工業廠房鋼結構設計的現狀及改進對策

周 安 樓

(攀枝花攀鋼集團設計研究院有限公司，四川 攀枝花　617000)

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工業廠房鋼結構設計的現狀及改進對策

周 安 樓

(攀枝花攀鋼集團設計研究院有限公司，四川 攀枝花617000)

介紹了鋼結構的特性，分析了目前鋼結構廠房設計中存在的問題，從結構布局、截面設計、節點設計、支撐體系等方面，闡述了鋼結構設計的改良措施，為鋼結構的推廣應用提供了條件。

鋼結構，工業廠房，結構設計

0　引言

在這個以鋼筋混凝土為主宰的時代，鋼結構在建筑業中的重要作用是無法替代的。經濟的發展促使大批的工業廠房建立，這對鋼結構技術的應用也提出了更高的要求。鋼結構的承重能力強，這為工業廠房的安全性提供了保障；另外，鋼結構的安裝機械化程度高，這在一定程度上加快了工業廠房的建設速度，縮短了施工期限，節省了大量成本。當然，鋼結構技術并不是完美無缺的，它也存在一些問題，這就需要我們的技術人員在設計鋼結構的過程中注意避免這些問題的發生，以便建設出安全高質量的工業廠房。

1　鋼結構的特性

1.1鋼結構的優點

如今鋼結構的零部件都是批量生產，鋼結構的安裝機械化水平極高，事先設計好的鋼結構模型能很快地拼接好，這大大減少了施工時間；鋼結構自重較輕，這方便了施工人員的運輸和安裝；此外，它的承重能力和抗震能力極強，地震發生時它相對于混凝土更具可靠性，不會輕易倒塌；從經濟因素考慮，鋼結構強度高，可塑性強，可循環利用，這大大降低了工業廠房的建設成本。同時鋼結構廠房是廠房中比較普遍的一種，這種廠房具有很多的優點，造型非常美觀、色彩較為鮮艷、建筑體型多樣化、工程造價較低、建設周期較短、機械化程度較高、安裝施工較為簡便、平面布局靈活易改造。并且鋼材本身材質重量輕，材質密度均勻，實際受力比與力學計算模型較近似，易于計算處理。

1.2鋼結構廠房的特點

1)廠房內部一般都比較寬敞，高度都會高于普通住房，而鋼結構跨度大的特點剛好滿足了這一方面的需求；另外其自身重量比較輕，體積適中，施工人員可隨意拼接出各種不同的造型，能建設出不同形狀的建筑，比如北京鳥巢，如今它已經是我國的標志性建筑。

2)目前我國的重工業廠房大部分都是鋼結構建成的，這主要是由廠房特殊的需要所決定的。廠房多用于機械制造設備的放置，加工器械組裝，這通常要求無障礙的寬廣空間，縱向的鋼鐵柱狀結構往往可以保證相當長的間距，這一點對于創建廠房空間是十分必要的。在合理的結構規劃下，縱向柱狀鋼結構間距可以達到20 m的范圍。

3)吊車作業通常是鋼結構廠房中最基本的操作，大量的吊車使用量和較高的吊車使用頻率對吊車的質量提出了嚴苛的要求。為了使廠房達到較好的使用情況，盡可能的選擇承載能力較大的吊車類型，一般情況下，重級工作制即可滿足絕大部分廠房需要。

4)鋼結構，具有很強的承載能力，一般在廠房的設計建造時通常會使承重構件具有較大的橫截面積，這進一步提高了鋼結構的承載能力。較強的可塑性使鋼結構承重在幾何學方面有很大的提升，最為基本的三角鋼結構已隨處可見。

5)雖然鋼結構有很多優點，但是也不能忽略一個致命的潛在問題，那就是鋼材不耐火。很多人都認為鋼材既不是易燃材料怎么會不抗火。鋼材雖然屬于不可燃材料，但是在高溫的環境中，其力學性能就會發生變化，比如屈服強度，彈性模量等都會隨著溫度的升高而降低。當溫度達到500 ℃以上時，降低幅度更為明顯，一般在15 min左右就會喪失承重能力而發生垮塌。

圖1為鋼結構廠房的實例圖。

2　我國當前鋼結構設計問題分析

2.1鋼結構廠房的結構設計

由于工藝布置等方面的要求，為了拓展廠房的空間，鋼結構廠房一般會采用框架結構，此外，如果廠房的層數比較多且能達到一定的工藝條件時也能采用框剪結構。鋼結構廠房設計對其結構布置的要求是要對稱均勻地布置柱網，并使廠房的質量中心與剛度中心接近，達到降低廠房空間的扭轉作用的目的。鋼結構廠房的結構體系需要具備規則、簡捷以及傳力明確的特點，防止凹角、收縮以及現應力集中或者由于豎向過多而導致的內收或外挑等現象的出現，提高豎向剛度的穩定性。而在多層廠房中，由于其柱距方向尺寸小，柱子多、跨度方向尺寸大，柱子少的特點，所以一般對其采用橫向控制的方式，實現縱橫向的抗震能力的一致，提高鋼結構廠房的抗震性能，促進鋼結構廠房設計的經濟性和合理性。

2.2理念的缺失

我國的鋼結構設計一般分為兩級，首先一般設計部門根據建設需要進行工圖的設計，在工圖設計滿足規范后移交專業的鋼結構設計單位，由具有資質的專業機構進行二次詳圖設計。這為數不多的環節中存在著諸多問題，設計院的初步結構設計往往只有一些較為簡單的結構布局，設計人員缺乏對鋼結構的基本認識，單從設計方面出發而未融合鋼結構的一些特有屬性導致鋼結構的優點無法充分發揮。許多工程設計人員存在理論知識基礎不牢、缺乏實戰經驗、缺乏嚴謹求實的精神，甚至有許多應屆的大學生也參與到設計項目中來，這往往會導致鋼結構項目在設計的時候就存在很大隱患。在工圖設計與二次詳圖設計交接的過程中同樣存在著諸多問題，設計院設計圖紙不規范現象普遍存在，設計人員經常用一些簡單的線條，結點進行設計表達，這為二次的詳圖設計帶來很大麻煩。國內施工單位的水平同樣參差不齊，某些規模較小的施工單位甚至還缺乏信息化的基本條件，不具備整套的計算機軟硬件設備。由于施工單位偷工減料而產生的“豆腐渣”工程也廣泛的存在于鋼結構設計的施工中。鋼結構的設計對工程質量是否合格有著潛移默化的影響，我們必須以高標準來要求鋼結構設計，以免工程質量不合格造成經濟損失和人員傷亡。

2.3鋼結構的耐火性和抗腐蝕性有待提高

通常看來，我們都認為鋼結構抗火性強，其實不然，在廠房建設中它的抗火性卻成為為數不多的缺點。沸水的溫度一般為100 ℃，在我們看來這個溫度極高，會嚴重燙傷我們的皮膚。然而，對于鋼鐵，這是遠遠不夠的。一般情況下，鋼結構的溫度達到400 ℃以上，那么它的強度只是常溫下強度的一半；當溫度高于600 ℃或甚至更高時，鋼結構的強度就會為零。火災對建筑物具有毀滅性打擊，一旦建筑物著火，不僅會造成經濟損失，還會造成許多人員傷亡，所以在廠房建設中耐火因素必須考慮到。在大型建筑物中，我們要做到未雨綢繆，提前準備好可以對鋼材料表層涂隔熱的特殊材料，這樣即使溫度達到一定的高度，對鋼材性能的影響也會大幅減弱，不會造成鋼材料強度的降低。

另外，鋼材料具有一定的腐蝕性。一般建筑物都是暴露在空氣中，鋼材料在空氣中會氧化；遇到雨季，鋼結構就會出現大面積的銹漬。這就要求我們對鋼材料采取一定抗腐蝕措施，以免鋼材料的嚴重腐蝕影響它的載重能力，造成建筑物坍塌的情況。鋼材料生銹還影響建筑物整體的美觀性。目前，我國最普遍的方式就是對鋼結構添加保護層來使其減慢腐蝕，避免快速氧化。一般的保護層分為金屬保護層和非金屬保護層，此外還有化學保護層，保護層的選用要根據建筑物具體情況來決定。我們要知道，并不是對建筑物添加了保護層，它就不會被腐蝕，這只是減慢了腐蝕的時間，我們要對建筑物進行基層除銹，合理保護建筑物。

2.4鋼材料的傳導性

我們都知道在空曠的鋼結構建筑物里面，大聲說話可以聽到回音，這就是由鋼材料良好的傳導性決定的。另外，溫度也可以通過鋼材料進行傳遞，我們可以合理利用這一原理。比如在寒冷的冬季，我們可以將鋼材料外部的熱量傳遞到內部，從而增加室內溫度。一般在大型公共場合，其空間相對較大，這就為聲音的傳遞創造了條件，通常我們會利用反射板來解決回音的問題。

3　鋼結構設計的合理改良

3.1結構與布局的改進

鋼結構在形式方面的選擇具有一定的科學依據，不同的形式具有不同的作用。鋼結構一般可分為網架、框架和平面架，我們要根據廠房的實際情況選用科學合理的鋼結構形式。荷載的大小是在進行鋼結構形式選擇時首要考慮的問題，鋼結構的設計一定要均勻，一般荷載較大的情況下選用網架最為合適，其能使鋼結構充分發揮最佳作用。

3.2鋼結構截面設計

鋼結構截面的合理設計極為關鍵，它必須根據各個支柱間的距離、跨度以及支柱的高度來決定。為了確保截面設計的精確性，必須對支柱各方面的測量更加細心，決不能出現誤差。測量時幾毫米的誤差反映在建筑物上就會被放大，會使這個建筑物處于危險狀態。所以，我們在對截面的設計中要格外的細心，以免因小的誤差引起大的事故。另外，合理的截面設計會使整個建筑物看起來更加美觀。

3.3整體結構的改進

建筑物主要框架是由鋼結構支撐起來的，可見鋼結構的整體設計對整個建筑物尤為關鍵。鋼結構設計問題極為嚴肅，一定要聘請資深的設計人員進行設計，決不能為節約成本，聘請非專業人士，以免對整個建筑物產生不利影響。目前鋼結構設計一般以線性彈性分析為主，部分設計軟件同時也考慮到幾何非線性分析，這大大提高了鋼結構設計的精確性。為設計出最佳方案，我們可先用不同的設計軟件進行建模，然后請資深的專業人員再對其建模完成的數據進行分析，從而選擇出最適合廠房實際需求的方案。

鋼結構本身可以循環利用，是一種環保的建筑物料，也是我國使用最多的建筑材料。建筑物的安全性不容小視，一個建筑可以在外形上不美觀，但一定要安全可靠。在多層建筑鋼結構的設計時，可以采用純框架和支撐框架二者合一，以加強鋼結構的穩定性。北京鳥巢是鋼結構設計最為完美的代表，它不僅外觀漂亮，抗震性也極高。

3.4節點方面設計的改進

鋼結構設計時要考慮到節點這個因素，如果鋼結構設計時分析不準確，就會使實際設計出來的節點與事先設計的節點不一致。節點的連接方式對整個建筑的安全性有著不可忽視的影響，所以一定要根據結構傳力特點的不同選擇合適的連接方式，一般可以選擇剛接、半剛接和鉸接三種連接方式其中的一種。節點的設計要考慮到施工人員的施工條件和施工環境，以便施工人員進行合理施工。

3.5鋼材的保溫隔熱與防火及有關舉措

鋼材的導熱性能優良，當其處于溫度不一樣的情況下時，鋼架構的抗拉性與塑性均會產生很大的變化，大致包括4個層級：第一，受熱溫度高于100 ℃；第二，受熱溫度在100 ℃～250 ℃區間內；第三，受熱溫度在250 ℃～500 ℃區間內；第四，受熱溫度高于500 ℃，而且在這4個溫度等級內鋼架構的抗拉性與塑性均會產生不同的變化，相應的對鋼架構造成程度不一的影響。其中當鋼架構所受溫度在2～4區間時鋼架構會分別產生藍脆反應、漸變反應、鋼材節后塌落反應。從這可以知道，當鋼架構所處環境的溫度在100 ℃以上的時候便一定要采用科學的隔熱舉措，來提升鋼材的抗熱性，防止鋼架構受熱產生較大變化。

鋼架構的防火一般有下述幾種方式：構建自動噴水滅火體系、設立防火帶、設立防火墻、防火門、單獨水幕。其中設立防火墻是最簡便、高效、最經濟的方式。通常在廠房高度低于8 m亦或僅需要劃分兩個區的狀況下，可設立智能噴水體系，讓防火面積增大1倍，以達到有關規定。

3.6屋蓋支撐體系設計

在屋蓋支撐機制設計過程中，對支撐體系的選取與屋面防水問題應當謹慎考慮。通常來說，屋蓋支撐體系的設計和生產車間高度及跨度、屋蓋架構方式、吊車設立和噸位等要素相關，并且在大部分狀況下，不管有無檁條的屋蓋架構均應當設計為縱向支撐機制。在沒有檁條支撐的機制中，盡管大規模屋面板有3點與屋架焊在一起，發揮了上弦支撐的功能，可是因為作業條件的制約與裝設的需要，不管有無檁條的屋蓋均應當在屋架上弦與天窗架上弦設立上弦水平方向支撐。此外，如果廠房屋架距離在20 m以上亦或內部設立有大噸位吊車亦或大規模震動設施，這種狀況下均應當在廠房內設立垂直方向的支撐。在屋蓋支撐設計過程中一定要設置好屋面坡度，天溝方式、單坡屋面長度，這是由于此些要素對于房屋防水功能的優劣有很大程度的影響。依據相關要求，屋面坡度最小為5%，但是實際狀況應當依據各個區域的特點進行有關調整。廠房所在地方的最大氣溫差與降水量的多少是生產車間單坡屋面長度的主要影響要素，可是整體而言單坡屋面長度應當管控在70 cm以內，比70 cm長的應當特別處置。

4　結語

鋼材料相對于混凝土具有許多優勢，它的強度高，載重能力極強，可塑性高，而且它是環保建筑材料，這使得它在我國建筑業中應用廣泛。另外，鋼結構可以循環利用，其順應了可持續發展道路的發展方向。隨著人們生活水平的提高，人們對建筑物的觀賞性提出了更高的要求，鋼結構可以滿足建筑物美觀方面的要求。雖然鋼結構也存在一些問題，但是專業人員可采取一定的措施來改變現狀，由此看來，鋼結構在建筑業的應用前景相當樂觀。

[1]陳飛.淺談鋼結構廠房設計現狀及優化對策[J].城市建筑，2014(2)：67-68.

[2]彭偉宣.小議鋼結構建筑構件的防火措施[J].中國新技術新產品，2010(19)：107.

[3]張曉紅.鋼結構建筑火災危險性和預防措施[J].消防技術與產品信息，2013(10)：57-59.

The present situation and improvement countermeasures of industrial plant steel structure design

Zhou Anlou

(PanzhihuaPangangGroupDesignandResearchInstituteLimitedCompany,Panzhihua617000,China)

This paper introduced the characteristics of steel structure, analyzed the existing problems in current steel structure workshop design, from the structure layout, interface design, node design, support system and other aspects, elaborated the improvement measures of steel structure design, provided conditions for the promotion and application of steel structure.

steel structure, industrial plant, structure design

1009-6825(2016)08-0063-03

2016-01-08

周安樓(1963- )，男，工程師

TU391

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