工業(yè)廠房結(jié)構(gòu)設(shè)計中鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計應(yīng)用研究

劉雪冬 燕家琪

中國市政工程華北設(shè)計研究總院有限公司

1 前言

工業(yè)廠房鋼結(jié)構(gòu)形式的設(shè)計合理性保證了廠房的使用可靠性和穩(wěn)定性，是安全生產(chǎn)的前提，所以設(shè)計人員要根據(jù)實際環(huán)境和使用要求，對廠房的鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計全方面考慮，使其更高程度的滿足現(xiàn)代工業(yè)建設(shè)對結(jié)構(gòu)設(shè)計提出的最新要求，為了進一步明確如何更為科學(xué)的應(yīng)用鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計，特此展開本次研究，希望能夠有效推進我國現(xiàn)代工業(yè)建設(shè)發(fā)展，使其更高程度的滿足現(xiàn)代經(jīng)濟建設(shè)需求。

2 鋼結(jié)構(gòu)工業(yè)廠房應(yīng)用價值

相比于傳統(tǒng)的鋼筋混凝土材料，鋼材基本上屬于各向同性的材料，抗壓、抗拉和抗剪強度均很高，并且具有良好的延性。門式剛架的單跨跨度可達到48米。工業(yè)廠房采用鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計，在相同的空間內(nèi)，減少了混凝土和木材等材料的使用，使得空間可利用率更高，加上現(xiàn)代化的設(shè)計，使得鋼結(jié)構(gòu)工業(yè)廠房更加的時尚美觀。鋼結(jié)構(gòu)的施工特點是鋼構(gòu)件在工廠制作，然后現(xiàn)場安裝，在具體施工的過程中，減少了搭設(shè)腳手架和支設(shè)模板等傳統(tǒng)物力和人力的投入，提高了施工速度，縮短了施工工期。安全性和施工效率顯著提高，在以后的維護過程中，也相比于傳統(tǒng)的廠房，鋼結(jié)構(gòu)廠房更加的簡單便捷，對維修人員的要求也比較低。

3 鋼結(jié)構(gòu)工業(yè)廠房設(shè)計現(xiàn)狀

3.1 整體布局存在不合理

由于鋼結(jié)構(gòu)的強度高、靈活性強，在對鋼結(jié)構(gòu)工業(yè)廠房設(shè)計時，一些設(shè)計單純?yōu)榱斯?jié)約鋼結(jié)構(gòu)的材料使用，降低成本，從而設(shè)計出空間大、跨度大的廠房。但在實際使用過程中，卻會存在很多安全隱患，比如廠房建筑物的穩(wěn)定性，生產(chǎn)設(shè)備的安裝、內(nèi)部施工等對房屋安全性的影響。這些安裝問題設(shè)計未考慮，在后續(xù)的施工中，會增加更多的施工成本，對生產(chǎn)造成不可彌補的影響。另外未考慮非結(jié)構(gòu)構(gòu)件與建筑結(jié)構(gòu)的連接的設(shè)計，會使得鋼結(jié)構(gòu)建筑在地震中的壓力載荷承受力度不同，從而在以后會出現(xiàn)鋼結(jié)構(gòu)歪斜、裂縫等問題，嚴重影響抗震性能。

3.2 造價成本控制不良

鋼結(jié)構(gòu)的設(shè)計和施工是一個復(fù)雜和系統(tǒng)性的過程，成本不僅包括鋼結(jié)構(gòu)材料本身，還需要考慮人工成本、施工器械、輔助材料等。但是在實際施工過程中，設(shè)計者沒有結(jié)合現(xiàn)場施工條件，對設(shè)計方案進行校驗，從而出現(xiàn)方案與實際施工不能匹配的優(yōu)化設(shè)計。另外設(shè)計沒有根據(jù)需要進行及時的方案修改和調(diào)整，使得鋼結(jié)構(gòu)材料和成本的控制力不夠。這樣的多方面因素，不僅造成了資源的浪費，也延誤了施工計劃和進度。

4 工業(yè)廠房鋼結(jié)構(gòu)應(yīng)用的優(yōu)越性

（1）鋼結(jié)構(gòu)以為其強度高，延性好，所以比較經(jīng)濟適用。并且鋼結(jié)構(gòu)可以回收再利用，材料環(huán)保不浪費，也極響應(yīng)了我國現(xiàn)在環(huán)保節(jié)約的生態(tài)文明建設(shè)需求，為我國建設(shè)經(jīng)濟節(jié)約型城市提供了基礎(chǔ)。

（2）鋼結(jié)構(gòu)材料與傳統(tǒng)的鋼筋混凝土材料相比，具有輕便、靈活、強度高等優(yōu)勢，根據(jù)實際使用需求，合理采用結(jié)構(gòu)形式，從而對載荷進行更合理的分配，提高了工業(yè)廠房的結(jié)構(gòu)可靠性。另外，鋼結(jié)構(gòu)的材料具有防腐蝕性及防滲透性，所以不會受外界天氣和環(huán)境的影響，從而提高了工業(yè)廠房的穩(wěn)定性和使用年限。

（3）鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件加工、制作的產(chǎn)業(yè)化，是整個結(jié)構(gòu)工程中最完善的。在工業(yè)廠房施工的過程中，幾乎所有的構(gòu)件都可以由鋼結(jié)構(gòu)加工廠集中加工生產(chǎn)之后進行現(xiàn)場拼裝和安裝。這樣的生產(chǎn)模式，使得鋼構(gòu)件的質(zhì)量控制具有其他結(jié)構(gòu)類型很難實現(xiàn)的可行性，結(jié)構(gòu)的可靠性大幅增加，從而大大提高了整體結(jié)構(gòu)的使用效率，避免了設(shè)計與施工上的浪費。

（4）同樣是得益于鋼結(jié)構(gòu)制作與安裝的高度工業(yè)化，相比較其他結(jié)構(gòu)形式，鋼結(jié)構(gòu)建筑的施工周期更短，并且受天氣等因素的影響也更小，使得項目周期更加可控，而這就為工業(yè)廠房的如期投產(chǎn)在最大限度上提供了保障，從而大大降低了工程投資成本，這個優(yōu)勢是工業(yè)建筑項目中最為重要，也是其他結(jié)構(gòu)形式所不具備的。

5 工業(yè)廠房鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計的特點

5.1 便捷性

鋼結(jié)構(gòu)由于材料的統(tǒng)一性，所以在設(shè)計和施工的過程中具有更強的便捷性。這種便捷性使得工業(yè)廠房的設(shè)計更加的簡單實用，質(zhì)量把控方便，能夠根據(jù)不同的工業(yè)需求對廠房的設(shè)計提供合理性方案，簡化結(jié)構(gòu)設(shè)計和施工難度，且能適應(yīng)不同的環(huán)境，相較于傳統(tǒng)的混凝土設(shè)計，鋼結(jié)構(gòu)材料可減輕結(jié)構(gòu)自重，降低基礎(chǔ)工程造價，縮短施工周期，使得工程早日投入使用。

5.2 經(jīng)濟性

鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計相對于傳統(tǒng)廠房來說，材料的使用相對單一，減少了其他材料的使用，且鋼結(jié)構(gòu)比較穩(wěn)固，強度高，空間載荷支持大，所以相對于傳統(tǒng)廠房，減少了材料的使用，所以經(jīng)濟性比較突出，而且鋼結(jié)構(gòu)的防滲耐腐蝕性，也減少了輔助材料的使用，所以現(xiàn)代化的廠房更加推廣鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計。

5.3 環(huán)保性

現(xiàn)代化的工業(yè)廠房對環(huán)境保護也有一定的要求，而鋼結(jié)構(gòu)由于其具有回收再利用的性能，減少資源浪費，符合我國生態(tài)文明建設(shè)的需求，為我國經(jīng)濟可持續(xù)發(fā)展提供了一定貢獻。另外，鋼結(jié)構(gòu)工業(yè)廠房在施工過程中，不會產(chǎn)生粉塵、煙塵、噪聲等環(huán)境污染，施工比較簡單，進一步體現(xiàn)了鋼結(jié)構(gòu)的環(huán)保性能。

6 工業(yè)廠房結(jié)構(gòu)設(shè)計中鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計的內(nèi)容

6.1 鋼結(jié)構(gòu)工業(yè)廠房結(jié)構(gòu)設(shè)計

任何建筑工程，都需要結(jié)構(gòu)的設(shè)計作為加工鋼構(gòu)件及施工的依據(jù)。所以鋼結(jié)構(gòu)工業(yè)廠房的設(shè)計也是不例外。設(shè)計者根據(jù)工業(yè)廠房的實際環(huán)境，生產(chǎn)工藝，采用合理的結(jié)構(gòu)形式方案。根據(jù)當(dāng)?shù)仫L(fēng)壓、雪壓等荷載工況的不同，經(jīng)過系統(tǒng)計算，設(shè)計出合理結(jié)構(gòu)構(gòu)件截面。并且圖紙需要對施工材料的型號、規(guī)格、施工順序、條件等都需要有明確的標注，避免不同技術(shù)施工的工作人員對施工結(jié)果造成不必要的影響。

6.2 鋼結(jié)構(gòu)工業(yè)廠房防火設(shè)計

鋼結(jié)構(gòu)材料的性能主要受溫度的影響比較大，較大的溫差會對廠房的穩(wěn)定性造成影響。所以在鋼結(jié)構(gòu)工業(yè)廠房的設(shè)計時，要重點考慮溫度的影響和防火方面的設(shè)計。首先，設(shè)計人員要熟知和重視火災(zāi)的危險類別、防火要求及規(guī)范等，要在設(shè)計過程中，要把防火性設(shè)計放在首位，且設(shè)計要包含消防通道、消防設(shè)施等，保證工作人員的生命安全。其次，在具體施工的過程中，要采用具有一定防火能力的構(gòu)件，要對鋼結(jié)構(gòu)涂抹防火涂料，進一步減少火災(zāi)帶來的隱患，全面提高鋼結(jié)構(gòu)廠房的防火性能。

6.3 鋼結(jié)構(gòu)工業(yè)廠房抗震設(shè)計

根據(jù)工業(yè)廠房所處地理位置的抗震規(guī)范要求，對鋼結(jié)構(gòu)工業(yè)廠房采取相應(yīng)要求的抗震設(shè)計。這就要求設(shè)計者在設(shè)計的過程中，需要明確建筑物的傳力路徑，保證整個結(jié)構(gòu)的受力路徑是明確的。不同結(jié)構(gòu)形式，合理設(shè)置橫向結(jié)構(gòu)和縱向結(jié)構(gòu)，控制廠房變形在規(guī)范要求范圍內(nèi)，避免因部分結(jié)構(gòu)或構(gòu)件的破壞而導(dǎo)致整個結(jié)構(gòu)喪失抗震性能。建筑結(jié)構(gòu)在地震過程中受到的損傷，多是由于支撐結(jié)構(gòu)的構(gòu)件達不到具體的強度要求，這樣在地震力作用下，建筑結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性得不到有效支撐點，從而發(fā)生倒塌。因此在鋼結(jié)構(gòu)工業(yè)廠房設(shè)計過程中，需要保證廠房支撐系統(tǒng)的科學(xué)性和合理性，全面提高工業(yè)廠房結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，確保鋼結(jié)構(gòu)工業(yè)廠房達到較好的抗震性能。

6.4 鋼結(jié)構(gòu)工業(yè)廠房防腐設(shè)計

鋼結(jié)構(gòu)由于本身材料的限制，長期暴露在空氣中容易被氧化，而且如果處于潮濕的環(huán)境下，也容易生銹腐蝕，當(dāng)銹斑和氧化嚴重時，會影響鋼界面的受力均衡，從而使整體的鋼過于集中，導(dǎo)致鋼結(jié)構(gòu)的不穩(wěn)定。因此，在設(shè)計及施工的過程中，設(shè)計者要充分考慮工業(yè)廠房的環(huán)境，提前設(shè)計好工業(yè)廠房鋼結(jié)構(gòu)的防腐蝕及防氧化的方案，例如可以選擇抗氧化性強的鋼材料，在鋼結(jié)構(gòu)表面涂抹防腐蝕的涂料等，從而保護鋼結(jié)構(gòu)材料，環(huán)境惡劣的地區(qū)，還可以增加防腐涂料的厚度，阻斷腐蝕因子的破壞性，增強鋼結(jié)構(gòu)的耐腐蝕性。

7 鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計強化策略

7.1 確定施工方案

受到流程配置要求和施工工藝的影響，基礎(chǔ)施工時應(yīng)考慮設(shè)備基礎(chǔ)的影響，條件允許下可同時施工，另外做好地腳螺栓的預(yù)留，尤其位置的準確性，應(yīng)對埋設(shè)精度進行多次復(fù)測。一般工業(yè)廠房高度較大，使得鋼柱截面較高，應(yīng)采用座漿墊塊法來保證鋼柱標高。單根柱的安裝沒有其他構(gòu)件為附著時應(yīng)采取一定固定措施。梁柱施工時應(yīng)先采用安裝螺栓進行組合吊裝，待整個結(jié)構(gòu)有一定穩(wěn)定作用后方可大面積施工安裝。待梁柱支撐全部調(diào)試完成后應(yīng)及時完成高強螺栓的終擰，在此過程中，能夠確保整體抗結(jié)構(gòu)抗側(cè)彎具有一定的穩(wěn)定性和強度。

7.2 優(yōu)化結(jié)構(gòu)計算

隨著現(xiàn)代技術(shù)的不斷發(fā)展，鋼結(jié)構(gòu)工業(yè)廠房的設(shè)計，設(shè)計人員根據(jù)現(xiàn)場的測量結(jié)果，會利用相關(guān)的計算機軟件，對不同的要求進行相關(guān)技術(shù)，從而得出不同的驗算結(jié)果，更加的全面和精確，不僅提高了工作效率、施工效率，也能核算出最優(yōu)方案，減少了反復(fù)修改方案的次數(shù)。

7.3 協(xié)調(diào)整體布局

工業(yè)廠房的鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計要與整體的生產(chǎn)模式相匹配，這是保證企業(yè)正常生產(chǎn)的必備條件。所以設(shè)計者，要充分考慮工業(yè)廠房的實際用途，設(shè)計經(jīng)濟實用的鋼結(jié)構(gòu)工藝。所以在通常情況，設(shè)計者要根據(jù)生產(chǎn)需求，在滿足廠房墻體厚度和高度的條件下，合理分布鋼結(jié)構(gòu)支架，保證整個廠區(qū)受力均衡，通常情況下，鋼支架具體包括框架，索膜，塔桅，空間桁架，平行桁架，網(wǎng)架等多種分布形式。相關(guān)工作人員在具體進行項目設(shè)計之前，需要充分了解工業(yè)廠房生產(chǎn)需求，確保結(jié)構(gòu)布置和生產(chǎn)工藝可以為對方提供一定的便利條件。在設(shè)計工藝布置圖之前，建設(shè)方必須提供工藝圖，確保設(shè)計師能夠充分理解工藝布置和柱間支撐位置的關(guān)系，與此同時，還需要確保工業(yè)廠房結(jié)構(gòu)能夠最大程度滿足需求，進而保障整體結(jié)構(gòu)具有更高的合理性和安全性。除此之外，在具體設(shè)計過程中，還需要對鋼材結(jié)構(gòu)性加強重視，在選擇應(yīng)用鋼材時，相關(guān)人員必須對其整體工業(yè)設(shè)計方案全面掌握，基于具體要求進行鋼材采購，保障廠房整體性能。

8 結(jié)束語

鋼結(jié)構(gòu)材料相比于混凝土有著明顯的優(yōu)勢，所以鋼結(jié)構(gòu)工業(yè)廠房也越來越廣泛使用。設(shè)計人員應(yīng)該根據(jù)工業(yè)廠房的實際需求，嚴格按照鋼結(jié)構(gòu)材料使用標準，設(shè)計出合理結(jié)構(gòu)形式的鋼結(jié)構(gòu)工業(yè)廠房，提高環(huán)保性能，增加使用性能，建設(shè)經(jīng)濟適用的結(jié)構(gòu)合理的工業(yè)廠房。