多層鋼結構工業廠房結構設計常見問題

緱濤

（山東省陽光工程設計院有限公司 山東 濟南 250101）

多層鋼結構工業廠房具有外形美觀、構件小、荷載小、抗震能力強等特點，它的成本普遍較低。鋼結構構件的生產速度非常快，它對環境的破壞小，產生的污染少，并且具有較高的材料回收率，從而滿足節約資源的最終目標，努力構建綠色和諧社會，促進社會的穩定發展。

1 多層鋼結構廠房特點

1.1 多層輕鋼結構廠房特點

多層輕鋼結構廠房一般采用輕型圍護結構，這種材料自重輕，但保溫效果強，在安裝過程中消耗的時間少，這些優勢有效地提高了該材料在材料行業的競爭力，最終用于多層輕鋼廠房。此外，輕鋼結構廠房層高較高，一般大于4m，多為集中荷載，許多荷載是懸浮荷載，有時通過振動產生力。多層輕鋼結構廠房還具有施工時間短的特點，其設計與施工不斷演變為一體化，現場幾乎沒有焊接工作，大大縮短了施工時間，有效保證了項目的完工效率。多層鋼結構工業廠房不僅能滿足當今社會的綠色需求，盡可能多地使用再生材料來支持節能減排，而且還具有較強的保溫性能，因此，建設和改進多層輕鋼結構廠房，可以有效地促進社會進步。

1.2 多層工業廠房常見結構

目前，在我國的工業廠房建設中，最常見的結構形式主要是框架體系、純框架體系和鋼框架—支撐混合體系。（1）框架體系是一種水平設計的廠房結構，它主要是根據柱的形狀和支承在每個柱中間的荷載力，從而支撐整個多層廠房。可以看出，框架體系的廠房結構很經濟，但柱間占用的空間較大，造成廠房部分空間使用范圍的浪費，導致部分區域的廢棄。（2）純框架系統是一種水平和垂直使用的植物結構，它是相對于框架結構而言的，兩者最大的區別是純框架系統不需要柱支撐。該廠房結構的優點是合理利用廠房的所有空間；缺點是過度使用鋼筋，導致立柱的方向相差不大。（3）鋼框架—支撐混合體系是相對于純框架體系而言的，它主要依靠鋼架與支架之間的對抗力來達到水平效果，容易發生一定的事故。

2 多層鋼結構工業廠房結構設計要點

為了保證多層工業廠房的結構穩定性和空間充分利用性，在過去，大多數工業廠房的結構設計往往采用框架結構，然而，這種施工方法雖然節約成本、經濟實惠，但在一定程度上浪費了廠房的空間。為此，要求多層工業廠房的設計人員遵循一定的設計原則，將結構設計簡潔性原則、柱網對稱均勻原則、清晰傳力原則列為自己的設計標準。只有設計者和施工人員根據這些原則進行廠房結構設計，掌握廠房結構設計的要點，才能減少工業廠房的空間變形，避免應用集中、凹角、收縮等問題。

（1）多層工業廠房結構設計人員應合理控制水平和垂直框架的使用周期。由于多層工業廠房具有大跨度、大尺寸的特點，要求廠房結構盡可能少使用立柱，以提高工程的安全性，最大限度地利用空間。然而，橫向框架需要使用更多的柱和更小的尺寸，因此，施工人員和設計人員有必要合理調整水平框架和豎向框架，制訂最佳的設計方案。例如：一般在設備規模較小的前提下，采用水平控制的結構施工方法，以促進豎向和水平方向抗震能力的一致性，這種設計方法不僅可以預防地震災害，還可以節省企業或單位的成本；反之，在設備更大、空間更寬的前提下，設計師應利用縱向框架結構，最大限度地利用廠房用地，從而經濟合理地設計不同行業或車間的選址［1］。

（2）多層工業廠房的結構設計人員在安裝電梯時也應選擇科學合理的位置。由于多層工業廠房所涉及的工業設備和貨物往往較重，設計人員需要為生產活動建立垂直運輸電梯，從而最大限度地節省人力。而且電梯房的生產工具和材料大多為鋼筋混凝土，這些材料剛度大，這就要求設計師要意識到烘箱材料對建筑可能存在的偏心，從而最大限度地對建筑的角落和末端進行干預，以便于工作人員的正常使用。

（3）對于地質、洪水等自然災害多發地區的多層工業廠房，還應合理控制抗震縫。因為在過去房屋使用壽命較長時，如果一個建筑在設計或施工階段設計過多的伸縮縫或抗震縫，就會影響建筑的最終使用效率，而且容易出現滲水的情況。對此，施工人員應注意伸縮縫和防震縫的數量，間隔40m左右設置后澆帶，從而減輕對整個建筑結構應力點的壓力，從頂層或底層提高整個工業廠房的防震效果。

3 多層鋼結構工業廠房結構體系

3.1 建立多層鋼結構工業廠房的設計理念

當設計部門決定采用多層鋼結構工業廠房時，需要提前有一套完整的設計理念，而設計理念的提出取決于對多層鋼結構建筑結構特點的掌握和工業廠房的具體需求。除了這兩點外，設計師的個人相關經驗也具有很大的指導意義，在具體的設計工作中，如果設計內容或施工內容不符合實際要求，設計師根據個人經驗可以做出準確的判斷和處理，從而減少對施工的不利影響［2］。

3.2 綜合分析多層鋼結構建筑的特點

多層鋼結構建筑在工業廠房中廣泛應用的主要原因是輕鋼材料具有與普通鋼相同的強度和耐久性，維修材料一般為夾芯金屬板。從這些方面可以看出，多層鋼結構工業廠房具有以下特點［3］。

（1）采用集中式懸架，承載能力強。建設工業廠房，特別是大型工業廠房的主要作用是放置一些大型的工業機械設備，而這些設備需要經常使用，在使用過程中，往往會產生巨大的振動和負荷，這將對廠房建設產生一定的影響。機械設備在運行過程中會產生集中荷載和懸掛荷載，這些荷載是對廠房穩健性的重大考驗。多層鋼結構工業廠房的設計特點能滿足所有的荷載要求，具有較強的承載能力。

（2）施工周期短。工業廠房有許多建筑要求，具體內容是更高層次、更多標準建筑、適合工業化的裝配線建設。對于具體的工廠建設來說，這是一個巨大的挑戰，以上要求大大增加了施工難度，消耗了大量時間，延長了工期。多層鋼結構建筑可以很好地避免這一問題，因為多層鋼結構的施工要求相對較低、輕鋼重量小、操作安裝非常簡單，大大提高了施工效率，縮短了施工周期。

（3）防震性能。在工業廠房建設初期，應優先考慮廠房的防震，因為地震問題是造成房屋損壞的重要因素。在工業廠房的建設中，抗震能力也是廠房非常重要的安全保障，特別是在地震多發地區，抗震性能應放在建設需求的首位。在建設項目中，首先可以調查廠房所在地區近年來的地震發生情況，根據區域地震情況，選取廠房的抗震系數。必要時，尋求專業人員的幫助，進行廠房的防震設計，使工業廠房能夠適應不同地區的條件，提高廠房的使用壽命和安全性，為廠房的安全生產提供保障。

4 多層鋼結構工業廠房設計注意事項

為了使設計的多層鋼結構工業廠房滿足各種高質量的要求，其設計方案的制訂不容忽視。因此，設計師必須去許多施工現場實地考察核電站，再設計圖紙，然后精確測量和計算所有數據，以便最終確保設計方案最符合當地的地理條件，充分利用其所有功能。

4.1 負荷計算

一個工程能否安全進行，提前計算好工程各部分的負荷是非常重要的。在工程進行過程中，設計者必須提前到施工現場進行實地考察，并提前進行精確的荷載計算。具體的計算需要根據建筑結構的荷載規范進行，框架的主荷載可以直接由PMCAD 生成，從而在一定程度上保證建筑工程的施工安全和質量。由于該工程主體框架面積較大，屋面梁計算時可按0.3kN/m計算荷載［4］。

4.2 主框架設計

在主框架設計過程中，由于荷載較大，為了盡量減少用鋼，需要結合反彎點的具體位置，將梁改為變截面梁，同時，也要使其符合鋼結構設計規范的規定，以保證企業能夠獲得最大的經濟效益。大量試驗結果表明，如果框架主梁兩端剪力滿足鋼結構設計規范的相關要求，縱柱無需重新設計，即可滿足平衡要求。在縱彎梁的計算設計過程中，縱彎梁和二層次梁的數據應按兩端鉸接梁的值進行計算，并按塑性進行設計。合理的斷面設計不僅能有效地提高建筑工程的安全性能，而且能保證有限的資源不被浪費。計算出最合適的截面可以提高企業的經濟效益，幫助施工企業提高競爭力。

4.3 設置合理的失效機制

（1）遵循強柱弱梁的原則。要全面避免柱、梁的破壞，對于整個結構而言，決定其牢固與否最關鍵的因素就是柱的牢固程度。（2）強截面和弱桿。要嚴格避免節點結構的損壞和構件的損壞，對于節點來說，它與成員本身密切相關，因此，必須保證節點的完整性。（3）強剪切弱彎曲。對于實際的剪切破壞，在實際過程中是比較突然的，因此，提前預測和判斷失敗是不可能的。而對于彎曲破壞，它有一個變化的過程，并呈現曲線，可以提前預測危險，從而避免后續破壞的進一步蔓延［5］。

5 多層鋼結構工業廠房結構設計措施

5.1 全面控制四大原則，突出抗震性能

四項原則是指在設計時要兼顧經濟性和安全性，同時兼顧可靠性和實用性。然而，一些企業在廠房結構設計時，出于經濟效益的考慮，往往忽視了質量，給安全埋下了很大隱患。安全是多層鋼結構設計中最重要的考慮因素。對電站安全性能影響最大的環境因素是地震，一旦發生地震，如果核電站的設計不科學，它可能會被破壞或倒塌，導致重大事故。特別是在地殼活動頻繁的地區，要對電站的抗震系數進行精心設計，綜合考慮歷史資料和專家意見，推斷局部可能發生的最大地震，以最高地震為依據進行設計。總之，應嚴格控制設計和質量，在這四項原則之間找到最佳的平衡。

5.2 抓住受力關鍵節點，重視支撐系統設計

鋼結構廠房安全性在首位，必須詳細分析其受力情況，綜合考察柱間、梁間、柱梁間節點穩固性，用合理的設計達到應力平衡狀態。為了使節點更牢固，也要優選焊接技術，如栓焊連接，根據鋼質調整焊接尺寸。抓住受力關鍵節點后，系統考慮支護結構的設計。在選擇中心支撐結構時，應優先考慮交叉支撐和“人”形支撐，避免“K”形支撐。如果局部地震烈度較大，設計者應進一步提高結構的整體穩定性，如采用延性較好的偏心結構、通過合理布置簡化構件計算長度等。如果設備荷載較大，為防止結構位移，應提高柱的橫截面積，水平荷載壓力應由柱等主要受力構件分擔。只有科學設計支撐系統，才能從源頭上消除安全隱患［6］。

5.3 合理結構計算，優化技術處理，提高綜合效益

成本投資是工廠設計的一個重要考慮因素，企業應該追求最佳的成本效益，因此，設計人員應進行合理的結構計算，并為成本預算提供詳細的數據。結構計算的各個方面都要綜合考慮，包括梁、柱的長度計算、各部分荷載計算等關鍵和重要數據，以及細節上的注意事項，如梁端彎矩寬度的調整范圍，一些不確定因素不能忽略，如可能的裂縫寬度計算。計算完成后，需要對軟件進行復核，確保數據的準確性，避免在后期施工中由于數據的錯誤遺漏而造成頻繁的問題和混亂。設計人員應積極與施工人員溝通，達成共識，在結構計算環節統一概念，避免施工矛盾，降低協調成本。在做好結構計算的同時，要對造型設計進行優化，以優化結構設計，使綜合效益最大化。多層鋼結構的設計體系有很多內容，一旦構件控制不合理，設計過于復雜，將大大增加后期施工的麻煩。設計人員應分層量化鋼結構應用技術項目和建筑材料的投入量，合理投入鋼材用量。設計師需要有相當的理論水平和專業能力，在保證鋼結構的實用性和可靠性的前提下，在參數計算和結構計算的整個過程中都應貫徹簡化技術處理的原則，以最小的投入帶來最大的產出。

6 結語

綜上所述，鋼結構廠房在安全性、經濟性和實用性方面都取得了很大的進步，越來越多的工業企業在建造廠房時選擇多層鋼結構。但是，多層鋼結構在工業廠房設計中的應用也需要注意如支撐體系、變形縫、樓板結構及水平、垂直設計等，并遵循安全、實用、經濟、可靠的原則，從而有效地建設滿足工業企業實際需要的優質廠房。