輕型鋼在工業(yè)建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中應(yīng)用探究

袁夢(mèng)雪

（中冶南方武漢鋼鐵設(shè)計(jì)研究院有限公司 湖北武漢 430080）

1 引言

輕型鋼結(jié)構(gòu)在國(guó)內(nèi)的發(fā)展起步晚于國(guó)外，造成難以避免的差距，最開始輕型鋼并沒有直接應(yīng)用于建筑結(jié)構(gòu)上，而是廣泛應(yīng)用在汽車制造上，最后因?yàn)檩p型鋼眾多的優(yōu)點(diǎn)，才逐漸的被工業(yè)建筑接受并應(yīng)用。與傳統(tǒng)的鋼筋混凝土廠房相比，多層輕鋼結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)、生產(chǎn)、施工趨于一體化，現(xiàn)場(chǎng)無(wú)焊接，無(wú)濕作業(yè)，這些都有利于縮短周期，加快資金流通，所以會(huì)被建筑師作為優(yōu)秀的建筑材料而采用。但是輕型鋼雖然有著眾多的優(yōu)點(diǎn)，但是它在技術(shù)要求上更加嚴(yán)格，所以施工時(shí)需要進(jìn)行嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目刂疲乐钩霈F(xiàn)意外事故。還有輕型鋼結(jié)構(gòu)外表有著豐富的色彩，同時(shí)也是物美價(jià)廉的性價(jià)比很高的材料，可以進(jìn)行批量的系統(tǒng)化的生產(chǎn)，相較于其他材料具有強(qiáng)大的競(jìng)爭(zhēng)性，也推動(dòng)了工業(yè)建筑結(jié)構(gòu)的穩(wěn)步發(fā)展。

2 輕型鋼結(jié)構(gòu)建筑的概念

國(guó)外的輕型鋼的發(fā)展早于國(guó)內(nèi)的輕型鋼，并且受歐洲傳統(tǒng)木結(jié)構(gòu)的影響，現(xiàn)在大部分是由薄壁型鋼或者小斷面型鋼組合合成桁架來(lái)代替。在這之后輕型鋼結(jié)構(gòu)建筑是以實(shí)腹型單層式結(jié)構(gòu)發(fā)展到現(xiàn)在的大型工業(yè)廠房，運(yùn)用小截面的角鋼和鋼管、鋁合金H鋼、圓鋼、金屬板制成，所以具有眾多的優(yōu)點(diǎn)而被廣泛接納。就目前來(lái)說(shuō)，輕型鋼在工業(yè)結(jié)構(gòu)中主要運(yùn)用的結(jié)構(gòu)形式是門式鋼架結(jié)構(gòu)體系，該結(jié)構(gòu)通過(guò)垂直支撐體系分布槽鋼或者角鋼，使得側(cè)向的剛度強(qiáng)度變大，抗震性能等一系列抗災(zāi)害性能也是大大的加強(qiáng)，也增加了水平方向的載荷。輕型鋼有著眾多特點(diǎn)，在加上是構(gòu)造簡(jiǎn)單、單一的材料，使得可以大規(guī)模的批量生產(chǎn)，節(jié)省了成本和精力，方便批量生產(chǎn)、最大量的減少了浪費(fèi)現(xiàn)象、材質(zhì)輕盈、造型精美、廣泛的使用、成熟的運(yùn)用等特點(diǎn)，提高了經(jīng)濟(jì)效益，迎合了中國(guó)的科學(xué)發(fā)展觀和環(huán)保節(jié)能的理念，所以造成輕型鋼的與眾不同的特點(diǎn)，并受到社會(huì)各界廠商和建筑師的追捧。圖1說(shuō)明當(dāng)下輕型鋼的發(fā)展。

圖1

3 輕型鋼在工業(yè)建筑結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)

因?yàn)檩p型鋼的眾多優(yōu)點(diǎn)以及化學(xué)特性，造成了環(huán)保性、抗震性、輕便性、持久性、隔音性等等應(yīng)用優(yōu)勢(shì)，在工業(yè)建筑結(jié)構(gòu)中已經(jīng)被廣泛應(yīng)用，其最突出的有三點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)，下文將一一列出。

（1）是自身的材質(zhì)輕盈的特點(diǎn)。輕型鋼獲得廣泛運(yùn)用的最重要的特點(diǎn)就是自身自重輕，因?yàn)橹谱鲿r(shí)選用了輕型的鋼材，可以最大可能的利用了材料，也是同時(shí)節(jié)省了鋼材，使得自身自重低，節(jié)省了大量成本。鋼材的塑性和韌性好。塑性好，使鋼結(jié)構(gòu)一般不會(huì)因?yàn)榕既怀d或局部超載而突然斷裂破壞。韌性好，則使鋼結(jié)構(gòu)對(duì)動(dòng)力荷載的適應(yīng)性較強(qiáng)。鋼材的這些性能對(duì)鋼結(jié)構(gòu)的安全可靠提供了充分的保證。

（2）廣泛批量的工業(yè)化生產(chǎn)的特點(diǎn)。因?yàn)檩p型鋼的迅速普及，整體的構(gòu)造簡(jiǎn)單，技術(shù)要求不高，使得輕型鋼的生產(chǎn)實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)化標(biāo)準(zhǔn)的生產(chǎn)過(guò)程。所以因?yàn)樵撦p型鋼材料具有高強(qiáng)度的工業(yè)化程度，更加適合應(yīng)用于工業(yè)建筑中。

（3）技術(shù)要求不高，這個(gè)特點(diǎn)讓很多建筑商可以提高施工速度、縮短工期，大大的節(jié)省了成本，并且同時(shí)保證了質(zhì)量，相較于其他材料更加的便捷經(jīng)濟(jì)。

4 工業(yè)建筑輕型鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的要點(diǎn)分析

4.1 適用性

與別的結(jié)構(gòu)一般適用性而不同，輕型鋼在工業(yè)建筑結(jié)構(gòu)中的適用性滿足了生活中的要求以及安全性能。例如一般周邊的噪音不會(huì)超過(guò)30dB，室內(nèi)的空間有很好的流通系統(tǒng)，采光也最大可能做到最好，所以適用性主要體現(xiàn)在聲音、溫度、采光等一些方面。①聲環(huán)境，在鋼結(jié)構(gòu)建筑室內(nèi)不可避免的噪音影響，大致分為三類，震動(dòng)產(chǎn)生、雨水撞擊、空氣流通噪音。而不同的噪音處理方法也有所不同，阻斷震動(dòng)產(chǎn)生的源頭是最基本的辦法。對(duì)震動(dòng)產(chǎn)生的噪音，可以在與震源上增大距離的方法降低噪音；對(duì)于雨水產(chǎn)生的噪音，在生產(chǎn)時(shí)采用隔音效果好的材料來(lái)減少噪音；而對(duì)于空氣中的噪音，用一種叫做巖棉夾心板的材料可以大大的降低噪音。②熱環(huán)境，除了直接作用的太陽(yáng)輻射，環(huán)境中還受到了相對(duì)濕度和風(fēng)速等的影響，所以通過(guò)在建筑內(nèi)中安裝通風(fēng)扇和采用隔熱材料達(dá)到調(diào)節(jié)作用。③光環(huán)境，在輕型鋼結(jié)構(gòu)的工業(yè)建筑中用到的采光板，使得光線條件達(dá)到最好，其中光線尤其要放到首位考慮，因?yàn)橐粋€(gè)好的光線條件，第一可以最大可能降低照明用電量，第二也可以為生產(chǎn)帶來(lái)方便。

4.2 安全性

隨著鋼結(jié)構(gòu)在民用、工業(yè)以及公共建筑中的大量應(yīng)用，其安全性能愈發(fā)受人重視，對(duì)于輕型鋼結(jié)構(gòu)，可以通過(guò)在現(xiàn)場(chǎng)施加豎向載荷，然后檢測(cè)關(guān)鍵部的撓度變形、側(cè)向應(yīng)變，根據(jù)應(yīng)變以及分析結(jié)果確定是否符合承載力要求。當(dāng)然一個(gè)輕型鋼結(jié)構(gòu)不僅僅在承載力上有要求，它還需要具有防火、抗風(fēng)、抗震等等要求，輕型鋼可以視為是一個(gè)安全性很高的結(jié)構(gòu)。首先建筑物的安全性是放在首位考率的要素：①我們?cè)跇?gòu)造上需要對(duì)焊縫尺寸、螺栓的間距進(jìn)行合理的安排，一般來(lái)說(shuō)，常見的鋼管壁的厚度為3mm、鋼管為4mm；②對(duì)于防火措施上，分為需要做和不需要做的放火措施的兩種，對(duì)于多層類廠房可以對(duì)需要做防火措施的部件涂上防火類涂料，會(huì)大量的節(jié)約成本，而對(duì)于大型廠房需要隔斷防火區(qū)域，采用分段采取隔熱防火措施；③對(duì)于抗災(zāi)害能力來(lái)說(shuō)主要包括：抗震能力、抗風(fēng)能力、抗震能力主要通過(guò)結(jié)構(gòu)以及體系的連接構(gòu)造、布置以及結(jié)構(gòu)與構(gòu)件的抗震承載力進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)；抗冰雪及抗風(fēng)能力的評(píng)估可從鋼結(jié)構(gòu)的選型、承載力驗(yàn)算以及構(gòu)造連接等方面進(jìn)行評(píng)估。

4.3 經(jīng)濟(jì)性

針對(duì)傳統(tǒng)意義上的建筑產(chǎn)品，輕鋼結(jié)構(gòu)在施工周期、結(jié)構(gòu)適用性上都具備明顯優(yōu)勢(shì)，在經(jīng)濟(jì)造價(jià)方面的優(yōu)越性是該新型建筑的強(qiáng)大生命力所在。控制輕型鋼工業(yè)建筑結(jié)構(gòu)成本最重要的是選擇一套合適的建筑方案，所以在滿足輕型鋼結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)和需求的前提下，建筑師需要不斷地改造方案，直至達(dá)到最優(yōu)方案。一個(gè)合適的建筑選址、完善的防火措施、最優(yōu)的建筑材料、設(shè)計(jì)的建筑造型等都是一個(gè)優(yōu)化方案需要考慮到的內(nèi)容。

4.4 美觀和立面

因?yàn)檩p型鋼結(jié)構(gòu)的眾多特點(diǎn)，使得整個(gè)建筑物的結(jié)構(gòu)大而簡(jiǎn)潔、規(guī)模統(tǒng)一，同時(shí)可以采用輕型圍護(hù)結(jié)構(gòu)彩色涂層的壓型鋼板和夾芯金屬板，以其自重輕，保溫隔熱效果好，安裝速度快，外表美觀等等的優(yōu)點(diǎn)，已經(jīng)取代了傳統(tǒng)多層廠房的砌體圍護(hù)墻體，成為多層輕鋼結(jié)構(gòu)不可缺少的圍護(hù)材料。

5 工業(yè)建筑設(shè)計(jì)中輕型鋼結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)方法

5.1 工業(yè)建筑設(shè)計(jì)中輕型鋼結(jié)構(gòu)屋面設(shè)計(jì)方法

根據(jù)不同地區(qū)的特性，建筑材料的選擇和屋面的坡度大小是一般輕型鋼結(jié)構(gòu)屋面設(shè)計(jì)的首要考慮問題。在雨水較少的地區(qū)，對(duì)保溫隔熱的要求較高，對(duì)屋面坡度要求不高；而在雨水較多的潮濕地區(qū)，需要進(jìn)行排水工作，防水要求和坡度高度的標(biāo)準(zhǔn)都遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于一般建筑，當(dāng)然，坡度不宜過(guò)高，防止產(chǎn)生濺水的現(xiàn)象。

5.2 工業(yè)建筑設(shè)計(jì)中輕型鋼的墻體設(shè)計(jì)要求

墻體分類標(biāo)準(zhǔn)有兩種，墻體的位置和墻體的受力特點(diǎn)。由墻體處于的不同放置方式，可分為外墻和內(nèi)墻；并根據(jù)承重的不同，可分為自承重式輕型墻體和非承重式輕型墻體。墻體設(shè)計(jì)應(yīng)該要考慮到不同墻體的要求，并根據(jù)墻體的設(shè)計(jì)規(guī)范合理的選擇并設(shè)計(jì)，并且還要考慮到預(yù)算成本問題、安全問題、美觀問題，盡量做到設(shè)計(jì)科學(xué)合理。我國(guó)目前來(lái)說(shuō)，運(yùn)用最多的墻體材料是輕質(zhì)材料，例如PC板以及彩涂金屬壓型板等等。外墻墻體多采用輕質(zhì)填充材料，如空心砌塊、加氣混凝土等，有時(shí)可采用壓型鋼板加輕質(zhì)保溫層組成的復(fù)合墻體，也有很多房屋外墻采用輕質(zhì)美觀的玻璃幕墻結(jié)構(gòu)。內(nèi)隔墻可采用空心砌塊、加氣混凝土等輕質(zhì)填充墻或輕鋼龍骨石膏板，目前也有采用鋁合金框玻璃隔斷的。對(duì)輕型鋼結(jié)構(gòu)房屋來(lái)說(shuō)，傳統(tǒng)的油氈加瀝青的屋面防水層很不經(jīng)濟(jì)，現(xiàn)大都采用卷材防水。屋頂也掘棄了傳統(tǒng)的水泥砂漿找平層和焦渣保溫層而采用輕質(zhì)保溫材料，如JQN板、聚乙烯混凝土板等，可根據(jù)要求做成變厚度而取消屋面找平層。基礎(chǔ)形式多層輕鋼房屋基礎(chǔ)常用柱下獨(dú)立基礎(chǔ)、條形基礎(chǔ)、十字形基礎(chǔ)，有時(shí)也可采用片筏基礎(chǔ)。

5.3 工業(yè)建筑中輕型鋼結(jié)構(gòu)加層構(gòu)造設(shè)計(jì)方法

輕型鋼結(jié)構(gòu)加層，是當(dāng)前較為常見的施工項(xiàng)目。由于其具有實(shí)用、經(jīng)濟(jì)的特點(diǎn)，在建筑行業(yè)得到了較為廣泛的運(yùn)用。輕型鋼結(jié)構(gòu)加層有區(qū)別于普通加層，而且擁有著輕型鋼結(jié)構(gòu)的大部分特點(diǎn)，也因?yàn)榫哂辛藙偠刃〉忍攸c(diǎn)，需要設(shè)置各方面的支撐，保證穩(wěn)定性和強(qiáng)度。對(duì)整個(gè)建筑的承載力和結(jié)構(gòu)都有直接的影響，對(duì)建筑的穩(wěn)定性和使用性能也有直接的影響，因此設(shè)計(jì)人員需要對(duì)原建筑工程進(jìn)行細(xì)致的了解，并根據(jù)需要確定科學(xué)有效的設(shè)計(jì)方案，保證設(shè)計(jì)的合理性。

6 結(jié)束語(yǔ)

隨著鋼產(chǎn)量的不斷提高，經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，對(duì)綠色環(huán)保型建筑的不斷要求，鋼材應(yīng)用于住宅建筑主體結(jié)構(gòu)是歷史所趨。目前來(lái)說(shuō)，我國(guó)的輕型鋼在工業(yè)建筑結(jié)構(gòu)中正得到了穩(wěn)步發(fā)展，輕型鋼在現(xiàn)代建筑結(jié)構(gòu)中必定會(huì)被廣泛的應(yīng)用。也因?yàn)檩p型鋼的眾多優(yōu)點(diǎn)區(qū)別于傳統(tǒng)的施工，所以占據(jù)了很大的優(yōu)勢(shì)，使得眾多廠家選擇了輕型鋼。在施工使用前注意研發(fā)設(shè)計(jì)、過(guò)程中注重安全、結(jié)束后注意總結(jié)經(jīng)驗(yàn)，方便我國(guó)的輕型鋼在工業(yè)建筑結(jié)構(gòu)的進(jìn)一步發(fā)展。本篇文章提出了對(duì)輕型鋼在工業(yè)建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用探究，希望可以有一些的參考價(jià)值，也希望今后會(huì)有更加專業(yè)的人才深入研究，共同為此方面做出貢獻(xiàn)。