工業(yè)建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的防腐設(shè)計(jì)探析

胡登先 唐 昊

中機(jī)國際工程設(shè)計(jì)研究院有限責(zé)任公司 湖南 長沙 410007

近幾年，建筑企業(yè)在設(shè)計(jì)施工一體化實(shí)踐模式下，按照項(xiàng)目立項(xiàng)→投資決策→方案設(shè)計(jì)→招投標(biāo)→施工建設(shè)→試運(yùn)行→收尾→維保等流程實(shí)踐后，有效提高了此類建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)水平，增強(qiáng)了結(jié)構(gòu)施工質(zhì)量。但是，隨著工業(yè)建筑類型增多、建筑材料更新、建造工藝及技術(shù)發(fā)展，改變了其中的部分內(nèi)容，在這種現(xiàn)狀下，建筑企業(yè)應(yīng)遵循現(xiàn)行《工業(yè)建筑防腐蝕設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》（GB 50046-2018），提高了對防腐設(shè)計(jì)的重視程度，加強(qiáng)對其結(jié)構(gòu)防腐設(shè)計(jì)相關(guān)問題的研討。

1 工業(yè)建筑結(jié)構(gòu)腐蝕機(jī)理分析

腐蝕性分級形式較多，主要包括：（1）污染土；（2）腐蝕性水；（3）固態(tài)介質(zhì)；（4）氣態(tài)介質(zhì)；（5）酸堿鹽溶液等。對于工業(yè)建筑結(jié)構(gòu)而言，容易受到大氣腐蝕、局部腐蝕、應(yīng)力腐蝕的影響，進(jìn)而導(dǎo)致結(jié)構(gòu)損壞。下面僅對這三種腐蝕類型的機(jī)理做出具體分析。

1.1 大氣腐蝕機(jī)理

工業(yè)建筑長期暴露于自然環(huán)境之中，大氣環(huán)境中的空氣中含有水分、氧氣等化學(xué)成分，受到電化學(xué)作用或發(fā)生化學(xué)反應(yīng)后，空氣中的水分會與其結(jié)構(gòu)表面生成電解液，隨著電解液中氧氣的溶入生成陰極去極劑，相當(dāng)于在工業(yè)建筑結(jié)構(gòu)中設(shè)置了一個(gè)腐蝕原電池，此時(shí)會造成銹跡，并通過腐蝕作用的加劇對其結(jié)構(gòu)的腐蝕[1]。

1.2 局部腐蝕機(jī)理

局部腐蝕比較常見，危害相對較大。從目前的研究成果看，發(fā)生局部腐蝕的工業(yè)建筑結(jié)構(gòu)形態(tài)會受到一定程度的損壞。該腐蝕通常被分為電偶腐蝕、縫隙腐蝕兩種子類型。前一種腐蝕多發(fā)生在結(jié)構(gòu)連接位置、組合結(jié)構(gòu)部位，其中的正電位結(jié)構(gòu)腐蝕速度小于負(fù)電位結(jié)構(gòu)，二者與工業(yè)建筑結(jié)構(gòu)結(jié)合可形成腐蝕原電池，進(jìn)而對其結(jié)構(gòu)造成破壞。后一種腐蝕發(fā)生在工業(yè)建筑結(jié)構(gòu)表層縫隙、構(gòu)件之間，當(dāng)縫隙寬度容納足夠的液體懸流時(shí)會導(dǎo)致結(jié)構(gòu)裂縫，通常的腐蝕敏感寬度范圍在0.025mm到0.1mm之間。

1.3 應(yīng)力腐蝕機(jī)理

工業(yè)建筑結(jié)構(gòu)不受應(yīng)力影響的條件下，一般不會發(fā)生應(yīng)力腐蝕問題。但是，在革種介質(zhì)環(huán)境下出現(xiàn)應(yīng)力后必然會導(dǎo)致腐蝕，甚至斷裂現(xiàn)象。從產(chǎn)生機(jī)理看，當(dāng)工業(yè)建筑結(jié)構(gòu)受到應(yīng)力或腐蝕介質(zhì)影響后，會破壞其表面的氧化膜并形成陰極與陽極，陽極金屬離子受到溶解以電流的形式流向陰極。由于陽極面積小電流密度大，此時(shí)可破壞工業(yè)建筑結(jié)構(gòu)。實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)表明，應(yīng)力腐蝕缺乏顯著征兆，一旦發(fā)生便會造成較大危害，包括結(jié)構(gòu)倒塌、管線泄漏等。

2 工業(yè)建筑結(jié)構(gòu)防腐設(shè)計(jì)要求分析

工業(yè)建筑因其生產(chǎn)項(xiàng)目存在較大差別，并且在使用功能上具有一定的特殊性。例如，發(fā)電廠、儲物倉、水塔、醫(yī)藥廠房、化工廠房等用途不同，其結(jié)構(gòu)所在的內(nèi)部環(huán)境、外部環(huán)境存在差異。目前，工業(yè)企業(yè)雖然在生產(chǎn)過程中，根據(jù)實(shí)際的生產(chǎn)原料、加工工藝、半成品、成品等，設(shè)計(jì)了對強(qiáng)腐蝕性物質(zhì)的回收處理工藝，但是由于此類物質(zhì)具有揮發(fā)性，逃逸后仍會對建筑內(nèi)部空間造成相應(yīng)的影響，進(jìn)而導(dǎo)致結(jié)構(gòu)腐蝕問題。因而，在當(dāng)前工業(yè)建筑結(jié)構(gòu)防腐設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)對其設(shè)計(jì)要求做進(jìn)一步分析。

2.1 安全性要求

工業(yè)建筑是工業(yè)生產(chǎn)的物質(zhì)基礎(chǔ)與必要條件，當(dāng)主體結(jié)構(gòu)受到腐蝕后，可降低結(jié)構(gòu)強(qiáng)度與承載力，隨著腐蝕問題的加劇與外力作用，不排除導(dǎo)致構(gòu)件掉落、結(jié)構(gòu)坍塌等安全事故。因而，對其進(jìn)行防腐設(shè)計(jì)時(shí)的首要目標(biāo)是確保其安全性。根據(jù)GB 50046-2018標(biāo)準(zhǔn)要求看，第1項(xiàng)總則中的1.0.3條便明確提出了“預(yù)防為主和防護(hù)結(jié)合的原則”，要求設(shè)計(jì)人員進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)根據(jù)生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的介質(zhì)腐蝕性等因素，選擇綜合性的防腐蝕措施，保障此類建筑承重結(jié)構(gòu)及構(gòu)件安全等[2]。

2.2 適用性要求

工業(yè)建筑類型不拘一格，評價(jià)其腐蝕性等級時(shí)，一般采用強(qiáng)腐蝕、中腐蝕、弱腐蝕、微腐蝕四個(gè)等級。按GB 50046-2018標(biāo)準(zhǔn)第3項(xiàng)中的基本規(guī)定看，應(yīng)結(jié)合腐蝕性介質(zhì)性質(zhì)、類別、形式，以及存在的環(huán)境濕度、濕度等，選擇適配性較高的防腐措施。例如，氣態(tài)介質(zhì)會對工業(yè)建筑材料造成腐蝕，此類介質(zhì)包括氯、氯化氫、氮氧化物、硫化氫、氟化氫、二氧化硫等，當(dāng)腐蝕介質(zhì)濃度不同時(shí)，在環(huán)境相對濕度條件下，會對鋼筋混凝土、預(yù)應(yīng)力混凝土中的鋼筋、水泥砂漿、素混凝土、木材、鋼材、鋁等造成不同等級的腐蝕。因此，設(shè)計(jì)人員進(jìn)行防腐設(shè)計(jì)時(shí)必須遵循適用性要求，根據(jù)實(shí)際結(jié)構(gòu)及應(yīng)用材料分析其中的腐蝕性等級，進(jìn)而選擇適用性較強(qiáng)的腐蝕設(shè)計(jì)方案。以設(shè)計(jì)使用年限為50年的結(jié)構(gòu)混凝土材料為例，在腐蝕環(huán)境其耐久性基本要求應(yīng)滿足表1中的要求。

表1 結(jié)構(gòu)混凝土材料的基本要求

2.3 經(jīng)濟(jì)性要求

工業(yè)建筑結(jié)構(gòu)防腐設(shè)計(jì)時(shí)，要求設(shè)計(jì)人員對其用途、結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、環(huán)境特點(diǎn)、主要腐蝕介質(zhì)等進(jìn)行全面分析并選擇適合的設(shè)計(jì)方案。事實(shí)上，部分工業(yè)企業(yè)為了降低成本，往往會要求建設(shè)企業(yè)在防腐設(shè)計(jì)中選擇成本投入最低的方案。考慮到經(jīng)濟(jì)性要求，設(shè)計(jì)人員應(yīng)在防腐設(shè)計(jì)過程中，根據(jù)勘察報(bào)告、環(huán)境影響評價(jià)報(bào)告、初步設(shè)計(jì)方案等，利用BIM技術(shù)進(jìn)一步優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，并在此基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)至少3套防腐設(shè)計(jì)方案，這樣做有利于從成本、技術(shù)、可維護(hù)性等多個(gè)層面，比較不同方案的優(yōu)勢與劣勢，最終選擇既能夠滿足防腐目的，又能夠被工業(yè)企業(yè)接受的經(jīng)理合理型設(shè)計(jì)方案。

3 工業(yè)建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的防腐設(shè)計(jì)策略

3.1 結(jié)合新理念，選擇適配形式

自《裝配式建筑評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)》（GB/T 51129-2017）、《綠色建筑評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)》（GB/T 50378-2019）實(shí)施以來，工業(yè)建筑中的裝配率普遍提高到了50%以上，按照裝配式評價(jià)項(xiàng)中的100分評價(jià)分值計(jì)算主體結(jié)構(gòu)占到了50分，按綠色建筑評價(jià)分值計(jì)算，控制項(xiàng)基礎(chǔ)分值要求達(dá)到至少400分。尤其在GB/T 50378標(biāo)準(zhǔn)第5項(xiàng)5.1條控制項(xiàng)中，明確了對污染物濃度的控制要求。在上述標(biāo)準(zhǔn)下，設(shè)計(jì)人員進(jìn)行工業(yè)建筑結(jié)構(gòu)防腐設(shè)計(jì)時(shí)，首先要樹立標(biāo)準(zhǔn)化防腐設(shè)計(jì)理念，并在該理念下依據(jù)GB 50046-2018標(biāo)準(zhǔn)按部就班完成其結(jié)構(gòu)防腐設(shè)計(jì)[3]。

其次，結(jié)構(gòu)防腐中利用結(jié)構(gòu)形式設(shè)計(jì)提高防腐能力相對容易，除了常用的鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)外，對于鋼結(jié)構(gòu)形式的選擇相對增多。建議在設(shè)計(jì)過程中區(qū)工業(yè)建筑的大跨度與中小跨度，盡量在前一種條件下選擇鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，在后一種條件下應(yīng)用鋼結(jié)構(gòu)形式。需要說明的是，防腐設(shè)計(jì)受到市場因素、建筑類型、建造工藝、施工技術(shù)等因素影響，選擇鋼結(jié)構(gòu)形式后應(yīng)配套的開展市場調(diào)研，確保設(shè)計(jì)方案中對鋼結(jié)構(gòu)的表面防護(hù)做出詳細(xì)規(guī)定。如表2：

表2 鋼結(jié)構(gòu)表面防護(hù)要求

例如，在工業(yè)建筑防腐腐蝕設(shè)計(jì)過程中，由于建筑用途具有一定的特殊性，其中不排除侵蝕性氣體、粉塵等，在這種條件下，應(yīng)在單體建筑造型設(shè)計(jì)時(shí)選擇簡約設(shè)計(jì)理念，盡可能按敞開式、半敞開式進(jìn)行設(shè)計(jì)，為其保持良好的自然通風(fēng)提供有效支持。尤其在確定其形式后，應(yīng)根據(jù)《工業(yè)建筑防腐蝕設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》中的實(shí)際要求，對材料、外露構(gòu)件、樓面、地面等進(jìn)行綜合分析。從以往的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)看，應(yīng)從具體項(xiàng)目的構(gòu)成要素著手，根據(jù)總項(xiàng)目、分部項(xiàng)目、子項(xiàng)目的系統(tǒng)性特點(diǎn)出發(fā)，進(jìn)行系統(tǒng)性的防腐蝕設(shè)計(jì)，進(jìn)而保障整體建筑的防腐性能。

3.2 運(yùn)用新技術(shù)，優(yōu)化結(jié)構(gòu)布局

與常規(guī)建筑不同，工業(yè)建筑生產(chǎn)工藝系統(tǒng)與結(jié)構(gòu)布局關(guān)系十分密切，設(shè)計(jì)人員進(jìn)行防腐設(shè)計(jì)時(shí)要對二者進(jìn)行相互協(xié)調(diào)，確保結(jié)構(gòu)布局的合理性，降低腐蝕影響。首先，應(yīng)選擇新時(shí)期已普遍推廣應(yīng)用的BIM技術(shù)，先將初步設(shè)計(jì)CAD圖導(dǎo)入Revit軟件，利用其中的“族庫”功能，完成其各個(gè)方面的“族模型”設(shè)置，再通過可視化的拆分與組合設(shè)計(jì)優(yōu)化其結(jié)構(gòu)布局。

其次，具體操作過程中，一方面應(yīng)針對主要生產(chǎn)設(shè)備進(jìn)行集中布置，以此提高對腐蝕介質(zhì)的回收處理效率。另一方面應(yīng)進(jìn)行場址方面的優(yōu)化，如在下風(fēng)向設(shè)置生產(chǎn)車間，并根據(jù)地下水流向調(diào)整生產(chǎn)車間與建筑結(jié)構(gòu)布局，充分發(fā)揮自然環(huán)境引流作用，減少不同介質(zhì)對其結(jié)構(gòu)的腐蝕影響。尤其在空間結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過程中，設(shè)計(jì)人員應(yīng)清晰明確的認(rèn)識到線型結(jié)構(gòu)方式的優(yōu)勢所在，將其與風(fēng)向進(jìn)行協(xié)調(diào)。至于工業(yè)生產(chǎn)廢水方面的存在的腐蝕介質(zhì)影響因素，可以采用室外排水坡度設(shè)計(jì)方法，提高排水流暢性，進(jìn)而控制可能因積水造成的腐蝕現(xiàn)象。除以上優(yōu)化外，設(shè)計(jì)人員應(yīng)把Revit三維模型進(jìn)一步導(dǎo)入Navisworks四維仿真軟件，利用其中的“4D動畫模擬”功能與“碰撞檢查”功能，對氣流界輸送管道的敷設(shè)方式與連接設(shè)計(jì)情況等進(jìn)行仿真與檢查，提前做好對其泄漏風(fēng)險(xiǎn)的預(yù)測分析，并進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)整等[4]。

需要說明的是，新時(shí)期我國建筑領(lǐng)域?qū)嵤┝恕堆b配式建筑評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)》（GB/T 51129-2017）和《綠色建筑評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)》（GB/T 50378-2019），在實(shí)際應(yīng)用BIM技術(shù)優(yōu)化結(jié)構(gòu)布局時(shí)，設(shè)計(jì)人員應(yīng)嚴(yán)格按設(shè)計(jì)施工一體化實(shí)踐模式，充分利用拆分設(shè)計(jì)、組合設(shè)計(jì)，在IFC標(biāo)準(zhǔn)下做好對BIM結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)的設(shè)置，為后續(xù)PC構(gòu)件預(yù)制時(shí)，選擇防腐蝕材料、運(yùn)用節(jié)能技術(shù)、提高預(yù)制效率、科學(xué)開展裝配施工等奠定堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)，全面發(fā)揮出設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)的引領(lǐng)性作用。

3.3 融合新方法，保障防腐效果

在新一輪工業(yè)化改革浪潮推動下，建筑企業(yè)在工業(yè)建筑中擴(kuò)大了對新材料、新技術(shù)、新工藝的應(yīng)用。從目前保障防腐設(shè)計(jì)效果的方法看，仍然集中在防腐材料擇、結(jié)構(gòu)表層處理、防腐涂層厚度設(shè)置等方面。

例如，在鋼結(jié)構(gòu)中通常會選擇改性結(jié)構(gòu)、陰極保護(hù)、熱浸鋅、涂層法。在鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)中，通常將重點(diǎn)放在原材料質(zhì)量控制、混合料的配合比設(shè)計(jì)優(yōu)化、配套養(yǎng)護(hù)等方面。建議在新時(shí)期的工業(yè)建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中實(shí)施防腐設(shè)計(jì)時(shí)，梳理其相關(guān)流程，確保設(shè)計(jì)人員能夠在工業(yè)建筑類型→結(jié)構(gòu)形式→腐蝕機(jī)理→防腐設(shè)計(jì)→防腐措施→防腐監(jiān)測等環(huán)節(jié)，選擇適配性較高的方法提高防腐設(shè)計(jì)效果。如鋼結(jié)構(gòu)中對于安得瓦產(chǎn)品的使用，有利于發(fā)揮其耐候性、耐腐蝕性、抗沖擊性、抗風(fēng)性等優(yōu)勢，進(jìn)而在防腐的同時(shí)提高其對外部作用的抵抗能力等。

再如，新時(shí)期工業(yè)建筑設(shè)計(jì)中并沒有專門的防腐專業(yè)設(shè)計(jì)人員，一般將防腐設(shè)計(jì)工作分派給各個(gè)專業(yè)的設(shè)計(jì)人員。考慮到建筑材料、建筑類型、建造工藝方面的變化，導(dǎo)致了局部設(shè)計(jì)內(nèi)容差異，常規(guī)培訓(xùn)方法并不能達(dá)到預(yù)期設(shè)計(jì)目標(biāo)。在這種前提下，建議設(shè)計(jì)單位于實(shí)際操作中，由設(shè)計(jì)總工把關(guān)，一方面加強(qiáng)與業(yè)主方的溝通交流，另一方面將建筑特征和安全性、適用性、經(jīng)濟(jì)性要求全面關(guān)聯(lián)起來，編制一些防腐設(shè)計(jì)專題對相關(guān)設(shè)計(jì)人員開展專題培訓(xùn)，使其在知識結(jié)構(gòu)、專業(yè)技能、職業(yè)素養(yǎng)方面獲得全面提升，進(jìn)而為其質(zhì)量保駕護(hù)航[5]。

4 結(jié)束語

總之，工業(yè)建筑是企業(yè)從事生產(chǎn)經(jīng)營工作的物質(zhì)基礎(chǔ)，受到大氣腐蝕、局部腐蝕、應(yīng)力腐蝕后，結(jié)構(gòu)會發(fā)生問題。在新時(shí)期建筑行業(yè)、工業(yè)行業(yè)高質(zhì)量發(fā)展之際，應(yīng)結(jié)合工業(yè)建筑高質(zhì)量設(shè)計(jì)與高水準(zhǔn)運(yùn)營目標(biāo)，持續(xù)提升其結(jié)構(gòu)防腐設(shè)計(jì)水平。結(jié)合上述分析可以看出，此類建筑結(jié)構(gòu)腐蝕類型較多，產(chǎn)生機(jī)理復(fù)雜，在新時(shí)期進(jìn)行防腐設(shè)計(jì)過程中，一方面應(yīng)細(xì)致分析防腐設(shè)計(jì)要求，并選擇適配性較高的防腐方法開展設(shè)計(jì)工作，另一方面應(yīng)加強(qiáng)選材、結(jié)構(gòu)布局調(diào)整，盡量通過綜合化的設(shè)計(jì)策略，提高其防腐能力，為工業(yè)企業(yè)高效、安全生產(chǎn)保駕護(hù)航。