高层建筑的人防工程结构设计策略探究

吴荣先 南京兴华建筑设计研究院股份有限公司工程师

为了避免自然灾害对高层建筑的居民造成影响，建筑设计人员应结合高层建筑的具体情况做好人民防空工程的建设工作。人民防空工程的建设目的主要是保证居民的生存安全，避免突发灾害到来时造成集中性的人身伤亡。人防工程中不仅要重视工程建设质量，还需为居民准备医疗救护装备以及物资供给。

1 高层建筑人防工程概述

目前，高层建筑的人防工程主要分为附建式、单建式、地道式以及坑道式等，人防工程的种类需要依据建筑物的地形进行选择。其中，地道式工程（见图1）主要集中在平地地区，该类工程通常属于暗挖工程；坑道式的工程主要集中在山地和丘陵地区，大部分是施工地面高于最低出口的暗挖工程，与地道式工程的实施原则正好相反；附建式工程是人们常说的防空地下室，主要用于阻挡外来的攻击，应用较为广泛，通常上部为坚固的地面性建筑物，但是在修建前一定要根据国家的相关规定开展建筑修建工作；单建式人防工程主要修建在地下土层中间，工程建设内容复杂，并且需要较大的作业场地，可能会影响附近的地面建筑和地下管道[1]。

图1 地道式工程

2 高层建筑人防工程结构设计中存在的问题

2.1 抗震结构设计问题

目前，为了减少突发性事件对高层建筑居民生活的影响，我国开始根据高层建筑的具体情况，制定人防工程结构设计的相关规定。但是在人防工程建设的过程中，因为计划方案过于复杂，人口众多，导致在设计方案的过程中出现了一些问题[2]。

人防工程主要是为了抵抗地震带来的威胁，避免因为战争等不可抗力因素对居民造成伤害，由此可知人防工程需要抵抗强大的外力，因此应该谨慎选择建筑材料。我国地震频发，不同地区的地震强度不同，由于高层建筑的数据测量较为频繁，工程设计人员通常会根据个人的设计经验制定方案，从而会出现很多误差，高层钢结构建筑设计图如图2所示。

2.2 抗风结构设计问题

由于在较高的区域经常会遇到强度较大的狂风，因此高层建筑物很容易受到大风的影响。工程设计人员在制定方案时，也需要从该角度出发进行抗风结构方面的设计（见图3），但是由于高层建筑自身存在的问题，导致工程建设的进行受到了阻碍。

图3 消防设施

第一，抗风结构设计易受风力影响。高层建筑的风力强度也随着天气的变化不断变化，如果风力过大，人防工程的内部结构会与建筑物之间产生摩擦和震动现象。抗风结构设计易受建筑风力影响，严重时会威胁人身安全，出现墙体裂缝、建筑塌陷等现象。第二，一些工程设计人员对于高层建筑结构特点不够了解，导致制定的方案不够合理[3]。不同的建筑结构需要选择不同的重力点，如果建筑重力点判断错误，很有可能造成重力方向与地面作用产生偏差。

2.3 消防结构设计问题

为了避免突发性的火灾给居民带来困扰，每一栋居民楼都需要安装消防设施（见图4），建筑设计人员在制定结构方案时，应当提前了解高层建筑物消防通道的所在位置，但是由于高层建筑物的内部结构过于复杂，在进行工程建设时也产生了大量的问题。

图4 人防工程组成

第一，高层建筑内部结构过于复杂。因为高层建筑较普通建筑来说，内部的建筑结构过于繁琐，并且不同建筑物需要的建筑材料有所不同，设计方案的内容也较为复杂。其中，高层建筑内部包括消防设施、逃生楼梯、电梯设备、战士出口等建筑结构，并且人员居住场所较为紧凑。为了尽可能减少建筑面积浪费情况，保证高层建筑居民的正常生活，建筑设计人员应当提前了解建筑内部的相关信息，制定出切实可行的方案。第二，因为高层建筑自身具有风力大、空气流动性强的特点，因此在高层建筑产生火灾时，短时间内就会迅速蔓延，并且涉及面较广，会对社会安全造成不良影响。第三，我国大部分地区都以高层建筑为主，并且所有高层建筑的内部结构大多数都是垂直的形态。一旦出现火灾，这种建筑形态不仅不利于开展消防工作，还不利于疏散居民[4]。

3 高层建筑的人防工程结构设计策略探究

高层建筑人防工程具有较大的特殊性，设计人员务必要保证工程结构的经济实用效果，不仅要充分突出其应有的预防价值，还要保证工程结构的使用寿命与防护性能。在强化人防工程综合效能的基础之上，一一落实必要性的设计需求。一方面，设计人员应当从人防工程建筑的抗震结构上、抗风结构上、消防结构上进行合理的优化与完善，强化其内部荷载能力。另一方面，设计人员要杜绝逃生通道成为逃生死角情况的发生，尽可能为人们与留出充足的疏散、逃离空间，人防工程组成如图4 所示。

3.1 优化抗震结构设计

人防工程建设是为了保障高层建筑居民的人身安全，其中工程的抗震性是否达到一定的水平，标志着地震到来时人防工程是否能够抵御外来的威胁。因此建筑设计人员在方案设计中应当注重提升工程抗震结构设计的质量，减少突发自然灾害对居民的影响。

首先，严格按照实际情况选择建筑材料。为保证内部建筑材料的质量，工作人员应当做好调查工作，提前了解建筑内部的具体情况，根据不同场所进行合理安装，根据高层建筑的具体情况设计承载力的分布体系。为了使工程建设的内部结构更加稳定，不断提高人防工程的稳定性，设计人员应当根据高层建筑垂直形态的特点选择建筑构件。

其次，制定合理的设计方案。如果地震的强度过大很有可能产生地基沉降现象，进而会破坏人防工程的内部结构。因此，建筑设计人员在确定设计方案时，应充分考虑地基的建设情况，并根据高层建筑的内部结构调整方案[5]。

最后，保证上部结构与桩箱的高度持平。建筑设计人员应当详细了解桩箱安装的深度，及时根据桩箱上部的物体结构进行调整，尽量保证上部结构与桩箱的高度持平[6]。这种结构设计能够增加建筑之间的承重力，从而间接提高人防工程的抗震能力。

3.2 优化抗风结构

首先，提高工程建筑结构的稳固性。为了保证工程建设不出现问题，工作人员应当选择级配比较高的砂石，并提前利用砂石进行回填，根据紧密程度进行选择，尽可能保证建筑内部不出现倾覆的可能[7]。其次，合理选择非承重构件。非承重构件的合理选择不仅能够提高人防工程的建筑质量，还可以减少风力对建筑物造成的损伤。在工程建设过程中，为保证工程建设顺利进行，设计人员应当合理选择非承重构件。在人防工程中，耗能减震系统起到了重要作用，该系统主要由剪刀墙、楼板、耗能支撑等建筑构件组成。为了保证减震系统能够充分发挥作用，设计人员应当合理设计减震系统的内部结构，不断增强耗能减震的效果[8]。最后，减少因天气情况对高层建筑造成的影响。风力过大可能会导致建筑出现裂缝，严重时会威胁居民的人身安全。因此工作人员应当根据当地的具体情况，在高层建筑的基础上，针对风力较大的区域对建筑进行加固，在保证工程建筑稳固性的基础上加强建筑内部的荷载内力[9]。

3.3 优化消防结构设计

首先，合理设计防火间距。为了减少人员伤亡，在制定人防工程计划时，应当充分考虑居民的人身安全，及时根据建筑物的内部情况进行调整，合理设计防火间距。因为测量防火间距存在一定的危险性，因此工作人员应当合理选择测量方式，在保证工作人员人身安全的基础上开展相关工作，详细计算每栋建筑物之间的距离以及每栋建筑物中可燃物件边缘之间的距离[10]。

其次，要优化内部分割结构。为避免火势蔓延，工作人员应当重视内部分割结构设计，这样不仅能够为居民争取更多的逃生时间，还可以避免烟雾快速扩散。

最后，合理设置疏散通道。大部分高层建筑的疏散路线为垂直型，并且在发生火灾时所有电梯都会停用，整个建筑物断电会导致逃生路口成为死角。因此，设计人员应当将疏散通道设置在楼梯间，这样不仅能够减少火势蔓延，还可以让居民有序撤离，减少人员伤亡，疏散通道如图5 所示。

图5 疏散通道

4 结语

近年来，自然灾害逐渐增多，国家更加重视建设高层建筑人防工程。为保证工程的质量，设计人员应当根据当地建筑物的具体情况开展相关工作，在结构设计中不仅要考虑高层建筑存在的问题，还需要控制施工的成本。