工業(yè)廠房建筑結(jié)構(gòu)形式的選擇及處理

秦弢

福陸（中國）工程建設(shè)有限公司 上海 201103

引言

隨著我國工業(yè)經(jīng)濟(jì)的持續(xù)發(fā)展，各類工業(yè)廠房的形式也相繼出現(xiàn)，可靠合理的結(jié)構(gòu)形式也保證了廠房在生產(chǎn)過程中安全和效率，從而體現(xiàn)了其生產(chǎn)價值。一般而言，工業(yè)廠房從材料方面分為純混凝土結(jié)構(gòu)、鋼混結(jié)構(gòu)、純鋼結(jié)構(gòu)這三種；從結(jié)構(gòu)形式上可分為門剛結(jié)構(gòu)、排架結(jié)構(gòu)、框架結(jié)構(gòu)及框剪結(jié)構(gòu)。不同的結(jié)構(gòu)形式運用于滿足不同的生產(chǎn)需要，本文就工業(yè)廠房各種類型來談一談工業(yè)廠房建筑結(jié)構(gòu)形式的具體選擇與處理。

1 工業(yè)廠房的分類

對于工業(yè)廠房來說，主要包括一些生產(chǎn)車間，原料和成品倉庫，配電間，控制室，輔助用房及一些配套設(shè)施用房等。各種廠房的用途功能都不同，但都占據(jù)著很重要的地位[1]。

對于生產(chǎn)車間來說，應(yīng)該是一個工業(yè)區(qū)的核心建筑物或構(gòu)筑物，擔(dān)負(fù)著生產(chǎn)加工的重?fù)?dān)，因此，生產(chǎn)車間往往設(shè)備及管線的數(shù)量眾多且載荷較大，占地面積往往也是該工業(yè)區(qū)中最大的。車間內(nèi)的設(shè)備一般都是反應(yīng)裝置，有的甚至是個高聳的塔式反應(yīng)器，對于擁有這類體積較大且滿物料生產(chǎn)時又較重設(shè)備的生產(chǎn)車間，混凝土結(jié)構(gòu)是首選，因為混凝土有著極其良好的抗壓性能?；炷两Y(jié)構(gòu)的優(yōu)勢在于穩(wěn)定可靠，承壓能力強，另外，一般生產(chǎn)車間內(nèi)的各種物料在化學(xué)反應(yīng)時會存在易燃易爆的危險性，混凝土結(jié)構(gòu)的耐火性好，且還能進(jìn)行抗暴設(shè)計，很容易滿足這方面安全設(shè)計的要求。但由于混凝土結(jié)構(gòu)的構(gòu)件截面往往較大且自重也較大，因此一般不用于高層生產(chǎn)車間的設(shè)計。對于載荷中等以下且高度較高的生產(chǎn)車間，鋼結(jié)構(gòu)或鋼混結(jié)構(gòu)可以作為首選。鋼結(jié)構(gòu)有著良好的彈性變形能力，且在設(shè)計過程中也能靈活多變，根據(jù)結(jié)構(gòu)受力的需要可以很輕松釋放不同的內(nèi)力，從而實現(xiàn)剛接節(jié)點和鉸接節(jié)點的互換。另外，鋼結(jié)構(gòu)相對混凝土結(jié)構(gòu)來說，施工方便，周期也短，性價比往往高于混凝土結(jié)構(gòu)，因此近幾年鋼結(jié)構(gòu)的運用也越來越多。如果一個生產(chǎn)車間內(nèi)底部幾層有著重型設(shè)備，那就可以考慮采用鋼混結(jié)構(gòu)，底部承載重型設(shè)備的樓層采用混凝土結(jié)構(gòu)，上部結(jié)構(gòu)采用鋼結(jié)構(gòu)，如此可以兼顧穩(wěn)定和靈活。

對于原料和成品倉庫而言，一般都是用來堆載物料的，還有一些簡單的輔助用房或配套設(shè)施用房，此類建筑物的功能和要求都相對簡單，因此鋼結(jié)構(gòu)是這類廠房的首選，因為這類廠房的設(shè)計成熟，施工簡單，周期較短，往往在廠區(qū)建設(shè)過程中能盡早地被投入使用。但由于鋼結(jié)構(gòu)的耐火性差，即長時間高溫下鋼結(jié)構(gòu)的承載力會下降特別明顯，另外腐蝕生銹對于鋼結(jié)構(gòu)的強度影響也很大，因此在鋼結(jié)構(gòu)的運用過程中，必須要進(jìn)行防火設(shè)計及防腐蝕處理，我們國家建筑防火規(guī)范也根據(jù)不同的要求進(jìn)行了相應(yīng)的規(guī)定，任何的生產(chǎn)需求都不能以安全為代價。

對于變電間這類廠房建筑，其內(nèi)部往往都是機電柜和配電柜，其擔(dān)負(fù)著整個廠區(qū)的供電需求以及備用電源的作用，一般廠區(qū)的主電纜都是通過這類建筑物分配到各個廠房中去的。由于電纜眾多，配電柜又是井然有序挨著排放的，一旦發(fā)生短路或火情，極其容易造成爆炸，導(dǎo)致對周邊設(shè)施設(shè)備的損害，甚至威脅到廠區(qū)內(nèi)工作人員的生命安全。因此近幾年此類建筑物的設(shè)計往往都有抗爆設(shè)計要求，此時混凝土結(jié)構(gòu)就是唯一的選擇。在被抗爆設(shè)計過程中，混凝土結(jié)構(gòu)是被允許發(fā)生一定的變形和破壞，從而吸收了爆炸產(chǎn)生的能量，降低了對周邊設(shè)施設(shè)備的危害。

對于控制室這類有著精密儀器的建筑物來說，它是操控和監(jiān)測整個廠區(qū)設(shè)施設(shè)備的中心建筑，且該建筑內(nèi)往往人員活動較多，因此安全等級和保護(hù)要求也非常高，尤其在危害發(fā)生時，必須保護(hù)內(nèi)部人員的安全。這類建筑物一般都不會很高，因此混凝土結(jié)構(gòu)往往成為首選，有的甚至也有防爆和抗爆的設(shè)計要求[2]。

2 工業(yè)廠房建筑結(jié)構(gòu)形式的選擇

一般來說，工業(yè)廠房可以分為單層工業(yè)廠房和多層工業(yè)廠房，在具體的建設(shè)過程中，將根據(jù)其功能和要求以及產(chǎn)品特性來對兩者進(jìn)行選擇。

2.1 單層工業(yè)廠房結(jié)構(gòu)形式的選擇

對于單層工業(yè)廠房來說，它的結(jié)構(gòu)形式主要包括門式剛架結(jié)構(gòu)和排架結(jié)構(gòu)。它們的主要特點是結(jié)構(gòu)簡單，設(shè)計和施工的技術(shù)成熟且難度較低，施工周期也短，是應(yīng)用較為廣泛的一種結(jié)構(gòu)形式。從結(jié)構(gòu)體系方面來說，兩者幾乎一樣，都是將一榀榀門型鋼架用一系列系桿和支撐系統(tǒng)進(jìn)行縱向串聯(lián)組成。從受力上來說，橫向平面內(nèi)的鋼架承擔(dān)著抵抗橫向水平荷載的作用，而縱向的水平荷載則由前后山墻和抗風(fēng)柱傳導(dǎo)至屋蓋系統(tǒng)，再傳導(dǎo)至兩側(cè)的柱間支撐系統(tǒng)，最后傳導(dǎo)至基礎(chǔ)。由于其受力簡單明了，因此這類結(jié)構(gòu)形式往往用于一些荷載簡單的工業(yè)廠房，例如一些倉庫類的建筑。門式鋼架結(jié)構(gòu)的特點在于其一般采用輕質(zhì)鋼材進(jìn)行設(shè)計和建造，因此成本較低，可用于無特殊要求的普通倉庫。當(dāng)然門式鋼架結(jié)構(gòu)也可以用在一些有吊車運輸要求的單層廠房，一般采用起吊載荷不大的單軌吊或橋式吊車。對于有重型起重機或起吊荷載較大的單層廠房，往往會選用承載力較高，結(jié)構(gòu)受力更強的排架結(jié)構(gòu)了。它可以是鋼結(jié)構(gòu)，也可以是混凝土結(jié)構(gòu)，其兩側(cè)立柱分為上柱和下柱，上柱截面較小用來承載整個屋面，下柱截面較大，一般重型起重機或大型桁車的軌道梁就架設(shè)在下柱頂部?？偟膩碚f，單程工業(yè)廠房的結(jié)構(gòu)較為牢固，同時也可以聯(lián)合多個單層廠房進(jìn)行定向設(shè)計和標(biāo)準(zhǔn)化生產(chǎn)，從而降低整個工業(yè)中的綜合造價。

2.2 多層工業(yè)廠房結(jié)構(gòu)形式的選擇

相對于單層廠房而言，多層工業(yè)廠房的特點是結(jié)構(gòu)受力復(fù)雜，承載力較高，功能性較強，在輕重工業(yè)領(lǐng)域都有著廣泛的運用。很多工業(yè)廠區(qū)內(nèi)都有著和民用建筑一樣的辦公樓，也有很多底層是大開間的生產(chǎn)車間，上層是辦公區(qū)域的建筑，這類半工半民的建筑都可以采用多層廠房的結(jié)構(gòu)形式。還有一些控制室和配套用房等在特殊的要求下也可以采用多層結(jié)構(gòu)[3]。

多層框架結(jié)構(gòu)一般分為混凝土結(jié)構(gòu)和鋼結(jié)構(gòu)，混凝土結(jié)構(gòu)從設(shè)計角度來說一般都是雙向全鋼設(shè)計，幾乎很少出現(xiàn)柱間撐，這就為生產(chǎn)建設(shè)提供了很有利的空間條件。很多大型工業(yè)生產(chǎn)車間或者大型的反應(yīng)裝置都有著復(fù)雜煩瑣的生產(chǎn)管線，在混凝土框架結(jié)構(gòu)中就可以進(jìn)行很好的空間利用和合理的空間布局。但混凝土框架的缺點也是顯而易見的，由于無支撐系統(tǒng)，在縱橫兩個方向共同作用力下，柱子承擔(dān)著主要的受力作用，因此兩個方向上的截面高度都不可能小，一般都是采用正方形或者接近正方形的矩形截面，這樣就占據(jù)了樓層一定的使用面積。另外，混凝土梁構(gòu)件的截面高度也受到了跨度的限制，在有大跨度要求的地方，如果非要做混凝土梁，那該梁的高度在設(shè)計過程中可能會變得很高，這樣既不經(jīng)濟(jì)也不合理，同時還會影響生產(chǎn)所需的高度要求。當(dāng)然雙向全剛接框架也可以是鋼結(jié)構(gòu)的，此時同樣也會對鋼柱有著很高的承載力的要求，但在一些特殊要求的場合下，鋼結(jié)構(gòu)會比混凝土框架有些優(yōu)勢，就比如之前的大跨度要求。因此在樓層相對不是很多也不是很高的情況下，承載力要求較高的可采用混凝土框架結(jié)構(gòu)，而承載力要求較低的就可以采用鋼框架結(jié)構(gòu)。

鋼框架結(jié)構(gòu)的另一種形式是帶有支撐體系的，即在設(shè)計初期根據(jù)實際情況，將平面內(nèi)的一個方向作為主受力方向，采用無支撐系統(tǒng)的剛接設(shè)計，而另一個方向則設(shè)計成有支撐系統(tǒng)的鉸接設(shè)計。如此一來，可利用結(jié)構(gòu)體系的變化來降低對柱子承載力的要求，另一方面，支撐系統(tǒng)抵抗側(cè)向水平力的能力也遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于柱子的抗側(cè)能力，這種結(jié)構(gòu)設(shè)計對于用鋼量也有所減少，是目前被普遍運用的一種鋼框架結(jié)構(gòu)體系。如果有些工業(yè)生產(chǎn)廠房對該鋼框架結(jié)構(gòu)體系的位移有嚴(yán)格變形要求的話，也可以將支撐系統(tǒng)平面內(nèi)的鉸接設(shè)計改為剛接設(shè)計，同理，也可以在剛接設(shè)計平面內(nèi)增加柱間撐，再結(jié)合強大的樓面剛度，如此就更有效地提高了該結(jié)構(gòu)體系的抗變形能力，滿足生產(chǎn)和運用所需的要求，鋼結(jié)構(gòu)的靈活設(shè)計也意在如此。雙向支撐系統(tǒng)的設(shè)計也普遍運用在高層工業(yè)廠房中，且效果良好。

還有一種結(jié)構(gòu)形式是框架—剪力墻結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)往往采用混凝土結(jié)構(gòu)，能抵抗較大的側(cè)向水平荷載，一般適用于高度及寬度較大的廠房。目前，很多工業(yè)廠房對于樓梯間的逃生安全要求較高，樓梯間的抗震設(shè)計要求也被相應(yīng)提高，因此很多時候樓梯間就可以進(jìn)行剪力墻設(shè)計，另外，很多高層的工業(yè)廠房除了樓梯間外，還有電梯間，電梯井道的設(shè)計也可以采用剪力墻。這種結(jié)構(gòu)有著很可靠的抗側(cè)變形的元素，因此對于占地面積較大，樓層較高，樓梯間較多且擁有電梯間的工業(yè)廠房是個不錯的首選。

對于大跨度生產(chǎn)車間進(jìn)行結(jié)構(gòu)處理時，就需要引用一些全新的結(jié)構(gòu)體系以及設(shè)置特殊的安裝層，以處理建筑的功能和空間使用難題。處理大跨度生產(chǎn)車間的結(jié)構(gòu)時可以采取網(wǎng)架結(jié)構(gòu)體系。這種結(jié)構(gòu)是一種空間的桿系結(jié)構(gòu)，在廠房四周設(shè)立柱作為支撐點，使得整體的結(jié)構(gòu)具備重量輕，強度大，跨度大，立柱少的優(yōu)質(zhì)特點。而且在施工過程當(dāng)中，網(wǎng)架結(jié)構(gòu)體系所用到的網(wǎng)架桿件和球形節(jié)點均可在工廠中，經(jīng)過簡單加工而制成。對于現(xiàn)場拼接來說，也容易操作，而且這種結(jié)構(gòu)體系也符合大跨度生產(chǎn)車間所需空間大的特點，對于企業(yè)的技術(shù)改造和創(chuàng)新來說，都有充分的空間[4]。

2.3 結(jié)構(gòu)形式的組合運用

近幾年，在很多工程實例中，多種結(jié)構(gòu)體系的組合運用已變得越來越普遍，合理得結(jié)構(gòu)組合會使得該廠房能滿足更多的使用要求。

例如，位于上海市金山化工區(qū)某工業(yè)廠區(qū)的主生產(chǎn)車間，其占地面積約為3850m2，長約70m，寬約55m，主屋面高度約為12m，廠房中心局部有高出屋面的長條形天窗。該生產(chǎn)車間內(nèi)有多臺重達(dá)30至100t的反應(yīng)器設(shè)備嵌固在二層樓板上，在生產(chǎn)過程中，物料從二樓加入設(shè)備，成品料從底層輸出，因此二樓有著運輸大量物料的要求，需要經(jīng)常行駛中型叉車，該樓面活荷載設(shè)計值為2t/m2，屬于重型載荷的生產(chǎn)車間。另外由于物料有易燃易爆的特性，業(yè)主方對該車間提出了定向泄爆的要求，以避免危害發(fā)生時對周邊重要建筑的影響，因此該廠房在設(shè)計時將混凝土框架結(jié)構(gòu)作為主要的結(jié)構(gòu)體系，這樣在滿足高承載力的同時，還能進(jìn)行局部抗爆的設(shè)計要求。在該廠房的南北兩側(cè)以及局部高出屋面的天窗部分，采用了門式剛架結(jié)構(gòu)中常見的輕鋼結(jié)構(gòu)體系，即南北兩側(cè)的墻體采用墻檁加輕質(zhì)彩鋼板結(jié)構(gòu)的設(shè)計，屋面天窗則采用了門式鋼架結(jié)構(gòu)立于混凝土框架結(jié)構(gòu)之上，這樣在爆炸發(fā)生時，輕質(zhì)墻體和輕質(zhì)屋面部分就可以滿足定向泄爆的要求。由于該廠房占地面積較大，按消防安全規(guī)范規(guī)定，在一定范圍內(nèi)必須設(shè)有逃生通道或大門，因此該廠房在四個方向上均設(shè)有樓梯間，在南側(cè)的泄爆墻處還額外設(shè)有電梯井道，平時是用來運輸物料的，此時為了滿足該區(qū)域的安全及抗爆的要求，將樓梯間及電梯井道均設(shè)計成剪力墻結(jié)構(gòu)。最后再次總結(jié)下該生產(chǎn)車間廠房的結(jié)構(gòu)形式：以多層混凝土框架結(jié)構(gòu)為主，局部剪筒結(jié)構(gòu)，再結(jié)合泄爆的門式鋼架結(jié)構(gòu)，滿足了生產(chǎn)和降低危害的要求[5]。

3 結(jié)束語

在工業(yè)廠房結(jié)構(gòu)形式的選擇中，對設(shè)計人員有著較高的要求，必須要對各種結(jié)構(gòu)體系有著很清晰明確的認(rèn)知以及熟練的運用。另外在實際工程設(shè)計中，決定某個廠房的結(jié)構(gòu)形式往往非一朝一夕立刻能給出結(jié)論，首先要了解設(shè)計前的一些輸入條件和要求，然后可能會經(jīng)過多種結(jié)構(gòu)組合的反復(fù)計算及優(yōu)化調(diào)整后，才能得出最終的結(jié)構(gòu)形式。在這過程中，要多與業(yè)主及別的專業(yè)工程師溝通協(xié)調(diào)，同時結(jié)合施工要求，不停地調(diào)整方案，以達(dá)到最經(jīng)濟(jì)、最可靠也是最佳結(jié)構(gòu)形式的目的。