高層建筑的人防工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)策略探究

吳榮先 南京興華建筑設(shè)計(jì)研究院股份有限公司工程師

為了避免自然災(zāi)害對(duì)高層建筑的居民造成影響，建筑設(shè)計(jì)人員應(yīng)結(jié)合高層建筑的具體情況做好人民防空工程的建設(shè)工作。人民防空工程的建設(shè)目的主要是保證居民的生存安全，避免突發(fā)災(zāi)害到來(lái)時(shí)造成集中性的人身傷亡。人防工程中不僅要重視工程建設(shè)質(zhì)量，還需為居民準(zhǔn)備醫(yī)療救護(hù)裝備以及物資供給。

1 高層建筑人防工程概述

目前，高層建筑的人防工程主要分為附建式、單建式、地道式以及坑道式等，人防工程的種類需要依據(jù)建筑物的地形進(jìn)行選擇。其中，地道式工程（見(jiàn)圖1）主要集中在平地地區(qū)，該類工程通常屬于暗挖工程；坑道式的工程主要集中在山地和丘陵地區(qū)，大部分是施工地面高于最低出口的暗挖工程，與地道式工程的實(shí)施原則正好相反；附建式工程是人們常說(shuō)的防空地下室，主要用于阻擋外來(lái)的攻擊，應(yīng)用較為廣泛，通常上部為堅(jiān)固的地面性建筑物，但是在修建前一定要根據(jù)國(guó)家的相關(guān)規(guī)定開(kāi)展建筑修建工作；單建式人防工程主要修建在地下土層中間，工程建設(shè)內(nèi)容復(fù)雜，并且需要較大的作業(yè)場(chǎng)地，可能會(huì)影響附近的地面建筑和地下管道[1]。

圖1 地道式工程

2 高層建筑人防工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中存在的問(wèn)題

2.1 抗震結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)問(wèn)題

目前，為了減少突發(fā)性事件對(duì)高層建筑居民生活的影響，我國(guó)開(kāi)始根據(jù)高層建筑的具體情況，制定人防工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的相關(guān)規(guī)定。但是在人防工程建設(shè)的過(guò)程中，因?yàn)橛?jì)劃方案過(guò)于復(fù)雜，人口眾多，導(dǎo)致在設(shè)計(jì)方案的過(guò)程中出現(xiàn)了一些問(wèn)題[2]。

人防工程主要是為了抵抗地震帶來(lái)的威脅，避免因?yàn)閼?zhàn)爭(zhēng)等不可抗力因素對(duì)居民造成傷害，由此可知人防工程需要抵抗強(qiáng)大的外力，因此應(yīng)該謹(jǐn)慎選擇建筑材料。我國(guó)地震頻發(fā)，不同地區(qū)的地震強(qiáng)度不同，由于高層建筑的數(shù)據(jù)測(cè)量較為頻繁，工程設(shè)計(jì)人員通常會(huì)根據(jù)個(gè)人的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)制定方案，從而會(huì)出現(xiàn)很多誤差，高層鋼結(jié)構(gòu)建筑設(shè)計(jì)圖如圖2所示。

2.2 抗風(fēng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)問(wèn)題

由于在較高的區(qū)域經(jīng)常會(huì)遇到強(qiáng)度較大的狂風(fēng)，因此高層建筑物很容易受到大風(fēng)的影響。工程設(shè)計(jì)人員在制定方案時(shí)，也需要從該角度出發(fā)進(jìn)行抗風(fēng)結(jié)構(gòu)方面的設(shè)計(jì)（見(jiàn)圖3），但是由于高層建筑自身存在的問(wèn)題，導(dǎo)致工程建設(shè)的進(jìn)行受到了阻礙。

圖3 消防設(shè)施

第一，抗風(fēng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)易受風(fēng)力影響。高層建筑的風(fēng)力強(qiáng)度也隨著天氣的變化不斷變化，如果風(fēng)力過(guò)大，人防工程的內(nèi)部結(jié)構(gòu)會(huì)與建筑物之間產(chǎn)生摩擦和震動(dòng)現(xiàn)象。抗風(fēng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)易受建筑風(fēng)力影響，嚴(yán)重時(shí)會(huì)威脅人身安全，出現(xiàn)墻體裂縫、建筑塌陷等現(xiàn)象。第二，一些工程設(shè)計(jì)人員對(duì)于高層建筑結(jié)構(gòu)特點(diǎn)不夠了解，導(dǎo)致制定的方案不夠合理[3]。不同的建筑結(jié)構(gòu)需要選擇不同的重力點(diǎn)，如果建筑重力點(diǎn)判斷錯(cuò)誤，很有可能造成重力方向與地面作用產(chǎn)生偏差。

2.3 消防結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)問(wèn)題

為了避免突發(fā)性的火災(zāi)給居民帶來(lái)困擾，每一棟居民樓都需要安裝消防設(shè)施（見(jiàn)圖4），建筑設(shè)計(jì)人員在制定結(jié)構(gòu)方案時(shí)，應(yīng)當(dāng)提前了解高層建筑物消防通道的所在位置，但是由于高層建筑物的內(nèi)部結(jié)構(gòu)過(guò)于復(fù)雜，在進(jìn)行工程建設(shè)時(shí)也產(chǎn)生了大量的問(wèn)題。

圖4 人防工程組成

第一，高層建筑內(nèi)部結(jié)構(gòu)過(guò)于復(fù)雜。因?yàn)楦邔咏ㄖ^普通建筑來(lái)說(shuō)，內(nèi)部的建筑結(jié)構(gòu)過(guò)于繁瑣，并且不同建筑物需要的建筑材料有所不同，設(shè)計(jì)方案的內(nèi)容也較為復(fù)雜。其中，高層建筑內(nèi)部包括消防設(shè)施、逃生樓梯、電梯設(shè)備、戰(zhàn)士出口等建筑結(jié)構(gòu)，并且人員居住場(chǎng)所較為緊湊。為了盡可能減少建筑面積浪費(fèi)情況，保證高層建筑居民的正常生活，建筑設(shè)計(jì)人員應(yīng)當(dāng)提前了解建筑內(nèi)部的相關(guān)信息，制定出切實(shí)可行的方案。第二，因?yàn)楦邔咏ㄖ陨砭哂酗L(fēng)力大、空氣流動(dòng)性強(qiáng)的特點(diǎn)，因此在高層建筑產(chǎn)生火災(zāi)時(shí)，短時(shí)間內(nèi)就會(huì)迅速蔓延，并且涉及面較廣，會(huì)對(duì)社會(huì)安全造成不良影響。第三，我國(guó)大部分地區(qū)都以高層建筑為主，并且所有高層建筑的內(nèi)部結(jié)構(gòu)大多數(shù)都是垂直的形態(tài)。一旦出現(xiàn)火災(zāi)，這種建筑形態(tài)不僅不利于開(kāi)展消防工作，還不利于疏散居民[4]。

3 高層建筑的人防工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)策略探究

高層建筑人防工程具有較大的特殊性，設(shè)計(jì)人員務(wù)必要保證工程結(jié)構(gòu)的經(jīng)濟(jì)實(shí)用效果，不僅要充分突出其應(yīng)有的預(yù)防價(jià)值，還要保證工程結(jié)構(gòu)的使用壽命與防護(hù)性能。在強(qiáng)化人防工程綜合效能的基礎(chǔ)之上，一一落實(shí)必要性的設(shè)計(jì)需求。一方面，設(shè)計(jì)人員應(yīng)當(dāng)從人防工程建筑的抗震結(jié)構(gòu)上、抗風(fēng)結(jié)構(gòu)上、消防結(jié)構(gòu)上進(jìn)行合理的優(yōu)化與完善，強(qiáng)化其內(nèi)部荷載能力。另一方面，設(shè)計(jì)人員要杜絕逃生通道成為逃生死角情況的發(fā)生，盡可能為人們與留出充足的疏散、逃離空間，人防工程組成如圖4 所示。

3.1 優(yōu)化抗震結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

人防工程建設(shè)是為了保障高層建筑居民的人身安全，其中工程的抗震性是否達(dá)到一定的水平，標(biāo)志著地震到來(lái)時(shí)人防工程是否能夠抵御外來(lái)的威脅。因此建筑設(shè)計(jì)人員在方案設(shè)計(jì)中應(yīng)當(dāng)注重提升工程抗震結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的質(zhì)量，減少突發(fā)自然災(zāi)害對(duì)居民的影響。

首先，嚴(yán)格按照實(shí)際情況選擇建筑材料。為保證內(nèi)部建筑材料的質(zhì)量，工作人員應(yīng)當(dāng)做好調(diào)查工作，提前了解建筑內(nèi)部的具體情況，根據(jù)不同場(chǎng)所進(jìn)行合理安裝，根據(jù)高層建筑的具體情況設(shè)計(jì)承載力的分布體系。為了使工程建設(shè)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)更加穩(wěn)定，不斷提高人防工程的穩(wěn)定性，設(shè)計(jì)人員應(yīng)當(dāng)根據(jù)高層建筑垂直形態(tài)的特點(diǎn)選擇建筑構(gòu)件。

其次，制定合理的設(shè)計(jì)方案。如果地震的強(qiáng)度過(guò)大很有可能產(chǎn)生地基沉降現(xiàn)象，進(jìn)而會(huì)破壞人防工程的內(nèi)部結(jié)構(gòu)。因此，建筑設(shè)計(jì)人員在確定設(shè)計(jì)方案時(shí)，應(yīng)充分考慮地基的建設(shè)情況，并根據(jù)高層建筑的內(nèi)部結(jié)構(gòu)調(diào)整方案[5]。

最后，保證上部結(jié)構(gòu)與樁箱的高度持平。建筑設(shè)計(jì)人員應(yīng)當(dāng)詳細(xì)了解樁箱安裝的深度，及時(shí)根據(jù)樁箱上部的物體結(jié)構(gòu)進(jìn)行調(diào)整，盡量保證上部結(jié)構(gòu)與樁箱的高度持平[6]。這種結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)能夠增加建筑之間的承重力，從而間接提高人防工程的抗震能力。

3.2 優(yōu)化抗風(fēng)結(jié)構(gòu)

首先，提高工程建筑結(jié)構(gòu)的穩(wěn)固性。為了保證工程建設(shè)不出現(xiàn)問(wèn)題，工作人員應(yīng)當(dāng)選擇級(jí)配比較高的砂石，并提前利用砂石進(jìn)行回填，根據(jù)緊密程度進(jìn)行選擇，盡可能保證建筑內(nèi)部不出現(xiàn)傾覆的可能[7]。其次，合理選擇非承重構(gòu)件。非承重構(gòu)件的合理選擇不僅能夠提高人防工程的建筑質(zhì)量，還可以減少風(fēng)力對(duì)建筑物造成的損傷。在工程建設(shè)過(guò)程中，為保證工程建設(shè)順利進(jìn)行，設(shè)計(jì)人員應(yīng)當(dāng)合理選擇非承重構(gòu)件。在人防工程中，耗能減震系統(tǒng)起到了重要作用，該系統(tǒng)主要由剪刀墻、樓板、耗能支撐等建筑構(gòu)件組成。為了保證減震系統(tǒng)能夠充分發(fā)揮作用，設(shè)計(jì)人員應(yīng)當(dāng)合理設(shè)計(jì)減震系統(tǒng)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，不斷增強(qiáng)耗能減震的效果[8]。最后，減少因天氣情況對(duì)高層建筑造成的影響。風(fēng)力過(guò)大可能會(huì)導(dǎo)致建筑出現(xiàn)裂縫，嚴(yán)重時(shí)會(huì)威脅居民的人身安全。因此工作人員應(yīng)當(dāng)根據(jù)當(dāng)?shù)氐木唧w情況，在高層建筑的基礎(chǔ)上，針對(duì)風(fēng)力較大的區(qū)域?qū)ㄖM(jìn)行加固，在保證工程建筑穩(wěn)固性的基礎(chǔ)上加強(qiáng)建筑內(nèi)部的荷載內(nèi)力[9]。

3.3 優(yōu)化消防結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

首先，合理設(shè)計(jì)防火間距。為了減少人員傷亡，在制定人防工程計(jì)劃時(shí)，應(yīng)當(dāng)充分考慮居民的人身安全，及時(shí)根據(jù)建筑物的內(nèi)部情況進(jìn)行調(diào)整，合理設(shè)計(jì)防火間距。因?yàn)闇y(cè)量防火間距存在一定的危險(xiǎn)性，因此工作人員應(yīng)當(dāng)合理選擇測(cè)量方式，在保證工作人員人身安全的基礎(chǔ)上開(kāi)展相關(guān)工作，詳細(xì)計(jì)算每棟建筑物之間的距離以及每棟建筑物中可燃物件邊緣之間的距離[10]。

其次，要優(yōu)化內(nèi)部分割結(jié)構(gòu)。為避免火勢(shì)蔓延，工作人員應(yīng)當(dāng)重視內(nèi)部分割結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，這樣不僅能夠?yàn)榫用駹?zhēng)取更多的逃生時(shí)間，還可以避免煙霧快速擴(kuò)散。

最后，合理設(shè)置疏散通道。大部分高層建筑的疏散路線為垂直型，并且在發(fā)生火災(zāi)時(shí)所有電梯都會(huì)停用，整個(gè)建筑物斷電會(huì)導(dǎo)致逃生路口成為死角。因此，設(shè)計(jì)人員應(yīng)當(dāng)將疏散通道設(shè)置在樓梯間，這樣不僅能夠減少火勢(shì)蔓延，還可以讓居民有序撤離，減少人員傷亡，疏散通道如圖5 所示。

圖5 疏散通道

4 結(jié)語(yǔ)

近年來(lái)，自然災(zāi)害逐漸增多，國(guó)家更加重視建設(shè)高層建筑人防工程。為保證工程的質(zhì)量，設(shè)計(jì)人員應(yīng)當(dāng)根據(jù)當(dāng)?shù)亟ㄖ锏木唧w情況開(kāi)展相關(guān)工作，在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中不僅要考慮高層建筑存在的問(wèn)題，還需要控制施工的成本。