單層鋼結(jié)構(gòu)廠房結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)方法探討

毛曾依

（桂林經(jīng)開投資控股有限責(zé)任公司 廣西桂林 541805）

單層鋼結(jié)構(gòu)廠房是當(dāng)前最為常見的一種廠房結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，在近些年的冶金企業(yè)的熱軋、冷扎和硅鋼所使用的廠房都是單層鋼結(jié)構(gòu)廠房，此外還有一些門式鋼架廠房也是選擇的單層鋼結(jié)構(gòu)廠房。因此，對于單層鋼結(jié)構(gòu)廠房國家的相關(guān)規(guī)定也逐漸得到了完善，對于技術(shù)規(guī)范的規(guī)章制度設(shè)計(jì)也越來越成熟，例如在門式鋼架廠房中，《門式鋼架清醒房屋鋼結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》對于其吊車的重量和柱距都進(jìn)行和規(guī)范，在計(jì)算時(shí)應(yīng)該按照相關(guān)的設(shè)計(jì)規(guī)范進(jìn)行設(shè)計(jì)。而也正是在這樣的背景下，單層鋼結(jié)構(gòu)廠房設(shè)計(jì)的發(fā)展也越來越成熟和規(guī)范化，對于冶金廠房這種生產(chǎn)工藝復(fù)雜，管線較多且跨度較大，對于采光要求和通風(fēng)要求也更高的廠房設(shè)計(jì)，在進(jìn)行單層鋼結(jié)構(gòu)廠房設(shè)計(jì)中也需要進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，從而更好地滿足不同廠房需求。本文正是就單層鋼結(jié)構(gòu)廠房結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的流程展開的簡述，同時(shí)針對不同的流程給出相對的廠房結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)方案。

1 確定廠房柱網(wǎng)布置

在進(jìn)行單層鋼結(jié)構(gòu)廠房設(shè)計(jì)之前需要能夠?qū)龅貤l件和總圖進(jìn)行充分了解，并確定柱距，同時(shí)要盡量避免在設(shè)計(jì)的過程中，將柱子布置在場內(nèi)道路寬度范圍內(nèi)。此外，便需要根據(jù)軌頂?shù)臉?biāo)高、輪壓和廠房高度等數(shù)據(jù)，對柱間的支撐角度進(jìn)行合理的分析與計(jì)算，進(jìn)而確定合適的柱間距。

首先，關(guān)于柱間距的設(shè)計(jì)，按照筆者從業(yè)的經(jīng)驗(yàn)來講，對于那些軌頂標(biāo)高不高，且不是特別大的單層鋼結(jié)構(gòu)廠房，我們的柱間距可以選擇為12～15m左右，而具體的數(shù)值則根據(jù)工程的變化和數(shù)據(jù)進(jìn)行優(yōu)化選擇。同時(shí)，柱間距的選擇還需要考慮到施工和建筑場地的條件和使用要求，對于這種無法進(jìn)行大量數(shù)據(jù)對比的施工，需要在初步的設(shè)計(jì)階段，便通過各部門的專業(yè)溝通，合理地控制工程預(yù)算，進(jìn)而推斷不同柱間距的整體耗鋼量，例如在進(jìn)行專業(yè)建筑設(shè)計(jì)之前，可以充分地考量對于天窗的設(shè)計(jì)，若是能夠取消天窗，那邊盡可能地不去設(shè)計(jì)天窗，若是非要使用天窗，也可以選擇自重較輕的成品通風(fēng)，避免使用傳統(tǒng)的厚重的天窗。

其次，在進(jìn)行拔柱的設(shè)計(jì)時(shí)，需要首先了解工藝的基本要求的寬度是多少，在滿足基本工藝要求的基礎(chǔ)上，便可以實(shí)現(xiàn)少拔柱甚至是不拔柱，以便于進(jìn)一步地降低單層鋼結(jié)構(gòu)廠房的重量，從而減少對于鋼量的使用消耗。同時(shí)，少拔柱和不拔柱對于單層鋼結(jié)構(gòu)廠房設(shè)計(jì)優(yōu)化具有重要的現(xiàn)實(shí)意義，其能夠?qū)崿F(xiàn)結(jié)構(gòu)整體計(jì)算和剛度的優(yōu)化，同時(shí)降低耗鋼量。柱距的選擇也沒有必要堅(jiān)持在傳統(tǒng)的模數(shù)，可以在超過基本柱距的柱子上，按照工藝基本要求進(jìn)行合理的布置，從而減少計(jì)算工作量和構(gòu)建種類。

2 確定廠房最小柱肢寬度和最小的廠房高度

確定廠房的高度是當(dāng)前單層鋼結(jié)構(gòu)廠房設(shè)計(jì)的首要難題，對于工藝的要求是極為基礎(chǔ)性的，換句話說，先要弄清楚并確定最小的廠房高度，便需要能夠確定工藝的要求，同時(shí)也要求能夠更好地確定準(zhǔn)制造廠的吊車資料，這樣一來才能夠更好地實(shí)現(xiàn)對于廠房最小高度的確定。一般而言，要求建筑專業(yè)能夠按照工藝專業(yè)先行，同時(shí)還需要能夠具體的分析廠房內(nèi)部結(jié)構(gòu)各種相關(guān)系統(tǒng)是否符合標(biāo)準(zhǔn)，建筑和工藝專業(yè)又是否準(zhǔn)確，這樣才能夠更好地完成對于單層鋼結(jié)構(gòu)廠房最小高度的確定，而這時(shí)往往需要能夠放大樣本。

此外，廠房的高度與吊車橋架上校車的凈空要求具有直接的關(guān)系，如果是單軌吊時(shí)，由屋面單軌吊檢修走道以下的凈空控制，而在走道上則是按照走人的凈空要求選擇，同時(shí)還需要照顧到單軌標(biāo)高之間的關(guān)系，而對于屋面結(jié)構(gòu)的撓度等因素的考慮更是基本要求。另一方面，我們還需要對橫向肢距進(jìn)行合理的控制。首先，若是橫向肢距太小，便很容易造成管線布置出現(xiàn)問題，不利于管線的布置，其次便是對于高跨廠房，往往需要很大的橫向剛度，因此需要盡可能地保證橫向肢距能夠在寬度這方面達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)。而在確定了較大的下柱橫向剛度之后，下柱的界面大小也可以通過單肢平面外穩(wěn)定即肩梁高度進(jìn)行控制，所以對于單層鋼結(jié)構(gòu)廠房設(shè)計(jì)而言，一般下柱中部都設(shè)有縱向的管橋，這樣一來便能夠減小下柱平面外的設(shè)計(jì)長度問題，實(shí)現(xiàn)對于下柱界面的直接且有效的控制。而在屋面衡量和上柱分配的彎矩之間的關(guān)系控制時(shí)，斷面可以小一些，對于減少耗鋼量具有直接的意義。

3 單層鋼結(jié)構(gòu)廠房基礎(chǔ)埋深的設(shè)計(jì)

基礎(chǔ)埋深與建筑物的高度具有直接的關(guān)系，與地基的相關(guān)施工條件之間也有關(guān)系，為此在進(jìn)行單層鋼結(jié)構(gòu)廠房設(shè)計(jì)時(shí)，需要能夠?qū)A(chǔ)埋深進(jìn)行充分的考量，同時(shí)還需要能夠兼顧不同地區(qū)的不同特色，具體情況下具體分析，這樣才能夠更好地實(shí)現(xiàn)對于單層鋼結(jié)構(gòu)廠房設(shè)計(jì)的優(yōu)化和完善。例如，在北方寒冷地區(qū)需要能夠考慮凍土的深度，凍土的深度將會(huì)直接影響單層鋼結(jié)構(gòu)廠房基礎(chǔ)埋深的作用效果，同時(shí)按照現(xiàn)行的混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范中，對于嚴(yán)寒地區(qū)和露天環(huán)境的考量中，其對于混凝土的配比還需要根據(jù)不同的限制條件，進(jìn)行綜合調(diào)整，這一點(diǎn)在單層鋼結(jié)構(gòu)廠房設(shè)計(jì)中不要忽略，尤其是在北方進(jìn)行工程設(shè)計(jì)時(shí)，需要格外的注意。同時(shí)，在廠房基頂面標(biāo)高的設(shè)計(jì)中，我們一般設(shè)計(jì)的高度為一米到一米五左右，鋼柱的腳埋在土里還需要混凝土保護(hù)，這樣一來對于靠近設(shè)備基礎(chǔ)埋深的柱基表面和柱肢之間的布置管溝，都能夠?qū)崿F(xiàn)混凝土的優(yōu)先保護(hù)，而在沒有管溝或者管溝可以繞過的地方，我們的基礎(chǔ)頂面則可以適當(dāng)?shù)淖龈咭稽c(diǎn)，這樣一來能夠適當(dāng)?shù)墓?jié)約鋼材，減輕單層鋼結(jié)構(gòu)廠房的重量。

4 單層鋼結(jié)構(gòu)廠房設(shè)計(jì)系統(tǒng)優(yōu)化分析

根據(jù)上述所說的原則，筆者選擇了某大型的鋼鐵廠的主廠房的設(shè)計(jì)作為了案例進(jìn)行了分析。首先便是柱網(wǎng)的確定，由于主廠房的面積約21萬m2，其跨度分別為27m、30m以及42m，軌頂?shù)臉?biāo)高則為13m左右，因此在選擇柱距時(shí)選擇了15m的柱距，這樣一來能夠更加的節(jié)省柱子數(shù)量，同時(shí)也能夠更好地利用土地資源。而在廠房的框架結(jié)構(gòu)體系方面，本工程選擇的是排架結(jié)構(gòu)而不是鋼架結(jié)構(gòu)，這主要是由于本工程的車間軌面較低，相關(guān)的框架體系決定了，排架結(jié)構(gòu)比鋼架結(jié)構(gòu)更加經(jīng)濟(jì)，例如在廠房的上部結(jié)構(gòu)則能夠節(jié)省超過5%的鋼材，基礎(chǔ)的結(jié)構(gòu)也比鋼架結(jié)構(gòu)要省一些，而除此之外的主要原因便是由于排架結(jié)構(gòu)體系中，一般沒有傳遞的彎矩給柱子，所以在設(shè)計(jì)上柱斷面時(shí)也可以設(shè)計(jì)的更小，相關(guān)的架構(gòu)體系也就更小，設(shè)計(jì)起來也更加的經(jīng)濟(jì)合理。而在基礎(chǔ)的系統(tǒng)方面，本工程的基礎(chǔ)底面標(biāo)高約為1.5m，同時(shí)為了更好地節(jié)約成本，在基礎(chǔ)的設(shè)計(jì)中采用了新的基礎(chǔ)作法，在基礎(chǔ)短柱中進(jìn)行開孔，雖然這樣一來增加了不少的鋼筋，但是總得工程總量卻還是減少了不少。

5 結(jié)語

總而言之，在進(jìn)行單層鋼結(jié)構(gòu)廠房設(shè)計(jì)中需要進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，從而更好地滿足不同廠房需求，而結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的合理同時(shí)還能夠更好地達(dá)到經(jīng)濟(jì)合理的目的，使得不同的工程在不同的使用條件下，都能夠處于最優(yōu)的狀態(tài)。而在近些年的優(yōu)化設(shè)計(jì)研究中，結(jié)構(gòu)的優(yōu)化方式很多，單層鋼結(jié)構(gòu)廠房國家的相關(guān)規(guī)定也逐漸得到了完善，對于技術(shù)規(guī)范的規(guī)章制度設(shè)計(jì)也越來越成熟，單層鋼結(jié)構(gòu)廠房設(shè)計(jì)的發(fā)展也越來越成熟和規(guī)范化，對于結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的優(yōu)化也就更為完善。