工業(yè)建筑結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計的探討

摘要：工業(yè)建筑是用于工業(yè)生產(chǎn)的建筑物，其不僅包括生產(chǎn)車間及倉儲空間，同時還包括宿舍、食堂、辦公樓等配套建筑。在現(xiàn)代管理理論及實踐經(jīng)驗日漸豐富的今天，企業(yè)對生產(chǎn)效率、管理效率的重視日漸增強(qiáng)。如果工業(yè)建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計不合理，不僅增加了生產(chǎn)、儲運(yùn)環(huán)節(jié)的成本，同時還造成了人力、物力的浪費。本文主要從工業(yè)建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計的基本原則和優(yōu)化方法做了分析，并通過舉例對工業(yè)建筑結(jié)構(gòu)的設(shè)計優(yōu)化進(jìn)行了闡述。

關(guān)鍵詞：工業(yè)建筑；結(jié)構(gòu)；優(yōu)化設(shè)計

前言

工業(yè)建筑也因其結(jié)構(gòu)復(fù)雜，樓蓋為密肋樓蓋，構(gòu)件較多，再者樓地面設(shè)備布置、預(yù)埋件預(yù)留孔也較多，故許多設(shè)計人員在設(shè)計時容易產(chǎn)生一些錯誤，給施工帶來麻煩，給業(yè)主今后的使用帶來不便，其至給結(jié)構(gòu)的安全帶來隱患，

一、設(shè)計基本原則

1.設(shè)計材料選用原則。針對不同建筑強(qiáng)度要求選擇不同型號的鋼板，如受力構(gòu)件選擇 Q235-B、平臺板選擇 Q235-A、吊車梁選擇 Q345-C 等。選擇的鋼材要通過國家相關(guān)的質(zhì)量檢測體系認(rèn)證，確保質(zhì)量可靠。在一些特殊要求的工程中要選用特種鋼材，如高爐爐殼選擇 BB503、轉(zhuǎn)爐平臺選擇鑄鐵板等。在鋼板型號確定后，按照鋼板的型號配置對應(yīng)的焊條。如受力構(gòu)件 Q235-B 選用 E4315焊條，受力構(gòu)件對焊接要求等級為一級，必須有足夠的焊接牢固度才能承擔(dān)起結(jié)構(gòu)受力主體的重任，沒有特殊要求的結(jié)構(gòu)可以選擇 E4301型焊條。依據(jù)相同原則，助焊劑和焊錫絲也應(yīng)該視具體情況分別對應(yīng)選用。螺栓和螺母也有性能等級之分，同樣要求符合相關(guān)規(guī)定。混凝土的墊層與基層應(yīng)分別采用 C10和 C25型混凝土，結(jié)構(gòu)受力較大的則應(yīng)選用 C30至 C50。此外，還有高溫耐熱性和防水性混凝土可供不同條件要求選用。除了上述材料的選用外，還應(yīng)該注意鋼結(jié)構(gòu)的防銹涂裝。避免結(jié)構(gòu)生銹，影響建筑的剛度和強(qiáng)度。

2.設(shè)計基本要求。在對鋼結(jié)構(gòu)應(yīng)力和變形的控制中，有一些要求：鋼梁應(yīng)力≥強(qiáng)度設(shè)計值乘以90%；鋼柱應(yīng)力≥強(qiáng)度設(shè)計值乘以95%；鋼構(gòu)件變形=變形容許值乘以100%。在鋼筋混凝土中，結(jié)構(gòu)配筋要求為：框架梁配筋率在1.2%-1.7%之間；框架柱配筋率在0.7%-1.1%之間；獨立基礎(chǔ)配筋率大于等于0.15%；單樁單柱承臺0.1%。結(jié)構(gòu)設(shè)計要圍繞安全性強(qiáng)、經(jīng)濟(jì)合理度高、工程質(zhì)量高這三方面，并要依照國家規(guī)程，遵守國家規(guī)定來執(zhí)行。

二、工業(yè)建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計優(yōu)化中的常見問題

1.在現(xiàn)代建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計優(yōu)化的經(jīng)驗總結(jié)中，多數(shù)優(yōu)化團(tuán)隊及個人提出了常見的問題。首先，鋼結(jié)構(gòu)應(yīng)用日益增加，對概念性設(shè)計及空間美學(xué)產(chǎn)生了極大的影響。另外，許多工業(yè)建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計優(yōu)化項目中，設(shè)計人員缺乏對結(jié)構(gòu)布局的認(rèn)識，缺乏對工藝的深入了解與探討，造成了優(yōu)化項目效果不明顯，造成了多數(shù)企業(yè)對工業(yè)建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計優(yōu)化工作的不認(rèn)可問題。在一系列的問題中，土建工程含鋼量問題也是設(shè)計優(yōu)化的重點。工業(yè)建筑土建項目中的成本70%以上為材料費，其中鋼材價格高達(dá)幾千元每噸?？茖W(xué)的減少含鋼量能夠有效降低工程造價。因此在工業(yè)建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計優(yōu)化中應(yīng)在保障工程設(shè)計要求前提下，合理優(yōu)化含鋼量，實現(xiàn)減低造價的目標(biāo)。

2.在目前的工業(yè)建筑物結(jié)構(gòu)設(shè)計優(yōu)化中，由于概念性設(shè)計缺乏具體量化標(biāo)準(zhǔn)，因此設(shè)計優(yōu)化存在較大的差異，影響了建筑物的設(shè)計與施工。針對這一問題，現(xiàn)代工業(yè)建筑物結(jié)構(gòu)設(shè)計優(yōu)化中應(yīng)靈活運(yùn)用結(jié)構(gòu)設(shè)計優(yōu)化方法，以數(shù)值為參考依據(jù)，提高優(yōu)化效果。在工業(yè)建筑物結(jié)構(gòu)設(shè)計優(yōu)化中，雖然考慮了管理工作需求以及數(shù)字化辦公對管理工作的影響，但是在實際的工作中仍需要各崗位人員不斷出入各工序，因此結(jié)構(gòu)設(shè)計優(yōu)化中還需要考慮結(jié)構(gòu)布局。根據(jù)質(zhì)檢工作、工藝管理等工作的實際行進(jìn)路線，根據(jù)各崗位溝通及管理工作需求，對工業(yè)建筑物結(jié)構(gòu)設(shè)計進(jìn)行布局優(yōu)化，實現(xiàn)高效率管理、提高工作效率，促進(jìn)企業(yè)綜合成本的降低的目的，借以提高工業(yè)企業(yè)綜合市場競爭力。

三、工業(yè)建筑結(jié)構(gòu)優(yōu)化方法

1.結(jié)構(gòu)優(yōu)化模型和方案。建筑工程可以在基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)方案、屋蓋系統(tǒng)方案及圍護(hù)結(jié)構(gòu)方案三方面對建筑模型進(jìn)行優(yōu)化。在選型、受力分析和造價分析相關(guān)聯(lián)的實施過程中，圍繞綜合目標(biāo)進(jìn)行優(yōu)化，確保剛度達(dá)到質(zhì)量要求，并控制載荷扭轉(zhuǎn)力小于規(guī)定數(shù)值。通過選擇參數(shù)、建立函數(shù)、約束條件確定的方法來對建筑工程進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化，過程中設(shè)計的多個變量和約束條件屬于非線性優(yōu)化。方案完成后，編制對應(yīng)的運(yùn)算就可以實現(xiàn)對結(jié)果的最終優(yōu)化。

2.建筑結(jié)構(gòu)優(yōu)化注意點。第一，要注意前期方案的參與。目前，大部分建筑師并不參與前期方案結(jié)構(gòu)設(shè)計，對結(jié)構(gòu)合理性和可行性考慮欠妥，給后期設(shè)計人為的提高了難度，這就提高了工程的總投資額。在前期就引入結(jié)構(gòu)優(yōu)化的理念不僅能從全局角度更合理的考慮工程的分布，更能夠節(jié)省投資，在工程開端有效的進(jìn)行控制。第二，根據(jù)不同建筑工程所在的地質(zhì)條件和土壤成分選擇合適的地基基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)來設(shè)計優(yōu)化方案。第三，注意細(xì)部結(jié)構(gòu)設(shè)計的把握。如澆筑的異形板拐角容易產(chǎn)生裂縫，可以劃分為矩形板來避免。在鋼筋的選擇方面，注意極限抗拉力和塑性的要求等。

四、工業(yè)建筑設(shè)計優(yōu)化實例

1.電廠煤斗。煤斗屬于大型設(shè)備，具有體積大、高度高的特點，會產(chǎn)生水平地震作用。對其支承構(gòu)件造成的附加彎矩、扭矩等內(nèi)力，則需要相應(yīng)的計算補(bǔ)償其附加內(nèi)力。具體做法為：在設(shè)備重心位置增加設(shè)置支承結(jié)構(gòu)，降低附加內(nèi)力；在支承梁桿軸心垂直的方向增設(shè)梁結(jié)構(gòu)，使支承梁的扭矩轉(zhuǎn)成為作用于梁上的彎矩。而梁的抗彎能力是非常強(qiáng)的，從而使危險轉(zhuǎn)移；支承結(jié)構(gòu)抗扭配筋加強(qiáng)，樓板強(qiáng)度加強(qiáng)。

2.磨煤機(jī)隔振。

（1）火電廠的發(fā)電離不開將煤炭作為燃料，磨煤機(jī)是重要的設(shè)備工具。振動程度較大會干擾其他設(shè)備的正常運(yùn)行，尤其是配電裝置和發(fā)電機(jī)組所在的控制室。為了解決這些外界干擾問題，彈性支承系統(tǒng)應(yīng)運(yùn)而生。該系統(tǒng)隔振能力較好，使用彈簧隔振器來消除振動的影響效果明顯。

（2）磨煤機(jī)基礎(chǔ)采用彈簧隔振系統(tǒng)后，與常規(guī)塊式基礎(chǔ)相比具有許多優(yōu)勢。第一，采用彈簧隔振系統(tǒng)后，磨煤機(jī)基礎(chǔ)臺座的體積或重量大約只有常規(guī)基礎(chǔ)塊的一半。因而減小了占地空間，有利于工藝布置。第二，采用彈簧隔振系統(tǒng)后，減小了磨煤機(jī)產(chǎn)生的振動，減小了磨煤機(jī)對周圍廠房及工作人員的振動影響。不會有明顯的振動傳遞到主廠房上?；A(chǔ)的隔振效率可達(dá)到90%以上，并可降低噪聲。另外，由振動引起的鍋爐及鍋爐內(nèi)襯的損壞和由于振動而造成的火力發(fā)電廠的運(yùn)行事故也可以避免。由于磨煤機(jī)基礎(chǔ)臺座與鍋爐房廠房結(jié)構(gòu)分離，磨煤機(jī)基礎(chǔ)的施工相對獨立，并有很大的靈活性。磨煤機(jī)基礎(chǔ)的施工可以交叉進(jìn)行，可以縮短施工周期。第三，簡化磨煤機(jī)的調(diào)平，其基礎(chǔ)沉降可以通過彈簧隔振器得到調(diào)平。第四，采用彈簧隔振系統(tǒng)后，磨煤機(jī)本身所受的動荷載很小，降低了磨煤機(jī)的磨損，使磨煤機(jī)的運(yùn)行可靠性提高。同時還可以延長磨煤機(jī)的使用壽命，延長磨煤機(jī)的大修周期。與常規(guī)基礎(chǔ)相比，采用彈簧隔振系統(tǒng)后，磨煤機(jī)基礎(chǔ)的振動具有可控性。采用彈簧隔振基礎(chǔ)后，傳到基礎(chǔ)下面的荷載較小，因而可以減少地基基礎(chǔ)的處理費用。

3.吊車水平載荷。很多工廠的生產(chǎn)都需要吊車運(yùn)送沉重的貨物，吊車載荷分為水平和豎直兩個方向。在結(jié)構(gòu)分析中能夠?qū)⒌踯嚨乃捷d荷以等效靜載荷的形式施加在排架柱上，豎直載荷則通過移動靜載荷方式施加。具體步驟為：縱向水平載荷的標(biāo)準(zhǔn)值確立；橫向水平載荷的標(biāo)準(zhǔn)值確立；吊車水平載荷施加；吊車豎向載荷施加；吊車載荷輸入。橋梁模塊能夠?qū)Φ踯囕d荷結(jié)構(gòu)進(jìn)行整體優(yōu)化，減少數(shù)據(jù)計算人員的工作量。提高工作效率，完成優(yōu)化的設(shè)計需要。

綜上所述，工業(yè)建設(shè)的結(jié)構(gòu)設(shè)計是一項復(fù)雜的工作，需要綜合考慮各個方面的問題。從原材料的選用、設(shè)計的基本要求、設(shè)計方案的優(yōu)化等方面，結(jié)合工業(yè)建筑的結(jié)構(gòu)特點。不斷的優(yōu)化設(shè)計方案，做出更加經(jīng)濟(jì)且合理的設(shè)計

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