工業(yè)廠房鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計現(xiàn)狀與優(yōu)化措施

李攀劍 吳海燕

1 工程概況

紅牛飲料內(nèi)江生產(chǎn)基地項目共有4 個單體含鋼結(jié)構(gòu)，分別為立體倉庫、生產(chǎn)車間、化學(xué)品庫及員工活動中心。

其中立體倉庫、生產(chǎn)車間為門式輕型鋼架結(jié)構(gòu)，化學(xué)品庫及員工活動中心為鋼混結(jié)構(gòu)。

1）立體倉庫。立體倉庫為門式輕型鋼架結(jié)構(gòu)，面積26700 m2，長度為225.5 m，寬度為120 m，檐口高度23.4 m，女兒墻高度2 m；主鋼結(jié)構(gòu)含鋼量1316 t，單根最重構(gòu)件鋼柱3.05 t，最大跨度32 m；屋面采用保溫棉+360°直立縫鎖邊板，局部有屋面內(nèi)襯板，面積4718 m2；墻面為內(nèi)墻板+保溫棉+外墻板形式。

2）生產(chǎn)車間。生產(chǎn)車間為門式輕型鋼架結(jié)構(gòu)，面積36194 m2，夾層面積13194 m2；車間長度為226.5 m，寬度為159.8 m，檐口高度11.675 m，女兒墻高度為2.12 m；主鋼結(jié)構(gòu)含鋼量2191 t，最大跨度41 m，鋼梁拼接起吊重量6 t；屋面形式為屋面內(nèi)襯板+保溫棉+360°直立縫鎖邊板；墻面為內(nèi)墻板+保溫棉+外墻板形式。

3）化學(xué)品庫?；瘜W(xué)品庫為鋼混結(jié)構(gòu)，主體結(jié)構(gòu)為混凝土，屋面是鋼結(jié)構(gòu)，面積1116 m2，屋面形式為屋面內(nèi)襯板+保溫棉+屋面板。

4）員工活動中心。員工活動中心為鋼混結(jié)構(gòu)，主體結(jié)構(gòu)為混凝土，屋面是鋼結(jié)構(gòu)，面積1661 m2，屋面形式為屋面內(nèi)襯板+保溫棉+屋面板。

2 鋼結(jié)構(gòu)工業(yè)廠房的優(yōu)勢

2.1 質(zhì)量輕且跨度大

鋼結(jié)構(gòu)工業(yè)廠房的首要優(yōu)勢是質(zhì)量輕，一般大約只有同等體積鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的20%，這一特性源于鋼材自身的高強度和良好的韌性，使得在承擔(dān)相同荷載的情況下，鋼結(jié)構(gòu)需要的材料遠少于混凝土結(jié)構(gòu)[1]。由于質(zhì)量的減輕，設(shè)計師可以采取更大的跨度設(shè)計，這不僅可以為工業(yè)生產(chǎn)提供更大的空間，減少內(nèi)部支撐的干擾，還能降低地基的承載要求，從而減少地基工程的成本。

2.2 抗震能力強

鋼結(jié)構(gòu)工業(yè)廠房之所以在地震頻發(fā)地區(qū)受到青睞，是因為其具有卓越的抗震性能。在工業(yè)廠房鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計中，設(shè)計師采取了多種措施來提高其抗震性能，具體為：第1，通過優(yōu)化結(jié)構(gòu)布局和設(shè)計，如設(shè)置專門的能量耗散裝置和隔震支座，有效提高了鋼結(jié)構(gòu)工業(yè)廠房的抗震能力。第2，結(jié)構(gòu)連接部位的設(shè)計尤為關(guān)鍵，通過采用高強度螺栓連接或焊接，確保在地震作用下，連接部位不會成為薄弱環(huán)節(jié)。第3，對于高層或大跨度的鋼結(jié)構(gòu)，通過設(shè)置合理的支撐體系，如剪力墻和支撐框架，提高了整體結(jié)構(gòu)的剛度和穩(wěn)定性，從而提升了工業(yè)廠房鋼結(jié)構(gòu)對地震力的抵抗能力。

2.3 施工速度快

鋼結(jié)構(gòu)的施工速度快，成為其在現(xiàn)代建筑工程中廣泛應(yīng)用的重要原因，這一優(yōu)勢源于鋼結(jié)構(gòu)組件的預(yù)制化生產(chǎn)和現(xiàn)場快速組裝的特性，不僅提高了施工效率，還在很大程度上保證了建筑工程的整體質(zhì)量和安全性。預(yù)制化生產(chǎn)是指在工廠內(nèi)按照精確的設(shè)計圖紙和要求，提前完成鋼結(jié)構(gòu)組件的加工和部分組裝工作，這種生產(chǎn)方式具有多方面的優(yōu)勢。第1，工廠化生產(chǎn)可以在可控的環(huán)境中進行，減少了現(xiàn)場施工對天氣條件的依賴，特別是在雨季或冬季等惡劣天氣條件下，預(yù)制化生產(chǎn)的鋼結(jié)構(gòu)仍可繼續(xù)生產(chǎn)，不會延誤工期。第2，工廠化的生產(chǎn)環(huán)境有利于施工質(zhì)量的控制，每個組件都可以在生產(chǎn)過程中進行嚴格的質(zhì)量檢驗，確保其尺寸精確、質(zhì)量可靠。第3，預(yù)制化生產(chǎn)可以大幅度減少現(xiàn)場施工所需的勞動力和設(shè)備，降低施工成本。預(yù)制完成的鋼結(jié)構(gòu)組件運至施工現(xiàn)場后，可以快速進行組裝和連接，現(xiàn)場組裝的高效率不僅縮短了工期，大大縮短了整體的施工周期，還降低了施工成本。

3 鋼結(jié)構(gòu)工業(yè)廠房設(shè)計現(xiàn)狀

3.1 整體布局不夠合理

鋼結(jié)構(gòu)工業(yè)廠房的設(shè)計優(yōu)化是現(xiàn)代工業(yè)建筑發(fā)展的關(guān)鍵，盡管鋼結(jié)構(gòu)因其顯著的優(yōu)點而在工業(yè)建筑領(lǐng)域中占據(jù)重要地位，但在實際的設(shè)計與實施過程中，仍存在一些問題和挑戰(zhàn)，特別是在設(shè)計整體布局方面，如有的過于保守，有的在設(shè)計時對生產(chǎn)工藝使用要求考慮不全面等，這些都可能會對建筑的使用壽命和安全性產(chǎn)生負面影響。

在鋼結(jié)構(gòu)工業(yè)廠房的設(shè)計過程中，追求成本最低化往往成為主要目標，這導(dǎo)致設(shè)計者在布局和結(jié)構(gòu)選擇上可能忽略了一些重要的因素。例如為了減少鋼材用量，設(shè)計者可能會選擇增大建筑的跨度，以減少支撐結(jié)構(gòu)的數(shù)量，雖然這種方法在理論上可以降低材料成本，但是在實際應(yīng)用中，可能因為未充分考慮生產(chǎn)工藝、生產(chǎn)線布置及安裝施工吊車的要求等因素，最終的施工成本并未減少，甚至影響后期的使用效率和安全性[2]。

3.2 造價成本控制不佳

鋼結(jié)構(gòu)工程在現(xiàn)代工業(yè)廠房建設(shè)中扮演著越來越重要的角色，其成本控制的優(yōu)劣直接影響整個項目的經(jīng)濟性和可行性。然而，當前我國在鋼結(jié)構(gòu)工業(yè)廠房的設(shè)計和施工過程中，造價成本控制存在一定的問題和挑戰(zhàn)，這些問題不僅增加了項目的經(jīng)濟負擔(dān)，還影響了工程質(zhì)量和進度。

設(shè)計階段是控制鋼結(jié)構(gòu)工程成本的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。合理的設(shè)計不僅能夠確保結(jié)構(gòu)的安全性和功能性，還能有效控制成本。然而，目前在設(shè)計階段往往缺乏高效的優(yōu)化方法，導(dǎo)致設(shè)計方案在鋼材選用、結(jié)構(gòu)形式和連接細節(jié)等方面存在不足。例如，對于鋼材的選擇，未能充分考慮材料的經(jīng)濟性和可獲取性[3]，導(dǎo)致使用了成本較高或供應(yīng)不穩(wěn)定的鋼材；在結(jié)構(gòu)形式的選擇上，未能充分利用計算機模擬和結(jié)構(gòu)優(yōu)化技術(shù)，增加了不必要的成本。

3.3 未充分考慮環(huán)境因素

在鋼結(jié)構(gòu)工業(yè)廠房的設(shè)計過程中，應(yīng)充分考慮環(huán)境因素。但是部分設(shè)計師在設(shè)計工業(yè)廠房的鋼結(jié)構(gòu)時過分注重廠房的結(jié)構(gòu)和功能，忽略了環(huán)境因素對廠房可能產(chǎn)生的長遠影響。不同地區(qū)的氣候差異顯著，有的地區(qū)濕潤多雨，有的地區(qū)則干燥少雨，還有的地區(qū)四季分明，溫差較大。這些氣候條件都會對鋼結(jié)構(gòu)廠房的材料選擇、防腐處理及保溫隔熱等方面提出不同的要求。然而，由于設(shè)計師對氣候因素的忽視，可能會導(dǎo)致廠房在使用過程中出現(xiàn)腐蝕、生銹、漏水、保溫效果不佳等問題，進而影響廠房的使用壽命和安全性。另外，土壤類型、地下水位、地震活動等地質(zhì)條件也會影響工業(yè)廠房的地基設(shè)計和施工，如果設(shè)計師對地質(zhì)條件考慮的不夠充分，很容易導(dǎo)致廠房在使用過程中出現(xiàn)地基沉降、開裂和抗震性能不足等問題，嚴重威脅廠房使用的安全性。此外，工業(yè)廠房鋼結(jié)構(gòu)在設(shè)計過程中也要考慮風(fēng)荷載、雪荷載等方面的環(huán)境因素，這些因素在特定地區(qū)尤為重要。如果設(shè)計師沒有對這些因素進行充分考慮和計算，可能會導(dǎo)致廠房在使用過程中出現(xiàn)結(jié)構(gòu)失穩(wěn)、倒塌等問題。

4 工業(yè)廠房鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計的優(yōu)化措施

4.1 屋蓋支撐系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計

在工業(yè)廠房中，屋蓋結(jié)構(gòu)由于其廣泛的覆蓋面積和直接承受外部荷載的特性，對整體結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的影響極大，優(yōu)化屋蓋支撐系統(tǒng)的設(shè)計不僅能提高結(jié)構(gòu)的安全性，還能有效減輕結(jié)構(gòu)自重，提高材料使用效率。

在設(shè)計屋蓋支撐系統(tǒng)時，需要綜合考慮以下幾個關(guān)鍵因素：第1，跨度與高度的匹配。工業(yè)廠房的跨度和高度是決定支撐結(jié)構(gòu)設(shè)計的基本因素。為了保證結(jié)構(gòu)的穩(wěn)固和穩(wěn)定，設(shè)計時需要對工業(yè)廠房的結(jié)構(gòu)特點進行深入分析。大跨度結(jié)構(gòu)特別需要考慮如何通過支撐系統(tǒng)設(shè)計減少中間支撐[4]，以提升使用空間的靈活性，同時保證結(jié)構(gòu)的整體穩(wěn)定性。第2，支撐體系的構(gòu)成。屋蓋支撐系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計需考慮系桿、橫向支撐、豎向支撐及垂直支撐的合理布局。系桿可以有效提高屋蓋的整體剛度，分散荷載；橫向支撐和豎向支撐則是確保結(jié)構(gòu)在水平與豎直方向上穩(wěn)定的關(guān)鍵。在設(shè)計時，要根據(jù)屋蓋的實際結(jié)構(gòu)形式和跨度大小，采用合適的支撐體系，確保每個組成部分都能發(fā)揮其應(yīng)有的作用。第3，屋面形式的考慮。屋面形式直接影響支撐系統(tǒng)的設(shè)計和布置。常見的屋面形式有平屋頂、坡屋頂、曲面屋頂?shù)?，屋面形式不同，支撐系統(tǒng)的設(shè)計要求也不同。設(shè)計時還需考慮屋面的隔熱、防水等功能需求，通過合理布置支撐系統(tǒng)，不僅要確保結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，還要考慮屋面維護的便捷性。

4.2 柱間支撐的設(shè)計

工業(yè)廠房鋼結(jié)構(gòu)的設(shè)計中，柱間支撐的配置不僅關(guān)乎整體結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性和安全性，還直接影響廠房的使用效率和維護成本。在現(xiàn)代鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計中，柱間支撐系統(tǒng)通過增加建筑結(jié)構(gòu)的內(nèi)部連接，顯著提升了結(jié)構(gòu)的整體剛度和穩(wěn)定性，這種支撐體系對于抵抗橫向荷載（如風(fēng)荷載、地震力等）具有至關(guān)重要的作用，能夠有效減少結(jié)構(gòu)在橫向力作用下的位移和變形，從而保證結(jié)構(gòu)的安全和使用功能，此外，柱間支撐還能調(diào)節(jié)建筑內(nèi)部的力學(xué)環(huán)境，減少某些區(qū)域的應(yīng)力集中現(xiàn)象，避免因局部失穩(wěn)導(dǎo)致的結(jié)構(gòu)損壞。

在大跨度鋼結(jié)構(gòu)工業(yè)廠房中，溫差帶來的影響尤為顯著。溫度變化會導(dǎo)致結(jié)構(gòu)材料的膨脹或收縮，從而引起結(jié)構(gòu)內(nèi)部的應(yīng)力變化。對于長度超過150 m 的大型工業(yè)廠房，溫差所引起的結(jié)構(gòu)材料長度變化不可忽視，這可能會導(dǎo)致結(jié)構(gòu)的額外應(yīng)力，甚至產(chǎn)生不利的結(jié)構(gòu)效應(yīng)。因此，在設(shè)計柱間支撐時，必須充分考慮溫差的影響，特別是在溫差較大的核心區(qū)，通過合理設(shè)置下部立柱支撐，補償溫差引起的結(jié)構(gòu)變形，確保結(jié)構(gòu)整體的穩(wěn)定性。

針對溫差較大的情況，下部立柱支撐的設(shè)置成為關(guān)鍵。一般而言，建議在高溫段中部約1/3 位置設(shè)置下部支柱，這樣的配置可以有效平衡由溫差引起的結(jié)構(gòu)變形，提高結(jié)構(gòu)的垂直剛度。在實際設(shè)計過程中，還需考慮支撐系統(tǒng)與屋面的側(cè)向水平支撐之間的協(xié)調(diào)性，確保整個支撐體系能夠統(tǒng)一協(xié)作[5]，分擔(dān)和傳遞荷載。為實現(xiàn)這一目標，設(shè)計師需采用精確的結(jié)構(gòu)分析和模擬技術(shù)，預(yù)測不同溫度條件下結(jié)構(gòu)的變形，以及支撐配置對結(jié)構(gòu)性能的影響。通過這些分析，確定最優(yōu)的支撐布局方案，這不僅會提升結(jié)構(gòu)安全性和穩(wěn)定性，還可以提升施工的可行性，降低施工成本。

4.3 工業(yè)廠房鋼結(jié)構(gòu)的防火設(shè)計

鋼結(jié)構(gòu)在工業(yè)廠房建設(shè)中的應(yīng)用日益廣泛，但其在高溫下強度會顯著降低，這一安全隱患不容忽視，因此，鋼結(jié)構(gòu)的防火設(shè)計成為確保工業(yè)廠房安全的關(guān)鍵。合理的防火設(shè)計可以提高結(jié)構(gòu)在火災(zāi)情況下的穩(wěn)定性，保護人員安全，減少財產(chǎn)損失。

在進行鋼結(jié)構(gòu)的防火設(shè)計之前，首先需要根據(jù)國家標準和行業(yè)規(guī)范確定廠房的防火等級。防火等級通常根據(jù)建筑的用途、火災(zāi)風(fēng)險程度及可能導(dǎo)致的損失程度進行劃分，根據(jù)廠房內(nèi)部生產(chǎn)工藝的特點和存儲物質(zhì)的火災(zāi)危險性，進行細致的風(fēng)險評估，確定鋼結(jié)構(gòu)所需達到的防火性能標準。

鋼結(jié)構(gòu)的防火措施主要包括被動防火和主動防火2 個方面。被動防火措施著重于通過物理隔離或材料的不燃性來阻止火勢的蔓延，而主動防火措施則包括設(shè)置自動噴水滅火系統(tǒng)、煙霧報警器等，以便在火災(zāi)發(fā)生時迅速響應(yīng)。被動防火措施中，使用高隔熱、高隔溫的防火涂料是一種常見且有效的方法。這種涂料在遇到高溫時會迅速膨脹，然后形成致密的保護層，有效隔絕高溫對鋼結(jié)構(gòu)的直接作用，提高鋼結(jié)構(gòu)在火災(zāi)情況下的耐火極限。同時，可以通過在鋼結(jié)構(gòu)表面噴涂或貼覆耐火材料、設(shè)置防火板隔離層等方式來提高其防火性能。

在鋼結(jié)構(gòu)的防火設(shè)計中，除了選用合適的防火材料，還需要通過優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計和布局來增強其在火災(zāi)情況下的穩(wěn)定性，包括合理安排鋼結(jié)構(gòu)的空間布局，避免因溫度不均勻?qū)е碌慕Y(jié)構(gòu)變形，以及設(shè)計足夠的結(jié)構(gòu)冗余度，確保在部分結(jié)構(gòu)受損的情況下，整個結(jié)構(gòu)仍能保持穩(wěn)定。在設(shè)計工業(yè)廠房時，需根據(jù)火災(zāi)危險性的不同，將廠房劃分為若干個防火隔離區(qū)，每個隔離區(qū)內(nèi)采取相應(yīng)的防火措施，并通過設(shè)置防火墻、防火門等措施，限制火勢在隔離區(qū)內(nèi)的蔓延。這種方式不僅能有效控制火災(zāi)規(guī)模，還能為消防救援提供便利。

4.4 工業(yè)廠房鋼結(jié)構(gòu)的防腐蝕設(shè)計

在生產(chǎn)過程中，會生成一些復(fù)雜的物質(zhì)。這些物質(zhì)會對鋼結(jié)構(gòu)的安全性產(chǎn)生一定的影響，因此會出現(xiàn)鋼結(jié)構(gòu)的銹蝕，如不加以防治，就會威脅鋼結(jié)構(gòu)的安全。因此，要高度重視鋼結(jié)構(gòu)的防腐設(shè)計。一般情況下，鋼結(jié)構(gòu)周圍的空氣等都會對其產(chǎn)生影響，當鋼材與腐蝕性物質(zhì)接觸時，二者會發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，所以需要對其進行科學(xué)的防腐設(shè)計。在鋼材表面涂敷防腐蝕材料，可以有效控制鋼材的銹蝕問題。具體的防腐涂料可選用溶劑、精細顏料等，這些高品質(zhì)的防腐涂料隔離效果較好，可以隔絕氯離子、水分、氧氣等，防止鋼筋銹蝕。在實際應(yīng)用中，應(yīng)注重對涂層的厚度進行控制，一般情況下，戶外鋼結(jié)構(gòu)外部防腐材料的厚度以150 ～200 μm 為宜；室內(nèi)的環(huán)境比較穩(wěn)定，鋼結(jié)構(gòu)外部防腐材料的厚度約在100 μm 即可；對埋在地下的鋼結(jié)構(gòu)進行保護時，通常要涂150 μm厚的防腐蝕涂料，這樣才能保證其安全性，避免鋼材在酸性環(huán)境中被腐蝕。與此同時，工業(yè)廠房的鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計也要與該工業(yè)廠房的生產(chǎn)項目、實際用途等相結(jié)合，有針對性地進行設(shè)計。例如，對化工型廠房，要著重進行鋼結(jié)構(gòu)的防腐設(shè)計，保證結(jié)構(gòu)的安全性和工業(yè)廠房的長期穩(wěn)定使用，實現(xiàn)工業(yè)廠房鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計的終極目標。

5 結(jié)語

在我國的工業(yè)發(fā)展中，鋼結(jié)構(gòu)工業(yè)廠房作為生產(chǎn)活動的重要空間載體，其設(shè)計和建造的合理性直接關(guān)乎工業(yè)生產(chǎn)的效率與安全。然而，現(xiàn)階段我國鋼結(jié)構(gòu)工業(yè)廠房在設(shè)計與實施過程中存在一系列問題，這些問題不僅提高了施工成本，還影響廠房的使用功能和安全性，給企業(yè)帶來了不必要的經(jīng)濟負擔(dān)和潛在的安全風(fēng)險。例如，部分設(shè)計方案未充分考慮實際生產(chǎn)需求，導(dǎo)致廠房在使用過程中需要進行改建和重建；設(shè)計方案在選材、結(jié)構(gòu)形式和施工技術(shù)等方面的選擇不合理，導(dǎo)致施工成本較高；對廠房的長期使用維護、環(huán)境適應(yīng)性及擴展靈活性的考慮不足，導(dǎo)致后期需要進行調(diào)整和改造。針對我國鋼結(jié)構(gòu)工業(yè)廠房設(shè)計中存在的問題，需要加強對實際生產(chǎn)需求的了解，深入把握工業(yè)生產(chǎn)的特點，對工業(yè)廠房鋼結(jié)構(gòu)主體進行科學(xué)、合理的改進。通過該方式，可有效提高工業(yè)廠房的設(shè)計質(zhì)量，降低建設(shè)和維護成本，確保廠房在使用過程中的安全性和穩(wěn)定性。