工業建筑結構優化設計的探討

摘要：工業建筑是用于工業生產的建筑物，其不僅包括生產車間及倉儲空間，同時還包括宿舍、食堂、辦公樓等配套建筑。在現代管理理論及實踐經驗日漸豐富的今天，企業對生產效率、管理效率的重視日漸增強。如果工業建筑結構設計不合理，不僅增加了生產、儲運環節的成本，同時還造成了人力、物力的浪費。本文主要從工業建筑結構設計的基本原則和優化方法做了分析，并通過舉例對工業建筑結構的設計優化進行了闡述。

關鍵詞：工業建筑；結構；優化設計

前言

工業建筑也因其結構復雜，樓蓋為密肋樓蓋，構件較多，再者樓地面設備布置、預埋件預留孔也較多，故許多設計人員在設計時容易產生一些錯誤，給施工帶來麻煩，給業主今后的使用帶來不便，其至給結構的安全帶來隱患，

一、設計基本原則

1.設計材料選用原則。針對不同建筑強度要求選擇不同型號的鋼板，如受力構件選擇 Q235-B、平臺板選擇 Q235-A、吊車梁選擇 Q345-C 等。選擇的鋼材要通過國家相關的質量檢測體系認證，確保質量可靠。在一些特殊要求的工程中要選用特種鋼材，如高爐爐殼選擇 BB503、轉爐平臺選擇鑄鐵板等。在鋼板型號確定后，按照鋼板的型號配置對應的焊條。如受力構件 Q235-B 選用 E4315焊條，受力構件對焊接要求等級為一級，必須有足夠的焊接牢固度才能承擔起結構受力主體的重任，沒有特殊要求的結構可以選擇 E4301型焊條。依據相同原則，助焊劑和焊錫絲也應該視具體情況分別對應選用。螺栓和螺母也有性能等級之分，同樣要求符合相關規定。混凝土的墊層與基層應分別采用 C10和 C25型混凝土，結構受力較大的則應選用 C30至 C50。此外，還有高溫耐熱性和防水性混凝土可供不同條件要求選用。除了上述材料的選用外，還應該注意鋼結構的防銹涂裝。避免結構生銹，影響建筑的剛度和強度。

2.設計基本要求。在對鋼結構應力和變形的控制中，有一些要求：鋼梁應力≥強度設計值乘以90%；鋼柱應力≥強度設計值乘以95%；鋼構件變形=變形容許值乘以100%。在鋼筋混凝土中，結構配筋要求為：框架梁配筋率在1.2%-1.7%之間；框架柱配筋率在0.7%-1.1%之間；獨立基礎配筋率大于等于0.15%；單樁單柱承臺0.1%。結構設計要圍繞安全性強、經濟合理度高、工程質量高這三方面，并要依照國家規程，遵守國家規定來執行。

二、工業建筑結構設計優化中的常見問題

1.在現代建筑結構設計優化的經驗總結中，多數優化團隊及個人提出了常見的問題。首先，鋼結構應用日益增加，對概念性設計及空間美學產生了極大的影響。另外，許多工業建筑結構設計優化項目中，設計人員缺乏對結構布局的認識，缺乏對工藝的深入了解與探討，造成了優化項目效果不明顯，造成了多數企業對工業建筑結構設計優化工作的不認可問題。在一系列的問題中，土建工程含鋼量問題也是設計優化的重點。工業建筑土建項目中的成本70%以上為材料費，其中鋼材價格高達幾千元每噸。科學的減少含鋼量能夠有效降低工程造價。因此在工業建筑結構設計優化中應在保障工程設計要求前提下，合理優化含鋼量，實現減低造價的目標。

2.在目前的工業建筑物結構設計優化中，由于概念性設計缺乏具體量化標準，因此設計優化存在較大的差異，影響了建筑物的設計與施工。針對這一問題，現代工業建筑物結構設計優化中應靈活運用結構設計優化方法，以數值為參考依據，提高優化效果。在工業建筑物結構設計優化中，雖然考慮了管理工作需求以及數字化辦公對管理工作的影響，但是在實際的工作中仍需要各崗位人員不斷出入各工序，因此結構設計優化中還需要考慮結構布局。根據質檢工作、工藝管理等工作的實際行進路線，根據各崗位溝通及管理工作需求，對工業建筑物結構設計進行布局優化，實現高效率管理、提高工作效率，促進企業綜合成本的降低的目的，借以提高工業企業綜合市場競爭力。

三、工業建筑結構優化方法

1.結構優化模型和方案。建筑工程可以在基礎結構方案、屋蓋系統方案及圍護結構方案三方面對建筑模型進行優化。在選型、受力分析和造價分析相關聯的實施過程中，圍繞綜合目標進行優化，確保剛度達到質量要求，并控制載荷扭轉力小于規定數值。通過選擇參數、建立函數、約束條件確定的方法來對建筑工程進行結構優化，過程中設計的多個變量和約束條件屬于非線性優化。方案完成后，編制對應的運算就可以實現對結果的最終優化。

2.建筑結構優化注意點。第一，要注意前期方案的參與。目前，大部分建筑師并不參與前期方案結構設計，對結構合理性和可行性考慮欠妥，給后期設計人為的提高了難度，這就提高了工程的總投資額。在前期就引入結構優化的理念不僅能從全局角度更合理的考慮工程的分布，更能夠節省投資，在工程開端有效的進行控制。第二，根據不同建筑工程所在的地質條件和土壤成分選擇合適的地基基礎結構來設計優化方案。第三，注意細部結構設計的把握。如澆筑的異形板拐角容易產生裂縫，可以劃分為矩形板來避免。在鋼筋的選擇方面，注意極限抗拉力和塑性的要求等。

四、工業建筑設計優化實例

1.電廠煤斗。煤斗屬于大型設備，具有體積大、高度高的特點，會產生水平地震作用。對其支承構件造成的附加彎矩、扭矩等內力，則需要相應的計算補償其附加內力。具體做法為：在設備重心位置增加設置支承結構，降低附加內力；在支承梁桿軸心垂直的方向增設梁結構，使支承梁的扭矩轉成為作用于梁上的彎矩。而梁的抗彎能力是非常強的，從而使危險轉移；支承結構抗扭配筋加強，樓板強度加強。

2.磨煤機隔振。

（1）火電廠的發電離不開將煤炭作為燃料，磨煤機是重要的設備工具。振動程度較大會干擾其他設備的正常運行，尤其是配電裝置和發電機組所在的控制室。為了解決這些外界干擾問題，彈性支承系統應運而生。該系統隔振能力較好，使用彈簧隔振器來消除振動的影響效果明顯。

（2）磨煤機基礎采用彈簧隔振系統后，與常規塊式基礎相比具有許多優勢。第一，采用彈簧隔振系統后，磨煤機基礎臺座的體積或重量大約只有常規基礎塊的一半。因而減小了占地空間，有利于工藝布置。第二，采用彈簧隔振系統后，減小了磨煤機產生的振動，減小了磨煤機對周圍廠房及工作人員的振動影響。不會有明顯的振動傳遞到主廠房上。基礎的隔振效率可達到90%以上，并可降低噪聲。另外，由振動引起的鍋爐及鍋爐內襯的損壞和由于振動而造成的火力發電廠的運行事故也可以避免。由于磨煤機基礎臺座與鍋爐房廠房結構分離，磨煤機基礎的施工相對獨立，并有很大的靈活性。磨煤機基礎的施工可以交叉進行，可以縮短施工周期。第三，簡化磨煤機的調平，其基礎沉降可以通過彈簧隔振器得到調平。第四，采用彈簧隔振系統后，磨煤機本身所受的動荷載很小，降低了磨煤機的磨損，使磨煤機的運行可靠性提高。同時還可以延長磨煤機的使用壽命，延長磨煤機的大修周期。與常規基礎相比，采用彈簧隔振系統后，磨煤機基礎的振動具有可控性。采用彈簧隔振基礎后，傳到基礎下面的荷載較小，因而可以減少地基基礎的處理費用。

3.吊車水平載荷。很多工廠的生產都需要吊車運送沉重的貨物，吊車載荷分為水平和豎直兩個方向。在結構分析中能夠將吊車的水平載荷以等效靜載荷的形式施加在排架柱上，豎直載荷則通過移動靜載荷方式施加。具體步驟為：縱向水平載荷的標準值確立；橫向水平載荷的標準值確立；吊車水平載荷施加；吊車豎向載荷施加；吊車載荷輸入。橋梁模塊能夠對吊車載荷結構進行整體優化，減少數據計算人員的工作量。提高工作效率，完成優化的設計需要。

綜上所述，工業建設的結構設計是一項復雜的工作，需要綜合考慮各個方面的問題。從原材料的選用、設計的基本要求、設計方案的優化等方面，結合工業建筑的結構特點。不斷的優化設計方案，做出更加經濟且合理的設計

參考文獻：

[1]韓瑞芳.某鋼結構工業廠房屋面系統的優化設計[J].廣西建筑，2011，（03）。

[2]徐傳亮.建筑結構設計優化及實例[M].北京：中國建筑工業出版社，2012。