鋼結(jié)構(gòu)工業(yè)廠房設(shè)計(jì)的現(xiàn)狀及改造措施

史慧

【摘 要】介紹了鋼結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)和鋼結(jié)構(gòu)工業(yè)廠房的特點(diǎn)，分析了鋼結(jié)構(gòu)工業(yè)廠房設(shè)計(jì)中存在的問(wèn)題，從荷載設(shè)計(jì)、柱設(shè)計(jì)、節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)、防火設(shè)計(jì)、防腐設(shè)計(jì)、抗震設(shè)計(jì)這幾個(gè)方面進(jìn)行鋼結(jié)構(gòu)工業(yè)廠房設(shè)計(jì)改進(jìn)，為鋼結(jié)構(gòu)工業(yè)廠房設(shè)計(jì)提供參考依據(jù)。

【Abstract】The paper introduces the features of steel structure and characteristics of steel structure industrial workshop， analyzes the problems existing in the design of steel structure industrial workshop. The design improvement of steel structure industrial workshop is carried out from the aspects of load design， column design， joint design， fire prevention design， anticorrosion design and seismic design， which can provide reference for the design of steel structure industrial workshop.

【關(guān)鍵詞】鋼結(jié)構(gòu)；鋼結(jié)構(gòu)工業(yè)廠房；設(shè)計(jì)

【Keywords】steel structure； steel structure industrial workshop； design

【中圖分類(lèi)號(hào)】F84 【文獻(xiàn)標(biāo)志碼】A 【文章編號(hào)】1673-1069（2018）08-0151-03

1 鋼結(jié)構(gòu)的特性

1.1 鋼結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)

首先，鋼結(jié)構(gòu)材料強(qiáng)度高、質(zhì)量輕。衡量質(zhì)量輕重可以通過(guò)鋼材的密度與強(qiáng)度的比值來(lái)確定。如鋼材（1.7～3.7）×10-4m，鋼筋混凝土18×10-4m，對(duì)比得出鋼結(jié)構(gòu)的質(zhì)量輕。在荷載和約束條件都相同的情況下，鋼結(jié)構(gòu)的自重比鋼筋混凝土自重小很多。比較跨度和荷載都相同的鋼屋架與鋼筋混凝土屋架，前者比后者輕2/3～3/4左右，若采用更輕的薄壁型鋼，則更輕，比后者輕9/10。結(jié)構(gòu)自重輕不僅可以降低運(yùn)輸費(fèi)，還可以降低吊裝費(fèi)。其次，鋼結(jié)構(gòu)工業(yè)化生產(chǎn)程度高，施工工期比較短。鋼構(gòu)件只需要在加工廠大規(guī)模大批量生產(chǎn)，可以機(jī)械化制造。鋼結(jié)構(gòu)采用工廠加工、工地安裝的施工方法。這樣不僅縮短了工期，同時(shí)也可以降低工程造價(jià)，從而可提高經(jīng)濟(jì)效益。再次，鋼結(jié)構(gòu)的抗震性能比較好。在地震中，損壞最輕是鋼結(jié)構(gòu)建筑。這是由于鋼結(jié)構(gòu)自重比較輕和結(jié)構(gòu)體系相對(duì)比較柔。當(dāng)?shù)卣鸢l(fā)生時(shí)，混凝土建筑容易開(kāi)裂而粉碎性倒塌。鋼結(jié)構(gòu)建筑則不同，由于其的延展性能可減弱地震對(duì)建筑物的破壞力。鋼梁和鋼柱組成的柔性框架足以抵抗8度以上的地震作用，因此廣泛應(yīng)用于在抗震設(shè)防地區(qū)特別是強(qiáng)震區(qū)。然后，鋼結(jié)構(gòu)耐熱性較好。鋼材從常溫到250℃，性能基本不變化，耐熱性較好。最后，鋼結(jié)構(gòu)符合綠色建筑的可持續(xù)發(fā)展的要求。鋼結(jié)構(gòu)能合理利用資源和能源，對(duì)環(huán)境的污染較小，是綠色環(huán)保建筑。由于攪拌澆筑混凝土的手工濕作業(yè)，施工現(xiàn)場(chǎng)會(huì)產(chǎn)生大量的粉塵和噪聲。鋼結(jié)構(gòu)不需要使用砂石、水泥等散料，可以避免揚(yáng)塵、廢棄物堆積和噪聲污染等問(wèn)題，也能有效地降低建筑垃圾。鋼結(jié)構(gòu)的材料基本上是鋼材，可以全部回收，符合國(guó)家可持續(xù)發(fā)展的要求。在相同規(guī)模的建筑，鋼結(jié)構(gòu)施工中產(chǎn)生有害氣體的排放量，卻只有混凝土結(jié)構(gòu)的65%左右。其施工過(guò)程能耗較低，隔熱性能優(yōu)越，在降低住宅碳排量方面具有明顯的優(yōu)勢(shì)。

1.2 鋼結(jié)構(gòu)工業(yè)廠房的特點(diǎn)

①鋼結(jié)構(gòu)廠房自重輕，鋼結(jié)構(gòu)自重僅是磚混結(jié)構(gòu)的1/5。鋼結(jié)構(gòu)廠房跨度大，空間大。在合理的結(jié)構(gòu)規(guī)劃下，縱向柱狀鋼結(jié)構(gòu)間距可以達(dá)到20m。

②鋼結(jié)構(gòu)廠房的抗震性好、抗沖擊性好。鋼結(jié)構(gòu)廠房整體剛性好、變形能力強(qiáng)。鋼結(jié)構(gòu)已被公認(rèn)為是抗震設(shè)防地區(qū)特別是強(qiáng)震區(qū)的最合適的結(jié)構(gòu)。

③鋼結(jié)構(gòu)廠房防火性高，防腐蝕性高，密封性高。比如說(shuō)，鋼結(jié)構(gòu)廠房可用于冷庫(kù)、化工廠等。

④鋼結(jié)構(gòu)廠房拆遷方便，可100%回收利用，對(duì)環(huán)境的破壞相對(duì)較少，是綠色環(huán)保型建筑。

⑤鋼結(jié)構(gòu)廠房制造的工業(yè)化程度較高，可以快速標(biāo)準(zhǔn)流水線安裝。所有鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件均在工廠制作完成，現(xiàn)場(chǎng)只需簡(jiǎn)單拼裝可以大大縮短施工周期，一座5000平方米的鋼結(jié)構(gòu)工業(yè)廠房，只需40天即可基本安裝完成。

⑥鋼結(jié)構(gòu)占用面積小，使用面積大，鋼結(jié)構(gòu)柱截面面積較混凝土結(jié)構(gòu)柱的截面面積減少1/2左右，有效增加了建筑的使用面積。

⑦鋼結(jié)構(gòu)廠房在使用過(guò)程當(dāng)中易于改造，如加固，接高，隔斷等內(nèi)部分割，調(diào)整比較容易，靈活方便。

2 鋼結(jié)構(gòu)工業(yè)廠房設(shè)計(jì)中常見(jiàn)的問(wèn)題

2.1 設(shè)計(jì)理念

我國(guó)目前使用的鋼結(jié)構(gòu)工業(yè)廠房的設(shè)計(jì)一般分為兩級(jí)完成。首先，根據(jù)工業(yè)廠房的使用要求，由專(zhuān)業(yè)的設(shè)計(jì)單位對(duì)其進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。待結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)確定，并符合相關(guān)規(guī)范及使用要求之后，再交由專(zhuān)業(yè)詳圖設(shè)計(jì)單位進(jìn)行二次詳圖設(shè)計(jì)。這個(gè)過(guò)程盡管不復(fù)雜，但卻存在著許多問(wèn)題。最突出的問(wèn)題就是鋼結(jié)構(gòu)工業(yè)廠房結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)圖不能按照規(guī)范完成，圖紙中常出現(xiàn)不明的標(biāo)注，比如焊縫表示方法不符合規(guī)范要求，這使得詳圖設(shè)計(jì)無(wú)法完成。另外，由于鋼結(jié)構(gòu)施工單位的施工水平不一樣，同樣的圖紙對(duì)節(jié)點(diǎn)連接認(rèn)識(shí)不同，就會(huì)導(dǎo)致所建造的鋼結(jié)構(gòu)工業(yè)廠房的質(zhì)量不一樣，有可能出現(xiàn)豆腐渣工程。因此我們必須嚴(yán)格按照鋼結(jié)構(gòu)規(guī)范完成結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，避免由于工程質(zhì)量不合格而造成經(jīng)濟(jì)損失和人員傷亡。

2.2 成本造價(jià)

無(wú)論對(duì)于何種建筑來(lái)說(shuō)，都應(yīng)該考慮其成本問(wèn)題，因此對(duì)于鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)成本控制也是非常重要的，但目前的鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)對(duì)于成本的重視度不高，導(dǎo)致設(shè)計(jì)過(guò)程中出現(xiàn)返工現(xiàn)象。在鋼結(jié)構(gòu)工業(yè)廠房設(shè)計(jì)過(guò)程中，有些設(shè)計(jì)人員只考慮用鋼量的大小，沒(méi)考慮實(shí)際鋼構(gòu)件的加工制造、運(yùn)輸及實(shí)際施工難易程度所引起的造價(jià)差距。因此，設(shè)計(jì)人員對(duì)成本造價(jià)控制考慮的方面比較少，這有待進(jìn)一步改進(jìn)。

3 鋼結(jié)構(gòu)工業(yè)廠房設(shè)計(jì)改進(jìn)措施

3.1 荷載設(shè)計(jì)

鋼結(jié)構(gòu)工業(yè)廠房設(shè)計(jì)的重要前提是荷載設(shè)計(jì)。在鋼結(jié)構(gòu)廠房設(shè)計(jì)中必須要保證荷載取值的準(zhǔn)確性，其取值影響著鋼結(jié)構(gòu)工業(yè)廠房可靠程度。荷載設(shè)計(jì)時(shí)，還要考慮到本鋼結(jié)構(gòu)工業(yè)廠房的實(shí)際使用情況。比如有吊車(chē)梁的工業(yè)廠房，荷載設(shè)計(jì)時(shí)就要考慮動(dòng)荷載的影響。同時(shí)，荷載設(shè)計(jì)的取值還與廠房周?chē)鷼夂蛴嘘P(guān)，設(shè)計(jì)時(shí)要考慮環(huán)境氣候的影響。

3.2 柱的設(shè)計(jì)

鋼柱截面包括型鋼截面和組合截面。這兩種截面在鋼結(jié)構(gòu)廠房中的設(shè)計(jì)需要根據(jù)實(shí)際情況來(lái)進(jìn)行選擇，并需要同時(shí)滿足廠房的建設(shè)、工業(yè)的生產(chǎn)和經(jīng)濟(jì)利益三個(gè)方面的需求[1]。型鋼截面受到型鋼種類(lèi)和型號(hào)限制，與受力所需的面積相對(duì)應(yīng)的很少，用料較多，但其加工省時(shí)省工，施工成本相對(duì)較低。組合截面的截面形狀和尺寸根據(jù)構(gòu)件受力性質(zhì)和受力大小設(shè)計(jì)成合適的截面，鋼材利用充分，節(jié)約鋼材，但增加了加工成本，費(fèi)時(shí)費(fèi)工，施工成本相對(duì)較高。所以在鋼柱設(shè)計(jì)時(shí)，要綜合考慮各方面因素。

3.3 節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)

鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)要考慮節(jié)點(diǎn)因素，如果鋼結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)不準(zhǔn)確，就會(huì)造成設(shè)計(jì)出的節(jié)點(diǎn)與現(xiàn)實(shí)不符，使得鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件在現(xiàn)場(chǎng)無(wú)法拼裝。節(jié)點(diǎn)的連接方式對(duì)整個(gè)建筑的安全性有著不可忽視的影響，所以一定要根據(jù)結(jié)構(gòu)傳力特點(diǎn)的不同選擇合適的連接方式，一般可以選擇剛接、半剛接和鉸接三種連接方式其中的一種[2]。

鋼結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)時(shí)，要考慮鋼結(jié)構(gòu)連接是采用焊縫連接還是采用螺栓連接。焊縫連接由于不需要附加連接板等零部件，在鋼材上無(wú)需開(kāi)孔，破壞原結(jié)構(gòu)性能，其構(gòu)造簡(jiǎn)單，制造方便，生產(chǎn)效率高，密封性能好。但焊接過(guò)程中，鋼材受到不均勻高溫和冷卻作用，導(dǎo)致鋼結(jié)構(gòu)產(chǎn)生焊接殘余應(yīng)力和焊接殘余變形，這樣會(huì)影響到鋼結(jié)構(gòu)的承載力、剛度和使用性能，很容易發(fā)生低溫冷脆現(xiàn)象，焊縫處也可能出現(xiàn)氣孔、夾渣等缺陷。螺栓連接安裝方便，便于拆卸，但要在鋼件上打螺栓孔，拼裝時(shí)還需要螺栓孔對(duì)準(zhǔn)，不僅增加了工作量，螺栓孔還會(huì)使構(gòu)件截面削弱，同時(shí)相互螺栓連接的板件還需要互相搭接或者是另外加拼接板連接，比較費(fèi)鋼材。實(shí)際鋼結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)都需要考慮，用哪種連接形式比較經(jīng)濟(jì)。

對(duì)于焊接節(jié)點(diǎn)，焊縫的尺寸和形式要符合鋼結(jié)構(gòu)規(guī)范的有關(guān)規(guī)定。如焊條的選用應(yīng)低于被連接金屬材料強(qiáng)度，E43對(duì)應(yīng)于Q235，E50對(duì)應(yīng)于Q345。對(duì)于螺栓連接，要根據(jù)普通螺栓和高強(qiáng)螺栓的受力特點(diǎn)，選擇用于合適的部位。如梁柱節(jié)點(diǎn)處要用高強(qiáng)螺栓連接，檁條和梁柱的連接處用普通螺栓。

此外，節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)還需要考慮到制造廠的工藝水平、施工場(chǎng)地、現(xiàn)場(chǎng)的環(huán)境和吊裝順序等，盡可能方便施工人員現(xiàn)場(chǎng)安裝。

3.4 防火設(shè)計(jì)

鋼材在溫度達(dá)到300℃以后，強(qiáng)度逐漸下降，在450～650℃時(shí)，強(qiáng)度幾乎喪失，結(jié)構(gòu)失去了承載能力。因此，鋼結(jié)構(gòu)的耐火性很差。鋼結(jié)構(gòu)廠房的防火設(shè)計(jì)非常重要。鋼結(jié)構(gòu)進(jìn)行防火的目的是將鋼結(jié)構(gòu)的耐火極限提高到規(guī)范規(guī)定極限范圍，防止鋼結(jié)構(gòu)在火災(zāi)中迅速升溫發(fā)生結(jié)構(gòu)失效[3]。是根據(jù)火災(zāi)的危險(xiǎn)程度進(jìn)行防火設(shè)計(jì)，首先要明確確火災(zāi)的危險(xiǎn)程度，并確定其對(duì)應(yīng)的防火等級(jí)，根據(jù)防火規(guī)范的要求進(jìn)行防火設(shè)計(jì)。

目前，鋼結(jié)構(gòu)防火保護(hù)主要采用截流法和疏導(dǎo)法這兩種方法。截流法的工作原理是指在構(gòu)件表面設(shè)置一層保護(hù)材料，火災(zāi)產(chǎn)生的高溫會(huì)先傳給這層保護(hù)材料，再通過(guò)保護(hù)材料傳給構(gòu)件。截流法又可分為噴涂法、包封法、屏蔽法和水噴淋法這四種方法。鋼結(jié)構(gòu)工業(yè)廠房常采用噴涂法。噴涂法是在鋼構(gòu)件表面噴涂一層含隔熱材料和化學(xué)助劑的防火涂料，以提高鋼構(gòu)件的耐火等級(jí)。這種施工可以不受到鋼構(gòu)件幾何形體限制，施工操作比較方便。

防火設(shè)計(jì)還可以進(jìn)行安全出口和緊急疏散通道的設(shè)計(jì)，火災(zāi)發(fā)生時(shí)要有安全出口、疏散通道幫助人員逃生。

3.5 防腐設(shè)計(jì)

鋼材易于銹蝕，因此鋼結(jié)構(gòu)防腐設(shè)計(jì)非常重要。鋼材中含有鐵原子，鐵和氧氣在空氣中會(huì)生出四氧化三鐵，也就是我們說(shuō)的磚紅色的鐵銹。鋼材在潮濕的環(huán)境中，特別是在有腐蝕介質(zhì)的環(huán)境中更加容易銹蝕。實(shí)際工程中，我們通常采用油漆或者是鍍鋅來(lái)加以保護(hù)鋼構(gòu)件。比如說(shuō)，在鋼結(jié)構(gòu)的表面涂防腐的材料。由于該材料輸水性好，能夠有效地阻止水蒸氣對(duì)鋼結(jié)構(gòu)的腐蝕，同時(shí)其電阻性好，還能阻止空氣中的陰離子對(duì)鋼結(jié)構(gòu)的腐蝕，從而能夠起到很好的防腐蝕效果[4]。需注意合理控制防腐層的厚度，外部以 150 ～ 200μm 為宜，內(nèi)部只需 100μm 即可[5]。但是在鋼結(jié)構(gòu)工業(yè)廠房使用期間還需要定期維護(hù)。因此，鋼結(jié)構(gòu)的維護(hù)費(fèi)用比鋼筋混凝土要高。

油漆或者是鍍鋅的方法不能根本解決鋼材的銹蝕問(wèn)題，研究一種方法根本解決鋼材的銹蝕問(wèn)題任重而道遠(yuǎn)?，F(xiàn)在，國(guó)內(nèi)外正在研究各種高性能的涂料和不易銹蝕的耐候鋼。如果能研制成功，這樣能解決鋼材的銹蝕問(wèn)題，可以省去鋼結(jié)構(gòu)的維護(hù)費(fèi)用。

3.6 抗震設(shè)計(jì)

考慮鋼結(jié)構(gòu)工業(yè)廠房的安全要求，還需要對(duì)鋼結(jié)構(gòu)工業(yè)廠房進(jìn)行抗震設(shè)計(jì)。我國(guó)是一個(gè)地震發(fā)生比較多的國(guó)家，因此抗震設(shè)計(jì)非常重要。只有鋼結(jié)構(gòu)工業(yè)廠房具有良好的防震性能，才有安全保障。鋼結(jié)構(gòu)工業(yè)廠房抗震設(shè)計(jì)主要原則是結(jié)構(gòu)造型簡(jiǎn)單化，當(dāng)結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜時(shí)可采用防震縫把結(jié)構(gòu)分為幾個(gè)單元。當(dāng)不能采用防震縫時(shí)，應(yīng)對(duì)薄弱環(huán)節(jié)處采取相應(yīng)加強(qiáng)措施，使廠房在地震作用下具有整體振動(dòng)的特點(diǎn)[6]。

首先鋼結(jié)構(gòu)工業(yè)廠房抗震設(shè)計(jì)應(yīng)該保證結(jié)構(gòu)平面布置的完整和對(duì)稱(chēng)。鋼結(jié)構(gòu)工業(yè)廠房整體布置要質(zhì)量和剛度分布都均勻，盡量使質(zhì)心與剛度中心重合在一起。其次，柱間支撐是鋼結(jié)構(gòu)工業(yè)廠房主要的減震措施，因此要選用合理的柱間支撐，還要考慮柱間支撐與鋼柱之間的連接。最后還要控制廠房高寬比，從而使減震效果得到保證。

4 結(jié)語(yǔ)

文章結(jié)合相關(guān)經(jīng)驗(yàn)，介紹了目前鋼結(jié)構(gòu)工業(yè)廠房在設(shè)計(jì)過(guò)程中存在的一些常見(jiàn)問(wèn)題，并提出了相應(yīng)的設(shè)計(jì)改進(jìn)措施。這可以為相關(guān)設(shè)計(jì)人員提供參考。另外，鋼結(jié)構(gòu)具有粉塵少、噪音低，不污染環(huán)境等特點(diǎn)，其能有效地減少建筑垃圾。由于鋼構(gòu)件可以循環(huán)利用，鋼結(jié)構(gòu)符合可持續(xù)發(fā)展的需要。雖然鋼結(jié)構(gòu)還存在著不少問(wèn)題，但技術(shù)人員不斷地改進(jìn)并逐漸會(huì)解決這些問(wèn)題，未來(lái)鋼結(jié)構(gòu)的使用范圍會(huì)越來(lái)越廣，鋼結(jié)構(gòu)將越來(lái)越受到重視。

【參考文獻(xiàn)】

【1】高原.工業(yè)廠房鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的現(xiàn)狀及改進(jìn)對(duì)策論述[J]. 綠色環(huán)保建材，2017（06）：58.

【2】周安樓. 工業(yè)廠房鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的現(xiàn)狀及改進(jìn)對(duì)策[J]. 山西建筑，2016，42（08）：63-65.

【3】宋俊國(guó).淺談鋼結(jié)構(gòu)防火設(shè)計(jì)[J]. 山西建筑，2011，37（11）：48-49.

【4】汪正奇.工業(yè)廠房鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的現(xiàn)狀及改造措施[J]. 建材與裝飾，2017（17）：69-70.

【5】王新超.工業(yè)廠房鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)現(xiàn)狀及改進(jìn)措施[J]. 住宅與房地產(chǎn)，2017（05）：101.

【6】陳紹蕃. 鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原理[M]. 北京：科技出版社，2003.