結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化技術(shù)在廠房結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

方振

【摘 要】伴隨著工程建設(shè)的快速發(fā)展，工業(yè)廠房越來越多，當(dāng)前比較普遍推廣的就是鋼結(jié)構(gòu)廠房，鋼結(jié)構(gòu)工業(yè)廠房因其施工速度快、自重輕、抗震性能好、環(huán)保等特點(diǎn)在建筑工程中已被廣泛認(rèn)可。通過對(duì)建筑結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)，采用現(xiàn)代化的科學(xué)技術(shù)手段，能在保證建筑質(zhì)量的前提下，實(shí)現(xiàn)降低建筑工程成本的目的，能夠節(jié)約造價(jià)，并提升建筑的經(jīng)濟(jì)效益。本文主要對(duì)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化技術(shù)在鋼結(jié)構(gòu)廠房結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用進(jìn)行分析。

【關(guān)鍵詞】結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化技術(shù)；廠房結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；應(yīng)用

前 言：工業(yè)是我國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)支柱產(chǎn)業(yè)。保證工業(yè)安全生產(chǎn)，提高工業(yè)基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)水平是工業(yè)發(fā)展的必要條件，因此，在建筑工程中，建設(shè)的設(shè)計(jì)單位在進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的時(shí)候，在滿足建筑需求的前提下，通過結(jié)構(gòu)優(yōu)化技術(shù)對(duì)建筑結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，對(duì)整個(gè)建筑工程非常有利。

一、對(duì)鋼結(jié)構(gòu)工業(yè)廠房支撐系統(tǒng)的設(shè)計(jì)原則

為了保證鋼結(jié)構(gòu)廠房的空間工作，提高其整體剛度，承受和傳遞縱向水平力，防止桿件產(chǎn)生過大的變形，避免壓桿失穩(wěn)，以及保證結(jié)構(gòu)的整體穩(wěn)定性，應(yīng)根據(jù)廠房結(jié)構(gòu)的形式，車間吊車的設(shè)置，振動(dòng)設(shè)備以及廠房的跨度、高度，溫度區(qū)段的長(zhǎng)度等情況布置可靠的支撐系統(tǒng)。廠房每一溫度區(qū)段應(yīng)設(shè)置穩(wěn)定的柱間支撐系統(tǒng)，并與屋蓋橫向水平支撐的布置相協(xié)調(diào)。下柱支撐的位置是決定廠房縱向結(jié)構(gòu)變形方向的重要因素，并影響溫度應(yīng)力的大小，下柱支撐應(yīng)盡可能設(shè)在溫度區(qū)段的中部，使吊車梁等縱向構(gòu)件能隨著溫度變化比較自由地向區(qū)段兩端伸縮。當(dāng)溫度區(qū)段的長(zhǎng)度不大時(shí)，一般在溫度區(qū)段的中部設(shè)置一道下段柱支撐，但溫度區(qū)段的長(zhǎng)度大于150 米時(shí)，為了保證廠房的縱向剛度，應(yīng)在溫度區(qū)段內(nèi)設(shè)置兩道下段柱支撐，其位置應(yīng)盡可能布置在溫度區(qū)段中間三分之一的范圍內(nèi)，為了避免過大的溫度應(yīng)力，兩道支撐的中心距離不宜大于72 米。

二、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化的基本方法

目前建筑工程的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化技術(shù)的基本方法主要有兩種，即直覺優(yōu)化與概念設(shè)計(jì)處理。所謂直覺優(yōu)化，就是指建筑工程的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，可以采用多種設(shè)計(jì)方案時(shí)，設(shè)計(jì)人員一般會(huì)根據(jù)自己的經(jīng)驗(yàn)和直覺來判斷出應(yīng)當(dāng)選擇哪種設(shè)計(jì)方案比較合適，尤其是在確定結(jié)構(gòu)布置設(shè)計(jì)、荷載分析、細(xì)部處理的設(shè)計(jì)方案時(shí)，更是無法使用計(jì)算機(jī)來代替，必須要由設(shè)計(jì)人員靠自己的判斷來決定。但是在實(shí)際的建筑工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，設(shè)計(jì)人員自己的判斷是需要根據(jù)設(shè)計(jì)規(guī)律和實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)來判斷，其在一定情況下，還是需要結(jié)合概念來進(jìn)行設(shè)計(jì)處理。為此在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化技術(shù)中，概念設(shè)計(jì)處理也是非常常見的優(yōu)化技術(shù)方法。

三、鋼結(jié)構(gòu)廠房的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化技術(shù)應(yīng)用

1、廠房鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化的基本原則

（1）要保證有足夠的工作空間。

（2）在生產(chǎn)中機(jī)械設(shè)備的運(yùn)行往往會(huì)帶來一定的震動(dòng)，為保證廠房的安全性，在優(yōu)化廠房結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，需要重點(diǎn)對(duì)結(jié)構(gòu)的抗震性進(jìn)行設(shè)計(jì)。

（3）一些廠房在生產(chǎn)中會(huì)散發(fā)大量的熱量，而鋼本身具有很大的傳熱性能，若溫度過高時(shí)，鋼結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度也會(huì)減弱，為此設(shè)計(jì)中還注重對(duì)鋼結(jié)構(gòu)的耐熱性進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。

（4）廠房的支撐體系設(shè)計(jì)、屋面設(shè)計(jì)和立面設(shè)計(jì)也都要充分結(jié)合實(shí)際需要，合理設(shè)計(jì)，提高廠房結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案的經(jīng)濟(jì)性和合理性。

2、鋼結(jié)構(gòu)廠房的抗震性設(shè)計(jì)優(yōu)化

（1）在進(jìn)行總體布置的時(shí)候，廠房結(jié)構(gòu)的質(zhì)量和剛度分布應(yīng)該具有均勻性，鋼架是廠房橫向結(jié)構(gòu)選擇的最佳材料，通過這種形式，可以使鋼結(jié)構(gòu)的受力性能得到充分地應(yīng)用，并且橫向結(jié)構(gòu)變形幾率也在一定程度上有所降低。

（2）鋼結(jié)構(gòu)廠房出現(xiàn)破壞，通常情況下，并不是因?yàn)闂U件沒有足夠的強(qiáng)度，在很多時(shí)候是因?yàn)闂U件沒有穩(wěn)定性而使其出現(xiàn)破壞現(xiàn)象，因此，布置支撐系統(tǒng)要具有一定的合理性。

（3）在地震影響下，低周疲勞作用有所發(fā)揮，而在設(shè)計(jì)過程中，應(yīng)該著重考慮它對(duì)廠房所產(chǎn)生的影響。在設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)連接點(diǎn)的時(shí)候，節(jié)點(diǎn)的破壞要晚于結(jié)構(gòu)構(gòu)件的全截面屈服，結(jié)構(gòu)構(gòu)件應(yīng)該加入到塑性工作中，將其中地震能量充分地吸收進(jìn)來，從而發(fā)揮抗震能力。

3、鋼結(jié)構(gòu)工業(yè)廠房的耐熱性設(shè)計(jì)

鋼結(jié)構(gòu)工業(yè)廠房防火能力很差，當(dāng)鋼材受熱在100℃以上時(shí)，隨著溫度的升高，鋼材的抗拉強(qiáng)度降低，塑性增大；溫度在250℃左右時(shí)，鋼材抗拉強(qiáng)度略有提高，而塑性卻降低，出現(xiàn)藍(lán)脆現(xiàn)象；當(dāng)溫度超過250℃時(shí)鋼材出現(xiàn)徐變現(xiàn)象；當(dāng)溫度達(dá)500℃時(shí)，鋼材強(qiáng)度降至很低，以致鋼結(jié)構(gòu)塌落。因此，當(dāng)鋼結(jié)構(gòu)表面溫度處于150℃以上時(shí)，必須做隔熱及防火設(shè)計(jì)。這樣可以增強(qiáng)建筑的耐熱能力，使建筑更加的安全。

4、屋面支撐系統(tǒng)及屋面結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)優(yōu)化

屋蓋支撐系統(tǒng)的布置應(yīng)根據(jù)廠房跨度、高度、柱網(wǎng)布置、屋蓋結(jié)構(gòu)形式、吊車噸位和所在地區(qū)的抗震設(shè)防烈度等條件來決定。一般情況下無論有檁或無檁體系的屋蓋結(jié)構(gòu)均應(yīng)設(shè)置垂直支撐；在無檁體系中，大型屋面板有三點(diǎn)和屋架焊接，可起到上弦支撐作用，但考慮到施工條件的限制和安裝需要。無論有檁或無檁體系屋蓋均應(yīng)在屋架上弦和天窗架上弦設(shè)置上弦橫向支撐。對(duì)于屋架間距不小于12m的廠房或廠房?jī)?nèi)設(shè)有特重級(jí)橋式吊車或廠房?jī)?nèi)有較大振動(dòng)設(shè)備的均應(yīng)設(shè)置縱向水平支撐。屋面的排水及防水設(shè)計(jì)在屋面設(shè)計(jì)中需重點(diǎn)考慮，根據(jù)《屋面工程技術(shù)規(guī)范》的規(guī)定，屋面坡度最小為5%，在積雪較大的地區(qū)，坡度應(yīng)適當(dāng)加大。單坡屋面的長(zhǎng)度主要取決于所在地區(qū)的溫差以及降雨所形成的最大水頭高度。根據(jù)工程設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，單坡屋面長(zhǎng)度宜控制在70m以內(nèi)。目前，市場(chǎng)上鋼結(jié)構(gòu)屋面的做法常用的有兩種：

①剛性屋面：雙層彩色壓型鋼板內(nèi)夾保溫棉；

②復(fù)合柔性屋面：由屋面彩鋼板內(nèi)板、隔氣層、保溫層、卷材防水層組成。

5、立面設(shè)計(jì)的優(yōu)化

在廠房輕鋼結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)中，除了要對(duì)力學(xué)性能進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)以外，還需要對(duì)其立面設(shè)計(jì)進(jìn)行優(yōu)化。尤其是要對(duì)廠房輕鋼結(jié)構(gòu)的規(guī)模、線條、色彩等方面進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。由于廠房一般多用于生產(chǎn)，因此在設(shè)計(jì)其立面的規(guī)模和線條時(shí)，可以考慮設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單統(tǒng)一的立面。

在色彩選擇上，也可以盡量考慮彩色的鋼板，避免整個(gè)廠區(qū)都處于一種單調(diào)沉重的混凝土結(jié)構(gòu)中。尤其是在廠房的出入口、外天溝已經(jīng)收邊泛水等部位進(jìn)行合理優(yōu)化設(shè)計(jì)，在保證其基本功能的基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)良好的立面效果。使廠房給人一種親切的感覺，從而調(diào)節(jié)員工的心情，提高工作積極性。

另外，線條是表現(xiàn)輕鋼結(jié)構(gòu)建筑風(fēng)格最獨(dú)特的特征，均勻的線條或橫或豎，使得輕鋼結(jié)構(gòu)建筑富有流暢的金屬質(zhì)感，體現(xiàn)了強(qiáng)烈的現(xiàn)代工業(yè)氣息。很多廠房在設(shè)計(jì)上往往考慮到采光問題而在墻面上挖較多的孔洞，破壞了立面效果，筆者建議可以大量使用屋面采光板，以此來解決采光和立面效果的矛盾，同時(shí)還能解決廠房的通風(fēng)問題。

結(jié)束語：在廠房結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中應(yīng)用結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化技術(shù)，使廠房設(shè)計(jì)安全可靠，經(jīng)濟(jì)合理且美觀大方，應(yīng)用現(xiàn)代化科技手段，選擇合理的建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案，實(shí)現(xiàn)降低建筑工程造價(jià)并取得最大經(jīng)濟(jì)效益的目的。

參考文獻(xiàn)：

[1] 蔡紅軍 蔣鳳鳴 董輝.淺談鋼結(jié)構(gòu)廠房設(shè)計(jì)[J].中國(guó)科技信息. 2010（19）.

[2] 陶少軍.基于鋼結(jié)構(gòu)的工業(yè)廠房結(jié)構(gòu)體系設(shè)計(jì)思路淺析[J].科技資訊. 2010（22）.

[3] 馮雙艷.鋼結(jié)構(gòu)廠房中屋面支撐的設(shè)計(jì)實(shí)例分析[J].科技情報(bào)開發(fā)與經(jīng)濟(jì). 2007（19）.

[4] 耿云峰.論鋼結(jié)構(gòu)工業(yè)廠房的設(shè)計(jì)與施工[J].今日科苑. 2008（20）.