工業廠房結構設計中鋼結構設計的應用研究

邢 妍

(中國石油工程建設有限公司北京設計分公司 北京 100085)

工業廠房的建設是工業發展的重要基石之一,隨著經濟的飛速發展,工業也不甘落后,這也標志著工業廠房的數量和規模不斷增加和擴大。要想保障工業廠房建設的速度和質量,更進一步為工業的發展提供一定的基礎,廠房鋼結構的設計和應用在建筑業中占有不可替代的地位。因此設計人員要積極學習先進的設計技術,在確保建筑材料質量的基礎上,注重鋼結構設計的布局,確保應用鋼結構能夠為工業廠房的建設和施工提高效率,促進工業帶動經濟的發展。

1 工業廠房鋼結構設計的特點

(1)便捷性。鋼結構相較于傳統的建筑結構來說具有便捷性的特點,首先,鋼結構設計的施工需要的時間較短,能夠確保施工期限,在成本上也就顯現出優勢。其次,鋼結構的設計受到的影響因素較少,整個施工過程都是在工程內進行,施工現場只需要按部就班的安裝和使用,縮短了施工的周期。鋼結構的便捷性使得這種結構設計在建筑領域內應用的范圍很廣,主要應用于廠房、高層的建筑。

(2)經濟性。鋼結構設計的工業廠房,從設計到施工操作簡易,通過材料的集中使用和組裝,可以提升建筑鋼材料的利用效率,減少浪費,這在經濟上也能節省材料成本。鋼結構材料不是一次性使用的材料,在使用之后可以回收,大大降低了資源成本,這也就是大多數工業廠房都采用鋼結構設計模型的原因。

(3)空間利用率好。在工業廠房的建設中,鋼結構都是在廠房內進行安裝和施工,其活動的空間明顯小于其他的施工結構,這種結構優勢也為廠房建設的變更提供了很大的可能,能更好地實現空間規劃和利用。此外,工業廠房外部的設計也能實現多樣化,提升了廠房內外空間的利用率,促進經濟建設[1]。

2 工業廠房建筑結構設計優化概述

建筑結構的優化設計是工業廠房總體設計不可或缺的一部分,要想保證工業廠房的建筑質量,就要優化廠房建筑的結構設計,設計要從概念設計和視覺設計兩個層面考慮。首先,概念設計是設計人員利用設計概念并且經設計概念從始到終穿插其中的設計方法。設計人員需要將設計的專業理論知識和實際的設計經驗相結合,考慮到實際廠房的需要,不斷地完善優化設計方案。同時,設計人員要以實際施工情況為基礎,綜合考慮各種因素,比如施工周圍的環境、材料設備的供應等,不斷對設計進行調整,提升建筑結構優化工作的水平。其次,視覺設計需要設計人員專業知識豐富,將各種建筑工程設計構造作為基礎,根據不同的設計需求將設計多元化,并做好評估和判斷工作,以此選擇可行性設計方案[2]。

3 優化設計

3.1 防火設計

現階段,工業廠房整體建筑項目,其結構設計通常以鋼結構為主,相比混凝土建筑結構,鋼結構建筑設計更具性能優勢,表現在結構穩定性與可塑性等方面。然而,鋼結構與混凝土結構相比,防火性能不理想。鑒于鋼材具有較強的導熱能力,溫度較高將會對鋼材性能產生一定影響。當溫度達到100℃時,鋼材抗拉性能將會有所削弱。如若溫度處于持續增長狀態,當溫度升至250℃時,鋼材強韌性有所削弱。如若溫度升至500℃時,鋼材性能將會喪失,甚至引起廠房建筑結構發生坍塌事件。為此,以廠房安全為設計視角,加強廠房建筑結構設計優化,如若鋼材溫度升至150℃,應關注廠房防火性能,比如鋼材的防火涂料能夠防止火災的擴大,一級防火中,鋼柱要想達到3 h耐火極限,就必須選用厚型防火涂料,厚度在23毫米;鋼梁要想達到2.5 h耐火極限,選用薄型、厚型防火涂料都可以,厚度在20 mm[3]。

3.2 抗震設計

近年來,地震事故頻繁發生,究其原因在于:鋼結構設計規范性不足,難以順應施工建設的各項需求,引起廠房建筑結構穩定性缺失現象,由此造成地震事件發生,工廠建筑結構發生倒塌事件,形成較為嚴重人員傷亡事故。在地震中,其破壞特征是延性破壞,而非脆性破壞,可見到破壞瞬間的過程。破壞瞬間延緩了逃生的時間;破壞瞬間基本很少散離碎片的墜落打擊等次生傷害。為此,加強鋼結構抗震性能優化設計,尤為關鍵。鋼結構抗震性能,在廠房建筑設計環節中,占據較為關鍵的環節。鋼結構設計期間,應綜合開展鋼結構抗震性能設計工作,保障廠房抗震性能的規范性。具體抗震設計表現為:以工業廠房建筑項目整體結構為視角,結合廠房建筑需求,全面掌握工業廠房的建筑特點,融合抗震設計元素,使其抗震性能處于合理狀態。在設計期間,設計人員應加強廠址確定與優化,減少廠房建設位置處于地質結構不穩定的區域,減少地震問題對工業廠房建筑結構產生的影響。在建筑抗震結構設計期間,應以建筑結構整體穩定性為優先設計原則,以此保障廠房抗震性能的標準性。鋼結構在廠房建筑結構中占據較為關鍵的位置。為此,在開展鋼結構抗震設計期間,應從鋼結構配件性能予以考量,比如受力性能、結構穩定性等。在性能確定的基礎上,最大程度地降低負面因素造成的影響,有效發揮鋼結構建筑穩定性能的優勢。抗震系統設計,在工業廠房建筑設計中,應作為優化設計的重要環節,以期提升廠房建筑結構的安全性。針對廠房結構性能分析期間,應綜合考量多方因素,以鋼結構建筑實際需求為基礎,完成結構框架設計與選擇,提升節點設計工作有效性,保障建材性能,提升鋼結構整體穩定性,以此保障工業廠房抗震性能的規范性[4]。

3.3 防腐蝕設計

鋼結構腐蝕現象,將會在一定程度上減少鋼材構件截面大小。如若在鋼材表面發生腐蝕問題,將會嚴重危及工業廠房建筑項目的安全性,削弱鋼結構使用性能,使其應用周期有所減少。其發生條件,以自然潮濕環境因素為主。為此,以鋼結構腐蝕成因為出發點,加強防腐蝕優化設計,以此保障鋼結構廠房使用周期。有效方法為:保持氧元素與鋼結構處于隔離狀態、涂刷防腐材料等。此外,針對鋼結構防腐設計,應綜合考量環境因素,以期保障防腐設計的科學性。

3.4 建材優選

在設計規劃工業廠房建筑結構期間,應科學開展建材甄選工作,有助于提升設計優化效果。建材性能差異將會直接危及廠房建筑結構設計效果,使其穩定性與安全性受到影響。工業廠房在實際建設期間,其資金使用存在多重要求,應加強建材品質規范性使用,提升建材使用的成本規劃效果,減少建材使用產生的資金浪費問題。在建材選擇期間,應綜合考量鋼材自身性能,如防火性能較差,應選擇防火性能優異的建材,以規避防火性能欠佳問題,達成設計優化目標。

4 對工業廠房建筑結構進行優化的設計方案

4.1 工業廠房建筑結構中的防火設計優化

前文提到過工業廠房建筑結構的防火設計,提升工業廠房安全系數的另一個設計就是抗震設計。對于工業廠房建筑而言,地震是非常嚴重的威脅之一。所以,在對建筑結構進行設計的過程中,防震也是較為重要的環節。在此過程中,應該對基址的選擇進行優化,對建筑周圍地質較為復雜的情況進行避免,并應該在地震較為頻繁的相關區域進行建筑的施工。另一方面,在對相關建筑結構進行平面布局的設計時,一定要對結構穩定性與局部穩定性之間進行良好的協調,對整體性的設計進行相應地加強。在進行平面布局設計時,有著較多的設計方法,應該對對稱布局進行采用,將相關建筑的形式進行簡化處理,對較為穩定的矩形結構進行相應的選擇。因此,如果想要對工業廠房建筑結構進行優化,對建筑結構中抗震設計進行優化是非常有效地策略之一。

綜上所述,鋼結構設計由于本身具有的特性,施工簡便,廣泛應用于大型廠房、高層等領域中,要想保證鋼結構的質量,就是注重鋼結構設計,其中包括防火設計、抗震設計、防腐蝕設計、材料優選等,只有良好的設計才能保障施工的方向,才能保障鋼結構設計工業廠房的施工能夠有質量的完成。當前鋼結構是建筑領域的重要應用,并且在技術應用上日漸完善,逐漸成為建筑領域的主打,是未來建筑的發展趨勢。