鋼結構工業建筑設計問題研究

葉修喜，周曉燕，查蓓蓓

（中機第一設計研究院有限公司，安徽 合肥 230601）

鋼材強度高、重量輕、材質均勻，具有良好的塑性和韌性，鋼材的強度遠高于混凝土和砌體，適合建造大跨度、高聳或重載結構。鋼材建造的工業建筑自重輕，可減小基礎負荷，降低地基基礎部分的造價，同時鋼構件截面小，可增加工業建筑的使用面積。鋼結構工業建筑所需的構件可以在工廠制造，生產速度快、質量可靠，施工過程濕作業少，污染小，符合我國建筑工業化要求。

鋼結構工業建筑也有一些缺點，如果設計時不重視，會影響結構的使用。鋼結構對風荷載、雪荷載敏感，在過去的一些實際工程中，對風荷載、雪荷載考慮不足已造成不少工業建筑破壞，甚至整體倒塌。鋼結構耐腐蝕性差，鋼材的腐蝕是一種不均勻的破壞，一旦鋼材表面出現腐蝕坑，外界腐蝕介質會通過腐蝕坑繼續向縱深發展。如果不重視防腐蝕設計和日常維護，勢必會因為腐蝕問題而影響工業建筑的正常使用，給鋼結構安全留下隱患。鋼結構耐火性能差，溫度升高會使鋼材強度顯著降低，故鋼構件應按相關規范要求進行防火設計，采用涂層或板材隔熱等防護措施。

1 結構選型

鋼結構工業建筑常用的結構形式有排架結構、門式剛架結構、多層框架結構、大跨度空間結構。普通單層鋼結構廠房橫向抗側力體系一般為排架結構，橫向抗側力體系組成構件有柱、屋架或屋面梁，排架是普通鋼結構廠房的主要承重結構；縱向抗側力體系一般采用柱間支撐結構，柱間支撐結構由柱、柱頂系桿、吊車梁、托架或托梁、柱間交叉桿件等組成。輕型鋼結構廠房多采用門式剛架結構，門式剛架為橫向抗側力體系，一般由梁、柱組成；輕型鋼結構廠房縱向抗側力體系同普通單層鋼結構廠房。多層框架結構，縱橫向梁、柱組成的框架作為承受豎向荷載和水平荷載的主要構件，框架結構的梁柱一般采用剛接。當工業建筑空間上需要雙向大跨度、大柱網、大開間時，一般采用大跨度空間結構，主要有空間網格結構和空間張拉結構兩種形式，形體上呈現三維空間狀態并具有三維受力特性。

2 建筑設計

2.1 平面設計

不同性質的工業建筑，在生產操作時會出現不同的生產特征，而生產特征也會影響廠房的平面設計。有些廠房（機械工業的鑄造車間、熱加工車間、煉鋼車間等）在生產過程中會散發出大量的熱量、煙氣、粉塵，此時平面設計應使廠房具有良好的自然通風；有些廠房（機械冷加工車間、家電組裝車間等）是在正常的溫度、濕度下進行生產的，室內無大量的余熱及有害氣體散發，但該類車間對采光有一定的要求，在平面設計時應綜合考慮廠房所在地區的氣象條件、地形特征等，以滿足廠房的采光和通風的要求；還有些廠房（電子車間、紡織車間等）對溫度、濕度、清潔度有嚴格的要求，需要采用空氣調節設備，這類廠房不宜采用聯跨整片式設計，以方便空氣調節設備的安裝。

根據工業建筑不同的生產工藝流程，平面設計一般有3種組合方式。

（1）直線布置：廠房由若干個跨間平行組成，工藝流程順跨間直線進行。這種布置方式適用于規模不大、吊車噸位不大的廠房。采用這種布置方式的廠房平面可全部為平行跨，具有結構簡單、擴建方便等優點。但當跨度較小、跨數較少時，廠房成長條狀平面，廠房外墻面積大，土建投資不經濟。

（2）平行布置：廠房由若干個跨間平行組成。在建筑結構上與前一種基本相同，生產時通常需要采用傳送帶、平板車或其他越過跨間的運輸設備。

（3）垂直布置：廠房平面跨間相互垂直。在不同跨間，可以根據工藝需要，對零部件進行加工裝配。廠房設有越跨運輸設備，由于跨間相互垂直，建筑結構較為復雜，在大、中型廠房中由于工藝布置和生產運輸有優越性，故其應用也較為廣泛。

2.2 外觀設計

鋼結構工業建筑造型受內部生產活動限制，體型規則嚴謹，相似的結構選型、平面布局，難免造成千篇一律的形體。在設計過程中，色彩營造的氛圍會影響建筑使用者和周圍人的情緒和行為。如果在設計時配色出現問題，則有可能破壞建筑物與環境的協調性，給人們的心理和生理帶來負面影響。建筑外觀色彩設計必須控制色彩污染問題。彩色調節技術可以適當調節建筑立面比例、突出形狀、深化材質肌理，調節建筑形體的不足，對建筑進行改頭換面的再創造。工業活動投資規模巨大，大部分資金用于購買設備和雇傭員工，在工業建筑支出上側重外部圍護結構，利用色彩構成建筑造型是最簡單且經濟的設計手法。

3 結構安全

鋼結構工業建筑有諸多優點，其中一個顯著的優點是抗震性能良好。鋼材基本屬于各向同性材料，抗拉、抗壓、抗剪強度均很高，具有良好的延展性。鋼結構工業建筑可以通過鋼材的彈塑性變形吸收和消耗地震能量。地震力是一種慣性力，結構自重越大吸收的地震力就越大，鋼結構工業建筑相對于其他結構形式，其自重輕，大大減輕了地震作用的影響。

鋼結構工業建筑，特別是輕型門式剛架結構，自重輕、剛度小，其抗風荷載、抗雪荷載性能差。近年來，由于設計和施工的不合理，已造成大量的鋼結構工業建筑在惡劣的風雪天氣下倒塌，結構設計時應特別重視風荷載和雪荷載參數的選擇。根據《門式剛架輕型房屋鋼結構技術規范》（GB 51022—2015），門式剛架輕型房屋鋼結構屬于對風荷載比較敏感的結構，計算主剛架時，基本風壓乘以1.1的放大系數，計算檁條、墻梁和屋面板及其連接乘以1.5的放大系數；門式剛架輕型房屋鋼結構屋蓋較輕，屬于對雪荷載敏感的結構，雪荷載經常是控制荷載，極端雪荷載作用下容易造成結構整體破壞，后果特別嚴重，雪荷載采用100年重現期的基本雪壓。

4 防腐設計

據公開資料顯示，我國每年被腐蝕的鋼材約占鋼材總產量的1/10，因為金屬腐蝕而造成的損失占到國民生產總值的2%～4%。鋼結構工業建筑防腐蝕設計主要包括三個方面的內容。

（1）鋼結構構件和節點采用易于涂裝及檢查維護的結構形式。腐蝕等級為強時，桁架、柱、主梁等重要受力構件不宜采用格構式，不應采用冷彎薄壁型鋼；桿件采用實腹式或閉口截面，閉口截面端部封閉。腐蝕等級為強、中時，不宜采用由雙角鋼組成的T形截面或雙槽鋼組成的工形截面。

（2）鋼材本身防腐蝕，即采用具有抗腐蝕能力的鋼材。處于外露環境，且對耐腐蝕有特殊要求或處于侵蝕環境中的承重結構，可采用耐候結構鋼。通過添加少量合金元素Cu、P、Cr、Ni等，使其在金屬基體表面形成保護層，耐候鋼的耐大氣腐蝕性能是普通碳素鋼的2～8倍。

（3）涂層防腐蝕。涂層防腐蝕包括防腐蝕涂料和各種工藝形成的鋅、鋁等金屬保護層。防腐蝕涂料一般分為底涂料、中間涂料、面涂料，根據環境腐蝕條件、防腐蝕設計年限、施工和維修條件等進行配套設計，應選擇相互間結合良好的涂層配套。

5 防火防爆設計

建筑防火防爆設計是鋼結構工業建筑設計中的重點內容之一，主要從以下幾點來控制。

（1）正確定義建筑物的火災危險性類別?；馂奈ｋU性分為甲、乙、丙、丁、戊5類。設計師應對工業建筑內生產和使用的物質特性有充分的了解，具體操作過程中不應人為壓低火災危險性分類。

（2）正確定義建筑物各構件的耐火等級。耐火等級共分為一級、二級、三級、四級4個等級。一般鋼結構工業建筑按二級耐火等級設計的居多，實際操作時往往會人為提高建筑物的耐火等級，以獲得較大防火分區面積，此時應注意對鋼柱、鋼梁、支撐等承重構件采取防火措施，使其達到建筑物相應的耐火等級要求。

（3）合理劃分建筑物的防火分區，對每個防火分區的面積進行嚴格控制。注意建筑物安全出口數量、疏散寬度、疏散距離需要滿足規范要求。

（4）嚴格做好工業建筑的防爆設計。工業建筑中有爆炸危險的廠房或廠房內有爆炸危險的部位應設置泄壓設施。一般采用輕質屋蓋和輕質外墻泄壓，作為泄壓設施的輕質屋面的單位質量不宜超過60kg/m2。廠房泄壓面積按照公式A=10CV2/3計算，復核實際泄壓面積大于計算泄壓面積，保證工業建筑的使用安全。

（5）裸露鋼構件的耐火時限僅為15min，當環境溫度超過300℃后，鋼材的屈服強度和抗拉強度均顯著降低，耐火等級為二級時，柱的耐火極限要求不低于2.5h，梁的耐火極限不低于1.5h。鋼結構工業建筑通常采用涂刷防火涂料或包裹防火板材的方式來提高構件的耐火極限。

（6）鋼結構防火涂料分為膨脹型和非膨脹型兩大系列，膨脹型防火涂料又稱薄型防火涂料，厚度一般為1.5～7mm，其中厚度小于3mm時也稱超薄膨脹型防火涂料。膨脹型防火涂料基料為有機樹脂，配方中還含有發泡劑、碳化劑等成分，遇火后自身發泡膨脹，形成比原涂層厚度大十幾倍到數十倍的多孔碳質層，多孔碳質層可阻擋外部熱源對基材的傳熱，如同絕熱屏障；膨脹型防火涂料耐火極限可達0.5～2.0h。非膨脹型防火涂料又稱厚型防火涂料，厚度一般為10～50mm，主要成分為無機絕熱材料，遇火不膨脹，自身具有良好的隔熱性；非膨脹型防火涂料耐火極限可達0.5～3.0h。采用不燃材料制造的板材包裹鋼結構構件外表面，板材本身具有優良的耐火隔熱性，因此可以提高鋼結構構件的耐火極限；采用防火板材包裹的鋼構件耐火極限可達3.0h以上。

6 結束語

通過對鋼結構工業建筑設計特點的研究，設計人員應不斷優化其設計方案，在保證結構安全可靠的前提下，盡量節約材料、降低工程造價、縮短工期，以獲得最大的綜合經濟效益。