淺談工業建筑結構形式的選擇與結構設計

丁玉洪

摘要：由于工業建筑是以工業生產為導向，它的外形、內部構造與我們熟知的常規形式和固有類型差別很大，處處彰顯出功能主義的氣息，表現出很強的經濟適用性、靈活性和高科技特征。必須能夠充分理解該建筑的要求與用途，多琢磨生產工藝流程，且要符合設計的抗震安全性。

關鍵詞：工業建筑；結構形式；結構設計

我們知道，工業建筑是指供人民從事各類生產活動的建筑物和構筑物。特點是：建筑物應滿足生產工藝的要求；建筑物內部有較大的面積和空間；建筑物的結構、構造復雜，技術要求高。由于工業建筑是以工業生產為導向，它的外形、內部構造與我們熟知的常規形式和固有類型差別很大，處處彰顯出功能主義的氣息，表現出很強的經濟適用性、靈活性和高科技特征。

1.工業建筑結構形式的選擇

工業建筑設計中結構的選擇是：根據生產工藝要求和材料、施工條件，選擇適宜的結構體系。鋼筋混凝土結構材料易得，施工方便，耐火耐蝕，適應面廣，可以預制，也可現場澆注，為單層和多層廠房所常用。鋼結構則多用在大跨度、大空間或振動較大的生產車間，但要采取防火、防腐蝕措施。最好采用工業化體系建筑，以節省投資、縮短工期。

由于按照工業建筑建造后的用途會有不同的生產工藝、生產要求，所以要注意采用不同的材料和施工條件，要綜合這些因素選擇出一套最適宜的結構體系。目前常用的是鋼筋混凝土結構與鋼結構，其中：（1）鋼筋混凝土結構的建筑材料比較容易獲得，施工便利，既能預制也能在現場進行澆注，而且耐火耐蝕，建造出來的建筑適應面較廣。目前我國的廠房常用的就是鋼筋混凝土結構；（2）鋼結構可以采用工業化體系進行建筑，既能節省成本，又能縮短工期，但是要注意防火和防腐蝕方面的設計。目前鋼結構在我國多用于大跨度、大空間又或是振動較大的生產車間建造上。

2.工業建筑結構設計的關鍵

2.1設計基本要求

（1）在對鋼結構應力和變形的控制中，有一些要求：①鋼梁應力≥強度設計值乘以90%，②鋼柱應力≥強度設計值乘以95%，③鋼構件變形=變形容許值乘以100%。（2）在鋼筋混凝土中，結構配筋要求：①框架梁配筋率在百分之一點二至百分之一點七之間，②框架柱配筋率在百分之零點七至百分之一點一之間，③獨立基礎配筋率大于等于百分之零點一五，④單樁單柱承臺百分之零點一。

總之，結構設計要圍繞安全性強、經濟合理度高、工程質量高三方面依照國家規程，遵守國家規定來執行。

2.2地基形式的選擇

不同的工業建筑形式，設計時需要選取不同的地基形式，通常載荷較大的地方采用樁基、獨立基礎、條形基礎、彈性地基梁等。從生產型廠房的設計角度看，混凝土標號應符合結構耐久性要求（一般采用C25）。地基的配筋應盡量降低配筋率。條基交接部位的鋼筋設置要有詳細的工程圖。條基交叉處的基底面積只能單獨使用，不可重復使用，并要合理調整基寬。砌體結構局部墻體作用有較大的集中載荷，應根據具體要求適當加大地基寬度。另外需特別注意的是柱下條形基礎，如果基礎的翼緣板采用緩坡形式，應注意坡角不可過于陡峭，否則施工工藝性較差。

2.3梁和板件的合理設計

（1）挑梁的自重相對總載荷比較小，做成變截面對減輕自重貢獻不大，所以應盡量將挑梁做成等截面形式。在計算挑梁鋼筋率時，應預留合適的安全系數。當挑梁載荷大、懸挑大、撓度大時需適當加大底筋。砌體結構挑梁深入墻體的托梁長度應滿足構造要求，并計算抗傾翻臨界條件。（2）過梁的設計可以按標準圖選用，但要在施工圖中特別標明選用方法和具體圖號。如果門窗洞口較大或過梁作用有集中力時，應通過具體計算驗證過梁的受力強度。在設計時，盡量將過梁與圈梁整體澆注，既便于施工也利于抗震。過梁的鋼筋不可配置過小，以充分考慮地震時過梁墻體出現裂縫而無法形成支撐的作用。（3）現澆板配筋多借助軟件自動生成，例如常用的PMCAD。這樣可以加快速度，減少筆誤。在計算配筋時，應考慮塑性變形重分布，將板上筋應力乘以0.8—0.9的折減系數，將板下筋乘以1.1—1.2的放大系數。如果按彈性力學理論計算雙向板鋼筋應力，結果偏于保守，不必再人為放大。在給砌體結構的板件進行配筋時，要注意支撐在外墻的板負筋不宜過大，否則會對磚墻產生過大的附加彎矩。板配筋盡量采取大直徑大間距形式，間距值不小于200毫米，板上板下鋼筋宜均勻分布，直徑類型不宜過多。在設計時，要注意將現澆挑板陽角配置輻射狀附加筋，同時要對現澆挑板陽角的板下配置斜筋。

2.4柱形件的設計要點

在工業建筑結構設計中，軸向受力構件的應用極為廣泛。柱截面選用時，為了經濟，宜優先選用鋼管混凝土柱或型鋼格構柱。如角鋼、槽鋼、工字鋼和鋼管，也可用型鋼或鋼板制成組合截面柱。組合截面柱的腹桿體系有綴條式和綴板式兩種。考慮到性價比，在工藝允許的情況下可增加縱向系桿，以減小廠房柱的平面外計算長度。支撐桿件的結構通常設計為單拉桿，或者是一鐮一壓桿件的組合形式。實際中根據受力大小和桿件長度靈活選用。單桿設計目前處于主流地位，也即在前后片桿件之間不設置綴條，這樣便于架設中間穿行管道、樓梯和參觀走廊。

2.5科學選用設計材料

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。相同原則，助焊劑和焊錫絲也應該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，結構受力較大的選用C30至C50。此外還有高溫耐熱性和防水性混凝土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。

2.6預埋件的合理埋設

在施工圖中，設計人員要在結施圖中明確標明預埋件的大小規格和定位尺寸。某些單位在結施圖中漏掉樓梯埋件，需在現場補埋，費時費力。技術交底時，要特別向施工單位闡明埋件要求。埋件要可以承受一定的附加載荷。工業建筑筒體結構庫壁的埋件安裝要特別注意，否則出現滑膜時會使埋件移位，造成安裝困難。

2.7防震設計應達標

現代建筑工程在結構上都反復強調防震抗震的要點，它占據了結構設計安全性的第一位。實際上在工業建筑中，結構防震抗震的要求更高，因為涉及到生產過程中的原材料、生產方法和成品等的特殊性，如果沒有做好防震抗震的設計，一旦出現意外所帶來的破壞力很可能是毀滅性的，特別是一些易燃易爆方面。我國也屬于多地震的國家之一，盡管發生大型地震的頻率不高，但是建筑結構的防震設計必須加強重視。

總之，結構設計是用結構語言來表達建筑師及其它專業工程師所要表達的東西。用基礎，墻，柱，梁，板，樓梯，大樣細部等結構元素來構成建筑物的結構體系，包括豎向和水平的承重及抗力體系。把各種情況產生的荷載以最簡潔的方式傳遞至基礎。要結合生產工藝流程與抗震安全性，才能設計出既滿足生產使用的要求，又能保障生產安全的建筑作品。