工業建筑鋼結構的應用與設計研究

關海洲

中機第一設計研究院有限公司（030009）

0 前言

近年來，隨著建筑行業的穩步發展，鋼鐵技術也在進步，鋼結構在工業建筑業中的地位開始日益重要。與傳統的鋼筋混凝土相比，鋼結構不僅自重輕、承載力大，而且可以在不受季節變化影響的情況下進行建造，減少了建筑垃圾的排放。鋼結構在施工過程中的優勢也十分明顯，可以極大加快施工進程。為了更好地發展鋼結構工業建筑，應針對實際設計進行分析，并嚴格遵守相關規定，使鋼結構工業建筑推動綠色建筑的發展。

1 工業建筑鋼結構的應用優勢分析

1.1 材質輕盈，抗震能力強

與傳統的磚混結構相比，鋼結構的總重量明顯要小，主要是由于鋼結構的密度小。在外載相同的條件下，鋼結構構件截面小，易于運輸和安裝。此外，鋼結構具有良好的抗震性能，這與鋼材的可延性有關。在地震災害發生時，鋼結構會消耗大量的地震能量[1]。

1.2 安裝便捷，施工周期短

鋼結構的大部分組件都在工廠預加工，因此在施工過程中，施工人員只需要安裝、吊裝和焊接組件。相較于鋼筋混凝土結構，鋼結構施工可以節省30%以上的作業時間，大大提高了施工效率，降低了施工成本[2]。

1.3 材料環保，整體造價低

近年來，我國在建筑工程領域提出了節能降耗、綠色環保的要求。傳統的鋼筋混凝土施工產生的固體廢物易污染環境。為了避免或減少施工出現的污染問題，施工單位往往需要投入大量資金處理污染問題，增加了企業的經濟負擔。但鋼結構在安裝過程中不會產生粉塵，節約了大量的污染治理成本。此外，鋼結構施工技術逐漸顯示出節能、防水、隔熱等方面的優勢，在大型公共建筑中成為首選技術類型[3]。

1.4 形式美觀，具有功能化

在鋼結構建筑中，鋼結構的形狀、構件和節點決定著建筑物的形象。工業建筑結構設計和功能應該實現一體化，這樣建筑將更具功能性，形成藝術和技術共存的建筑。鋼結構建筑可以突破結構、斜線、曲線的約束，創造出更加新穎、美觀的建筑形象。鋼結構建筑強大的造型潛力在磚混結構和混凝土結構建筑中難以實現，其中點支式玻璃幕墻形式多樣、變化無窮，具有良好的藝術性，使工業建筑更加美觀。

1.5 用途廣泛，可塑性極強

鋼結構重量輕、韌性好、抗壓強度高，適用于各種建筑物的建設。尤其是傳統建筑工程中難以完成的大跨度工業建筑，使用鋼結構可以實現室內沒有柱子的大空間[4]。鋼材能夠抵抗擠壓，這使得結構可以用來建造新型的鋼結構，已成為工業建筑的新趨勢。

2 工業建筑鋼結構應用存在的問題

目前，鋼結構工業建筑的應用研究還不夠，主要是由于鋼筋混凝土結構的應用較為廣泛，在技術人員的心目中地位很高。技術人員認為，鋼結構更具備安全穩定性。我國鋼結構工業建筑應用在許多方面落后于西方發達國家，特別是在技術水平和設計理念上。此外，我國對鋼結構建筑投入不足，在專業人才培養、新產品研發、設備更新等方面缺乏積極性，極大地阻礙了鋼結構工業建筑的發展。鋼結構工業建筑設計人員對于新材料缺乏研究和改進，只是憑借工作經驗進行項目設計，工業建筑鋼結構的設計價值沒有體現出來[5]。因此，這就要求相關人員加大研究力度，使鋼結構技術水平能夠滿足工業建筑的使用需求。

3 工業建筑鋼結構設計應遵守的原則

隔熱系統、支撐系統和防火系統是鋼結構工業建筑的重要組成部分，直接影響到工業建筑的實際使用效果。支撐系統是鋼結構的主體框架，只有對主支撐結構進行科學的設計，才能確保工業建筑的安全性和穩定性。設計時應考慮整體結構的剛度和柱的承載能力，避免發散結構傾斜和變形。此外，根據工業建筑總體布置空間、廠房高度、深度等因素，還應合理布置支撐系統，滿足橫向支撐系系統的要求[6]。鋼結構比傳統建筑材料具有更好的熱導率，因此應充分重視保溫系統，根據工業建筑的實際功能，科學應用保溫材料，并采取防火措施，以提高鋼結構的安全系數。

4 工業建筑鋼結構設計的要點

4.1 荷載設計

在工業建筑鋼結構設計中，應以鋼結構的實際承載狀態為標準，確保荷載值的準確性，從而為建筑的安全性和可靠性提供有力保證。此外，鋼結構荷載設計還應考慮風荷載、溫度荷載等外部因素。《建筑結構荷載規范》規定，永久荷載分項系數為1.2或1.35，可變負荷為1.3或1.4，設計值應大于標準值[7]。

4.2 保溫隔熱與防火

鋼結構具有優良的熱導率，對溫度非常敏感。因此，在設計過程中應注意鋼結構的隔熱處理。如果設計的保溫措施不科學，不僅不能保證工業建筑室內的實際溫度，而且會在后續使用過程中造成較大的經濟負擔。此外，一些工業生產過程需要在高溫條件下進行，鋼結構熱絕緣系統必須采取防火措施。一般來說，防火處理主要有兩種措施，一種是在鋼結構表面涂抹耐火材料，另一種是直接使用耐火材料。鋼結構設計期間，首先，要做好防火區的處理，確定各區的面積。其次，車間內應設置疏散口，以滿足國家標準的消防要求。為了使工業建筑達到防火標準，必須確保安全出口的合理性。最后，根據人口密度確定疏散距離和疏散路線，有助于及時將人員疏散到安全區，從而避免財產損失和人員傷亡。

4.3 立面設計

工業建筑的輕鋼結構，其尺寸、顏色、變化和線條都有明顯的特點。雖然彩色壓型鋼板可以突出豐富的色彩，但立面的設計在追求外觀的同時會增加項目成本。為了避免這些問題，設計人員在鋼結構立面設計時應盡量選用冷色調，這樣不僅可以提高工業建筑的整體氛圍，而且可以使整個結構更加立體[8]。

4.4 溫度伸縮縫設計

由于鋼結構工業建筑材料的獨特性，其對溫度變化的敏感性比混凝土結構更低，在溫度變化下鋼結構相對不易發生變形。鋼結構工業建筑一般平面尺寸較大，溫度伸縮節點應設計在結構中間部分，通常采用雙柱設計。鋼框架結構的溫度區段規范沒有明確規定，一般取值為混凝土的1.2到1.5倍。

4.5 屋蓋支撐系統及屋面設計

鋼結構工業建筑屋面支撐體系的布置應考慮高度、跨度、柱網布置、起重機噸位、屋面結構等因素。一般來說，梯形鋼屋架結構設計宜采用垂直支承結構，屋架上弦桿采用上弦支承結構。如果屋架間距大于12m，或是廠房內部使用大型振動設備作業，應設置縱向水平支撐。屋面由保溫層、防水層、隔汽層和屋面彩鋼板內板組成，這種結構受溫度因素影響較小[9]。此外，可以采用雙層鋼板加保溫棉，這種形式比較常見，但受溫度影響容易發生膨脹和收縮。在選擇墊板、引出板和引弧板時，質量應與母材的質量一致。目前，在輕型屋面和檁條體系墻體的設計實踐中，設計人員需要考慮美觀、造價和后期使用安全等因素。單層壓型鋼板的自重為0.10～0.18kN/m2。在工業建筑有保溫要求的情況下，可采用雙層鋼板夾超細玻璃纖維棉或巖棉。屋頂荷載一般不超過1.0kN/m2。在墻體材料設計中，應根據建筑的實際情況確定鋪設方式，并注意墻體材料的美觀性。

4.6 抗震性能設計

在鋼結構工業建筑的抗震設計中，需要注意三點:一是結構的剛度必須均勻分布，否則會降低結構的抗震性能；二是有效設計承載力，避免結構發生傾斜；三是考慮地震對鋼結構的影響，確保結構處于塑性工作狀態。

在鋼結構設計中，應確保構件布置的均勻性，合理布置工業建筑的豎向和水平結構。溫差較大時產生的溫度應力對鋼結構的穩定性有嚴重影響，在設計過程中可以增加溫度伸縮縫，或者采用雙柱或單柱的方式進行設置。要做好結構支撐體系的設計，確保其合理性和科學性。鋼結構的抗拉強度應根據廠房高度、振動設備、廠房吊車進行設計，頂板支護和柱間支護是兩種常用的支護方式，需要進行協調。下柱支護通常設置在溫度區的中間，保證車梁等構件能夠實現自由伸縮[10]。

4.7 防腐設計

腐蝕會對鋼結構造成嚴重損傷，可能導致鋼結構表面腐蝕、構件截面減小等不良現象，縮短鋼結構的使用壽命。因此，在設計過程中應加強鋼結構的防腐防銹設計，在鋼結構的表面涂上防銹漆，以便隔離外界環境的影響因素。對于外露的鋼結構構件，應采取有效措施，防止鋼結構構件出現腐蝕。

4.8 合理設置隅撐

在單層鋼結構廠房設計中，應合理設置隅撐，避免柱內翼緣和梁下翼緣失穩。鋼結構廠房的斜梁受力不固定，無法保證廠房的穩定性，下翼緣可能失去平面外支承力，因此可以在下翼緣位置設計支承。如果下翼緣承受較高的壓力，有必要強化斜梁下翼緣支承結構。

5 工業建筑鋼結構設計的步驟

5.1 選擇鋼材種類

在工業建筑鋼結構設計中，選擇合適的鋼材種類非常必要。目前，我國生產的合金鋼有300多種，碳鋼有100多種。但是，由于鋼結構受鋼材的強度和變形能力的影響，在工業建筑鋼結構設計中，要根據工業建筑的類型選擇合適的鋼材。

5.2 鋼結構選型和布置分析

在鋼結構設計過程中應注重整個結構體系與子系統的力學關系，通過工程經驗、試驗現象、破壞機理等方面明確設計思路，從建筑物的整體角度確定結構布局。工業建筑鋼結構通常包括桁架、門式鋼架、輕鋼、框鋼、排架等結構形式，因此應根據結構的性質、荷載分布和體系特點進行設計，以保證鋼結構具有多道防護，防止鋼結構受到移動荷載發散傾斜。

5.3 截面預估分析

在鋼結構設計中，應對鋼結構截面進行估算，考慮支座截面形狀、尺寸以及柱梁截面。不同鋼結構對支撐和柱梁截面的構造要求不同，柱截面考慮地震作用，長細比通常控制在50～100，工業建筑選用100左右。鋼梁通常焊接或軋制H型鋼，根據支承和荷載情況，截面高度通常在跨度的1/20～1/50。

5.4 節點構造設計分析

節點結構設計是鋼結構設計中的重要內容之一。鋼結構工業建筑柱梁結構一般采用熱軋H型鋼或焊接工字形節點，強軸向鋼梁與鋼柱節點通常采用剛性連接，弱軸向鋼柱節點與鋼柱節點通常采用鉸接連接，大噸位鋼柱底座與基礎節點通常采用剛性連接，無吊車或吊車小型鋼柱底座通常采用鉸接。

5.5 編制鋼結構圖紙

工業建筑鋼結構圖由鋼結構設計單位提供，包括設計圖和施工詳圖，鋼結構施工詳圖由鋼結構制造公司根據鋼結構詳圖編制。在鋼結構圖紙的編制過程中，設計依據、結構布置、設計要求、材料要求、技術數據、荷載數據、構件截面等，應在設計圖紙中清楚標注，主要施工材料應編制詳細清單，以便體現設計意圖。

6 結語

鋼結構在工業建筑方面應用廣泛，具有材質輕盈、安裝便捷、材料環保、抗震能力強、整體造價低等優勢，適合可持續發展戰略。工業建筑結構設計是否科學合理，將嚴重影響工業建筑的安全穩定。目前工業建筑鋼結構設計中存在易腐蝕、耐熱性差等問題，應制訂有效的解決對策，加強工業建筑鋼結構設計，確保工業建筑的安全性。