人防結構設計關鍵技術

李建宇

（山西省人防建筑設計研究院，山西太原 030013）

0 引言

在建筑行業的發展過程中，人防工程一直是人們重點關注的工程項目，而人防結構設計會對人防工程戰時功能的實現造成直接的影響，一旦人防結構設計出現問題，就會導致人防工程建設無法正常進行。在建筑工程的建設過程中，為了滿足戰時需要，必須按照人防工程建設管理條例的規定修建人防工程，與其他工程項目相比，人防工程對施工單位、設計單位及監理單位提出了更高的要求，尤其是在結構設計方面，相關的技術標準顯著提高，只有準確把握人防結構設計關鍵技術，才能更好地滿足人防結構設計要求。因此，為了保證人防工程建設順利進行，必須充分重視人防結構設計工作，全面掌握人防工程的各項技術標準，準確把握人防結構設計關鍵技術，妥善解決人防結構設計存在的問題，才能有效提高人防結構設計水平，更好地滿足人防工程建設要求。

1 人防結構設計的重要性

在人防工程建設過程中，人防結構設計發揮著十分重要的作用，如果存在人防結構設計不合理的情況，就可能導致后續施工無法順利進行。對于社會發展而言，人防工程的施工質量會帶來深遠的影響，只有不斷提高人防結構設計水平，才能保證人防工程的施工質量滿足相關要求，更好發揮自身作用。因此，施工單位必須充分認識到人防結構設計的重要性，了解人防工程各個構件的特殊構造要求，再將更多的精力投入這部分工作中，不斷提高人防工程的整體水平。

2 人防結構設計特點

在人防工程建設中，人防結構設計具有以下兩個方面的特點。

2.1 復雜性

與一般建筑工程相比，人防工程的結構更加復雜，因此，人防工程對于結構設計提出了更高的要求，在一定程度上增加了設計工作的難度。這是由于人防工程不但需要承擔上部建筑傳來的靜荷載，而且還需要承擔常規武器、核武器爆炸動荷載的兩個作用。在一般建筑工程的結構設計中，關于構件承載力的設計，只需要滿足建筑結構帶來的最大荷載，但是在人防結構設計中，需要建筑結構可以承受常規武器或者核武器產生的振動以及爆炸動荷載作用，因此具備復雜性的特點。

2.2 多重性

在和平年代，人防工程需要發揮其防患于未然的作用，在和平的形勢下做到未雨綢繆，時刻做好戰時準備。然而，只將人防工程作為戰時準備，將會造成一定的資源浪費，尤其是目前城市地下空間緊缺，有效地提高城市地下空間利用率才能滿足城市發展的需求。為了充分發揮人防工程的重要作用，在進行人防結構設計的過程中，需要保證其能夠滿足多重標準，不但要具備人防設施的屬性，而且能夠作為正常建筑使用。因此，人防結構設計通常需要進行疊加設計，在滿足戰時需求的基礎上還需滿足建筑的平時功能，有利于提高城市空間利用率，滿足城市發展的需求。例如，在進行空間設計時，需要重點分析人防工程的人數承載能力，保證戰時容納人員數量，并且還要分析和平時期人防建筑的功能性。由于人防工程具有多重性的特點，因此大幅度增加了人防結構設計的難度，設計工作中需要滿足不同設計標準的嚴格要求，需要引起足夠的重視。

3 人防結構設計基本要求

對于人防工程而言，結構設計需要滿足以下5 個方面的要求。

3.1 材料性能設計要求

甲類防空地下室結構應能承受常規武器爆炸動荷載和核武器爆炸動荷載的作用，乙類防空地下室結構應能承受常規武器爆炸動荷載的作用。對常規武器爆炸動荷載和核武器爆炸動荷載，設計時均按一次作用。人防爆炸動荷載最突出的特點是持續時間短，一般發生在幾毫秒的時間內，隨后會隨著時間的推移而減弱，為了保證人防工程可以承受爆炸動荷載，需要選擇合適的材料。與靜載荷相比，材料在承受動載荷時會發生力學變化，因此，在人防結構設計中，需要分析構件材料中承載能力及可靠性等指標，并進行相關驗證，確定材料的性能要求以及強度綜合調整系數，才能選擇合適的構件材料。

3.2 構件延性設計要求

人防工程在承受爆炸動載荷作用時，人防結構會出現屈服狀態，進而產生一定程度的形變，在動載荷逐漸消失后，變形也會逐漸變小，最后恢復到靜止狀態。一般情況下，人防工程可以出現一定程度的塑型變形，但需要保證其整體結構不會受到破壞，只有這樣，才能保證其能夠承受動載荷。經過大量的實踐驗證，延性破壞的安全性要高于脆性破壞，因此，在人防結構設計中，需要充分參考這一特點，制定針對性的設計方案，一般采用墻柱、弱彎的設計方案，并且要對延性比進行嚴格控制，保證延性比為1，在這種情況下，結構處于彈性階段，如果延性比超過1，需要將鋼筋配筋率控制在1.5%以上，采用調整鋼筋配筋率的方法來滿足以上要求，與此同時，還要適當的提高混凝土的強度以及相關數據，以便保證構件的延性滿足設計要求[1]。

3.3 出入口設計要求

在人防工程中，出入口的設計同樣要求滿足特定的要求，其中最重要的是出入口需要有明確指示。在戰爭發生時，為了保證人防工程可以正常使用，主要出入口位置需要避免因受到沖擊波的影響而摧毀或堵塞，因此，人防工程的出入口需要承受更大的等效靜荷載，不但要滿足最小防護厚度的要求，而且充分考慮早期核輻射因素。在人防結構設計中，出入口設計通常是最關鍵的部分，需要保證其強度高于其他部位，這樣才能夠具有更高的安全性。在進行人防結構出入口設計時，需要綜合考慮防護密閉門的設計、消波系統的設計、出入口通道內臨空墻的設計以及出入口通道門框墻的設計等。在門框墻的設計中，通常需要根據懸臂梁進行相關計算，但是計算時需要區分平時使用和戰時使用的不同狀態。對于人防工程而言，平時使用時對于出入口寬度的要求不高，而在戰爭時則對出入口的寬度提出了更高的要求，為了滿足這樣的要求，如果設計較長的門框墻的懸臂梁，會造成水平筋長度增加。在這種情況下，為了改善門框墻的受力效果，需要在結構設計時增設一定的附加邊柱和上擋墻加強梁，但這樣的設計應保證不會影響門框墻的實際使用。此外，在人防工程孔口設計中，同樣要深入貫徹平戰轉換的思想，確保人防工程可以在發生戰爭時快速切換成為戰時狀態，以便為人們提供安全的避難空間。

3.4 構造設計要求

在人防工程構造設計中，需要滿足的要求主要包括以下3 個方面：①在人防工程中，對于防毒通道、密閉通道及濾毒室的密閉性提出了極高的要求，為了更好的滿足這方面的技術標準，需要在施工中采取一次性澆筑的施工方法。②對于梅花形拉結筋，可以將其作為受力筋，并且對其直徑以及間距進行嚴格的控制，符合相關規范標準的要求。③人防工程墻體以及樓板的設計必須嚴格執行相關要求，一般情況下，墻體以及樓板的厚度應超過250mm。但是，如果人防結構設計中無法滿足這項要求，將會使人防工程的安全性受到嚴重的影響。

3.5 平戰轉換要求

為了貫徹“長期準備、重點建設、平戰結合”的人民防空建設方針，適應人民防空工程平戰結合設計的需要，使人防工程平時為城市人民的生產、生活服務。戰時只需經過適量的恢復、加固和補充，達到預定的防護等級，充分發揮其戰備效益、社會效益和經濟效益[2]。

人防工程防護功能平戰轉換設計應做到安全可靠、就地取材、加工和安裝快速簡便的原則，并應采取切實可靠的技術措施，保證平時使用功能向戰時使用功能轉換。

4 人防結構設計關鍵技術分析

在人防工程的建設過程中，結構設計方案是影響工程施工質量的關鍵因素，因此，為了有效提高人防工程施工質量，在進行人防結構設計時，需要對工程中的區域形式進行優化，妥善處理建筑空間，并為內部設計制定科學的方案，確定合理的區域劃分。因此，在人防結構設計工作中，需要把握的關鍵技術主要包括以下3 個方面。

4.1 人防結構主體設計關鍵技術

在人防結構主體設計工作中，為了保證設計方案的合理性，需要事先對施工現場進行全面的勘察，根據防護類別、抗力等級及戰時功能制定設計方案。一般情況下，人防工程都要劃分為染毒區域和清潔區域等不同區域。在防護單元的設計中，需要對防護單元進行合理的調整，并且要在不同的防護單元之間設置相應的防護單元隔墻。在大部分人防工程中，防護單元隔墻采用鋼筋混凝土澆筑，形成密封防護墻，發揮良好的阻隔作用，還要對防護單元隔墻的厚度進行嚴格的控制，保證其滿足相關規范的要求[3]。

4.2 人防結構配筋計算關鍵技術

對于人防結構設計而言，配筋計算結果的合理性是影響結構安全性與穩定性的關鍵因素。因此，在進行配筋計算時，需要全面的掌握人防工程的類別以及要求達到的等級，根據實際承載能力進行計算，保證計算方法的合理性。對于不同構件的各項參數，需要分別進行推算，并且要做到施工圖紙盡量詳盡，避免在施工過程中因施工圖紙存在問題而出現不必要的失誤。此外，還要在施工過程中嚴格執行施工方案，保證結構尺寸的準確性，才能保證配筋計算數值的合理性。

4.3 人防結構口部設計關鍵技術

防空地下室的每個防護單元不應少于兩個出入口（不包括豎井式出入口、防護單元之間的連通口），其中至少有一個室外出入口（豎井式除外）。戰時主要出入口應設在室外出入口。甲類防空地下室中，其戰時作為主要出入口的室外出入口通道的出地面段（即無防護頂蓋段），宜布置在地面建筑的倒塌范圍以外，以便有效的防治因地面建筑發生坍塌而造成的堵塞[4]。

5 人防結構設計中存在的問題及處理措施

由于人防結構設計具有較強的復雜性和多重性特點，因此設計難度較高。在具體的設計工作中，設計人員需要綜合考慮各方面的因素，一旦在工作中出現疏忽，就會對設計方案的合理性造成不利影響，導致人防工程的功能無法正常發揮。為了妥善的解決這些問題，必須明確問題產生的原因，制定科學合理的處理措施，將這些問題帶來的影響降至最低。

5.1 出入口位置防倒塌棚架梁箍筋設計問題

一旦爆發戰爭，人防地下室能夠庇護人們的生命安全，在很大程度上降低各種殺傷性武器造成的危害。對于人防地下室來說，出入口位置的設計工作是十分關鍵的，科學合理地設計與安裝防倒塌棚架，能夠使得出入口更加安全穩固，進而有效防止震動導致的倒塌問題，為人防地下室的安全性提供保證。以設計角度為出發點來分析，完工之后的防倒塌棚架頂板需要負擔極重的荷載，在一般情況下，荷載的來源主要有兩種：①在房屋倒塌的過程中，建筑結構可以給防倒塌棚架頂板帶來很大的垂直角度的荷載；②爆炸物的燃爆過程會形成很大的沖擊波，通常是水平方向的。而部分工作人員在設計人防地下室防倒塌棚架時，沒有全面研究各種可能遇見的問題，其中以箍筋設計問題為最，具體體現在箍筋間距的設計方面，出現的問題主要包括棚架梁箍筋的間距超過150mm、箍筋加密區間距比縱筋直徑大5 倍等，這些問題會造成防倒塌棚架的荷載承受能力大幅度下降，繼而無法充分發揮出人防地下室應有的作用。所以，設計人員在進行防倒塌棚架的設計工作時，應該科學地研判箍筋間距，同時根據相關的設計規定，并結合工程項目的實際需求開展設計，合理縮短箍筋的間距，以此促進防倒塌棚架的承載能力的顯著增強，進一步提高人防工程的施工質量，確保在戰爭期間可以為人們提供更加安全的庇護[5]。

5.2 合理設計門框墻

人防地下室的結構設計標準具有多重性的特點，不僅要求能夠在戰爭時期，為人們提供安全的場所，還需要在此基礎上，不斷提升前期實用性能，在平戰結合原則的框架內，以此類的方式促進人防地下室功能性作用的進一步強化。其中，以常規建筑結構設計為例，一般來說，在設計門框墻時應當設置位于上下左右不同位置的四道擋墻，并且以此為基礎，精密的計算擋墻的抗應力能力，之后再依此開展結構設計工作，完成擋墻配筋。然而，從戰時情況為立足點來分析，擋墻的功能就上升為極其關鍵的戰時防御構件，不僅需要負擔建筑物自身的荷載，還要求可以抵抗外來的荷載，具體涉及了爆炸物在爆炸瞬間形成的震動和沖擊。可是對于很多設計人員而言，在實際設計擋墻時，往往不重視甚至忽略了墻體的合力，結果導致側墻對左右擋墻傳來彎矩的承載力大幅度降低。不僅如此，還會嚴重削弱頂底板對上下擋墻傳來彎矩的承載力，從而形成抗力無法協調的不利局面，如果使用了此種設計模式，會在很大程度上減少擋墻的功能性，因而無法全面有效地發揮出擋墻的防御功能[6]。因此，設計人員應該嚴格遵循平戰結合的原則，全面分析整體角度上的各種因素，差異性地設計各個位置上的擋墻，進而提高抗力的協調性，讓擋墻設計更加科學合理，有效促進擋墻防御能力的顯著增強。

5.3 合理設計人防地下室擴散室

在人防地下室的整體結構中，擴散室是其中非常關鍵的一部分內容，合理設計擴散室，能夠很好地削弱爆炸物帶來的極強的沖擊波，有效降低沖擊波對人防地下室內的人們的危害，從而為人們的安全提供堅實的保障。所以，工作人員在設計人防地下室結構時，應該重視擴散室的設計環節，不斷強化擴散室的設計質量，從而確保在戰爭期間，擴散室的功能性作用得以全面發揮出來。然而，在實際設計擴散式結構的過程中，往往會發生諸多的問題，擴散室的取值缺乏合理性，同時余壓設計也并不科學，和對余壓的實際要求不符，沒有充分考慮擴散室各種構件的等效靜負荷問題，從而在很大程度上弱化了擴散室的功能性作用，對人防地下室的安全造成了嚴重的負面影響，一旦發生戰爭，將無法有效的保護人們的生命安全。基于擴散室的重要作用，設計人員在實際設計環節中，應該全面分析豎井和擴散室之間的墻體結構部件的強度，并進行科學的設計，不僅如此，還必須要全面考慮擴散室和土體接觸的頂板、底板以及外墻等結構部件的強度，同時展開合理設計，以此確保分析問題的全面性。不僅如此，設計人員還應該準確計算擴散室的抗動荷載能力，并且根據戰時建設標準，對鋼筋進行科學的配置，從而大幅度提高擴散室的質量，進一步削弱爆炸沖擊波的威脅，從而確保人防地下室中人員的安全[7]。

6 嚴格控制人防結構設計質量

6.1 制定并不斷完善人防結構質量控制機制

一般而言，人們都會選擇專業的、經驗豐富的人防工程設計單位，并逐步淘汰專業性差、后期服務無法保障的人防工程設計單位。因此，應該建立健全人防結構質量控制體系，加大力度監督控制好人防工程設計質量，為其長遠發展發揮積極的影響。與此同時，還可以獲取更加精準的數據信息，繼而推動人防工程設計市場化的可持續發展。

6.2 構建并優化人防工程設計單位內部質量控制體系

積極建立并優化人防工程設計單位內部質量控制體系，能夠確保人防工程設計的質量。首先，嚴格遵循規范性、準確性等原則，人防工程的施工圖質量符合規范、圖集的相關規定；其次，建立質量控制機制并不斷進行優化升級，進一步提高人防工程設計的科學性。

6.3 不斷提高人防工程設計人員的整體水平

為了促進人防工程設計質量的進一步提升，應該大幅度提高人防工程設計人員的培訓時間，促進設計人員設計質量的全面增強[8]。

7 結語

總而言之，人防地下室具有極其重要的作用，設計人員在設計人防地下室結構時，應該嚴格遵循平戰結合的原則，不斷提高人防地下室結構的設計質量，從而全面發揮出人防地下室應有的功能性作用。