簡析鋼結構工業廠房設計及防火設計要點

文／王彥哲 遼寧本鋼集團有限公司 遼寧本溪 117000

引言：

工業廠房的建設是當代建筑行業最重要的工程項目之一，但是由于人們對各方面的要求都增加，對設計單位的方案的技術性及經濟性都有極大的挑戰，要求設計人員能夠加強各方工作，要求建設單位管理人員提供安全和經濟意識，設計端和用戶端一同對鋼結構工業廠房的應用和發展做出跟多貢獻。

1、鋼結構工業廠房建筑設計的特點

1.1 經濟性

由于鋼結構的穩固性較好，使用鋼結構工業廠房在設計時就可以節省很多環節，和傳統的廠房建設相比，在施工時可以節省很多材料和技術的應用，不僅能夠為企業節省大量的材料成本，而且還降低了人工成本的消耗，有利于企業實現經濟效益。鋼結構產品的工業化程度較高，施工單位借助專業的生產線讓鋼結構構件實現機械化生產，不僅能夠提高構件的整體質量，還有效節約了制造構件的材料，減少施工材料的消耗，為企業節省成本，提高經濟效益。

1.2 便捷性

鋼結構廠房在現代工業廠房中被廣泛應用，主要由于其有突出的優勢和特點。鋼結構廠房與其他結構的廠房相比，更具有便捷性的特點，在進行廠房設計時，將整個廠房的設計進行簡化，可以有效減少施工時的步驟，不僅能夠使設計更為簡單，而且還可以提高企業的經濟效益，對企業的整體發展有重要的意義。

1.3 環保性

鋼結構工業廠房在建造時會有很多金屬網架形成的閑置空間，在這些閑置空間內設置各種管道，不僅可以有效利用空間資源，還能夠增加其他工程施工的便利性，極大地降低了建筑施工的成本。而且，鋼結構的使用壽命很長，可以進行回收再利用，將來廠房改建、擴建等都不需要再重復進行鋼結構構件的購置，制造的建筑垃圾較少，有利于環境保護。同時，鋼結構工業廠房在施工建設中產生的噪聲污染和粉塵污染較少，對生態環境的保護具有重要意義。

1.4 空間利用率高

鋼結構工業廠房是由鋼結構進行拼裝組接而建造的，不需要進行大面積的鋼筋混凝土澆筑和墻面的建造，對空間的占用較少，而且鋼結構廠房的建造更加靈活，只要保持整體結構的穩固，工廠可以根據生產的實際要求，對內部結構進行調整，使空間利用更加多樣化，內部結構更加科學合理，提高空間的利用率。鋼結構工業廠房的設計者應在保證整體結構穩定的基礎上，結合工廠使用的具體情況，對閑置空間進行充分地利用，合理利用空間。

2、鋼結構工業廠房設計的要點

2.1 抗震設計的要點

我國是地震多發的國家，地震不僅頻次高， 而且強度大，給我國的經濟發展和人民生活帶來了巨大的災難。因此在進行鋼結構工業廠房的設計時應注意防震措施的設計。鋼結構的穩固性較好，所以鋼結構廠房的整體抗震性相較于傳統的廠房更佳，設計人員應在此基礎上將廠房的抗震性進一步提升，尤其是地震多發地區，如果沒有有效的抗震措施，單憑鋼結構的穩固性難以對抗較為強烈的地震晃動。因此，設計人員應加強鋼結構廠房抗震措施的設計，提高這個結構的抗震性能，通過對鋼結構的優化設計，提高廠房在地震中的抗災能力，盡可能減少工廠的損失，確保鋼結構廠房的安全。在實際的廠房設計中，設計人員應將鋼結構整體設計成左右對稱的結構，使鋼結構的受力和傳力有明確的方式，減少地震對廠房的影響和破壞。廠房的屋頂、四周的柱子、墻板等都應進行科學的布置，并利用有效的方法進行合理連接，確保在地震發生時鋼結構的穩定性和完整性。對于廠房的關鍵支撐環節，設計人員應進行重點設計，必要時應對關鍵點進行加固處理或者防震設計，確保地震發生時整個廠房的安全。在具體的施工過程中，設計人員應根據實際情況對高寬比進行適當的調整，優化設計的內容，進行科學的防震方案的設計，提高廠房的安全性。

2.2 荷載設計的要點

鋼結構荷載包括豎向荷載和水平荷載，豎向荷載包括鋼結構本身的重量、施工和裝修中的荷載、廠房屋頂雪荷載、積灰荷載等，鋼結構自身的重量是永久荷載；水平荷載包括風荷載和地震作用，由于鋼結構建筑物荷載采用的是極限狀態設計法，根據荷載出現和共同作用的概率差異，應合理進行荷載組合，核心是找到荷載的最不利組合。在進行荷載計算時，由于工作量較大，而且計算過程較為復雜，設計人員應利用多種結構設計軟件進行計算，再將計算結果進行比對，結合具體的分析情況，選擇恰當的荷載值，確保荷載值能夠滿足廠房建造以后的各項生產需求，提高廠房的具體應用價值。

2.3 防腐設計的要點

由于鋼材容易因為氧化而出現腐蝕的特點，所以對鋼結構廠房進行防腐設計是很有必要的。在自然的環境中，如果空氣中水分含量較高，廠房內部較為潮濕，就會使鋼結構的腐蝕速度加快，造成廠房的安全隱患。鋼結構廠房的鋼材一旦出現腐蝕現象，就會導致承重能力下降，必然會影響整體結構的穩固性，不僅會導致鋼結構的壽命降低，還會對廠房的安全造成威脅。因此，設計人員應加強對鋼結構的處理，提高鋼材的抗腐蝕性。在設計之初，設計人員應對廠房的使用環境有詳細的了解，針對廠房的使用進行防腐設計，有針對性地解決鋼結構腐蝕問題，提高廠房的使用壽命。例如，大部分鋼結構廠房選擇涂抹防腐蝕涂料進行防腐處理，確保鋼材全部被防腐蝕涂料覆蓋住，隔絕鋼材和空氣中容易引起鋼材腐蝕的因子，防止鋼材被腐蝕，確保防腐效果。在具體的工作中，設計人員還應考慮到不同部位的鋼結構構件對防腐性能的要求，對于不同防腐要求的構件應進行不同的防腐涂料涂抹，有效提高整體構件的防腐能力。在具體的施工過程中，如果鋼結構表面有硬傷，應在施工之前進行打磨處理，使鋼結構的表面平滑，可采用噴射或拋射除銹的方式進行。在涂料選擇時，施工單位可以選擇熱噴鋁鋅復合涂料，再用環氧樹脂或者是氯丁橡膠等涂料進行密封，確保防腐涂料發揮出最大的作用。

2.4 防火設計的要點

鋼結構沒有可燃性，但是鋼材的導熱性非常強，當溫度升高時，鋼結構框架的穩定性會受到一定的影響，進而對整個廠房的安全造成威脅，所以在鋼結構廠房的設計中，防火措施的設計是非常重要的，以下鋼鐵企業鋼結構廠房為例，談下鋼結構廠房防火設計要點。

2.4.1 防火設計的影響因素及設計思路

常用的鋼結構防火設計規范有《鋼鐵冶金企業設計防火標準》GB50414-2018、《建筑設計防火規范》GB5 0016-2014（2018年版）及《建筑鋼結構防火技術規范》GB51249-2017。

（1）火災危險性分類

廠房的火災危險性分類是根據使用或產生的物質性質及數量等因素劃分，可分為甲、乙、丙、丁、戊類，針對我們鋼鐵冶金企業可參照GB50414-2018 中表3.0.1 劃分，選礦、球團、煉鐵、煉鋼、軋鋼等廠房（除焙燒、燃料庫、煤粉制備室、除塵風機房、彩涂涂油間等）主要為丁戊類廠房。

（2）耐火等級、耐火極限和防火分區

廠房的耐火等級可分為一級、二級、三級、四級，要達到相應耐火等級，規范規定了其相應建筑構件的燃燒性能和耐火極限的最低要求：

規范同時對不同的火災危險性類別及耐火等級的廠房允許層數和每個防火分區的最大允許建筑面積進行了規定，這里只介紹鋼鐵企業常見的丁戊類廠房：

鋼鐵企業的特點是工藝設備多、流程較長，主廠房建筑面積大，例如煉鋼主廠房、軋鋼主廠房等丁戊類廠房，每跨建筑面積往往超過5000m且一般都是多跨廠房，總建筑面積要幾萬平米，同時具有工藝連續的特點，一般不允許中間進行防火分區處理，由表2 來看，必然要求廠房耐火等級達到二級及以上，由本文表1 可知各種承重構件耐火等級要求1.0 ～2.5h。從結構和受力角度看，鋼鐵企業大型廠房多為排架結構，跨度大，荷載大，需要采用鋼結構這種自重輕、承載力大的建筑材料，廠房柱、梁、屋頂承重構件多為鋼結構，而我們知道，鋼結構的耐火極限公認的僅有0.25h，不能滿足二級耐火等及對構件的要求，規范若無其他說明，必然需要對鋼結構進行防護以提高鋼結構的耐火極限。

表2 廠房的層數和每個防火分區的最大允許建筑面積

鋼鐵冶金企業設計防火標準GB50414-2018 中的3.0.2 條規定“下列二級耐火等級建筑在生產中或火災發生時，其表面熱輻射溫度低于200℃的金屬承重構件，可不采用防火保護隔熱措施，火焰直接影響的部位或熱輻射溫度高于200℃的部位，應采用外包覆不燃材料或其他防火隔熱保護措施：1）設置自動滅火系統的單層丙類廠房；2）丁、戊類廠房”。依據此條，鋼鐵冶金企業大多數丁、戊類廠房均可采用無防火保護的金屬承重構件。據了解，目前冶金行業多數設計單位均按此條執行，為工程建設單位節省了大量投資。

此條款歷年經歷了過反復，詳見后面的介紹。據筆者與規范編制參與人員了解，目前規范的設置也綜合考慮經濟發展程度及行業的特點，比如目前大空間鋼結構廠房已在冶金企業中大量采用。同時筆者認為冶金廠房大多層高高，空間大，堆放易燃物品較少，火災發生或蔓延速度較慢，構件升溫速度慢，鋼結構的強度衰減的慢等特點也是此條制定的參考因素。

（3）如何定義建筑適合的耐火等級

建筑選擇不同的耐火等級，對建筑結構、安全疏散、消防給水及消火栓系統、自動噴水滅火系統、火災自動報警系統等的要求和設計都有很大關系。從表1 可以看出耐火等級的提高，建筑結構的投入增大，但消防給水及消火栓系統（例如：三級耐火等級的丁戊類廠房建筑體積≥50000m室外消火栓設計流量35L/S,一二級耐火等級設計流量20L/S），其他滅火系統的要求相應降低，投入減少，這種情況我們應要求設計單位綜合考慮最經濟合理且較安全的方式。再舉個例子來說明：某210m 礦石通廊，若定義為三級耐火等級，其疏散方面無法滿足廠房內任意一點至最近安全出口最遠100m 的疏散要求，若定義為二級耐火等級，疏散距離無限制，且在電氣等其他消防要求和設計改變很小，在建筑結構方面可根據GB50414-2018 中的3.0.2 條采用無防護的金屬構件。這樣投資可以得到降低，可見合理定義耐火等級的重要性。

表1 不同耐火等級廠房和倉庫建筑構建的燃燒性能和耐火極限

（4）建筑防火設計思路

綜上，建筑防火設計，設計首先根據工藝布置要求，結合火災危險性類別，合理設置建筑面積及防火分區；同時考慮建筑、疏散、水消防、自動消防等各方面設置的難易程度、投資額大小等因素，合理定義耐火等級；根據耐火等級選擇合適結構類型及材料類型。最終在滿足消防要求的前提下，盡量減少投資，形成最優的設計方案。

2.4.2 鋼結構防火保護措施

鋼結構的防火保護常見以下四種方式：

噴涂（抹涂）防火涂料；

包覆防火板；

包覆柔性氈狀隔熱材料；

外包混凝土、金屬網抹砂漿或砌筑砌體。

目前常用的噴涂防火涂料方式，防火涂料按防火機理分為膨脹型及非膨脹型，其分類及選型可參考《鋼結構防火涂料 GB14907-2018》，據了解，防火涂料增加的造價在700-2000 元/噸鋼，煉鋼廠房鋼結構構件截面尺寸大，噸鋼表面積相對較小，造價增加少；軋鋼構件截面尺寸小，噸鋼表面積相對較大，造價增加多。對于建設單位，我們既要考慮安全又必須考慮經濟型，對于必須進行防火保護的建筑，我們應綜合考慮采用混凝土結構與鋼結構+防火保護進行對比，選用經濟合理的建筑結構方案。

2.4.3 規范相關條款演變過程

本文第二節中提到二級耐火等級丁戊廠房可采用無防護的金屬構件的規定，對于冶金企業控制建設成本非常重要，其在規范中的說明也經歷過變化，在《建筑設計防火規范》GB50016-2006 版中第3.2.4 條“下列二級耐火等級建筑的梁、柱可采用無防火保護的金屬結構，其中能受到甲、乙、丙類液體或可燃氣體火焰影響的部位，應采取外包敷不燃材料或其它防火隔熱保護措施：（1）設置自動滅火系統的單層丙類廠房；（2） 丁、戊類廠房（倉庫）。”同樣在鋼鐵冶金企業設計防火標準GB50414-2007 第3.0.3 條也有類似規定。

《建筑設計防火規范》GB50016-2014 版中，不含此條類似規定。這條改變使得2014年至2019年間，為保證金屬構件達到耐火極限要求，冶金企業鋼結構廠房大多設計噴涂防火涂料，建設單位增加了大量投資。

鋼鐵冶金企業設計防火標準GB50414-2018 在2019年4月1日正式實施，在3.0.2 條規定“下列二級耐火等級建筑在生產中或火災發生時，其表面熱輻射溫度低于200℃的金屬承重構件，可不采用防火保護隔熱措施，火焰直接影響的部位或熱輻射溫度高于200℃的部位，應采用外包覆不然材料或其他防火隔熱保護措施：1）設置自動滅火系統的單層丙類廠房；2）丁、戊類廠房”，目前幾大冶金綜合甲級設計單位已按此設計。

筆者在住建部網站查到，2019年11月29日，住建部組織應急管理部天津消防研究所等單位起草了國家標準《建筑設計防火規范局部修訂條文（征求意見稿）》中3.2.10A 規定“二級耐火等級的丁、戊類廠房（倉庫）的梁、柱（包括斜撐）可采用無防火保護的金屬構件，其中能受到甲、乙、丙類液體或可燃氣體火焰影響的部位或熱輻射溫度高于200℃的部位，應采取防火隔熱保護措施。”可以預見，未來2 本規范均明確此條，二級耐火等級鋼結構廠房可采用無保護金屬構件，目前在單規范明確的情況下，可能有些設計單位意見不一，建議建設單位據此向設計單位提出建議，也建議設計單位與規范編制單位及消防主管部門溝通后確定。防火規范的制定會考慮經濟及技術的發展水平，這也是目前規范考慮的因素。但可以預見隨著中國經濟進一步發展，特別是鋼鐵企業供給側改革完畢，行業發展向好，同時防火涂料產品性能更加成熟穩定后，國家勢必會加大對冶金企業的防火要求，提高防火安全儲備。為此，鋼鐵企業及其他行業相關管理者應緊跟政策趨勢，提早研判，做好鋼結構廠房的建設投資分析和維護準備。

結語：

鋼結構廠房的設計應從安全性與經濟性兩方面入手，根據鋼結構本身的特點，特別是防火特點，對設計要點進行分析，進而采取有效的措施進行技術方案優化，確保廠房的穩固性和安全性及經濟性。建設單位及設計單位應加強員工的培訓和先進技術的引進，不斷加強設計方案，提高整體的經濟效益，為鋼結構在工業廠房的應用和發展做出貢獻。