工業廠房鋼結構設計現狀與優化措施

李攀劍 吳海燕

1 工程概況

紅牛飲料內江生產基地項目共有4 個單體含鋼結構，分別為立體倉庫、生產車間、化學品庫及員工活動中心。

其中立體倉庫、生產車間為門式輕型鋼架結構，化學品庫及員工活動中心為鋼混結構。

1）立體倉庫。立體倉庫為門式輕型鋼架結構，面積26700 m2，長度為225.5 m，寬度為120 m，檐口高度23.4 m，女兒墻高度2 m；主鋼結構含鋼量1316 t，單根最重構件鋼柱3.05 t，最大跨度32 m；屋面采用保溫棉+360°直立縫鎖邊板，局部有屋面內襯板，面積4718 m2；墻面為內墻板+保溫棉+外墻板形式。

2）生產車間。生產車間為門式輕型鋼架結構，面積36194 m2，夾層面積13194 m2；車間長度為226.5 m，寬度為159.8 m，檐口高度11.675 m，女兒墻高度為2.12 m；主鋼結構含鋼量2191 t，最大跨度41 m，鋼梁拼接起吊重量6 t；屋面形式為屋面內襯板+保溫棉+360°直立縫鎖邊板；墻面為內墻板+保溫棉+外墻板形式。

3）化學品庫。化學品庫為鋼混結構，主體結構為混凝土，屋面是鋼結構，面積1116 m2，屋面形式為屋面內襯板+保溫棉+屋面板。

4）員工活動中心。員工活動中心為鋼混結構，主體結構為混凝土，屋面是鋼結構，面積1661 m2，屋面形式為屋面內襯板+保溫棉+屋面板。

2 鋼結構工業廠房的優勢

2.1 質量輕且跨度大

鋼結構工業廠房的首要優勢是質量輕，一般大約只有同等體積鋼筋混凝土結構的20%，這一特性源于鋼材自身的高強度和良好的韌性，使得在承擔相同荷載的情況下，鋼結構需要的材料遠少于混凝土結構[1]。由于質量的減輕，設計師可以采取更大的跨度設計，這不僅可以為工業生產提供更大的空間，減少內部支撐的干擾，還能降低地基的承載要求，從而減少地基工程的成本。

2.2 抗震能力強

鋼結構工業廠房之所以在地震頻發地區受到青睞，是因為其具有卓越的抗震性能。在工業廠房鋼結構設計中，設計師采取了多種措施來提高其抗震性能，具體為：第1，通過優化結構布局和設計，如設置專門的能量耗散裝置和隔震支座，有效提高了鋼結構工業廠房的抗震能力。第2，結構連接部位的設計尤為關鍵，通過采用高強度螺栓連接或焊接，確保在地震作用下，連接部位不會成為薄弱環節。第3，對于高層或大跨度的鋼結構，通過設置合理的支撐體系，如剪力墻和支撐框架，提高了整體結構的剛度和穩定性，從而提升了工業廠房鋼結構對地震力的抵抗能力。

2.3 施工速度快

鋼結構的施工速度快，成為其在現代建筑工程中廣泛應用的重要原因，這一優勢源于鋼結構組件的預制化生產和現場快速組裝的特性，不僅提高了施工效率，還在很大程度上保證了建筑工程的整體質量和安全性。預制化生產是指在工廠內按照精確的設計圖紙和要求，提前完成鋼結構組件的加工和部分組裝工作，這種生產方式具有多方面的優勢。第1，工廠化生產可以在可控的環境中進行，減少了現場施工對天氣條件的依賴，特別是在雨季或冬季等惡劣天氣條件下，預制化生產的鋼結構仍可繼續生產，不會延誤工期。第2，工廠化的生產環境有利于施工質量的控制，每個組件都可以在生產過程中進行嚴格的質量檢驗，確保其尺寸精確、質量可靠。第3，預制化生產可以大幅度減少現場施工所需的勞動力和設備，降低施工成本。預制完成的鋼結構組件運至施工現場后，可以快速進行組裝和連接，現場組裝的高效率不僅縮短了工期，大大縮短了整體的施工周期，還降低了施工成本。

3 鋼結構工業廠房設計現狀

3.1 整體布局不夠合理

鋼結構工業廠房的設計優化是現代工業建筑發展的關鍵，盡管鋼結構因其顯著的優點而在工業建筑領域中占據重要地位，但在實際的設計與實施過程中，仍存在一些問題和挑戰，特別是在設計整體布局方面，如有的過于保守，有的在設計時對生產工藝使用要求考慮不全面等，這些都可能會對建筑的使用壽命和安全性產生負面影響。

在鋼結構工業廠房的設計過程中，追求成本最低化往往成為主要目標，這導致設計者在布局和結構選擇上可能忽略了一些重要的因素。例如為了減少鋼材用量，設計者可能會選擇增大建筑的跨度，以減少支撐結構的數量，雖然這種方法在理論上可以降低材料成本，但是在實際應用中，可能因為未充分考慮生產工藝、生產線布置及安裝施工吊車的要求等因素，最終的施工成本并未減少，甚至影響后期的使用效率和安全性[2]。

3.2 造價成本控制不佳

鋼結構工程在現代工業廠房建設中扮演著越來越重要的角色，其成本控制的優劣直接影響整個項目的經濟性和可行性。然而，當前我國在鋼結構工業廠房的設計和施工過程中，造價成本控制存在一定的問題和挑戰，這些問題不僅增加了項目的經濟負擔，還影響了工程質量和進度。

設計階段是控制鋼結構工程成本的關鍵環節。合理的設計不僅能夠確保結構的安全性和功能性，還能有效控制成本。然而，目前在設計階段往往缺乏高效的優化方法，導致設計方案在鋼材選用、結構形式和連接細節等方面存在不足。例如，對于鋼材的選擇，未能充分考慮材料的經濟性和可獲取性[3]，導致使用了成本較高或供應不穩定的鋼材；在結構形式的選擇上，未能充分利用計算機模擬和結構優化技術，增加了不必要的成本。

3.3 未充分考慮環境因素

在鋼結構工業廠房的設計過程中，應充分考慮環境因素。但是部分設計師在設計工業廠房的鋼結構時過分注重廠房的結構和功能，忽略了環境因素對廠房可能產生的長遠影響。不同地區的氣候差異顯著，有的地區濕潤多雨，有的地區則干燥少雨，還有的地區四季分明，溫差較大。這些氣候條件都會對鋼結構廠房的材料選擇、防腐處理及保溫隔熱等方面提出不同的要求。然而，由于設計師對氣候因素的忽視，可能會導致廠房在使用過程中出現腐蝕、生銹、漏水、保溫效果不佳等問題，進而影響廠房的使用壽命和安全性。另外，土壤類型、地下水位、地震活動等地質條件也會影響工業廠房的地基設計和施工，如果設計師對地質條件考慮的不夠充分，很容易導致廠房在使用過程中出現地基沉降、開裂和抗震性能不足等問題，嚴重威脅廠房使用的安全性。此外，工業廠房鋼結構在設計過程中也要考慮風荷載、雪荷載等方面的環境因素，這些因素在特定地區尤為重要。如果設計師沒有對這些因素進行充分考慮和計算，可能會導致廠房在使用過程中出現結構失穩、倒塌等問題。

4 工業廠房鋼結構設計的優化措施

4.1 屋蓋支撐系統的優化設計

在工業廠房中，屋蓋結構由于其廣泛的覆蓋面積和直接承受外部荷載的特性，對整體結構穩定性的影響極大，優化屋蓋支撐系統的設計不僅能提高結構的安全性，還能有效減輕結構自重，提高材料使用效率。

在設計屋蓋支撐系統時，需要綜合考慮以下幾個關鍵因素：第1，跨度與高度的匹配。工業廠房的跨度和高度是決定支撐結構設計的基本因素。為了保證結構的穩固和穩定，設計時需要對工業廠房的結構特點進行深入分析。大跨度結構特別需要考慮如何通過支撐系統設計減少中間支撐[4]，以提升使用空間的靈活性，同時保證結構的整體穩定性。第2，支撐體系的構成。屋蓋支撐系統的優化設計需考慮系桿、橫向支撐、豎向支撐及垂直支撐的合理布局。系桿可以有效提高屋蓋的整體剛度，分散荷載；橫向支撐和豎向支撐則是確保結構在水平與豎直方向上穩定的關鍵。在設計時，要根據屋蓋的實際結構形式和跨度大小，采用合適的支撐體系，確保每個組成部分都能發揮其應有的作用。第3，屋面形式的考慮。屋面形式直接影響支撐系統的設計和布置。常見的屋面形式有平屋頂、坡屋頂、曲面屋頂等，屋面形式不同，支撐系統的設計要求也不同。設計時還需考慮屋面的隔熱、防水等功能需求，通過合理布置支撐系統，不僅要確保結構的穩定性，還要考慮屋面維護的便捷性。

4.2 柱間支撐的設計

工業廠房鋼結構的設計中，柱間支撐的配置不僅關乎整體結構的穩定性和安全性，還直接影響廠房的使用效率和維護成本。在現代鋼結構設計中，柱間支撐系統通過增加建筑結構的內部連接，顯著提升了結構的整體剛度和穩定性，這種支撐體系對于抵抗橫向荷載（如風荷載、地震力等）具有至關重要的作用，能夠有效減少結構在橫向力作用下的位移和變形，從而保證結構的安全和使用功能，此外，柱間支撐還能調節建筑內部的力學環境，減少某些區域的應力集中現象，避免因局部失穩導致的結構損壞。

在大跨度鋼結構工業廠房中，溫差帶來的影響尤為顯著。溫度變化會導致結構材料的膨脹或收縮，從而引起結構內部的應力變化。對于長度超過150 m 的大型工業廠房，溫差所引起的結構材料長度變化不可忽視，這可能會導致結構的額外應力，甚至產生不利的結構效應。因此，在設計柱間支撐時，必須充分考慮溫差的影響，特別是在溫差較大的核心區，通過合理設置下部立柱支撐，補償溫差引起的結構變形，確保結構整體的穩定性。

針對溫差較大的情況，下部立柱支撐的設置成為關鍵。一般而言，建議在高溫段中部約1/3 位置設置下部支柱，這樣的配置可以有效平衡由溫差引起的結構變形，提高結構的垂直剛度。在實際設計過程中，還需考慮支撐系統與屋面的側向水平支撐之間的協調性，確保整個支撐體系能夠統一協作[5]，分擔和傳遞荷載。為實現這一目標，設計師需采用精確的結構分析和模擬技術，預測不同溫度條件下結構的變形，以及支撐配置對結構性能的影響。通過這些分析，確定最優的支撐布局方案，這不僅會提升結構安全性和穩定性，還可以提升施工的可行性，降低施工成本。

4.3 工業廠房鋼結構的防火設計

鋼結構在工業廠房建設中的應用日益廣泛，但其在高溫下強度會顯著降低，這一安全隱患不容忽視，因此，鋼結構的防火設計成為確保工業廠房安全的關鍵。合理的防火設計可以提高結構在火災情況下的穩定性，保護人員安全，減少財產損失。

在進行鋼結構的防火設計之前，首先需要根據國家標準和行業規范確定廠房的防火等級。防火等級通常根據建筑的用途、火災風險程度及可能導致的損失程度進行劃分，根據廠房內部生產工藝的特點和存儲物質的火災危險性，進行細致的風險評估，確定鋼結構所需達到的防火性能標準。

鋼結構的防火措施主要包括被動防火和主動防火2 個方面。被動防火措施著重于通過物理隔離或材料的不燃性來阻止火勢的蔓延，而主動防火措施則包括設置自動噴水滅火系統、煙霧報警器等，以便在火災發生時迅速響應。被動防火措施中，使用高隔熱、高隔溫的防火涂料是一種常見且有效的方法。這種涂料在遇到高溫時會迅速膨脹，然后形成致密的保護層，有效隔絕高溫對鋼結構的直接作用，提高鋼結構在火災情況下的耐火極限。同時，可以通過在鋼結構表面噴涂或貼覆耐火材料、設置防火板隔離層等方式來提高其防火性能。

在鋼結構的防火設計中，除了選用合適的防火材料，還需要通過優化結構設計和布局來增強其在火災情況下的穩定性，包括合理安排鋼結構的空間布局，避免因溫度不均勻導致的結構變形，以及設計足夠的結構冗余度，確保在部分結構受損的情況下，整個結構仍能保持穩定。在設計工業廠房時，需根據火災危險性的不同，將廠房劃分為若干個防火隔離區，每個隔離區內采取相應的防火措施，并通過設置防火墻、防火門等措施，限制火勢在隔離區內的蔓延。這種方式不僅能有效控制火災規模，還能為消防救援提供便利。

4.4 工業廠房鋼結構的防腐蝕設計

在生產過程中，會生成一些復雜的物質。這些物質會對鋼結構的安全性產生一定的影響，因此會出現鋼結構的銹蝕，如不加以防治，就會威脅鋼結構的安全。因此，要高度重視鋼結構的防腐設計。一般情況下，鋼結構周圍的空氣等都會對其產生影響，當鋼材與腐蝕性物質接觸時，二者會發生化學反應，所以需要對其進行科學的防腐設計。在鋼材表面涂敷防腐蝕材料，可以有效控制鋼材的銹蝕問題。具體的防腐涂料可選用溶劑、精細顏料等，這些高品質的防腐涂料隔離效果較好，可以隔絕氯離子、水分、氧氣等，防止鋼筋銹蝕。在實際應用中，應注重對涂層的厚度進行控制，一般情況下，戶外鋼結構外部防腐材料的厚度以150 ～200 μm 為宜；室內的環境比較穩定，鋼結構外部防腐材料的厚度約在100 μm 即可；對埋在地下的鋼結構進行保護時，通常要涂150 μm厚的防腐蝕涂料，這樣才能保證其安全性，避免鋼材在酸性環境中被腐蝕。與此同時，工業廠房的鋼結構設計也要與該工業廠房的生產項目、實際用途等相結合，有針對性地進行設計。例如，對化工型廠房，要著重進行鋼結構的防腐設計，保證結構的安全性和工業廠房的長期穩定使用，實現工業廠房鋼結構設計的終極目標。

5 結語

在我國的工業發展中，鋼結構工業廠房作為生產活動的重要空間載體，其設計和建造的合理性直接關乎工業生產的效率與安全。然而，現階段我國鋼結構工業廠房在設計與實施過程中存在一系列問題，這些問題不僅提高了施工成本，還影響廠房的使用功能和安全性，給企業帶來了不必要的經濟負擔和潛在的安全風險。例如，部分設計方案未充分考慮實際生產需求，導致廠房在使用過程中需要進行改建和重建；設計方案在選材、結構形式和施工技術等方面的選擇不合理，導致施工成本較高；對廠房的長期使用維護、環境適應性及擴展靈活性的考慮不足，導致后期需要進行調整和改造。針對我國鋼結構工業廠房設計中存在的問題，需要加強對實際生產需求的了解，深入把握工業生產的特點，對工業廠房鋼結構主體進行科學、合理的改進。通過該方式，可有效提高工業廠房的設計質量，降低建設和維護成本，確保廠房在使用過程中的安全性和穩定性。