輕型鋼結(jié)構(gòu)工業(yè)建筑設(shè)計及應(yīng)用研究

劉占儉

（唐鋼國際工程技術(shù)有限公司，河北唐山 063000）

1 引言

輕型鋼結(jié)構(gòu)具有結(jié)構(gòu)截面小，自身質(zhì)量輕的優(yōu)勢。輕型鋼結(jié)構(gòu)的質(zhì)量只有普通鋼結(jié)構(gòu)質(zhì)量的35%～50%，只有鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)質(zhì)量的3%～10%，可以大幅度削減工程建筑材料和工程輔助材料的使用量，大大降低工程造價[1]。

2 輕型鋼結(jié)構(gòu)工業(yè)建筑立面設(shè)計

2.1 鋼結(jié)構(gòu)工業(yè)建筑立面墻體材料選擇

2.1.1 彩色壓型鋼板

彩色壓型鋼板具有金屬和有機(jī)聚合物的雙重屬性，既具有較強(qiáng)的腐蝕性又可表達(dá)多種建筑風(fēng)格。彩色壓型鋼板色彩種類繁多，但基本色彩由紅、黃、藍(lán)3 種組成，通過冷暖色彩的靈活設(shè)計來滿足工業(yè)建筑不同的風(fēng)格需求。工業(yè)建筑使用的彩色壓型鋼板的厚度在0.4～1.6 mm，常見的截面尺寸形式有V 形、W 形以及波紋形，其中適用于工業(yè)建筑墻面的彩色壓型鋼的波高在75 mm 以下，屬于中波紋和低波紋類型。工業(yè)建筑對彩色壓型鋼選型的要求是依據(jù)建筑造型要求來選擇波形合適、截面形式合適的壓縮鋼，同時也要兼顧色彩和紋理的組合搭配。建筑設(shè)計可以從建筑整體上考慮靈活運(yùn)用彩色壓型鋼來實現(xiàn)不同風(fēng)格、不同樣式的建筑美學(xué)需求。

2.1.2 壓縮鋁合金板

壓縮鋁合金板是與彩色壓型鋼板具有相同紋理的一種輕型板材，其質(zhì)量為彩色壓型鋼板的1/3。壓縮鋁合金板具有較好的防火、導(dǎo)熱以及耐腐蝕性能。壓縮鋁合金板材在不用涂裝的情況下可以適用高海拔、低溫以及沿海高濕的施工環(huán)境。

2.1.3 玻璃幕墻

在工業(yè)建筑中的開放式生產(chǎn)車間或者公共交流區(qū)域經(jīng)常使用到玻璃幕墻[2]。玻璃幕墻分為半透明、透明以及鏡面3 種形式。其中，點支式玻璃幕墻采用的是透明玻璃，充分顯露工業(yè)建筑結(jié)構(gòu)的連接形式和結(jié)構(gòu)構(gòu)造，凸顯結(jié)構(gòu)設(shè)計的精確性和嚴(yán)謹(jǐn)性。

2.2 輕型鋼結(jié)構(gòu)工業(yè)建筑立面造型設(shè)計元素

輕型鋼結(jié)構(gòu)工業(yè)建筑立面造型設(shè)計元素主要包括門、窗、屋檐以及色彩。用于生產(chǎn)型的工業(yè)建筑需要經(jīng)常出入各類大中型運(yùn)輸車輛，廠房大門通常設(shè)置為既高又寬的形式，大門通常設(shè)置為水平或者垂直方向來區(qū)隔立面，使得工業(yè)建筑具有節(jié)奏感。依據(jù)工業(yè)建筑具體用途將大門設(shè)置為卷閘門、大型推拉門或者平開門等形式。廠房裝卸貨物進(jìn)出的門面可以通過設(shè)置防撞立柱和門套來進(jìn)行保護(hù)。此外，為了避免雨水侵蝕，還可以將門與雨棚一同設(shè)計。工業(yè)建筑的大門需要與建筑整體和諧布局，當(dāng)大門和窗的位置不在同一個高度時，可以增加大門入口的視覺尺寸來匹配建筑窗戶的排列。當(dāng)工業(yè)建筑門的尺寸較小時，會影響建筑立面尺寸和窗戶高度的協(xié)調(diào)性，這時設(shè)計可以采用夸張門的方法在視覺上增加建筑入口與立面的比例，達(dá)到建筑整體平衡的效果。

工業(yè)建筑的窗戶主要負(fù)責(zé)建筑內(nèi)部采光、建筑立面分割以及建筑通風(fēng)，是工業(yè)建筑立面部門的核心組成部分。工業(yè)建筑窗戶形狀以長方形和正方行為主，在設(shè)計過程中要善于利用這兩種形式演變出多種排列形式的立面。窗形如果是長方形垂直排列，那么在建筑立面處的窗與墻的比例較大，會增加建筑室內(nèi)的采光條件，而且特別適合大空間生產(chǎn)區(qū)域使用。設(shè)計人員應(yīng)根據(jù)工業(yè)建筑的使用需求不同，采取不同窗型和不同排列組合的措施來滿足其要求。此外，窗臺進(jìn)深較大，會在窗體玻璃上留下明顯陰影，增加建筑結(jié)構(gòu)的立體層次感，所以當(dāng)墻體厚度滿足要求時，應(yīng)盡量增加窗臺進(jìn)深尺寸。

輕型鋼結(jié)構(gòu)工業(yè)建筑的色彩設(shè)計應(yīng)遵循共性、明顯性以及主從性的“三性”原則，在遵循基本原則的基礎(chǔ)上，根據(jù)建筑立面層次有序配色，確保建筑立面構(gòu)造清晰。

2.3 輕型鋼結(jié)構(gòu)工業(yè)建筑立面造型設(shè)計方法

2.3.1 借用元素的設(shè)計方法

輕型鋼結(jié)構(gòu)工業(yè)建筑立面設(shè)計可以依據(jù)工業(yè)建筑使用類型來設(shè)置符合企業(yè)形象的立面元素，彰顯企業(yè)的行業(yè)屬性。當(dāng)工業(yè)建筑立面缺少門窗開洞等造型元素時，設(shè)計時可以采用凸顯形體的方法來打破建筑平平無奇的現(xiàn)狀。凸顯建筑形體的設(shè)計做法主要是突出建筑主體的墻面，通過材料輪廓、材料顏色以及材料紋理重新定義建筑立面組成的秩序，使工業(yè)建筑在視覺上具有一定的沖擊力。

2.3.2 外立面細(xì)部構(gòu)造設(shè)計方法

工業(yè)建筑外立面細(xì)部構(gòu)造設(shè)計內(nèi)容包括板材連接處的細(xì)部構(gòu)造設(shè)計、門窗洞口細(xì)部構(gòu)造設(shè)計以及墻面轉(zhuǎn)角處的細(xì)部構(gòu)造設(shè)計3 方面內(nèi)容。板材連接處的細(xì)部構(gòu)造設(shè)計主要包括壓型鋼板側(cè)向連接和壓型鋼板與建筑墻體結(jié)構(gòu)連接。壓型鋼板側(cè)向連接的接縫分為縱向連接接縫和橫向連接接縫，縱向連接搭接長度應(yīng)大于100 mm 且應(yīng)順應(yīng)墻體水流方向；橫向連接應(yīng)順應(yīng)廠區(qū)所在地最大頻率的風(fēng)向。側(cè)向連接的方式主要有搭接式連接和扣合式連接。壓型鋼板和墻體的連接方式主要有外露連接和隱蔽式連接。外露連接的自攻螺釘暴露在建筑墻體表面，在一定程度上破壞了工業(yè)建筑墻面的整體性。隱蔽式連接采用板材之間構(gòu)造相互遮蓋的方式將自攻螺釘隱藏起來，使得建筑立面整齊劃一，特別是當(dāng)工業(yè)建筑高度較低時，采用單波板材隱蔽式連接更能凸顯建筑設(shè)計和建筑施工的精細(xì)化。工業(yè)建筑立面板材的連接要盡最大努力保證主體結(jié)構(gòu)的完整性，使得板材紋理和板材板型統(tǒng)一，將施工留下的拼接痕跡進(jìn)一步弱化。此外，如果采用外露連接方式，應(yīng)將外露螺釘噴涂與板材顏色一致的顏料，如果外露螺釘將對建筑統(tǒng)一性造成不利影響。

2.3.3 門窗洞口細(xì)部構(gòu)造設(shè)計

工業(yè)建筑門窗洞口寬度設(shè)計尺寸應(yīng)是夾芯板寬度的整數(shù)倍，確保板材切割作用集中在工業(yè)建筑立面墻體的盡端。金屬門窗或者塑料門窗設(shè)計尺寸應(yīng)比洞口尺寸小5 mm，為門窗包邊留出足夠的空間，并將泛水邊壓在門窗外邊沿。因窗框的厚度大于板材厚度，所以在設(shè)計時應(yīng)考慮到窗體質(zhì)量的設(shè)計，通常采用C 形鋼墻梁來固定夾芯板。

3 輕型鋼結(jié)構(gòu)工業(yè)建筑屋面設(shè)計

3.1 屋面板材的連接方式

工業(yè)建筑屋面常用板材有彩色壓型鋼板和彩鋼夾芯板。屋面用彩色壓型鋼板的連接方式主要有咬合式連接和扣蓋式連接。咬合式連接是采用專用的咬邊機(jī)將搭接在一起的彩色壓型鋼板緊密咬合。咬合程度又分緊密咬合和非機(jī)密咬合，設(shè)計時要根據(jù)工業(yè)具體使用要求來確定采用哪種咬合程度。扣蓋式連接設(shè)計時應(yīng)將接縫形式設(shè)置為對稱布置，并將板材邊緣收緊，在板材上安裝防水扣蓋。扣蓋式連接設(shè)計的隱藏構(gòu)造形式增加了屋面防水能力，但是考慮到板材下的空腔受風(fēng)阻較大，該連接方式在沿海多風(fēng)地區(qū)不適宜應(yīng)用。彩鋼夾芯板的連接方式主要有屋面板才縱向連接和屋面板材橫向連接。屋面板材橫向連接設(shè)計的企口凹凸處首尾相接，屋面板材之間采用密封膠噴涂，并采用自攻螺釘將壓蓋板和屋面板連接。將板材搭接處用作構(gòu)造連接，避免連接處出現(xiàn)虹吸現(xiàn)象。縱向連接的兩塊屋面板材應(yīng)放置在屋架支撐構(gòu)件上，板材支座的設(shè)計長度要大于50 mm，且兩塊縱向連接板材的搭接處檁條應(yīng)設(shè)計為雙檁或設(shè)計為焊接長角鋼形式。

3.2 屋面功能設(shè)計

工業(yè)建筑屋面排水設(shè)計主要包括以下幾個方面：首先，屋面排水坡度應(yīng)大于5%，排水形式多為屋面外排。因屋面高度增加會增加整體造價，所以在屋面排水結(jié)構(gòu)設(shè)計時應(yīng)在外排水基礎(chǔ)上選用寬波高肋壓型板材料，板材側(cè)面采用卷邊處理，在一定程度上可以適當(dāng)減小屋面坡度，降低屋面高度，降低工程總造價。其次，屋面板接縫處理和屋面板防水處理。屋面板如果采用縱向連接方式，那么屋面板排水方向與板材方向一致，這時候主要從屋面板構(gòu)造方面考慮排水和防水為主，防水材料為輔的原則來進(jìn)行設(shè)計；屋面板如果采用橫向連接方式，應(yīng)設(shè)置一定的搭接邊來順應(yīng)屋面排水，搭接邊長度應(yīng)大于200 mm，且采用防水材料密封。

3.3 工業(yè)建筑屋面通風(fēng)設(shè)計

工業(yè)建筑廠房大多數(shù)是密封作業(yè)，作業(yè)過程中會產(chǎn)生大量粉塵、水蒸氣以及污濁氣體，如果不及時排除會腐蝕機(jī)械設(shè)備，所以在屋面通風(fēng)設(shè)計方面應(yīng)考慮屋面氣樓的設(shè)計。氣樓結(jié)構(gòu)是屋面結(jié)構(gòu)的豎向延伸，在滿足工業(yè)建筑密封空間排氣要求同時，也拉伸了工業(yè)建筑的豎向空間，提升了工業(yè)建筑的層次感，也保護(hù)了工業(yè)建筑屋脊結(jié)構(gòu)構(gòu)件。

4 輕型鋼結(jié)構(gòu)工業(yè)建筑設(shè)計實例分析

4.1 案例簡介

某生態(tài)環(huán)保科技有限公司的廢舊科技產(chǎn)品回收及綜合應(yīng)用車間，建筑耐火等級為一級，屋面防水等級為二級，建筑綜合類別為三級。其中，辦公區(qū)域建筑為鋼框架結(jié)構(gòu)，回收加工車間區(qū)域為門式鋼框架結(jié)構(gòu)。建筑主體北側(cè)首層層高為4.8 m，作為辦公及車間附屬施舍用房，建筑主體北側(cè)二層為相關(guān)科技產(chǎn)品回收再利用展覽用房。建筑主體南側(cè)層高為10 m，主要用于生產(chǎn)建工車間用房，總建筑面積為14 000 m2，辦公區(qū)域面積為2 800 m2，生產(chǎn)加工車間面積為11 200 m2。

4.2 建筑材料的選擇

考慮到案例項目工業(yè)建筑的使用特性，在建筑設(shè)計中應(yīng)遵循低碳環(huán)保理念，所以建筑形式采用門式鋼框架結(jié)構(gòu)，建筑維護(hù)材料選擇彩色壓型鋼板，因為鋼材屬于可重復(fù)利用的材料，也凸顯了建筑本身的綠色可持續(xù)發(fā)展理念，與建筑使用性質(zhì)不謀而合。建筑凸出部分采用了厚度為0.8 mm 的橫排象牙白波浪板材，建筑維護(hù)墻體材料為厚度0.5 mm 的豎排象牙白外板，使得建筑凸出部分的機(jī)械工業(yè)智慧感十足。板材條紋方向和板材條紋大小的設(shè)計需要設(shè)計師根據(jù)建筑效果圖和建筑長寬比例綜合分析確定。建筑從上到下主流顏色為象牙白，除了建筑北側(cè)的玻璃幕墻和窗戶之外，設(shè)計過程中沒有加入其他色彩。建筑設(shè)計中色彩搭配方案要綜合考慮建設(shè)單位使用需求和建筑總體體量進(jìn)行綜合考慮并確定。

4.3 建筑立面設(shè)計

因案例項目為科技產(chǎn)品回收再利用的辦公加生產(chǎn)車間，為了凸顯建筑的科技感和未來感，建筑4 個立面設(shè)置成凸凹形狀，在光線作用下凸顯了建筑的與眾不同。建筑辦公部分采用鋼框架結(jié)構(gòu)設(shè)計，局部屋面使用張懸梁結(jié)構(gòu)設(shè)計，辦公區(qū)入口處采用明框玻璃幕墻，充分彰顯建筑的現(xiàn)代感。玻璃幕墻和金屬板材的交相輝映，勾勒出建筑北側(cè)立面的整體架構(gòu)。

4.3.1 建筑墻體立面外圍護(hù)結(jié)構(gòu)細(xì)部設(shè)計

為了凸顯建筑的與眾不同，將車間外維護(hù)表面設(shè)計成凸凹形狀，將壓型鋼板顏色設(shè)計為瓷藍(lán)色，將壓型鋼板突出象牙白墻體200 mm。具體設(shè)計方案是在墻體內(nèi)檁條邊緣加設(shè)附加結(jié)構(gòu)構(gòu)件，讓附件結(jié)構(gòu)構(gòu)件與壓型板形成特別的連接構(gòu)造形式，同時處理好壓型鋼板的收邊位置。突出部位的檁條做法與常規(guī)做法不同，將檁條設(shè)計成焊接角鋼形式的突出構(gòu)件。

4.3.2 窗口細(xì)部設(shè)計

案例項目凸凹部分窗口設(shè)計方案是將兩個截面面積一致的檁條并列焊接在一起，再與彩色鋼板相互配合進(jìn)行包邊處理，將凸凹效果達(dá)到極致。建筑非凸凹部分的窗口也設(shè)計了別致的彩鋼構(gòu)折件，并通過防水自攻螺釘與墻體板材進(jìn)行固定，固定后用密封膠在窗框出進(jìn)行密封，達(dá)到了預(yù)期的防水效果。窗下口與墻體的連接同窗上口連接方式基本一致。

5 結(jié)語

與工業(yè)建筑和民用建筑相同，輕型鋼結(jié)構(gòu)工業(yè)建筑的空間同樣是由結(jié)構(gòu)骨架組成，輕型鋼結(jié)構(gòu)的屋面和立面也是由與之相同的元素構(gòu)成。所以在輕型鋼結(jié)構(gòu)工業(yè)建筑設(shè)計時，可以參考建筑設(shè)計統(tǒng)一美學(xué)進(jìn)行設(shè)計。此外，輕型鋼結(jié)構(gòu)建筑可以有多種外觀形式，結(jié)構(gòu)空間組成也好、立面造型或者屋面造型也好，設(shè)計人員都可以充分發(fā)揮想象空間去設(shè)計，繼而達(dá)到和其他建筑相同的美學(xué)效果。