鋼結構工業廠房設計的現狀及改造措施

史慧

（三門峽職業技術學院建筑工程學院，河南 三門峽 472000）

1 鋼結構的特性

1.1 鋼結構的優點

首先，鋼結構材料強度高、質量輕。衡量質量輕重可以通過鋼材的密度與強度的比值來確定。如鋼材（1.7～3.7）×10-4m，鋼筋混凝土18×10-4m，對比得出鋼結構的質量輕。在荷載和約束條件都相同的情況下，鋼結構的自重比鋼筋混凝土自重小很多。比較跨度和荷載都相同的鋼屋架與鋼筋混凝土屋架，前者比后者輕2/3～3/4左右，若采用更輕的薄壁型鋼，則更輕，比后者輕9/10。結構自重輕不僅可以降低運輸費，還可以降低吊裝費。其次，鋼結構工業化生產程度高，施工工期比較短。鋼構件只需要在加工廠大規模大批量生產，可以機械化制造。鋼結構采用工廠加工、工地安裝的施工方法。這樣不僅縮短了工期，同時也可以降低工程造價，從而可提高經濟效益。再次，鋼結構的抗震性能比較好。在地震中，損壞最輕是鋼結構建筑。這是由于鋼結構自重比較輕和結構體系相對比較柔。當地震發生時，混凝土建筑容易開裂而粉碎性倒塌。鋼結構建筑則不同，由于其的延展性能可減弱地震對建筑物的破壞力。鋼梁和鋼柱組成的柔性框架足以抵抗8度以上的地震作用，因此廣泛應用于在抗震設防地區特別是強震區。然后，鋼結構耐熱性較好。鋼材從常溫到250℃，性能基本不變化，耐熱性較好。最后，鋼結構符合綠色建筑的可持續發展的要求。鋼結構能合理利用資源和能源，對環境的污染較小，是綠色環保建筑。由于攪拌澆筑混凝土的手工濕作業，施工現場會產生大量的粉塵和噪聲。鋼結構不需要使用砂石、水泥等散料，可以避免揚塵、廢棄物堆積和噪聲污染等問題，也能有效地降低建筑垃圾。鋼結構的材料基本上是鋼材，可以全部回收，符合國家可持續發展的要求。在相同規模的建筑，鋼結構施工中產生有害氣體的排放量，卻只有混凝土結構的65%左右。其施工過程能耗較低，隔熱性能優越，在降低住宅碳排量方面具有明顯的優勢。

1.2 鋼結構工業廠房的特點

①鋼結構廠房自重輕，鋼結構自重僅是磚混結構的1/5。鋼結構廠房跨度大，空間大。在合理的結構規劃下，縱向柱狀鋼結構間距可以達到20m。

②鋼結構廠房的抗震性好、抗沖擊性好。鋼結構廠房整體剛性好、變形能力強。鋼結構已被公認為是抗震設防地區特別是強震區的最合適的結構。

③鋼結構廠房防火性高，防腐蝕性高，密封性高。比如說，鋼結構廠房可用于冷庫、化工廠等。

④鋼結構廠房拆遷方便，可100%回收利用，對環境的破壞相對較少，是綠色環保型建筑。

⑤鋼結構廠房制造的工業化程度較高，可以快速標準流水線安裝。所有鋼結構構件均在工廠制作完成，現場只需簡單拼裝可以大大縮短施工周期，一座5000平方米的鋼結構工業廠房，只需40天即可基本安裝完成。

⑥鋼結構占用面積小，使用面積大，鋼結構柱截面面積較混凝土結構柱的截面面積減少1/2左右，有效增加了建筑的使用面積。

⑦鋼結構廠房在使用過程當中易于改造，如加固，接高，隔斷等內部分割，調整比較容易，靈活方便。

2 鋼結構工業廠房設計中常見的問題

2.1 設計理念

我國目前使用的鋼結構工業廠房的設計一般分為兩級完成。首先，根據工業廠房的使用要求，由專業的設計單位對其進行結構設計。待結構設計確定，并符合相關規范及使用要求之后，再交由專業詳圖設計單位進行二次詳圖設計。這個過程盡管不復雜，但卻存在著許多問題。最突出的問題就是鋼結構工業廠房結構設計圖不能按照規范完成，圖紙中常出現不明的標注，比如焊縫表示方法不符合規范要求，這使得詳圖設計無法完成。另外，由于鋼結構施工單位的施工水平不一樣，同樣的圖紙對節點連接認識不同，就會導致所建造的鋼結構工業廠房的質量不一樣，有可能出現豆腐渣工程。因此我們必須嚴格按照鋼結構規范完成結構設計，避免由于工程質量不合格而造成經濟損失和人員傷亡。

2.2 成本造價

無論對于何種建筑來說，都應該考慮其成本問題，因此對于鋼結構設計成本控制也是非常重要的，但目前的鋼結構設計對于成本的重視度不高，導致設計過程中出現返工現象。在鋼結構工業廠房設計過程中，有些設計人員只考慮用鋼量的大小，沒考慮實際鋼構件的加工制造、運輸及實際施工難易程度所引起的造價差距。因此，設計人員對成本造價控制考慮的方面比較少，這有待進一步改進。

3 鋼結構工業廠房設計改進措施

3.1 荷載設計

鋼結構工業廠房設計的重要前提是荷載設計。在鋼結構廠房設計中必須要保證荷載取值的準確性，其取值影響著鋼結構工業廠房可靠程度。荷載設計時，還要考慮到本鋼結構工業廠房的實際使用情況。比如有吊車梁的工業廠房，荷載設計時就要考慮動荷載的影響。同時，荷載設計的取值還與廠房周圍氣候有關，設計時要考慮環境氣候的影響。

3.2 柱的設計

鋼柱截面包括型鋼截面和組合截面。這兩種截面在鋼結構廠房中的設計需要根據實際情況來進行選擇，并需要同時滿足廠房的建設、工業的生產和經濟利益三個方面的需求[1]。型鋼截面受到型鋼種類和型號限制，與受力所需的面積相對應的很少，用料較多，但其加工省時省工，施工成本相對較低。組合截面的截面形狀和尺寸根據構件受力性質和受力大小設計成合適的截面，鋼材利用充分，節約鋼材，但增加了加工成本，費時費工，施工成本相對較高。所以在鋼柱設計時，要綜合考慮各方面因素。

3.3 節點設計

鋼結構設計時要考慮節點因素，如果鋼結構節點設計不準確，就會造成設計出的節點與現實不符，使得鋼結構構件在現場無法拼裝。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[2]。

鋼結構節點設計時，要考慮鋼結構連接是采用焊縫連接還是采用螺栓連接。焊縫連接由于不需要附加連接板等零部件，在鋼材上無需開孔，破壞原結構性能，其構造簡單，制造方便，生產效率高，密封性能好。但焊接過程中，鋼材受到不均勻高溫和冷卻作用，導致鋼結構產生焊接殘余應力和焊接殘余變形，這樣會影響到鋼結構的承載力、剛度和使用性能，很容易發生低溫冷脆現象，焊縫處也可能出現氣孔、夾渣等缺陷。螺栓連接安裝方便，便于拆卸，但要在鋼件上打螺栓孔，拼裝時還需要螺栓孔對準，不僅增加了工作量，螺栓孔還會使構件截面削弱，同時相互螺栓連接的板件還需要互相搭接或者是另外加拼接板連接，比較費鋼材。實際鋼結構節點設計都需要考慮，用哪種連接形式比較經濟。

對于焊接節點，焊縫的尺寸和形式要符合鋼結構規范的有關規定。如焊條的選用應低于被連接金屬材料強度，E43對應于Q235，E50對應于Q345。對于螺栓連接，要根據普通螺栓和高強螺栓的受力特點，選擇用于合適的部位。如梁柱節點處要用高強螺栓連接，檁條和梁柱的連接處用普通螺栓。

此外，節點的設計還需要考慮到制造廠的工藝水平、施工場地、現場的環境和吊裝順序等，盡可能方便施工人員現場安裝。

3.4 防火設計

鋼材在溫度達到300℃以后，強度逐漸下降，在450～650℃時，強度幾乎喪失，結構失去了承載能力。因此，鋼結構的耐火性很差。鋼結構廠房的防火設計非常重要。鋼結構進行防火的目的是將鋼結構的耐火極限提高到規范規定極限范圍，防止鋼結構在火災中迅速升溫發生結構失效[3]。是根據火災的危險程度進行防火設計，首先要明確確火災的危險程度，并確定其對應的防火等級，根據防火規范的要求進行防火設計。

目前，鋼結構防火保護主要采用截流法和疏導法這兩種方法。截流法的工作原理是指在構件表面設置一層保護材料，火災產生的高溫會先傳給這層保護材料，再通過保護材料傳給構件。截流法又可分為噴涂法、包封法、屏蔽法和水噴淋法這四種方法。鋼結構工業廠房常采用噴涂法。噴涂法是在鋼構件表面噴涂一層含隔熱材料和化學助劑的防火涂料，以提高鋼構件的耐火等級。這種施工可以不受到鋼構件幾何形體限制，施工操作比較方便。

防火設計還可以進行安全出口和緊急疏散通道的設計，火災發生時要有安全出口、疏散通道幫助人員逃生。

3.5 防腐設計

鋼材易于銹蝕，因此鋼結構防腐設計非常重要。鋼材中含有鐵原子，鐵和氧氣在空氣中會生出四氧化三鐵，也就是我們說的磚紅色的鐵銹。鋼材在潮濕的環境中，特別是在有腐蝕介質的環境中更加容易銹蝕。實際工程中，我們通常采用油漆或者是鍍鋅來加以保護鋼構件。比如說，在鋼結構的表面涂防腐的材料。由于該材料輸水性好，能夠有效地阻止水蒸氣對鋼結構的腐蝕，同時其電阻性好，還能阻止空氣中的陰離子對鋼結構的腐蝕，從而能夠起到很好的防腐蝕效果[4]。需注意合理控制防腐層的厚度，外部以150～200μm為宜，內部只需100μm即可[5]。但是在鋼結構工業廠房使用期間還需要定期維護。因此，鋼結構的維護費用比鋼筋混凝土要高。

油漆或者是鍍鋅的方法不能根本解決鋼材的銹蝕問題，研究一種方法根本解決鋼材的銹蝕問題任重而道遠?，F在，國內外正在研究各種高性能的涂料和不易銹蝕的耐候鋼。如果能研制成功，這樣能解決鋼材的銹蝕問題，可以省去鋼結構的維護費用。

3.6 抗震設計

考慮鋼結構工業廠房的安全要求，還需要對鋼結構工業廠房進行抗震設計。我國是一個地震發生比較多的國家，因此抗震設計非常重要。只有鋼結構工業廠房具有良好的防震性能，才有安全保障。鋼結構工業廠房抗震設計主要原則是結構造型簡單化，當結構比較復雜時可采用防震縫把結構分為幾個單元。當不能采用防震縫時,應對薄弱環節處采取相應加強措施，使廠房在地震作用下具有整體振動的特點[6]。

首先鋼結構工業廠房抗震設計應該保證結構平面布置的完整和對稱。鋼結構工業廠房整體布置要質量和剛度分布都均勻，盡量使質心與剛度中心重合在一起。其次，柱間支撐是鋼結構工業廠房主要的減震措施，因此要選用合理的柱間支撐，還要考慮柱間支撐與鋼柱之間的連接。最后還要控制廠房高寬比，從而使減震效果得到保證。

4 結語

文章結合相關經驗，介紹了目前鋼結構工業廠房在設計過程中存在的一些常見問題，并提出了相應的設計改進措施。這可以為相關設計人員提供參考。另外，鋼結構具有粉塵少、噪音低，不污染環境等特點，其能有效地減少建筑垃圾。由于鋼構件可以循環利用，鋼結構符合可持續發展的需要。雖然鋼結構還存在著不少問題，但技術人員不斷地改進并逐漸會解決這些問題，未來鋼結構的使用范圍會越來越廣，鋼結構將越來越受到重視。