工業建筑設計中輕型鋼結構的特點與設計探析

摘"要：當前我國建筑工程領域之內，主要分為工業建筑和民用建筑兩大類型。不管是哪種形式的建筑結構，因鋼結構建筑具備較強的使用性能，普及率越來越高。鋼結構建筑的主要特點是強度高、剛度好、空間性強、質量輕、施工周期短等方面，可對整個鋼結構建筑領域的發展起到積極的作用。本文重點分析鋼結構建筑設計要素，探討工業建筑中輕型鋼結構建筑設計的特點，旨在提煉設計策略，提升設計質量，以契合工業建筑輕型鋼結構的應用需求，進而助推我國工業與建筑行業的協同進步。

關鍵詞：工業建筑；建筑設計；輕型鋼結構；設計方法文章編號：2095-4085（2024）07-0067-03

0"引言

隨著我國國民經濟的不斷發展，生產水平不斷提升，輕型鋼結構建筑體系在生產過程中逐漸得到了應用。但值得注意的是，由于受到傳統設計理念的約束和產量的雙重影響，輕型鋼結構建筑體系的應用依然不是很廣泛。因此，就有必要對輕型鋼結構的設計方法和制作方式進行研究和分析，以助推輕型鋼結構的不斷發展和應用。

1"輕型鋼結構特點

1.1"鋼結構的實用性

鋼結構建筑具備較高的實用性，主要是滿足人們日常生活以及生產要求。在以往重型鋼結構應用的環節，施工成本比較高，且需要消耗大量的人力、物力才能完成建設，也會給人們的生命和財產安全帶來威脅。傳統的重型鋼結構雖然在一定時期有優勢，但隨著建筑領域的不斷發展，已越來越不能適應社會發展的需要。在此背景之下，輕型鋼結構建筑逐步被應用于工業建筑中，以滿足當前工業生產的需求。輕型鋼結構的重量輕、成本低、施工方便，且現場投入的資源量比較少，所以是目前鋼結構建筑領域中應用比較廣泛的一種形式。

1.2"鋼結構的聲環境

鋼結構運行環節會受到聲環境的影響，主要是人們日常生活中各種因素所造成的噪聲，分為如下幾種類型。

（1）物體振動噪聲。振動發聲是最基本的物理原理，并且不同的振動源所產生的噪聲也會有很大的不同。為降低振動噪聲，可安裝吸聲材料、隔聲層，配備隔聲門和隔聲窗，或在建筑結構中設置隔振溝，以有效減少噪聲的產生和傳播。

（2）雨水撞擊噪聲。目前，建筑結構設計階段都會選擇使用阻斷聲音的材料來減小雨水撞擊所造成的噪聲。

（3）空氣傳播噪聲。當前工業和民用建筑中應用厚度50mm的巖棉夾芯板來隔絕空氣傳播中產生的噪聲［1］。

1.3"鋼結構的熱環境

鋼結構建筑的熱環境主要是因為外部因素干擾影響而導致的環境變化，使得鋼結構主體受到溫熱變化出現性能的改變。熱環境的影響因素比較多，比如太陽光直射、周邊環境溫度變化、鋼結構主體表面溫度和大氣流速變化等。輕型鋼結構應用的環節需要在結構內部設置保溫隔熱材料，并且需有良好的通風設施才能滿足輕型鋼結構的施工要求。

1.4"鋼結構的光環境

工業和民用建筑對于采光的要求比較高，這也是鋼結構建筑設計環節必須要考慮的因素。工業和民用建筑的設計階段，采光材料的選擇極為重要，應符合主體結構的采光要求，且能夠延長維護構件的使用年限。在選擇采光材料時，目前主要應用的是玻璃纖維聚酯采光板和聚碳酸酯采光板，這兩種材料都能滿足鋼結構建筑的采光要求［2］。

1.5"鋼結構的安全性

確保鋼結構建筑的安全性是保障其長久使用的關鍵，更是保護公眾安全的基石。在構建過程中，普遍采取防腐、防火、抗震、防爆等措施以增強結構的穩固性。無論是在工業還是民用建筑中，這些措施都旨在提升結構安全性，滿足工程需求，并延長使用壽命。特別在鋼結構設計階段，選擇涂刷防火涂料是至關重要的一環，選擇時必須嚴格遵循《鋼結構防火涂料應用技術規程》（T/CECS24-2020）的要求，并確保各項性能指標與工程需求相匹配。

1.6"鋼結構的經濟性

在工業建筑設計中采用輕型鋼結構時，設計人員需對結構形式進行綜合分析，以優化成本，降低項目施工費用。設計人員應根據當前輕型鋼結構建筑設計的具體情況優化改進施工方案，從施工地址選擇、分區劃分、建筑材料選用、耐久性、耐火性等方面進行分析，然后確定合理設計方案。在鋼結構建筑的整體設計階段，應確保電、水、工藝、暖通等專業緊密協作，以優化材料使用，減少浪費。同時，設計時應傾向于減少異形結構部件，優先采用定型構件，從而提升整體結構的性能與效率。

2"輕型鋼結構在建筑中的實際應用

2.1"輕型鋼結構在外墻體系中的應用

在以輕型鋼結構形式進行建筑施工時，通常不能應用到承重墻結構內，應以非承重墻的結構施工為主。目前建筑外墻體施工環節，輕型鋼結構應用比較常見，一般采用組合墻體結構形式，對墻體高度進行合理的配合分析。這種墻體厚度的配合分析方法，需確保砌塊墻的高度在1～1.3m之間，壓型鋼板的高度在1.3m以上，從而保證組合墻的安全性達標。在進行壓型鋼板和磚組合墻設計時，壓型鋼板主要采用的是鍍鋅板或者鍍鋁鋅鋼板。在設計階段，壓型鋼板的選用需基于結構形式來確定適宜的制造工藝，以確保輕型鋼結構在安全性和耐久性上均能滿足要求。在水泥廠房外墻的工業建筑設計階段，必須精確選擇外墻結構施工的操作流程，從而確保結構形式滿足預定要求。在主體架構搭建完成后，應根據柱體間隔精確設置墻檁，設計人員需嚴格根據建筑結構需求確定墻檁的規格尺寸和安裝密度。墻檁安裝完畢后，需將合格的壓型鋼板準確安裝到位，并填充超細玻璃絲，以保障結構性能達標。為確保廠房建筑的整體性，結構體系設計完成后需進行全面包裹處理，以確保各結構鋼板的安裝效果符合標準。輕型鋼結構和傳統的鋼結構存在很大差異。所以，設計階段應考慮到輕型鋼結構的具體特性，尤其是壓型鋼板制作的環節，需設置合理的金屬壓型板墻面結構，從而保證結構的性能達到要求，以此來提升內部空間舒適度。在制作壓型鋼板時，生產人員必須嚴格遵循設計方案要求，以確保其承載力達標。這是確保輕型鋼結構在外墻體系中高效運行、滿足鋼結構使用標準的關鍵所在［3］。

2.2"輕型鋼結構在屋面設計中的應用

2.2.1"對屋面設計的坡度進行合理選擇

工業建筑中應用輕型鋼結構形式對屋面設計有更高要求，需保證其排水效果達到標準，并設計合理的坡度。如果屋面設計階段選擇的坡度比較大，排水效果能達到要求，但是也會存在較多的問題，比如所受風荷載會隨著角度增大而增大以及增加建造成本等。與之相對應的，如果屋面設計的坡度比較小，會導致排水效果下降，進而造成屋面積水及壓型鋼板腐蝕嚴重。經過目前調查數據顯示，工業建筑中的輕型鋼結構屋面坡度設計在5%～35%之間最為合理。設計人員應結合實際情況確定合理的路面坡度，才能保證結構運行效果達標。我國的南北方降雨量有著很大差異。因此，在設計時，南方應適當增大屋面坡度，北方需盡量減小屋面坡度，以適應當地自然環境。

2.2.2"壓型鋼屋面構造的設計

在進行輕型鋼結構壓型鋼屋面構造設計時，應設置采光、通風以及突出結構部件等位置。

（1）屋面漏水問題。在輕型鋼結構建筑屋面設計階段，應合理布置邊長和孔直徑較小的掛件，并在這些位置涂抹硅酮膠以強化密封性。對于直徑較大的孔洞，現場需進行防水處理，以確保結構防水性能達標，從而延長建筑的使用壽命。

（2）在輕型鋼結構屋面通風設計中，需充分考慮大氣污染環境對屋面的潛在影響。設計階段應精準選擇風管安裝位置，以確保內部空氣得以順暢排放。對于工業建筑而言，鑒于生產過程中易產生大量粉塵等污染物，設計時應配備必要的排放裝置，以確保建筑運行的安全性達到標準。

（3）在輕型鋼結構屋面采光設計中，應嚴格遵循國家標準，以確保采光效果滿足要求。采光頂棚式屋面在突出位置設置天窗時，設計人員需依據實際情況設計天窗的開向、高度、坡度等尺寸，以達到理想的采光效果。在工業建筑中，輕型鋼結構的采光板主要選用中空板和玻璃纖維加強聚酯等材料，并安裝圍護板材以維持結構的采光性能。在具體屋面設計中，玻璃纖維加強聚酯因其高強度、易成型的特性而備受青睞，其應用效果滿足標準，是理想的采光材料選擇［4］。

3"輕型鋼結構設計

應選擇合理的鋼體結構形式，以確保結構的性能合格，防止出現結構嚴重損壞等危險事故。

3.1"鋼結構的形式設計和布局

設計人員在確定鋼結構建筑設計形式時，需進行整體性考量，要確保結構布局既科學又合理，從而實現軟硬結合的優化效果。在工業建筑中，鋼結構的應用涵蓋平面構架、鋼框架、鋼體外殼及連接部件等。設計過程中，應緊密結合現場實際，同時融入先進科技，要確保鋼結構建筑的尺寸規格符合工程標準。此外，施工完成后，應進行全面的結構檢查和驗收，以保障鋼體結構的強度和穩定性均符合相關規范，進而確保建筑的整體質量和安全。

3.2"考慮鋼結構設計的合理性

在鋼結構設計階段，需依據實際使用需求與合理性，精準選擇鋼結構體系。例如，倉庫一般選用門式鋼架或排架結構，而加油站則傾向于空間網殼結構。隨著建筑領域的飛速發展，鋼結構設計水平持續提升，因此，深入分析鋼結構建筑設計的具體因素，方能確保設計效果達標。在此過程中，強化設計的合理性，滿足鋼結構建筑設計與性能標準，可延長使用壽命，確保建筑高穩定性，進而有效防范坍塌與損壞風險。

3.3"鋼結構連接部件的設計

在新型鋼結構設計中，連接部件的選用尤為關鍵，它直接影響鋼結構的強度和穩定性。當前，鋼構件的連接形式主要包括焊接、鉚接和螺栓連接等。其中，高強度螺栓連接因其高可靠性而備受青睞。但具體選擇還需結合現場實際情況，可能還需采用焊接和鉚接的方法。因此，設計人員在制定鋼結構建筑設計方案時，需全面考慮各種因素，要確保結構質量及穩定性達標，以滿足正常使用需求，并延長結構的使用壽命［5］。

4"實例應用

4.1"工程概況

某工業廠房采用的是多層輕型鋼結構建筑形式，其建筑面積為10 782m2，采用矩形設計，長度84m，寬度27.9m。該項目設計方案確定為主體結構4層、局部結構6層。主結構應用的是框架結構形式，截面采用的是焊接H型鋼，屋面結構使用薄壁型鋼和雙層保溫彩鋼板組合設計。

4.2"結構計算

該項目設計階段進行了精心規劃，1～4層分別高6.9m、 6.0m、 6.0m和5.1m。為確保結構的穩固性，采用鋼框架結構設計，需確保柱與基礎結構剛性連接，同時運用壓型鋼板組合樓蓋，形成一體化結構。

4.3"設計分析計算

在輕型鋼結構工業廠房的設計中，施工材料的選擇需緊密依據建筑結構形式要求。目前，主要選用熱軋H型鋼梁和Q355B鋼柱作為主要結構部件，其余部件亦采用Q355B鋼?；A結構施工則采用C30混凝土進行澆筑，以確保結構的整體強度滿足要求。

該項目設計階段，設計人員對荷載能力參數進行了全面分析，涉及永久荷載、樓面與屋面活荷載、風荷載以及地震作用等多個方面。在永久荷載設計中，特別考慮了樓板自重和梁體結構自重的因素。受力計算環節，設計人員對框架附屬結構進行了簡化處理，可確保框架柱與基礎結構實現剛性連接，以滿足鋼結構建筑穩定運行的高標準需求。

4.4"計算方法

在鋼結構建筑的設計計算階段，設計人員充分利用有限元軟件，對各項參數進行全面而細致的分析，以確保各結構部件均滿足標準要求。通過高效的數據交互和共享機制，數值計算的精準性得到顯著提升，從而滿足了設計標準要求。同時，結合現行的鋼結構建筑設計標準，對結構的剛度、強度以及自振周期進行精確計算，可確保鋼結構的性能卓越，完全滿足使用要求。

5"結語

隨著建筑工程領域的快速發展，輕型鋼結構的應用日益廣泛，特別是在工業建筑領域，其使用范圍持續擴大。輕型鋼結構在設計和應用上展現出了顯著優勢，不僅可滿足人們日常生產生活的需求，還能有效降低項目施工成本，并提供便捷的維護方式。展望未來，對輕型鋼結構建筑的深入研究與分析將進一步提升鋼結構設計水平，進而推動我國建筑工程行業向高質量方向發展。

參考文獻：

［1］周健宇.淺談門式鋼架輕型鋼結構工業廠房的結構設計與研究［J］.中國建筑金屬結構，2021（6）：80-81.

［2］李英.輕型鋼在工業建筑結構設計中應用［J］.新型工業化，2019，9（2）：103-106.

［3］李冰成.輕型鋼在工業建筑結構設計中的應用探究［J］.四川建材，2020，46（7）：62-63.

［4］王曉波.淺談門式鋼架輕型鋼結構工業廠房的結構設計與研究［J］.建筑與預算，2017（8）：25-27.

［5］范來城.輕型鋼結構房屋改造建筑結構設計要點分析［J］.居舍，2019（34）：129.