工業項目結構設計分析與要點

郭中偉

中國電建集團華東勘測設計研究院有限公司 浙江 杭州 310000

引言

眾所周知，工業建筑是以工業生產為目的的建筑，這點與民用建筑有很大區別。大多數工業生產需要使用大型機械設備，因此施工現場也需要滿足容納設備的空間需求，對結構的穩定性要求也更為嚴格，因此，應根據不同的生產工藝設計相應的需求結構。

1 工業建筑基礎結構設計

1.1 地基和預埋件

從工業建筑工程設計的角度來看，混凝土的標號及保護層厚度須與結構的耐久性及環境類別相適應。各設備埋件和基礎連接處應提供清晰與詳細的施工圖、節點圖，且各臨近設備基礎處各基礎應相互脫開，盡量不要合并使用，以防止因荷載差異較大導致的不均勻沉降變形。砌體結構在部分墻體上集中荷載較大，因此應按照實際的需求增加條基寬度。此外，依據建筑地基基礎設計規范還要注意靠近邊坡的基礎應與邊坡保持足夠的距離。

工業建筑就是個重要的載體，設備平臺上要安裝許多設備，從而就會需要進行預埋及開孔工作。在施工設計圖紙中，技術人員需要在整體結構施工圖中清晰注明預埋件的尺寸和開孔定位。不少項目由于預埋件遺漏，不得不在后期進行補充埋件，需要現場植筋耗費大量人力物力，還會對相關結構有損傷。技術交底時應明確施工單位有關埋件位置和規格要求。在工業廠房的鋼立柱安裝過程中，應注意保證預埋件的安裝精度及保護工作，如：鋼結構出廠前，構件表面除安裝連接的接觸面及工地焊縫兩側50mm范圍內，其余均須涂刷防銹底漆。

1.2 各構件的設計

在工業工程主體結構設計中，在柱截面柱的選擇上，為有效保證其經濟性，適合選用混凝土柱或鋼柱，如：H型鋼、焊接組合型鋼、混凝土立柱。外部廠房一般選用鋼結構，而廠房內的設備平臺較多采用混凝土結構以防止設備的震動。采用鋼結構時，可增加側向支撐等，以減少車間立柱長度。支撐構件的結構一般既可以按拉桿設計較經濟，重要結構也可按壓桿。由于工業工程的荷載比較大，為確保結構強度基本要求，需將建筑梁、柱的縱截面面積設計的比較大，鋼筋又厚又密，給其他施工工序帶來不同程度的困難[1]。為準確控制整個橫梁截面的配筋高度，一些橋梁設計人員將配筋率提升至2.5%，這在實踐中很難實現。如果梁、柱鋼筋重量分布過密，梁、柱各節點區的鋼筋很難將混凝土澆筑密實，無法直接安全插入無人地震探測桿，造成梁柱鋼筋嚴重松動和位移，留下諸多安全隱患。在實際的配筋設計中，首先要通過綜合分析，考慮是否增加各種橫斜截面的使用高度，降低配筋率。

目前，大多數現澆板和鋼筋的加工都是由普通PKPM或YJK等軟件自動生成的，這可以更好地提高出圖速度和精度。在正確計算鋼板配筋時，應充分考慮鋼筋的塑性變形和應力分布。板上各鋼筋塊應力乘以彎曲衰減放大系數0.8～0.9，板下鋼筋塊應力乘以放大系數1.1～1.2。若按彈性力學中的理論方法計算鋼筋雙向移動板的最大應力，則計算結果更為保守，無須人為放大。

對于混凝土設備平臺，要特別注意水平動荷載情況下的結構擾動情況，機械工業部曾編了本動力機器基礎設計規范（GB50040-96，較老現已更新）對各類壓縮機、破碎機、沖擊機器等作了詳細說明和計算方法。設備平臺對應的梁、柱、板的構造尺寸均比正常荷載下增大很多，設計人員進行優化時務必要慎重，以免優化后，設備的振動出現問題，后期再去加固就比較麻煩了。在平臺前期設計方案中也應盡量做到設備支點盡可能落在立柱上，如不滿足可落在主框架梁上，對于落在次梁上的方案要進行及時糾正。

1.3 樓梯的設計

在各類工業機房、辦公區建設工程中，樓梯大多采用板框結構，出于美觀大方也施工便捷。然而，需要在高層梯梁與高層踏步板之間應留有足夠寬度，特別是在高層建筑的出入口，且臺階高度之間的距離不應超過20cm，防止不慎跌倒。休息室平臺上部與梯板兩側下部水平搭接方向上部同時加固，鋼筋與梯板兩側下部搭接。在一些特殊情況下，如鋼板結構樓梯的反拱跨度已超過5m，施工中不易達到要求的撓度，因此在建筑施工設計圖紙中，特別是在指標中增加反拱是很有必要的。

而對于鋼結構樓梯，由于其施工速度快，自重輕也經常被用于各類結構中。如果是混凝土結構里的鋼結構斜梯需注意做好預埋板以便鋼與混凝土的連接，如果是鋼結構平臺上的鋼斜梯，注意鋼斜梯盡量與主體結構脫開，以免鋼斜梯形成空間結構，對鋼結構整體不利。

2 工業建筑結構設計中的要點

2.1 防腐蝕和防火設計

一是按照地勘提資中的腐蝕性等級劃分合理地選用混凝土及鋼結構材料，對鋼結構做好相應的防火涂料，各構件的防火要求不一，具體可參見新版的建筑防火規范；還應注意項目當地的水位情況，對于地下有水的結構應注意防腐蝕的設計。

二是防水材料，一般來說，大多數防腐建筑工程都會選擇瀝青、橡膠等材料作為防滲隔離層，這主要是因為這些材料對建筑物的防水隔離能力具有良好的抗氧化性和防水穩定性。

2.2 鋼結構設計

在整個工業建筑中，鋼結構扮演者極其重要的角色，各常見的鋼結構形式需注意以下幾點。

2.2.1 鋼廠房：鋼結構廠房使用較為廣泛，有門剛、排架和鋼框架等各類形式。門剛一般用于無吊車情況或風荷載較小，而且高度小于18m的輕型廠房。排架一般用于重鋼廠房，立柱通常是格構柱形式，而且吊車荷載通常較大。框架結構多用于高度大于18m的廠房，此時應注意規范的選取，不應再按門剛的要求了，應依據建筑抗震設計規范（GB50011-2010）和鋼結構設計標準（GB50017-2017）來進行設計，后者的要求較嚴，而且用鋼量也會增加不少[2]。在具體設計過程中，應注意柱腳節點的選擇，鉸接、固接，平板節點、外露式、外包式、埋入式；一般為了達到固接要求，設計人員更愿意采用埋入式，但這個要根據現場情況。如果不允許可采用杯口基礎或外露式剛接。對于外露式剛接應注意地腳螺栓不要選取過大，筆者曾見到過采用80以上的地腳螺栓，現場看到那是很夸張了；柱底板厚度也應與柱腳螺栓匹配，對于上述80的地腳螺栓，即使能選到匹配的柱底板厚，當大于40mm時還要考慮板件鋼材宜具有厚度方向抗撕裂性能即Z向性能的合格保證（依據鋼結構設計標準4.3.5條）。

2.2.2 鋼結構平臺：由于軟件里一般沒有構筑物抗震設計規范（GB50191-2012）這一選項，計算時可依據建筑抗震設計規范（GB50011-2010）和鋼結構設計標準（GB50017-2017）來進行設計，而對于一些不適用抗震設計規范的要求可依據構筑物抗震設計規范第七章等進行適當調整，構筑物規范鋼結構這塊沒有抗震等級一說，注意對比兩本規范的異同。如：對于底部剪力法，建筑抗震規范的限值為40m，二構筑物抗規的限值就大很多可以到55m甚至65m；對于基礎零應力區的限值兩本規范也有區別，構筑物規范要求松一些分了25%、15%和0三檔，而建筑抗震規范只有15%和0兩檔；重力荷載代表值的選取區別較大，樓面等效均布荷載構筑物規范取值較大0.5～0.7注意兩者區別。

2.2.3 膠帶機通廊結構：由于通廊一般需要大跨故實際工程一般采用鋼結構，對于膠帶機的抗震及構造措施等可參見構筑物抗震設計規范（GB50191-2012）及鋼鐵企業膠帶機鋼結構通廊設計規范（YB4358-2013）的相關要求，要特別注意桁架應一端固定一端滑動，以免出現應力集中；當通廊跨度大于24m，8、9度地震時需考慮豎向地震作用。而對于通廊支腿的設計，如果通廊跨度較大、支腿較高時要考慮水平向風載下支腿基礎的抗傾覆以及柱腳螺栓的抗拔，此時需控制基底零應力區，建議按無零應力區控制。值得注意的是：YB4358-2013中4.5.2條文說明中提到封閉式廊身體型系數較建筑結構荷載規范增大不少（1.0+0.7=1.7遠大于1.3），筆者建議設計時參照此條執行。對于膠帶機支腿結構，頂部寬度可按工藝要求來確定，而底部寬度應注意寬高比不能過小，一般按1/4～1/8，如超出應注意三維建模，考慮水平荷載情況下的柱腳及基礎設計等。通廊的高度可按工藝要求，但如果跨度大于24m時應注意桁架高度與跨度的比值控制，一般控制在1/10～1/14；如筆者具體設計遇到的某50m跨通廊，如果按普通通廊的3m高設計就不合適了。

2.2.4 安裝：鋼結構節點采用螺栓連接應留足實際安裝空間，不少新手螺栓節點設計得很密，未考慮實際施工的難度和可行性，現場無法按圖施工，這就給結構設計留下安全隱患。實際焊接連接設計中應考慮了連接施工的方便性，如關鍵部分盡量少采用現場焊接（仰焊更應避免采用），以免質量達不到設計要求。高強連接螺栓可廣泛應用于建筑梁柱、梁柱、梁的無縫連接。在施工和使用過程中，必須特別注意隨時控制固定節點的位置和螺栓的布置和分布。此外，我們還根據需要對建筑整體鋼結構施工圖進行了詳細的說明，并注意鋼結構對應的防腐防銹、制造、施工安裝等工序。鋼結構廠房安裝過程中尚應注意根據設計和施工工況要求，采取措施保證結構的整體穩固性，具體可參見門剛規范14.2.5條的要求。

2.2.5 節點：節點設計是鋼結構設計的重要內容，而鋼結構的安全很大程度上取決于每個節點的施工。接頭的設計要力求結構簡單、傳動可靠、受力清晰、工藝性好。在工業廠房的鋼結構設計中，這些是至關重要的[3]。在施工過程中，各構件的截面不宜任意增大，以免形成不合理的結構，如隨意加大梁的截面無法實現“強柱弱梁”這對結構來說是不安全的。另外鋼結構設計標準（GB50017-2017）12.2.3條中對節點板的局部穩定有了詳細的說明，斜撐做成壓桿時注意節點板厚度等應滿足此條要求，以免節點處出現局部失穩的情況。對于柱腳螺栓設計時：柱基礎二次灌漿的空間應符合門剛規范14.2.4條的要求，鉸接時不宜大于50mm，固接時不宜大于100mm。

3 結束語

工業建筑結構設計是一項技術專業性強、復雜的工作，對設計人員和施工隊伍的專業素質和綜合技術能力提出了很高的要求。實際項目中，結構設計人員應重視與工藝人員的溝通交流以調整工藝方案來進行解決。

在滿足以上條件的情況下，還應注意以下幾點：首先，要充分結合公司自身特點，考慮制造、工藝、設備選型等因素，對性能、成本、結構、舒適性等做出科學合理的選擇。其次，設計人員應主動學習和掌握相關的規范、教材和軟件。最好不要覺得一輩子只做某一類結構而不愿去學習其他行業或相關規范，這樣很難做到觸類旁通對自身的水平成長很不利。再次，結構人員應多于同行交流，在相互交流和探討中能更好地成長，一個人的水平和造詣畢竟有限，而博百家之長才能讓自己的水平有長足進步。