工業(yè)廠房建筑結構優(yōu)化設計與施工

李軍

摘 要：工業(yè)廠房建筑結構設計包含多個學科的理論內容，設計內容、設計環(huán)節(jié)具有一定的復雜性，設計人員需要總結更多的建筑結構設計經(jīng)驗，引進現(xiàn)代化設計理念，針對傳統(tǒng)的工業(yè)廠房結構設計方式予以優(yōu)化、創(chuàng)新，嚴格按照設計原則進行，確保建筑材料選擇、結構布局的合理性，還需要注重各項設計優(yōu)化工作，尤其要注重鋼結構設計，從抗震設計、防火設計等方面確保工業(yè)廠房建筑結構的安全性和穩(wěn)定性，提升工業(yè)廠房的整體質量。隨著我國經(jīng)濟的快速發(fā)展，建筑行業(yè)所用的鋼結構越來越多。我國目前廣泛應用的鋼結構工業(yè)廠房施工技術，不但提高了結構抗震效果，更有利于提升了生產廠房的整體質量。因此本文通過福州市某海鮮菇生產線房建項目鋼結構工程為案例，總結鋼結構工程施工技術要點，具有十分重要的工程實踐意義。鋼結構因利用空間大、施工速度快、跨度大，被廣泛應用于制造業(yè)生產線的廠房建設。鋼結構作為建筑工程領域最常見的結構形式，其不僅彌補了傳統(tǒng)混凝土現(xiàn)澆施工存在的低效、污染等缺陷，而且實現(xiàn)了建筑結構大跨徑和輕量化的飛躍。為了保證生產的安全正常運行，掌握結構的可靠性狀態(tài)，需對本廠房進行全面的可靠性檢測鑒定。

關鍵詞：工業(yè)廠房;建筑結構;設計優(yōu)化

0引言

近年來，鋼結構在建筑結構中的應用越來越多，其在材料性能、材料價格以及施工效率等方面具有較多的優(yōu)勢。但是，在鋼結構廠房的施工過程中，還存在非常嚴重的質量問題。出現(xiàn)這些情況主要是由于施工單位過于重視工程的施工進度，忽視了對工程質量的控制，使鋼結構廠房施工在質量方面出現(xiàn)了非常多的問題。

1、工業(yè)廠房建筑結構設計存在的問題——以鋼結構廠房為例

1.1不注重整體布局

在工業(yè)廠房實際設計過程中，設計人員需要注重整體布局，全面考慮各項設計方案。鋼結構廠房是現(xiàn)代生產的重要場所，也是生產企業(yè)布局的關鍵，設計人員需要充分考慮廠房的實際要求和特點，如面積、氣候等，確保廠房和企業(yè)其他建筑的協(xié)調存在。但是，很多設計人員無法全面考慮工業(yè)廠房設計，導致工業(yè)廠房和其他建筑位置出現(xiàn)一定的矛盾，如工業(yè)廠房和居住區(qū)域距離比較近，廠房會產生很多噪聲、有害氣體，直接影響著周邊居民的身體健康和工作效率。

1.2精確度不夠

在鋼結構設計中，荷載取值的準確性直接關系著鋼結構計算結果的準確性。但很多設計人員的工作態(tài)度不夠嚴謹，無法確保荷載取值的準確性，引發(fā)支撐物安裝位置不合理、墻體厚度不滿足要求等問題，很難確保鋼結構整體的穩(wěn)定性。

1.3結構不合理

在工業(yè)廠房設計中，設計人員不注重成本控制問題，直接影響企業(yè)的綜合效益。例如，鋼結構工業(yè)廠房設計缺乏一定的合理性，未按照設計要求安裝承重結構部位，極易造成資源浪費，會影響工業(yè)廠房的整體質量和安全性，嚴重的還需要拆除重建，增加返工次數(shù)及項目成本。

2、結構優(yōu)化技術簡介

2.1結構找形技術

對于復雜的自由曲面建筑表皮，依托于設計經(jīng)驗的常規(guī)手動結構布置方式往往難以滿足要求，且所布置的結構型式往往不盡合理。特別是針對大跨度自由曲面建筑，如何尋找到以軸力形式為主的合理結構傳力體系是設計的關鍵。基于現(xiàn)代計算機的結構找形技術應運而生。目前常用的剛性結構找形方法有力密度法，動力松弛法、非線性有限元法，應變能密度法等。同時隨著計算機智能技術的發(fā)展，參數(shù)化設計軟件結合一些啟發(fā)式搜索算法，例如蟻群算法、遺傳算法、模擬退火算法，使得由計算機自動完成結構形態(tài)的創(chuàng)建成為了可能。目前能夠完成結構找形的軟件主要有Abaqus、Ansys、Kangaroo等。

2.2拓撲優(yōu)化技術

與常規(guī)設計方法及流程相比，拓撲優(yōu)化技術可以實現(xiàn)在均勻分布材料的設計空間中自動找到最優(yōu)的結構分布方案。不僅可以大大節(jié)省設計周期，還可以找尋最優(yōu)的力學布置。基于連續(xù)體拓撲優(yōu)化的方法主要均勻化方法、變密度法、漸進結構優(yōu)化法（ESO）等。其中變密度法已經(jīng)應用到大型商用優(yōu)化軟件中，例如德國的TOSCA已經(jīng)集成到通用有限元軟件ABAQUS內。拓撲優(yōu)化技術目前已經(jīng)廣泛應用于機械制造業(yè)及航天航空領域。近年來，隨著建設方對建筑產品的創(chuàng)新性、合理性日新月異的追求，拓撲優(yōu)化技術在建筑結構領域的應用已嶄露頭角。例如上海喜馬拉雅藝術中心和深圳中信金融中心項目結構體系優(yōu)化等。

3、工業(yè)廠房建筑結構設計優(yōu)化要點分析

3.1屋蓋支撐體系設計

屋蓋支撐體系設計涉及生產車間的高度、跨度、屋蓋架構方式、吊車設立、噸位等。一般屋蓋架構都需要設置縱向支撐，在廠房屋架距離20m或內部設立大噸位吊車、大規(guī)模振動裝置，這時需要設立垂直方向支撐，合理地設置屋面坡度。

3.2組織保證措施

按照工程的質量和功能要求，項目部需要配備相應的專職質檢員以及工程質量管理部門等，這樣可以使項目的質量管理得到進一步的保障。項目部成立后，可以以項目經(jīng)理為組長，技術負責人以及安全質量員為副組長，實施全面的質量管理和監(jiān)督，組員主要包含各施工隊的隊長。各施工隊同樣需要設置質量管理小組，可以把施工隊負責人設置為組長，其技術負責人設置為副組長，組員主要包含各工班長以及工人等。

3.3技術保證措施

在施工過程中需要采用比較先進的施工技術，建議投入一些精良的設備，保障該工程的高標準建設。在施工過程中，要對施工材料進行嚴格的把關，本工程所需使用的原材料和設備均需要從正規(guī)廠家進行購買，注意應購買通過國家認證的質量合格的產品。材料進場后需進行試驗檢測，保障質量合格后，方可投入使用，嚴禁使用質量不合格的材料。支架以及臨時支架的施工主要從支架搭設、地基處理以及臨時支座安放3個方面進行。在支架搭設之前，需要進行支架的穩(wěn)定性驗算，保證支架的承載力和穩(wěn)定性滿足要求;臨時支座設置完成后，需再次測量放線，準確測量標高，在支架上清楚地劃出每節(jié)鋼梁的橫向以及縱向位置的具體邊線。

3.4提高建筑抗風荷載作用的能力

為了使廠房建筑抗風構件與結構設計的牢固性符合要求，對廠房建筑結構進行抗風設計時，必須充分做好以下工作：（1）優(yōu)化基礎，只有廠房建筑的基礎部分穩(wěn)定性較強，才能保證廠房建筑上部分結構的穩(wěn)固性。因此，明確混凝土的級配標準成為廠房建筑基礎設計最基本的工作。應盡可能購買高級配的砂石，增加基礎持力層厚度，加設抗拔的錨桿構件，加強基礎的牢固性。（2）通過改變建筑的輪廓設計、投影面積和高度，改變區(qū)域建筑布局，以及種植綠植等改變風荷載的強度和方向等，削弱風荷載對建筑的作用。

4、工業(yè)廠房建筑結構施工技術要點

4.1鋼結構基礎施工技術要點

（1）為確保上部結構安裝質量，預埋時必須嚴格控制地腳螺栓的布置方位;（2）為了提高螺栓的緊固強度，建議使用經(jīng)工廠統(tǒng)一預制的鋼制模輔助定位;（3）螺栓預位后，及時檢查螺栓絲扣標高是否滿足規(guī)范要求，檢測合格后將其焊接于鋼筋網(wǎng)上，實現(xiàn)二者的剛接;（4）為了保護好緊固螺栓表面，避免螺栓受損，應在螺栓外表面加裝保護殼。

4.2鋼結構安裝工程施工技術要點

施工準備階段。（1）鋼結構吊裝前，應按照構件明細表，核對并檢查驗構件進場質量情況;（2）就鋼結構廠房基礎和預埋件等隱蔽工程而言，應詳細校核構件軸線位置、標高偏差、平整度指標等，并使用墨盒彈出定位線;（3）還應注意的是，在鋼結構和基礎的測量過程中，為了保證測量標準的統(tǒng)一，應使用相同的測量輔助工具。

鋼結構安裝（1）鋼制廠房中使用的鋼構件基本采用兩臺12t級汽車吊吊裝，零星小型構件采用人工吊裝方式，承重鋼柱采用旋轉吊裝法吊裝，考慮到主梁的跨徑較大，為了控制高空作業(yè)風險，應提前在地面完成組裝，再整體吊裝就位，吊裝過程中應配合人工輔助調整，鋼梁扶正采用兩點平衡法;（2）為了保障吊裝作業(yè)過程中的安全性和連續(xù)性，應提前設計吊裝順序，吊裝過程中嚴格遵照順序開展吊裝作業(yè);（3）承載鋼柱吊裝階段應配合鋼柱位置的校正及鋼梁拼裝就位;（4）承載鋼梁吊裝過程中，兩榀間的橫向系桿應在承重鋼柱和鋼梁校正以后及時安裝，以保證主體結構的穩(wěn)定性;（5）檁條、墻梁、支撐系、拉條及隅撐等附屬構件應在主體結構吊裝過程中同步完成，且不同構件可交叉同步完成;

4.3檁條及支撐系統(tǒng)的安裝

（1）檁條、橫向支撐系應與主體鋼結構吊裝作業(yè)同步進行，滿足交叉作業(yè)的可交叉進行;（2）本鋼結構主體工程的承重柱間距為6m，檁條可借助滑輪實現(xiàn)省力安裝，安裝過程中，螺栓孔位置應校對準確，緊固力大小適中。結合檁條大小及緊固位置，依靠人力將其拉至屋面或墻體立面的對應位置;（3）吊裝完畢后，應及時調整構件水平及垂直度指標，以保證各構件定位的準確性，結合結構特點安裝承載柱間的水平支撐系。微調橫向連接系的緊固情況，適當放松一側連接強度，當調整豎向柱達到垂直狀態(tài)時，再次緊固連接系，應合理控制緊固強度，以避免緊固力過大而出現(xiàn)局部應力集中問題;（4）通常情況下，梁隅撐均由地面連接至頂梁，吊裝完成后方使用高強螺栓與屋面的檁條連接。臺度角鋼使用膨脹螺栓緊固，山墻角鋼直接固定在山墻檁條以下的翼沿上;（5）在屋墻面系桿和拉桿安裝過程中，應適當調整檁條的水平度，及時糾正檁條的局部彎、扭曲變形。

4.4加強消防結構設計

廠房建筑結構結構復雜，一旦出現(xiàn)火災，建筑使用者的人身安全與財產安全會受到嚴重的威脅。為此，必須重視廠房建筑的防火設計。首先，應合理設計防火間距。設計人員需要依照相關規(guī)定準確測量建筑物間的實際距離，需要注意的是，相鄰兩建筑之間的最佳防火間距應按建筑外墻間的最小距離進行計算，若外墻包含凸出的易燃構件，應從該構件外緣算起。另外，還必須設計安全疏散通道。通常情況下，需要盡可能多地設計幾條便于人們疏散的安全通道。為加速煙霧擴散，安全疏散通道必須設計防煙區(qū)。對此，設計人員可以采取分割式設計，以有效控制火勢與煙霧的蔓延速度。

5.結束語

在鋼結構廠房的施工過程中，要控制施工質量，必須進行嚴格的監(jiān)管，采取合理的措施，克服施工過程中存在的問題，保障工程的質量以及施工人員的安全，促進鋼結構廠房的進一步發(fā)展。

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