大空間工業(yè)廠房鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計及優(yōu)化措施

夏正新

摘要：就工業(yè)生產(chǎn)企業(yè)而言，工業(yè)廠房發(fā)揮著不可取代的作用，其性能的優(yōu)劣直接影響到企業(yè)的生產(chǎn)效率。為此，在建造工業(yè)廠房過程中，為了降低給環(huán)境產(chǎn)生的不利影響，將工業(yè)廠房建筑施工費用降至最低，增加建筑的美觀度，一般建設(shè)主體會選擇以鋼結(jié)構(gòu)為施工原材料。大空間鋼結(jié)構(gòu)工業(yè)廠房是一種集自重輕、抗震性能強、可供企業(yè)進行生產(chǎn)的重要場地，其結(jié)構(gòu)性能會對化工企業(yè)的生產(chǎn)活動產(chǎn)生顯著影響。鑒于此，迫切需要優(yōu)化大空間工業(yè)廠房鋼結(jié)構(gòu)的設(shè)計，本文將重點探討大空間工業(yè)廠房鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計及優(yōu)化措施。

關(guān)鍵詞：鋼結(jié)構(gòu);工業(yè)廠房;優(yōu)化設(shè)計

大空間工業(yè)廠房作為化工企業(yè)的關(guān)鍵生產(chǎn)場所，其施工質(zhì)量與工作人員的人身安全以及工業(yè)生產(chǎn)效率息息相關(guān)，因此要重視其建筑的結(jié)構(gòu)設(shè)計。進入二十一世紀后，憑借著自身特有的優(yōu)勢，鋼結(jié)構(gòu)工程的運用范圍愈來愈廣，且逐步取代了傳統(tǒng)廠房磚混結(jié)構(gòu)的位置。眾所周知，鋼結(jié)構(gòu)工業(yè)廠房有自重輕、抗震性能突出等特征，對企業(yè)各項生產(chǎn)活動的開展具有重大影響，為此有必要深層次研究如何優(yōu)化大空間工業(yè)廠房鋼結(jié)構(gòu)的設(shè)計。

1 大空間工業(yè)廠房鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計的主要問題

1.1 精確度不高

在鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計中，計算設(shè)計結(jié)果的可靠程度主要由荷載取值的精準(zhǔn)性所決定，然而部分設(shè)計人員在設(shè)計鋼結(jié)構(gòu)中無法有效確保荷載取值的精準(zhǔn)性，造成由于墻體布置影響結(jié)構(gòu)整體剛度、支撐物安裝位置不科學(xué)等，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)總體的穩(wěn)定程度受到不良影響。

1.2 整體布局存在問題

在大空間工業(yè)廠房鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計過程中，要重視整體的布局，堅持用整體觀念著眼于方案的設(shè)計。鋼結(jié)構(gòu)廠房是企業(yè)布局中的重要構(gòu)成，是企業(yè)進行生產(chǎn)的關(guān)鍵場地之一。在大空間工業(yè)廠房鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計過程中，必須綜合考慮企業(yè)特征、廠房要求、氣候以及面積等諸多因素，促進廠房和企業(yè)其他建筑之間能夠維持協(xié)調(diào)。然而，部分設(shè)計人員在設(shè)計大空間工業(yè)廠房過程中沒有站在大局角度進行考慮，導(dǎo)致工業(yè)廠房和其他建筑的位置出現(xiàn)矛盾;比如居住區(qū)和工業(yè)廠房相距太近，廠房形成的有害氣體或者噪聲，會影響周圍居民的工作效率與身體健康等問題。

1.3 建筑結(jié)構(gòu)不科學(xué)

項目造價和企業(yè)效益存在密切聯(lián)系，實際上設(shè)計大空間工業(yè)廠房鋼結(jié)構(gòu)費用的高低關(guān)乎到整個廠房的施工成本，然而部分設(shè)計人員在設(shè)計大空間工業(yè)廠房鋼結(jié)構(gòu)時沒有重視成本控制問題。比如設(shè)計大空間工業(yè)廠房鋼結(jié)構(gòu)的方案不合理，未將承重結(jié)構(gòu)的安裝工作做到位，導(dǎo)致資源浪費問題出現(xiàn)，有的甚至使廠房安全質(zhì)量達不到設(shè)計要求，此時就需要重建拆除，導(dǎo)致項目成本與返工頻率的增加。

1.4 溫度影響產(chǎn)生伸縮縫

由于溫度應(yīng)力過大導(dǎo)致建筑物開裂，在一定長度范圍內(nèi)根據(jù)建筑物的結(jié)構(gòu)體系不同而設(shè)置伸縮縫，是規(guī)范所規(guī)定的內(nèi)容，一般情況均應(yīng)遵照執(zhí)行。但是在鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的建筑物中由于設(shè)置了伸縮縫卻帶來很多問題，尤其在地震區(qū)更是問題多多。

2 大空間工業(yè)廠房鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計的優(yōu)化措施

2.1 抗震性設(shè)計

在設(shè)計大空間工業(yè)廠房鋼結(jié)構(gòu)過程中，要重視工業(yè)廠房的抗震性能。為強化抗震效果，設(shè)計人員需要采用合理的設(shè)計方案，一方面要精準(zhǔn)掌握與之對應(yīng)的抗震等級，另一方面要嚴格控制鋼結(jié)構(gòu)的整體效果，將相關(guān)預(yù)防工作做到位，有效確保廠房建筑的可靠性與穩(wěn)定性。在場地的選擇上要優(yōu)先選用對廠房結(jié)構(gòu)有利的地段，在廠房的結(jié)構(gòu)平面布置上要突出整體性，要合理做好整體穩(wěn)定、整體與局部穩(wěn)定之間的關(guān)系;在平面布置時宜采用穩(wěn)定性能較強的矩形，立面宜簡單對稱，同時在平面布置過程中要注意鋼架、柱間支撐的布置堅持簡單對稱的原則，這樣的設(shè)計可提高廠房整體構(gòu)造的荷載力和穩(wěn)定性能，使廠房抵御地震災(zāi)害的能力顯著增強。

2.2 防火、隔熱設(shè)計

現(xiàn)階段，在大空間工業(yè)廠房建筑結(jié)構(gòu)領(lǐng)域內(nèi)鋼結(jié)構(gòu)取得了大范圍運用。與混凝土結(jié)構(gòu)相比，鋼結(jié)構(gòu)有塑性強、強度高等特征，然而鋼材易受溫度影響，鋼材導(dǎo)熱性強，當(dāng)溫度超過100℃時，鋼材的抗拉強度會變差，可塑性增強。但在溫度超過250℃的情況下，其可塑性會變差。在相關(guān)應(yīng)力作用下，碳素鋼（大于420度）合金鋼（大于420～500度）時發(fā)生蠕變，其隔熱、防火能力往往會劣于混凝土結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致鋼結(jié)構(gòu)的工業(yè)廠房存在顯著安全隱患。鑒于此，在設(shè)計大空間工業(yè)廠房結(jié)構(gòu)過程中，如果鋼結(jié)構(gòu)表面溫度超過了150℃，為保證工業(yè)廠房的可靠性與安全性，要重視隔熱性能與防火性能^[1]。為提升防火設(shè)計的合理性，首先要考慮其生產(chǎn)類別、施工工藝圖、工業(yè)廠房對隔熱、防火的需求等影響因素，將防火等級確定下來后，以國家防火規(guī)范為依據(jù)進行設(shè)計，結(jié)合防火等級要求和質(zhì)量要求選用合適的材料，并將防火涂料涂抹于鋼材表面。同時，在進行防火設(shè)計過程中需優(yōu)化大空間工業(yè)廠房的平面布局，合理設(shè)計安全疏散通道、防火隔熱設(shè)施、消防樓梯等，以有效保證火災(zāi)事件突發(fā)的情況下可安全撤離在場生產(chǎn)的工作人員，減少人員傷亡數(shù)量，降低火災(zāi)引發(fā)的負面影響。而在進行隔熱設(shè)計過程中，要做好耐熱保護工作，比如對于化學(xué)工業(yè)廠房，應(yīng)做好對其內(nèi)部的加熱爐周圍輻射區(qū)域中鋼材的相關(guān)保護工作。

2.3 屋蓋支撐體系設(shè)計

屋蓋支撐體系的設(shè)計和屋蓋架構(gòu)形式、生產(chǎn)車間的跨度與高度、吊車的噸位及其設(shè)置等諸多因素息息相關(guān)。一般而言，不管是否存在鑲條，都應(yīng)將縱向支撐設(shè)立于屋蓋架構(gòu)內(nèi)。如果大空間工業(yè)廠房屋架中或是其20米范圍內(nèi)設(shè)置了大規(guī)模振動裝置或是大噸位吊車，就要將垂直方向的支撐安設(shè)于廠房內(nèi)部。此外，在設(shè)計此支撐過程中，應(yīng)采取天溝方式將屋面坡度設(shè)置到位，這樣才能有效確保工業(yè)廠房建筑具有較為優(yōu)越的防水性能。

2.4 鋼結(jié)構(gòu)截面設(shè)計

承重柱的高度、間距以及跨度對鋼結(jié)構(gòu)的截面大小具有決定性影響，為此要采取合理方式將設(shè)計工作做到位。首先，要把所有會對承重柱的間距、高度、跨度形成影響的數(shù)據(jù)進行精準(zhǔn)地計算，保證這些數(shù)據(jù)的精準(zhǔn)度，否則容易出現(xiàn)設(shè)計誤差^[2]。只要能保證截面設(shè)計合理、科學(xué)，就能增加建筑物的美觀度。

2.5 立面設(shè)計

立面設(shè)計指的是以形狀設(shè)計、顏色布局、規(guī)模等為著眼點，使工業(yè)廠房的外觀發(fā)生變化，對其予以美化加工。為此，在設(shè)計工業(yè)廠房過程中，一方面要高度重視顏色的搭配，顏色處理得當(dāng)，對工作人員工作的積極性具有顯著的調(diào)動作用。比如入口處宜選用跳躍性顏色，增加入口的清晰度與立體感，讓員工能提早進入工作狀態(tài);以鮮艷的顏色標(biāo)注于危險位置，警示工作人員切勿接觸;用采光板裝飾廠房，以其頂替窗戶，防止建筑的整體性與線條遭到破壞。

2.6 伸縮縫設(shè)置設(shè)計

2.6.1 在設(shè)計大空間工業(yè)廠房過程中，框架梁多數(shù)采用預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)，可以減少柱數(shù)量、增強梁板剛度。在梁中所施加的預(yù)壓應(yīng)力可抵消由于混凝土溫度變化和收縮產(chǎn)生的軸向拉應(yīng)力，從而達到擴大溫度伸縮縫間距的目的。

2.6.2 在設(shè)計大空間工業(yè)廠房過程中，帶設(shè)置的寬度和間距，在規(guī)范中規(guī)定間距約為每 30～40m 設(shè)置一道后澆帶，帶寬 0.8～1.0m。如果在施工條件許可的情況下，還可以將后澆帶的寬度適當(dāng)放大。

2.6.3 對于單層高低兩跨現(xiàn)澆鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)，在高低跨處容易產(chǎn)生的應(yīng)力集中，導(dǎo)致裂縫產(chǎn)生，為此對此部位采取有效了構(gòu)造措施。

3 結(jié)語：

綜上所述，大空間鋼結(jié)構(gòu)工業(yè)廠房憑借著自身具有建造費用低、外觀美、建造時間短的優(yōu)勢被大范圍地應(yīng)用。近些年來，我國出現(xiàn)了許多化工企業(yè)，其對工業(yè)設(shè)施提出了相當(dāng)高的要求，對空間的要求也愈來愈高，導(dǎo)致大空間鋼結(jié)構(gòu)工業(yè)廠房的設(shè)計面臨著巨大挑戰(zhàn)。為此，相關(guān)設(shè)計人員要優(yōu)化和創(chuàng)新大空間工業(yè)廠房鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計及相關(guān)技術(shù)，推動我國工業(yè)廠房施工技術(shù)實現(xiàn)跨越式發(fā)展。

參考文獻：

[1]陳貴敏.關(guān)于鋼結(jié)構(gòu)廠房施工與安裝質(zhì)量控制要點淺談[J].四川水泥，2019（10）：236.

[2]劉世品.鋼結(jié)構(gòu)在工業(yè)廠房結(jié)構(gòu)設(shè)計中的應(yīng)用[J].工程技術(shù)研究，2019，4（14）：140～141.