C35 時按照0.25%，梁截面可以采用400mm＊500mm,這樣就可以很好的控制層高減少開挖成本及設備管線也方便布置。也可以采用無梁樓蓋，層高好控制，觀感也好，但其延性較差，最小配筋率（0.30%）也相對較高。2）規則柱網且柱網較大（7.8m＊8.1m 左右）建議可以采用大板板厚250mm,梁截面可以采用400mm＊800mm。3）不規則柱網建議根據實際選擇有次梁的樓蓋，主要是板面規則的布置對荷載的傳遞比較有利。

（5）地下室只有一層的情況下，人防頂板作為地下室的頂板，這種情況比較復雜。塔樓范圍的頂板等效靜荷載不能按照考慮上部建筑的影響，核六級考慮60KN/m，核五級考慮120KN/m即可。純地下室的頂板等效荷載需要根據柱跨及覆土厚度來取值。梁板截面尺寸有以下幾種情況：1）規則柱網且柱網較小（5m＊5.5m左右）建議采用大板板厚250mm，混凝土等級不大于C35 時，最小配筋率按照0.25%，梁截面可以采用400mm＊700mm,這樣也可以很好的控制層高減少開挖成本及設備管線也方便布置。根據廣東省住房和城鄉建設廳發文建議地下室頂板不能做無梁樓蓋。2）規則柱網且柱網較大（7.8m＊8.1m 左右）建議采用大板結構，板厚300mm,梁截面可以采用500mm＊900mm。3）對于頂板的不規則柱網且跨度較大的建議采用井字梁的樓蓋，主要是板面規則的布置對荷載的傳遞比較有利。

結語：

以上文章從地下室人防結構具體用途角度出發，合理分析了地下室人防結構工程設計特點與設計要點，通過實際工程案例，探討了人防設計工作中的關鍵問題，希望能為設計人員提供一些參考。不論是從戰備層面上說，還是在常規情況下，地下室人防結構都是整體建筑工程的重要構成部分，保證地下室人防結構工程質量是至關重要的，鑒于地下室人防結構工程設計對工程質量的影響極為深遠，因此我們仍需要針對地下室人防結構設計展開深入研究，以便提高地下室人防結構設計水平。