工業(yè)廠房結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的應(yīng)用研究

邢 妍

(中國石油工程建設(shè)有限公司北京設(shè)計(jì)分公司 北京 100085)

工業(yè)廠房的建設(shè)是工業(yè)發(fā)展的重要基石之一,隨著經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展,工業(yè)也不甘落后,這也標(biāo)志著工業(yè)廠房的數(shù)量和規(guī)模不斷增加和擴(kuò)大。要想保障工業(yè)廠房建設(shè)的速度和質(zhì)量,更進(jìn)一步為工業(yè)的發(fā)展提供一定的基礎(chǔ),廠房鋼結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)和應(yīng)用在建筑業(yè)中占有不可替代的地位。因此設(shè)計(jì)人員要積極學(xué)習(xí)先進(jìn)的設(shè)計(jì)技術(shù),在確保建筑材料質(zhì)量的基礎(chǔ)上,注重鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的布局,確保應(yīng)用鋼結(jié)構(gòu)能夠?yàn)楣I(yè)廠房的建設(shè)和施工提高效率,促進(jìn)工業(yè)帶動(dòng)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展。

1 工業(yè)廠房鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的特點(diǎn)

(1)便捷性。鋼結(jié)構(gòu)相較于傳統(tǒng)的建筑結(jié)構(gòu)來說具有便捷性的特點(diǎn),首先,鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的施工需要的時(shí)間較短,能夠確保施工期限,在成本上也就顯現(xiàn)出優(yōu)勢。其次,鋼結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)受到的影響因素較少,整個(gè)施工過程都是在工程內(nèi)進(jìn)行,施工現(xiàn)場只需要按部就班的安裝和使用,縮短了施工的周期。鋼結(jié)構(gòu)的便捷性使得這種結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)在建筑領(lǐng)域內(nèi)應(yīng)用的范圍很廣,主要應(yīng)用于廠房、高層的建筑。

(2)經(jīng)濟(jì)性。鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的工業(yè)廠房,從設(shè)計(jì)到施工操作簡易,通過材料的集中使用和組裝,可以提升建筑鋼材料的利用效率,減少浪費(fèi),這在經(jīng)濟(jì)上也能節(jié)省材料成本。鋼結(jié)構(gòu)材料不是一次性使用的材料,在使用之后可以回收,大大降低了資源成本,這也就是大多數(shù)工業(yè)廠房都采用鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)模型的原因。

(3)空間利用率好。在工業(yè)廠房的建設(shè)中,鋼結(jié)構(gòu)都是在廠房內(nèi)進(jìn)行安裝和施工,其活動(dòng)的空間明顯小于其他的施工結(jié)構(gòu),這種結(jié)構(gòu)優(yōu)勢也為廠房建設(shè)的變更提供了很大的可能,能更好地實(shí)現(xiàn)空間規(guī)劃和利用。此外,工業(yè)廠房外部的設(shè)計(jì)也能實(shí)現(xiàn)多樣化,提升了廠房內(nèi)外空間的利用率,促進(jìn)經(jīng)濟(jì)建設(shè)[1]。

2 工業(yè)廠房建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化概述

建筑結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)是工業(yè)廠房總體設(shè)計(jì)不可或缺的一部分,要想保證工業(yè)廠房的建筑質(zhì)量,就要優(yōu)化廠房建筑的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),設(shè)計(jì)要從概念設(shè)計(jì)和視覺設(shè)計(jì)兩個(gè)層面考慮。首先,概念設(shè)計(jì)是設(shè)計(jì)人員利用設(shè)計(jì)概念并且經(jīng)設(shè)計(jì)概念從始到終穿插其中的設(shè)計(jì)方法。設(shè)計(jì)人員需要將設(shè)計(jì)的專業(yè)理論知識和實(shí)際的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)相結(jié)合,考慮到實(shí)際廠房的需要,不斷地完善優(yōu)化設(shè)計(jì)方案。同時(shí),設(shè)計(jì)人員要以實(shí)際施工情況為基礎(chǔ),綜合考慮各種因素,比如施工周圍的環(huán)境、材料設(shè)備的供應(yīng)等,不斷對設(shè)計(jì)進(jìn)行調(diào)整,提升建筑結(jié)構(gòu)優(yōu)化工作的水平。其次,視覺設(shè)計(jì)需要設(shè)計(jì)人員專業(yè)知識豐富,將各種建筑工程設(shè)計(jì)構(gòu)造作為基礎(chǔ),根據(jù)不同的設(shè)計(jì)需求將設(shè)計(jì)多元化,并做好評估和判斷工作,以此選擇可行性設(shè)計(jì)方案[2]。

3 優(yōu)化設(shè)計(jì)

3.1 防火設(shè)計(jì)

現(xiàn)階段,工業(yè)廠房整體建筑項(xiàng)目,其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)通常以鋼結(jié)構(gòu)為主,相比混凝土建筑結(jié)構(gòu),鋼結(jié)構(gòu)建筑設(shè)計(jì)更具性能優(yōu)勢,表現(xiàn)在結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性與可塑性等方面。然而,鋼結(jié)構(gòu)與混凝土結(jié)構(gòu)相比,防火性能不理想。鑒于鋼材具有較強(qiáng)的導(dǎo)熱能力,溫度較高將會對鋼材性能產(chǎn)生一定影響。當(dāng)溫度達(dá)到100℃時(shí),鋼材抗拉性能將會有所削弱。如若溫度處于持續(xù)增長狀態(tài),當(dāng)溫度升至250℃時(shí),鋼材強(qiáng)韌性有所削弱。如若溫度升至500℃時(shí),鋼材性能將會喪失,甚至引起廠房建筑結(jié)構(gòu)發(fā)生坍塌事件。為此,以廠房安全為設(shè)計(jì)視角,加強(qiáng)廠房建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化,如若鋼材溫度升至150℃,應(yīng)關(guān)注廠房防火性能,比如鋼材的防火涂料能夠防止火災(zāi)的擴(kuò)大,一級防火中,鋼柱要想達(dá)到3 h耐火極限,就必須選用厚型防火涂料,厚度在23毫米;鋼梁要想達(dá)到2.5 h耐火極限,選用薄型、厚型防火涂料都可以,厚度在20 mm[3]。

3.2 抗震設(shè)計(jì)

近年來,地震事故頻繁發(fā)生,究其原因在于:鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范性不足,難以順應(yīng)施工建設(shè)的各項(xiàng)需求,引起廠房建筑結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性缺失現(xiàn)象,由此造成地震事件發(fā)生,工廠建筑結(jié)構(gòu)發(fā)生倒塌事件,形成較為嚴(yán)重人員傷亡事故。在地震中,其破壞特征是延性破壞,而非脆性破壞,可見到破壞瞬間的過程。破壞瞬間延緩了逃生的時(shí)間;破壞瞬間基本很少散離碎片的墜落打擊等次生傷害。為此,加強(qiáng)鋼結(jié)構(gòu)抗震性能優(yōu)化設(shè)計(jì),尤為關(guān)鍵。鋼結(jié)構(gòu)抗震性能,在廠房建筑設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)中,占據(jù)較為關(guān)鍵的環(huán)節(jié)。鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)期間,應(yīng)綜合開展鋼結(jié)構(gòu)抗震性能設(shè)計(jì)工作,保障廠房抗震性能的規(guī)范性。具體抗震設(shè)計(jì)表現(xiàn)為:以工業(yè)廠房建筑項(xiàng)目整體結(jié)構(gòu)為視角,結(jié)合廠房建筑需求,全面掌握工業(yè)廠房的建筑特點(diǎn),融合抗震設(shè)計(jì)元素,使其抗震性能處于合理狀態(tài)。在設(shè)計(jì)期間,設(shè)計(jì)人員應(yīng)加強(qiáng)廠址確定與優(yōu)化,減少廠房建設(shè)位置處于地質(zhì)結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定的區(qū)域,減少地震問題對工業(yè)廠房建筑結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的影響。在建筑抗震結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)期間,應(yīng)以建筑結(jié)構(gòu)整體穩(wěn)定性為優(yōu)先設(shè)計(jì)原則,以此保障廠房抗震性能的標(biāo)準(zhǔn)性。鋼結(jié)構(gòu)在廠房建筑結(jié)構(gòu)中占據(jù)較為關(guān)鍵的位置。為此,在開展鋼結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)期間,應(yīng)從鋼結(jié)構(gòu)配件性能予以考量,比如受力性能、結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性等。在性能確定的基礎(chǔ)上,最大程度地降低負(fù)面因素造成的影響,有效發(fā)揮鋼結(jié)構(gòu)建筑穩(wěn)定性能的優(yōu)勢?？拐鹣到y(tǒng)設(shè)計(jì),在工業(yè)廠房建筑設(shè)計(jì)中,應(yīng)作為優(yōu)化設(shè)計(jì)的重要環(huán)節(jié),以期提升廠房建筑結(jié)構(gòu)的安全性。針對廠房結(jié)構(gòu)性能分析期間,應(yīng)綜合考量多方因素,以鋼結(jié)構(gòu)建筑實(shí)際需求為基礎(chǔ),完成結(jié)構(gòu)框架設(shè)計(jì)與選擇,提升節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)工作有效性,保障建材性能,提升鋼結(jié)構(gòu)整體穩(wěn)定性,以此保障工業(yè)廠房抗震性能的規(guī)范性[4]。

3.3 防腐蝕設(shè)計(jì)

鋼結(jié)構(gòu)腐蝕現(xiàn)象,將會在一定程度上減少鋼材構(gòu)件截面大小。如若在鋼材表面發(fā)生腐蝕問題,將會嚴(yán)重危及工業(yè)廠房建筑項(xiàng)目的安全性,削弱鋼結(jié)構(gòu)使用性能,使其應(yīng)用周期有所減少。其發(fā)生條件,以自然潮濕環(huán)境因素為主。為此,以鋼結(jié)構(gòu)腐蝕成因?yàn)槌霭l(fā)點(diǎn),加強(qiáng)防腐蝕優(yōu)化設(shè)計(jì),以此保障鋼結(jié)構(gòu)廠房使用周期。有效方法為:保持氧元素與鋼結(jié)構(gòu)處于隔離狀態(tài)、涂刷防腐材料等。此外,針對鋼結(jié)構(gòu)防腐設(shè)計(jì),應(yīng)綜合考量環(huán)境因素,以期保障防腐設(shè)計(jì)的科學(xué)性。

3.4 建材優(yōu)選

在設(shè)計(jì)規(guī)劃工業(yè)廠房建筑結(jié)構(gòu)期間,應(yīng)科學(xué)開展建材甄選工作,有助于提升設(shè)計(jì)優(yōu)化效果。建材性能差異將會直接危及廠房建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)效果,使其穩(wěn)定性與安全性受到影響。工業(yè)廠房在實(shí)際建設(shè)期間,其資金使用存在多重要求,應(yīng)加強(qiáng)建材品質(zhì)規(guī)范性使用,提升建材使用的成本規(guī)劃效果,減少建材使用產(chǎn)生的資金浪費(fèi)問題。在建材選擇期間,應(yīng)綜合考量鋼材自身性能,如防火性能較差,應(yīng)選擇防火性能優(yōu)異的建材,以規(guī)避防火性能欠佳問題,達(dá)成設(shè)計(jì)優(yōu)化目標(biāo)。

4 對工業(yè)廠房建筑結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化的設(shè)計(jì)方案

4.1 工業(yè)廠房建筑結(jié)構(gòu)中的防火設(shè)計(jì)優(yōu)化

前文提到過工業(yè)廠房建筑結(jié)構(gòu)的防火設(shè)計(jì),提升工業(yè)廠房安全系數(shù)的另一個(gè)設(shè)計(jì)就是抗震設(shè)計(jì)。對于工業(yè)廠房建筑而言,地震是非常嚴(yán)重的威脅之一。所以,在對建筑結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)的過程中,防震也是較為重要的環(huán)節(jié)。在此過程中,應(yīng)該對基址的選擇進(jìn)行優(yōu)化,對建筑周圍地質(zhì)較為復(fù)雜的情況進(jìn)行避免,并應(yīng)該在地震較為頻繁的相關(guān)區(qū)域進(jìn)行建筑的施工。另一方面,在對相關(guān)建筑結(jié)構(gòu)進(jìn)行平面布局的設(shè)計(jì)時(shí),一定要對結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性與局部穩(wěn)定性之間進(jìn)行良好的協(xié)調(diào),對整體性的設(shè)計(jì)進(jìn)行相應(yīng)地加強(qiáng)。在進(jìn)行平面布局設(shè)計(jì)時(shí),有著較多的設(shè)計(jì)方法,應(yīng)該對對稱布局進(jìn)行采用,將相關(guān)建筑的形式進(jìn)行簡化處理,對較為穩(wěn)定的矩形結(jié)構(gòu)進(jìn)行相應(yīng)的選擇。因此,如果想要對工業(yè)廠房建筑結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化,對建筑結(jié)構(gòu)中抗震設(shè)計(jì)進(jìn)行優(yōu)化是非常有效地策略之一。

綜上所述,鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)由于本身具有的特性,施工簡便,廣泛應(yīng)用于大型廠房、高層等領(lǐng)域中,要想保證鋼結(jié)構(gòu)的質(zhì)量,就是注重鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),其中包括防火設(shè)計(jì)、抗震設(shè)計(jì)、防腐蝕設(shè)計(jì)、材料優(yōu)選等,只有良好的設(shè)計(jì)才能保障施工的方向,才能保障鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)工業(yè)廠房的施工能夠有質(zhì)量的完成。當(dāng)前鋼結(jié)構(gòu)是建筑領(lǐng)域的重要應(yīng)用,并且在技術(shù)應(yīng)用上日漸完善,逐漸成為建筑領(lǐng)域的主打,是未來建筑的發(fā)展趨勢。