工業(yè)建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的復(fù)雜性及安全性問題研究

劉星輝 毛娟娟

黃河三角洲京博化工研究院有限公司 山東 濱州 256500

引言

在社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展歷程中，工業(yè)生產(chǎn)創(chuàng)造的價(jià)值不可估量，工業(yè)建筑對于維護(hù)工業(yè)生產(chǎn)的持續(xù)性和高效性更是發(fā)揮了巨大作用。然而在工業(yè)建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)工作中，因其復(fù)雜性和特殊性，導(dǎo)致安全問題頻出，致使工業(yè)建筑各結(jié)構(gòu)部位的受力平衡被打破，運(yùn)行狀態(tài)不穩(wěn)，難以保證工業(yè)建筑的安全運(yùn)行。對此，工業(yè)建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)人員必須要明確工業(yè)建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的重點(diǎn)和難點(diǎn)問題，結(jié)合行業(yè)設(shè)計(jì)規(guī)范及具體設(shè)計(jì)要求，選擇合理的建筑結(jié)構(gòu)形式，加強(qiáng)工業(yè)建筑平面、地基、抗震、防腐等方面的細(xì)化設(shè)計(jì)，從源頭上消除工業(yè)建筑運(yùn)行隱患，致力于為工業(yè)企業(yè)創(chuàng)造良好的生產(chǎn)環(huán)境，推動(dòng)社會(huì)經(jīng)濟(jì)高質(zhì)量發(fā)展。

1 工業(yè)建筑的特點(diǎn)及設(shè)計(jì)要求

工業(yè)建筑的組成結(jié)構(gòu)通常較為復(fù)雜，包含鋼屋架、混凝土柱梁、吊車梁、墻面板及檁條等結(jié)構(gòu)，組成了多種結(jié)構(gòu)體系，不同結(jié)構(gòu)間的連接通常需要專業(yè)、復(fù)雜的工藝技術(shù)，保證各個(gè)結(jié)構(gòu)的受力平衡，以維持工業(yè)建筑的運(yùn)行安全。與此同時(shí)，在工業(yè)建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)工作中，還應(yīng)重點(diǎn)考慮工業(yè)建筑鮮明的特點(diǎn)，具體包括以下幾點(diǎn)。一是空間大，這是由于工業(yè)生產(chǎn)設(shè)備類型和數(shù)量較多，需要鋪設(shè)大量線纜，供多名人員同時(shí)操作設(shè)備，因此工業(yè)建筑通常占地面積較廣，內(nèi)部空間極大（如圖1）。二是結(jié)構(gòu)復(fù)雜，與民用建筑相比，工業(yè)建筑對采光、排水、通風(fēng)的要求相對更高，需要構(gòu)建相應(yīng)配套設(shè)施，強(qiáng)化工業(yè)建筑性能，提高生產(chǎn)環(huán)境質(zhì)量[1]。三是工業(yè)建筑的布局和結(jié)構(gòu)應(yīng)科學(xué)合理，與工業(yè)企業(yè)生產(chǎn)技術(shù)工藝要求相契合，以降低工業(yè)生產(chǎn)安全風(fēng)險(xiǎn)，保證工業(yè)生產(chǎn)效率達(dá)到較高層次。

圖1 工業(yè)建筑區(qū)

工業(yè)建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)質(zhì)量對于工業(yè)建筑使用功能和使用壽命有著較大的影響，相關(guān)設(shè)計(jì)人員要立足長遠(yuǎn)、整體角度開展設(shè)計(jì)工作，打造智慧化工業(yè)建筑，保證工業(yè)建筑的安全運(yùn)行，建筑使用功能可以充分發(fā)揮出來，盡可能延長工業(yè)建筑的使用壽命。首先，設(shè)計(jì)人員要考慮到工業(yè)生產(chǎn)設(shè)備安裝、運(yùn)行、檢修對空間環(huán)境的基本要求，為材料、設(shè)備、人員進(jìn)入生產(chǎn)現(xiàn)場留出足夠的空間，還要分析設(shè)備進(jìn)場后物料運(yùn)輸?shù)目臻g需求，確定工業(yè)建筑的空間尺寸和布局方式。其次，工業(yè)建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案應(yīng)該具備較強(qiáng)的可操作性，協(xié)調(diào)好各部分結(jié)構(gòu)，盡量避免建筑結(jié)構(gòu)之間的沖突，提高對工程施工及建筑使用的指導(dǎo)價(jià)值。最后，加強(qiáng)工業(yè)建筑結(jié)構(gòu)抗震、防腐等方面的設(shè)計(jì)，合理提高工業(yè)建筑的抗震承載力，降低外界環(huán)境及地質(zhì)災(zāi)害對工業(yè)建筑結(jié)構(gòu)的破壞，保證工業(yè)建筑的運(yùn)行安全可靠。

2 工業(yè)建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中存在的復(fù)雜性及安全性問題

長期以來，在工業(yè)建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，設(shè)計(jì)人員考慮問題不夠全面，往往忽視了工業(yè)建筑復(fù)雜性及安全性問題，導(dǎo)致最終設(shè)計(jì)效果不甚理想，嚴(yán)重影響到了工業(yè)建筑的運(yùn)行安全。工業(yè)建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)工作中比較常見的問題有：一是工業(yè)建筑布局與工業(yè)生產(chǎn)的關(guān)聯(lián)性不強(qiáng)，設(shè)計(jì)人員對工業(yè)企業(yè)生產(chǎn)要素、生產(chǎn)方式、自動(dòng)化控制等方面缺乏考量，工業(yè)建筑的自動(dòng)化、智能化程度有待提升，安全隱患隨之而生。二是工業(yè)建筑組成結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性增加了設(shè)計(jì)難度，設(shè)計(jì)人員所用的設(shè)計(jì)軟件功能單一，無法得到準(zhǔn)確的工業(yè)建筑結(jié)構(gòu)受力分析結(jié)果，一定程度上影響了設(shè)計(jì)效果。三是設(shè)計(jì)人員對風(fēng)險(xiǎn)因素的考慮不夠全面，工業(yè)建筑的耐腐蝕能力、抗震能力不強(qiáng)，在自然環(huán)境影響下建筑立面結(jié)構(gòu)老化現(xiàn)象加劇，發(fā)生地震災(zāi)害時(shí)，更是給建筑內(nèi)部設(shè)備及人員的安全造成重大威脅，工業(yè)企業(yè)蒙受的經(jīng)濟(jì)損失也將不可估量?；诖?，綜合考慮工業(yè)建筑結(jié)構(gòu)安全的復(fù)雜影響因素，提高工業(yè)建筑安全系數(shù)和智能化水平，已然成為新時(shí)期工業(yè)建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)工作的發(fā)展趨勢。

3 基于復(fù)雜性和安全性角度提高工業(yè)建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)質(zhì)量的有效策略

3.1 工業(yè)建筑基于材料的結(jié)構(gòu)形式選擇

一般來說，制約工業(yè)生產(chǎn)效率的一個(gè)重要因素就是生產(chǎn)環(huán)境，而生產(chǎn)環(huán)境主要受到工業(yè)建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)質(zhì)量的影響。加強(qiáng)工業(yè)建筑結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)，既要保證建筑結(jié)構(gòu)的靈活性和可擴(kuò)展性，以便在工業(yè)企業(yè)生產(chǎn)規(guī)模擴(kuò)張、生產(chǎn)工藝改變時(shí)能夠作出適當(dāng)?shù)恼{(diào)整，又要保證工業(yè)建筑結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性好、使用壽命長，削減環(huán)境因素對建筑結(jié)構(gòu)的不利影響?，F(xiàn)如今，建筑工程中常用鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)、鋼結(jié)構(gòu)、鋼材與混凝土結(jié)合的混合結(jié)構(gòu)。各自優(yōu)勢在于：鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)屬于鋼筋和混凝土緊密結(jié)合所構(gòu)成的建筑結(jié)構(gòu)，適用范圍廣，施工材料易于就地取材，施工成本較低，建筑結(jié)構(gòu)耐腐蝕性與耐火性強(qiáng)，建筑物安全性能夠得到保障；鋼結(jié)構(gòu)具有施工效率高、工程造價(jià)低、施工操作簡單的優(yōu)點(diǎn)，可是耐腐蝕性以及耐火性較差，后續(xù)需要增加投資用于提高建筑結(jié)構(gòu)相應(yīng)性能[2]。在工業(yè)建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，應(yīng)結(jié)合具體建筑的使用特點(diǎn)、建設(shè)周期等綜合考量，選用更為貼切的結(jié)構(gòu)形式。

3.2 工業(yè)建筑的平面設(shè)計(jì)

在工業(yè)建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，需要遵循標(biāo)準(zhǔn)流程開展相關(guān)設(shè)計(jì)工作，先要合理確定建筑總圖布置，再進(jìn)行平面設(shè)計(jì)，將建筑內(nèi)部各個(gè)功能分區(qū)予以合理劃分。工業(yè)建筑的功能分區(qū)通常包括生產(chǎn)區(qū)、物料保管區(qū)、值班區(qū)、控制區(qū)，配套變配電所、機(jī)柜間、水泵房、食堂等，其復(fù)雜性可見一斑。信息時(shí)代背景下，BIM技術(shù)在工業(yè)建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)工作中的應(yīng)用可以顯著提高設(shè)計(jì)質(zhì)量，BIM軟件自帶的碰撞檢查、施工模擬功能還能及時(shí)發(fā)現(xiàn)工業(yè)建筑平面設(shè)計(jì)的不合理之處，將設(shè)計(jì)變更控制在設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)。因此，設(shè)計(jì)人員可以運(yùn)用BIM技術(shù)進(jìn)行建筑模型的構(gòu)建，適當(dāng)調(diào)整各個(gè)分區(qū)面積的大小，某個(gè)區(qū)域面積的變化會(huì)引起其他區(qū)域尺寸的自動(dòng)改變，最終生成多套工業(yè)建筑平面設(shè)計(jì)方案，從中挑選技術(shù)先進(jìn)、經(jīng)濟(jì)合理的一套方案，作為工業(yè)建筑建設(shè)施工的依據(jù)[3]。

3.3 提高設(shè)計(jì)圖紙的精確性

以往工業(yè)建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)工作中，受到設(shè)計(jì)人員主觀因素的影響，導(dǎo)致設(shè)計(jì)圖紙中出現(xiàn)一些錯(cuò)漏和表述不清的問題，給工業(yè)建筑施工和運(yùn)行埋下了隱患，建筑結(jié)構(gòu)施工工藝不相匹配，預(yù)埋孔洞和管線位置不當(dāng)，影響了建筑功能發(fā)揮和工業(yè)生產(chǎn)效率。提高設(shè)計(jì)圖紙的精確性，防范建筑質(zhì)量安全問題，需要依托現(xiàn)代信息技術(shù)。如BIM技術(shù)的應(yīng)用就是工業(yè)建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的一個(gè)創(chuàng)新思路，憑借這一先進(jìn)技術(shù)的可視化、交互性特點(diǎn)，可以滿足復(fù)雜性及安全性的要求。工業(yè)建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)人員可以與其他部門人員保持有效交流和信息共享，通過模擬施工流程，及時(shí)發(fā)現(xiàn)設(shè)計(jì)圖紙中潛存的缺陷和漏洞，優(yōu)化預(yù)留孔洞尺寸、位置，減少管線碰撞，經(jīng)過對設(shè)計(jì)圖紙的不斷完善，提高設(shè)計(jì)圖紙對工業(yè)建筑施工的指導(dǎo)作用。

3.4 提高地基設(shè)計(jì)的穩(wěn)定性

地質(zhì)因素對工業(yè)建筑運(yùn)行安全的影響不言而喻，在我國多個(gè)地區(qū)土壤以軟弱土層為主，需要采用地基加固技術(shù)，增強(qiáng)地基的穩(wěn)定性，縮小地基沉降量。設(shè)計(jì)人員要提前做好現(xiàn)場勘察工作，準(zhǔn)確掌握工業(yè)建筑工程施工現(xiàn)場的氣候、土壤、水文環(huán)境，運(yùn)用3S技術(shù)將勘探結(jié)果以圖像、視頻、數(shù)據(jù)等形式加以展現(xiàn)，以便對現(xiàn)場環(huán)境進(jìn)行綜合分析，得到可靠的分析結(jié)果，確定地基穩(wěn)定性要求，開展地基設(shè)計(jì)工作。根據(jù)地質(zhì)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、工業(yè)建筑使用工況，合理選擇天然地基、換填墊層、地基加固或樁基等基礎(chǔ)方案，地基處理方案應(yīng)盡可能降低對周圍環(huán)境的擾動(dòng)，防止地基施工引起地形地貌、地下水位變化而威脅工業(yè)建筑運(yùn)行安全。

3.5 工業(yè)建筑的抗震設(shè)計(jì)

地震災(zāi)害會(huì)威脅到工業(yè)建筑內(nèi)部設(shè)備和人員的安全，加強(qiáng)工業(yè)建筑的抗震設(shè)計(jì)，保證地震災(zāi)害發(fā)生時(shí)工業(yè)建筑結(jié)構(gòu)的完整性及其運(yùn)行的穩(wěn)定性，會(huì)對開展應(yīng)急救援工作，減少地震災(zāi)害損失，產(chǎn)生積極影響。我國關(guān)于不同地區(qū)、不同形式工業(yè)建筑的抗震設(shè)計(jì)有著明確的規(guī)定，必須保證工業(yè)建筑達(dá)到規(guī)定的抗震等級(jí)，采取必要的抗震措施，確保工業(yè)建筑抗震性能符合安全性要求。設(shè)計(jì)人員應(yīng)建立合理的抗震工況下結(jié)構(gòu)模型進(jìn)行抗震分析，必要時(shí)對地震發(fā)生時(shí)結(jié)構(gòu)的破壞狀態(tài)進(jìn)行時(shí)程模擬。從提高結(jié)構(gòu)抗震穩(wěn)定性的角度，降低設(shè)防地震對建筑安全的威脅。若單體工業(yè)建筑存在較大高差或平面布置差異較大，應(yīng)結(jié)合建筑布置，合理劃分結(jié)構(gòu)分區(qū)設(shè)置抗震縫，對抗震縫位置及寬度進(jìn)行合理控制，并在抗震縫的兩側(cè)合理布置抗震墻等構(gòu)件，可以有效提高建筑抗震性能。

3.6 工業(yè)建筑的防腐蝕設(shè)計(jì)

自然環(huán)境會(huì)對建筑立面造成持續(xù)性的侵蝕，如暴雨、大風(fēng)、暴雪等，持續(xù)性的日照也會(huì)加速建筑材料和結(jié)構(gòu)的老化，而在工業(yè)建筑使用時(shí)，工業(yè)生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的酸、堿、鹽類物質(zhì)，更會(huì)對建筑內(nèi)部結(jié)構(gòu)產(chǎn)生腐蝕。因此，防腐蝕設(shè)計(jì)是工業(yè)建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的重點(diǎn)內(nèi)容。設(shè)計(jì)人員在建筑材料選擇時(shí)，應(yīng)對材料防腐性能綜合分析，選用適于建筑環(huán)境的合理材料。必要處應(yīng)進(jìn)行材料防腐處理，如在鋼材表面噴涂防腐層、混凝土表面抹聚合物水泥砂漿等，形成防腐蝕層，延緩建筑結(jié)構(gòu)老化，削弱化學(xué)物質(zhì)、土壤和水對建筑結(jié)構(gòu)的腐蝕，延長工業(yè)建筑的使用壽命。除此之外，對工業(yè)生產(chǎn)原料、工藝、中間產(chǎn)出或最終成品予以了解，將腐蝕性強(qiáng)的生產(chǎn)環(huán)節(jié)布置在水流下游或下風(fēng)側(cè)，減弱腐蝕介質(zhì)對建筑結(jié)構(gòu)的腐蝕[4]。

4 結(jié)束語

總而言之，工業(yè)建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)質(zhì)量直接關(guān)系到工業(yè)生產(chǎn)效率和安全，相關(guān)設(shè)計(jì)工作具有較強(qiáng)的專業(yè)性。設(shè)計(jì)人員需要考慮到工業(yè)建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的復(fù)雜性及安全性問題，合理選擇建筑結(jié)構(gòu)形式，運(yùn)用BIM技術(shù)加強(qiáng)工業(yè)建筑的平面設(shè)計(jì)，提高設(shè)計(jì)圖紙的精確性，還要格外強(qiáng)化工業(yè)建筑地基穩(wěn)定性設(shè)計(jì)以及結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)和防腐蝕設(shè)計(jì)，從而提高工業(yè)建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)質(zhì)量。