工業廠房鋼結構設計應用探討

田明來

中鐵高鐵電氣裝備股份有限公司 陜西 寶雞 721000

引言

工業廠房的職能是保障工業生產活動的正常開展和工廠人員的生活休息[1]，是制造業基建的重點。相應地，工業廠房的建設是制造業生產的基礎內容和管理的重要內容[2]。工業廠房設計建設的合理性和科學性是制造業工業廠房設計建設的重中之重。在眾多因素之中，建筑結構材料的穩固性和耐久性是保障工業廠房安全合理的重要條件。工業廠房設計建設經歷了磚混結構、鋼筋混凝土結構和鋼結構三個階段。當前設計首推鋼結構，最經濟實用的建筑材料是鋼結構材料[3]。

圖1 不同的結構設計

1 采用鋼結構設計工業廠房的特點

對于工業廠房結構設計中采用鋼結構設計來說，其特點比較鮮明的，優勢比較明顯。具體來看，其主要有以下四個方面：

1.1 便捷性

鋼結構大大挺高了工業廠房結構設計的便捷性。相對于采用鋼筋混凝土設計，采用鋼結構設計工業廠房能夠在很大程度上降低結構設計的難度和復雜性，極大地提高了施工的效率。

1.2 經濟性

相對于采用鋼筋混凝土等設計的其他工業廠房結構類型，采用鋼結構設計的廠房在經濟性方面也具備一定程度的優勢。由于鋼鐵自身的強度能夠承擔結構載荷和作業載荷在施工的過程中，避免了澆筑混凝土時拆模與支模材料的使用[4]，節省了施工材料成本。另外采用鋼結構設計，在單位立方內的材料價格消耗上，相較于其他設計方式，具備著非常明顯的優勢。

1.3 環保性

在環保性方面，采用鋼結構設計相較于其他設計方式具備比較強的競爭力。鋼結構在施工過程中，對周圍的環境影響甚微，而且還可以回收利用。所以從對環境影響小和可回收利用兩個方面確保了其環保性強。

1.4 空間利用率高

在空降利用率方面，鋼結構設計相較于其他設計具有更大的優勢。在工業廠房設計與施工中，如果選用鋼結構設計方式，往往會采用搭接裝配，其結構所占用的空間相較于其他方式明顯小。另外鋼結構可重構，也為工業廠房設計的變化提供了多種可能。上述是鋼結構在工業廠房結構設計中的一些較為明顯的優勢，但是事物幾乎沒有十全十美的。目前鋼結構材料防腐蝕性和防火性能力表現平平，這使得采用鋼結構的工業廠房在防腐蝕性和防火性方面存在著不足。這些缺陷需要在具體的工業廠房設計中重點關注，揚長避短，切實發揮鋼結構的應用價值。

2 工業廠房結構設計中鋼結構設計的要點

2.1 工業廠房屋面結構設計

對于應用于生產的工業廠房，其最核心的因素之一便是穩定，所以要對其支撐體系進行合理與嚴謹的設計。其中承擔著非常重要支撐作用的結構便是屋面，所以屋面結構的設計是一個要點，需要針對實際的屋面受力，進行恰當的分析，再行設計，保障其支撐效果，提高工業廠房的可靠性和安全性。

2.2 防水設計

不僅是工業廠房，對于建筑，防水是一個必須考慮的要點。在傳統的重力排水設計外，考慮虹吸設計。在陰雨天氣時，由于虹吸作用，可以使得工業廠房屋頂的雨水快速被排放。采用虹吸排水，可以滿足鋼結構工業廠房大跨度屋面的排水要求。

2.3 防火性設計

鋼結構耐熱不耐火，防火設計又是一個重中之重。在實際的設計過程中，對鋼結構工業廠房的防火性能應該著重考慮。可以在鋼結構表面噴涂水性或油性涂料提高鋼結構工業廠房的耐火性。

2.4 防腐性設計

鋼結構耐腐蝕性較差，需要根據工業廠房所處的環境對鋼結構進行防腐蝕性設計。在要求較高的地方需要考慮陽極保護的設計。

2.5 全面性設計

在實際的工業廠房結構設計中，還應該針對具體的要求全盤地考慮。這其中包括工業廠房的類型與用途。根據機械設備安裝形式與生產流水線布置，進行各方協調設計等。

3 鋼結構在工業廠房設計中的應用

3.1 工程概況

本節重點分析鋁合金鑄造工業廠房。鋁合金鑄造加工工藝設計流程比較復雜，從鋁合金砂型、熔煉開始到鋁合金鑄件澆注成型并進行成品鑄件打磨，環節比較多，空間環境影響大，鋁合金鑄造鋼結構廠房在設計上要重點考慮高溫和粉塵防爆問題，并要考慮環保排放到達該地區標準，廠房設計要求更加嚴格。

由于廠房地理處于市區主干道，并與大橋相鄰，按市建筑規劃及環保方面要求，鋁合金鑄造生產除塵排放裝置不能設置在臨街面上，為了便于生產、辦公人員出入方便，要求生產車間與車間辦公區貼建在一起。

為了提高該廠房的生產實用性，在辦公區二層增加觀察生產區回廊，但是增加了消防分區的難度。由于各方面因素需要兼顧考慮，進一步提高了廠房設計的復雜性。

主體廠房為單層鋼結構，局部三層辦公輔房為鋼筋砼框架結構，整體建筑面積18334.70m2，長度為143m、寬度為127m，廠房建筑高度13.94m。

表1 廠房建筑參數表

廠房內需要設置起重機（天車），另外綜合考慮生產線布置，采用三連跨加兩連跨結構。三跨和兩跨的中間采用露天跨連接，如圖2所示。在每跨內設置2臺5噸LD型單梁式起重機，軌道標高9.6m，廠房耐火等級乙級、抗震等級烈度8度。

圖2 跨示意圖

3.2 設計方案的確定

因為受到施工工藝以及流程配置要求的限制，以及消防規范、環保要求等諸因素的影響，鋁合金鑄造廠房設計采用鋼結構設計標準（GB50007-2017）、門式剛架輕型房屋鋼結構技術規范（GB51002-2015）、冷彎薄壁型鋼結構技術規范（GB50018-2002）、鋼結構工程施工質量驗收規范（GB50205-2001）、鋼結構高強度螺栓連接技術規范（JGJ82-2011）、鋼結構焊接技術規范（GB50661-2011）。鋼結構部分計算程序采用中國建筑科學研究院建筑工程軟件研究所研制的PKPM系統軟件PKPM2010-V4.2。

為了更好地滿足鋁合金鑄造生產設備及工藝相關要求，以及工序排產、周轉等方面的影響，設計采用為五聯跨門式剛架輕鋼結構，各跨度自南向北分別為24m、24m、21m、18m（露天）、21m、18m，柱距7.5m，如表2所示。中間為露天跨，主要用于環保設備除塵裝置，循環水泵房、打風房、配電房等附屬設施，有效地緩解廠房內生產設備安裝空間，降低了廠房內噪音影響，尤其是環保設備除塵裝置的高煙囪，避免了在廠房內設置伸出屋面增加了滲漏點又不美觀的弊端，保證了屋面使用壽命。

表2 五聯跨門式鋼架輕鋼結構設計參數

鋼結構設計在鋼柱、抗風柱、扶墻柱以及鋼屋架均采用H型鋼結構樣式，用不同規格鋼板在鋼結構生產廠家專用設備進行焊接加工成成品，焊接H型鋼腹板與翼緣的焊接應采用自動埋弧焊機焊，且四道連接焊縫均為雙面滿焊，不得單面焊接。鋼結構的主要受力部位不得隨意焊接或開孔。鋼構件成品檢驗合格后運至施工現場，鋼結構相互之間的連接采用10.9級摩擦性高強度螺栓連接，摩擦系數為0.4，接觸面范圍內不得刷漆及有油污。

按鋼結構防火要求，達到如表3所示的耐火條件，鋼結構表面涂防火涂料，防火涂料的性能、涂層厚度及質量要求應符合《鋼結構防火涂料》（GB14907-2002）規定，圍護結構采用75厚鋁鎂合金雙面企口夾芯礦棉板，通過方管立柱與C型鋼檁條與鋼柱、鋼屋架進行連接固定后，充分保證了整體鋼結構的強度和穩定性。

表3 構件的耐火極限

4 結束語

綜上所述，鋼結構擁有設計施工便捷性、節省材料經濟性、空間利用率高、可回收、環保性好等優勢，從傳統的鋼筋混凝土結構中脫穎而出，占據了工業廠房結構設計的一席之地，但是在其顯著的優勢下，鋼結構的防火性、防水性、防腐性需要在設計中重點考慮，在實際設計施工中，嚴格按照需求與標準保證其質量，并且考慮工業廠房后續生產工藝、流水線布置，全面協調設計，以保證工業廠房安全性和實用性并重。在未來，鋼結構的材料會隨著工業廠房要求的提升進一步發展，這將使得鋼結構的優勢更大，工業廠房的鋼結構設計更加靈活。