工業(yè)廠房建筑結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)與施工

李軍

摘 要：工業(yè)廠房建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)包含多個(gè)學(xué)科的理論內(nèi)容，設(shè)計(jì)內(nèi)容、設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)具有一定的復(fù)雜性，設(shè)計(jì)人員需要總結(jié)更多的建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，引進(jìn)現(xiàn)代化設(shè)計(jì)理念，針對(duì)傳統(tǒng)的工業(yè)廠房結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方式予以?xún)?yōu)化、創(chuàng)新，嚴(yán)格按照設(shè)計(jì)原則進(jìn)行，確保建筑材料選擇、結(jié)構(gòu)布局的合理性，還需要注重各項(xiàng)設(shè)計(jì)優(yōu)化工作，尤其要注重鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，從抗震設(shè)計(jì)、防火設(shè)計(jì)等方面確保工業(yè)廠房建筑結(jié)構(gòu)的安全性和穩(wěn)定性，提升工業(yè)廠房的整體質(zhì)量。隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，建筑行業(yè)所用的鋼結(jié)構(gòu)越來(lái)越多。我國(guó)目前廣泛應(yīng)用的鋼結(jié)構(gòu)工業(yè)廠房施工技術(shù)，不但提高了結(jié)構(gòu)抗震效果，更有利于提升了生產(chǎn)廠房的整體質(zhì)量。因此本文通過(guò)福州市某海鮮菇生產(chǎn)線(xiàn)房建項(xiàng)目鋼結(jié)構(gòu)工程為案例，總結(jié)鋼結(jié)構(gòu)工程施工技術(shù)要點(diǎn)，具有十分重要的工程實(shí)踐意義。鋼結(jié)構(gòu)因利用空間大、施工速度快、跨度大，被廣泛應(yīng)用于制造業(yè)生產(chǎn)線(xiàn)的廠房建設(shè)。鋼結(jié)構(gòu)作為建筑工程領(lǐng)域最常見(jiàn)的結(jié)構(gòu)形式，其不僅彌補(bǔ)了傳統(tǒng)混凝土現(xiàn)澆施工存在的低效、污染等缺陷，而且實(shí)現(xiàn)了建筑結(jié)構(gòu)大跨徑和輕量化的飛躍。為了保證生產(chǎn)的安全正常運(yùn)行，掌握結(jié)構(gòu)的可靠性狀態(tài)，需對(duì)本廠房進(jìn)行全面的可靠性檢測(cè)鑒定。

關(guān)鍵詞：工業(yè)廠房;建筑結(jié)構(gòu);設(shè)計(jì)優(yōu)化

0引言

近年來(lái)，鋼結(jié)構(gòu)在建筑結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用越來(lái)越多，其在材料性能、材料價(jià)格以及施工效率等方面具有較多的優(yōu)勢(shì)。但是，在鋼結(jié)構(gòu)廠房的施工過(guò)程中，還存在非常嚴(yán)重的質(zhì)量問(wèn)題。出現(xiàn)這些情況主要是由于施工單位過(guò)于重視工程的施工進(jìn)度，忽視了對(duì)工程質(zhì)量的控制，使鋼結(jié)構(gòu)廠房施工在質(zhì)量方面出現(xiàn)了非常多的問(wèn)題。

1、工業(yè)廠房建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)存在的問(wèn)題——以鋼結(jié)構(gòu)廠房為例

1.1不注重整體布局

在工業(yè)廠房實(shí)際設(shè)計(jì)過(guò)程中，設(shè)計(jì)人員需要注重整體布局，全面考慮各項(xiàng)設(shè)計(jì)方案。鋼結(jié)構(gòu)廠房是現(xiàn)代生產(chǎn)的重要場(chǎng)所，也是生產(chǎn)企業(yè)布局的關(guān)鍵，設(shè)計(jì)人員需要充分考慮廠房的實(shí)際要求和特點(diǎn)，如面積、氣候等，確保廠房和企業(yè)其他建筑的協(xié)調(diào)存在。但是，很多設(shè)計(jì)人員無(wú)法全面考慮工業(yè)廠房設(shè)計(jì)，導(dǎo)致工業(yè)廠房和其他建筑位置出現(xiàn)一定的矛盾，如工業(yè)廠房和居住區(qū)域距離比較近，廠房會(huì)產(chǎn)生很多噪聲、有害氣體，直接影響著周邊居民的身體健康和工作效率。

1.2精確度不夠

在鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，荷載取值的準(zhǔn)確性直接關(guān)系著鋼結(jié)構(gòu)計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性。但很多設(shè)計(jì)人員的工作態(tài)度不夠嚴(yán)謹(jǐn)，無(wú)法確保荷載取值的準(zhǔn)確性，引發(fā)支撐物安裝位置不合理、墻體厚度不滿(mǎn)足要求等問(wèn)題，很難確保鋼結(jié)構(gòu)整體的穩(wěn)定性。

1.3結(jié)構(gòu)不合理

在工業(yè)廠房設(shè)計(jì)中，設(shè)計(jì)人員不注重成本控制問(wèn)題，直接影響企業(yè)的綜合效益。例如，鋼結(jié)構(gòu)工業(yè)廠房設(shè)計(jì)缺乏一定的合理性，未按照設(shè)計(jì)要求安裝承重結(jié)構(gòu)部位，極易造成資源浪費(fèi)，會(huì)影響工業(yè)廠房的整體質(zhì)量和安全性，嚴(yán)重的還需要拆除重建，增加返工次數(shù)及項(xiàng)目成本。

2、結(jié)構(gòu)優(yōu)化技術(shù)簡(jiǎn)介

2.1結(jié)構(gòu)找形技術(shù)

對(duì)于復(fù)雜的自由曲面建筑表皮，依托于設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)的常規(guī)手動(dòng)結(jié)構(gòu)布置方式往往難以滿(mǎn)足要求，且所布置的結(jié)構(gòu)型式往往不盡合理。特別是針對(duì)大跨度自由曲面建筑，如何尋找到以軸力形式為主的合理結(jié)構(gòu)傳力體系是設(shè)計(jì)的關(guān)鍵?；诂F(xiàn)代計(jì)算機(jī)的結(jié)構(gòu)找形技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生。目前常用的剛性結(jié)構(gòu)找形方法有力密度法，動(dòng)力松弛法、非線(xiàn)性有限元法，應(yīng)變能密度法等。同時(shí)隨著計(jì)算機(jī)智能技術(shù)的發(fā)展，參數(shù)化設(shè)計(jì)軟件結(jié)合一些啟發(fā)式搜索算法，例如蟻群算法、遺傳算法、模擬退火算法，使得由計(jì)算機(jī)自動(dòng)完成結(jié)構(gòu)形態(tài)的創(chuàng)建成為了可能。目前能夠完成結(jié)構(gòu)找形的軟件主要有Abaqus、Ansys、Kangaroo等。

2.2拓?fù)鋬?yōu)化技術(shù)

與常規(guī)設(shè)計(jì)方法及流程相比，拓?fù)鋬?yōu)化技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)在均勻分布材料的設(shè)計(jì)空間中自動(dòng)找到最優(yōu)的結(jié)構(gòu)分布方案。不僅可以大大節(jié)省設(shè)計(jì)周期，還可以找尋最優(yōu)的力學(xué)布置?；谶B續(xù)體拓?fù)鋬?yōu)化的方法主要均勻化方法、變密度法、漸進(jìn)結(jié)構(gòu)優(yōu)化法（ESO）等。其中變密度法已經(jīng)應(yīng)用到大型商用優(yōu)化軟件中，例如德國(guó)的TOSCA已經(jīng)集成到通用有限元軟件ABAQUS內(nèi)。拓?fù)鋬?yōu)化技術(shù)目前已經(jīng)廣泛應(yīng)用于機(jī)械制造業(yè)及航天航空領(lǐng)域。近年來(lái)，隨著建設(shè)方對(duì)建筑產(chǎn)品的創(chuàng)新性、合理性日新月異的追求，拓?fù)鋬?yōu)化技術(shù)在建筑結(jié)構(gòu)領(lǐng)域的應(yīng)用已嶄露頭角。例如上海喜馬拉雅藝術(shù)中心和深圳中信金融中心項(xiàng)目結(jié)構(gòu)體系優(yōu)化等。

3、工業(yè)廠房建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化要點(diǎn)分析

3.1屋蓋支撐體系設(shè)計(jì)

屋蓋支撐體系設(shè)計(jì)涉及生產(chǎn)車(chē)間的高度、跨度、屋蓋架構(gòu)方式、吊車(chē)設(shè)立、噸位等。一般屋蓋架構(gòu)都需要設(shè)置縱向支撐，在廠房屋架距離20m或內(nèi)部設(shè)立大噸位吊車(chē)、大規(guī)模振動(dòng)裝置，這時(shí)需要設(shè)立垂直方向支撐，合理地設(shè)置屋面坡度。

3.2組織保證措施

按照工程的質(zhì)量和功能要求，項(xiàng)目部需要配備相應(yīng)的專(zhuān)職質(zhì)檢員以及工程質(zhì)量管理部門(mén)等，這樣可以使項(xiàng)目的質(zhì)量管理得到進(jìn)一步的保障。項(xiàng)目部成立后，可以以項(xiàng)目經(jīng)理為組長(zhǎng)，技術(shù)負(fù)責(zé)人以及安全質(zhì)量員為副組長(zhǎng)，實(shí)施全面的質(zhì)量管理和監(jiān)督，組員主要包含各施工隊(duì)的隊(duì)長(zhǎng)。各施工隊(duì)同樣需要設(shè)置質(zhì)量管理小組，可以把施工隊(duì)負(fù)責(zé)人設(shè)置為組長(zhǎng)，其技術(shù)負(fù)責(zé)人設(shè)置為副組長(zhǎng)，組員主要包含各工班長(zhǎng)以及工人等。

3.3技術(shù)保證措施

在施工過(guò)程中需要采用比較先進(jìn)的施工技術(shù)，建議投入一些精良的設(shè)備，保障該工程的高標(biāo)準(zhǔn)建設(shè)。在施工過(guò)程中，要對(duì)施工材料進(jìn)行嚴(yán)格的把關(guān)，本工程所需使用的原材料和設(shè)備均需要從正規(guī)廠家進(jìn)行購(gòu)買(mǎi)，注意應(yīng)購(gòu)買(mǎi)通過(guò)國(guó)家認(rèn)證的質(zhì)量合格的產(chǎn)品。材料進(jìn)場(chǎng)后需進(jìn)行試驗(yàn)檢測(cè)，保障質(zhì)量合格后，方可投入使用，嚴(yán)禁使用質(zhì)量不合格的材料。支架以及臨時(shí)支架的施工主要從支架搭設(shè)、地基處理以及臨時(shí)支座安放3個(gè)方面進(jìn)行。在支架搭設(shè)之前，需要進(jìn)行支架的穩(wěn)定性驗(yàn)算，保證支架的承載力和穩(wěn)定性滿(mǎn)足要求;臨時(shí)支座設(shè)置完成后，需再次測(cè)量放線(xiàn)，準(zhǔn)確測(cè)量標(biāo)高，在支架上清楚地劃出每節(jié)鋼梁的橫向以及縱向位置的具體邊線(xiàn)。

3.4提高建筑抗風(fēng)荷載作用的能力

為了使廠房建筑抗風(fēng)構(gòu)件與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的牢固性符合要求，對(duì)廠房建筑結(jié)構(gòu)進(jìn)行抗風(fēng)設(shè)計(jì)時(shí)，必須充分做好以下工作：（1）優(yōu)化基礎(chǔ)，只有廠房建筑的基礎(chǔ)部分穩(wěn)定性較強(qiáng)，才能保證廠房建筑上部分結(jié)構(gòu)的穩(wěn)固性。因此，明確混凝土的級(jí)配標(biāo)準(zhǔn)成為廠房建筑基礎(chǔ)設(shè)計(jì)最基本的工作。應(yīng)盡可能購(gòu)買(mǎi)高級(jí)配的砂石，增加基礎(chǔ)持力層厚度，加設(shè)抗拔的錨桿構(gòu)件，加強(qiáng)基礎(chǔ)的牢固性。（2）通過(guò)改變建筑的輪廓設(shè)計(jì)、投影面積和高度，改變區(qū)域建筑布局，以及種植綠植等改變風(fēng)荷載的強(qiáng)度和方向等，削弱風(fēng)荷載對(duì)建筑的作用。

4、工業(yè)廠房建筑結(jié)構(gòu)施工技術(shù)要點(diǎn)

4.1鋼結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)施工技術(shù)要點(diǎn)

（1）為確保上部結(jié)構(gòu)安裝質(zhì)量，預(yù)埋時(shí)必須嚴(yán)格控制地腳螺栓的布置方位;（2）為了提高螺栓的緊固強(qiáng)度，建議使用經(jīng)工廠統(tǒng)一預(yù)制的鋼制模輔助定位;（3）螺栓預(yù)位后，及時(shí)檢查螺栓絲扣標(biāo)高是否滿(mǎn)足規(guī)范要求，檢測(cè)合格后將其焊接于鋼筋網(wǎng)上，實(shí)現(xiàn)二者的剛接;（4）為了保護(hù)好緊固螺栓表面，避免螺栓受損，應(yīng)在螺栓外表面加裝保護(hù)殼。

4.2鋼結(jié)構(gòu)安裝工程施工技術(shù)要點(diǎn)

施工準(zhǔn)備階段。（1）鋼結(jié)構(gòu)吊裝前，應(yīng)按照構(gòu)件明細(xì)表，核對(duì)并檢查驗(yàn)構(gòu)件進(jìn)場(chǎng)質(zhì)量情況;（2）就鋼結(jié)構(gòu)廠房基礎(chǔ)和預(yù)埋件等隱蔽工程而言，應(yīng)詳細(xì)校核構(gòu)件軸線(xiàn)位置、標(biāo)高偏差、平整度指標(biāo)等，并使用墨盒彈出定位線(xiàn);（3）還應(yīng)注意的是，在鋼結(jié)構(gòu)和基礎(chǔ)的測(cè)量過(guò)程中，為了保證測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)的統(tǒng)一，應(yīng)使用相同的測(cè)量輔助工具。

鋼結(jié)構(gòu)安裝（1）鋼制廠房中使用的鋼構(gòu)件基本采用兩臺(tái)12t級(jí)汽車(chē)吊吊裝，零星小型構(gòu)件采用人工吊裝方式，承重鋼柱采用旋轉(zhuǎn)吊裝法吊裝，考慮到主梁的跨徑較大，為了控制高空作業(yè)風(fēng)險(xiǎn)，應(yīng)提前在地面完成組裝，再整體吊裝就位，吊裝過(guò)程中應(yīng)配合人工輔助調(diào)整，鋼梁扶正采用兩點(diǎn)平衡法;（2）為了保障吊裝作業(yè)過(guò)程中的安全性和連續(xù)性，應(yīng)提前設(shè)計(jì)吊裝順序，吊裝過(guò)程中嚴(yán)格遵照順序開(kāi)展吊裝作業(yè);（3）承載鋼柱吊裝階段應(yīng)配合鋼柱位置的校正及鋼梁拼裝就位;（4）承載鋼梁吊裝過(guò)程中，兩榀間的橫向系桿應(yīng)在承重鋼柱和鋼梁校正以后及時(shí)安裝，以保證主體結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性;（5）檁條、墻梁、支撐系、拉條及隅撐等附屬構(gòu)件應(yīng)在主體結(jié)構(gòu)吊裝過(guò)程中同步完成，且不同構(gòu)件可交叉同步完成;

4.3檁條及支撐系統(tǒng)的安裝

（1）檁條、橫向支撐系應(yīng)與主體鋼結(jié)構(gòu)吊裝作業(yè)同步進(jìn)行，滿(mǎn)足交叉作業(yè)的可交叉進(jìn)行;（2）本鋼結(jié)構(gòu)主體工程的承重柱間距為6m，檁條可借助滑輪實(shí)現(xiàn)省力安裝，安裝過(guò)程中，螺栓孔位置應(yīng)校對(duì)準(zhǔn)確，緊固力大小適中。結(jié)合檁條大小及緊固位置，依靠人力將其拉至屋面或墻體立面的對(duì)應(yīng)位置;（3）吊裝完畢后，應(yīng)及時(shí)調(diào)整構(gòu)件水平及垂直度指標(biāo)，以保證各構(gòu)件定位的準(zhǔn)確性，結(jié)合結(jié)構(gòu)特點(diǎn)安裝承載柱間的水平支撐系。微調(diào)橫向連接系的緊固情況，適當(dāng)放松一側(cè)連接強(qiáng)度，當(dāng)調(diào)整豎向柱達(dá)到垂直狀態(tài)時(shí)，再次緊固連接系，應(yīng)合理控制緊固強(qiáng)度，以避免緊固力過(guò)大而出現(xiàn)局部應(yīng)力集中問(wèn)題;（4）通常情況下，梁隅撐均由地面連接至頂梁，吊裝完成后方使用高強(qiáng)螺栓與屋面的檁條連接。臺(tái)度角鋼使用膨脹螺栓緊固，山墻角鋼直接固定在山墻檁條以下的翼沿上;（5）在屋墻面系桿和拉桿安裝過(guò)程中，應(yīng)適當(dāng)調(diào)整檁條的水平度，及時(shí)糾正檁條的局部彎、扭曲變形。

4.4加強(qiáng)消防結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

廠房建筑結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，一旦出現(xiàn)火災(zāi)，建筑使用者的人身安全與財(cái)產(chǎn)安全會(huì)受到嚴(yán)重的威脅。為此，必須重視廠房建筑的防火設(shè)計(jì)。首先，應(yīng)合理設(shè)計(jì)防火間距。設(shè)計(jì)人員需要依照相關(guān)規(guī)定準(zhǔn)確測(cè)量建筑物間的實(shí)際距離，需要注意的是，相鄰兩建筑之間的最佳防火間距應(yīng)按建筑外墻間的最小距離進(jìn)行計(jì)算，若外墻包含凸出的易燃構(gòu)件，應(yīng)從該構(gòu)件外緣算起。另外，還必須設(shè)計(jì)安全疏散通道。通常情況下，需要盡可能多地設(shè)計(jì)幾條便于人們疏散的安全通道。為加速煙霧擴(kuò)散，安全疏散通道必須設(shè)計(jì)防煙區(qū)。對(duì)此，設(shè)計(jì)人員可以采取分割式設(shè)計(jì)，以有效控制火勢(shì)與煙霧的蔓延速度。

5.結(jié)束語(yǔ)

在鋼結(jié)構(gòu)廠房的施工過(guò)程中，要控制施工質(zhì)量，必須進(jìn)行嚴(yán)格的監(jiān)管，采取合理的措施，克服施工過(guò)程中存在的問(wèn)題，保障工程的質(zhì)量以及施工人員的安全，促進(jìn)鋼結(jié)構(gòu)廠房的進(jìn)一步發(fā)展。

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