工業(yè)建筑設(shè)計(jì)中輕型鋼結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)與設(shè)計(jì)探析

摘"要：當(dāng)前我國建筑工程領(lǐng)域之內(nèi)，主要分為工業(yè)建筑和民用建筑兩大類型。不管是哪種形式的建筑結(jié)構(gòu)，因鋼結(jié)構(gòu)建筑具備較強(qiáng)的使用性能，普及率越來越高。鋼結(jié)構(gòu)建筑的主要特點(diǎn)是強(qiáng)度高、剛度好、空間性強(qiáng)、質(zhì)量輕、施工周期短等方面，可對整個鋼結(jié)構(gòu)建筑領(lǐng)域的發(fā)展起到積極的作用。本文重點(diǎn)分析鋼結(jié)構(gòu)建筑設(shè)計(jì)要素，探討工業(yè)建筑中輕型鋼結(jié)構(gòu)建筑設(shè)計(jì)的特點(diǎn)，旨在提煉設(shè)計(jì)策略，提升設(shè)計(jì)質(zhì)量，以契合工業(yè)建筑輕型鋼結(jié)構(gòu)的應(yīng)用需求，進(jìn)而助推我國工業(yè)與建筑行業(yè)的協(xié)同進(jìn)步。

關(guān)鍵詞：工業(yè)建筑；建筑設(shè)計(jì)；輕型鋼結(jié)構(gòu)；設(shè)計(jì)方法文章編號：2095-4085（2024）07-0067-03

0"引言

隨著我國國民經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展，生產(chǎn)水平不斷提升，輕型鋼結(jié)構(gòu)建筑體系在生產(chǎn)過程中逐漸得到了應(yīng)用。但值得注意的是，由于受到傳統(tǒng)設(shè)計(jì)理念的約束和產(chǎn)量的雙重影響，輕型鋼結(jié)構(gòu)建筑體系的應(yīng)用依然不是很廣泛。因此，就有必要對輕型鋼結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)方法和制作方式進(jìn)行研究和分析，以助推輕型鋼結(jié)構(gòu)的不斷發(fā)展和應(yīng)用。

1"輕型鋼結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

1.1"鋼結(jié)構(gòu)的實(shí)用性

鋼結(jié)構(gòu)建筑具備較高的實(shí)用性，主要是滿足人們?nèi)粘Ｉ钜约吧a(chǎn)要求。在以往重型鋼結(jié)構(gòu)應(yīng)用的環(huán)節(jié)，施工成本比較高，且需要消耗大量的人力、物力才能完成建設(shè)，也會給人們的生命和財(cái)產(chǎn)安全帶來威脅。傳統(tǒng)的重型鋼結(jié)構(gòu)雖然在一定時(shí)期有優(yōu)勢，但隨著建筑領(lǐng)域的不斷發(fā)展，已越來越不能適應(yīng)社會發(fā)展的需要。在此背景之下，輕型鋼結(jié)構(gòu)建筑逐步被應(yīng)用于工業(yè)建筑中，以滿足當(dāng)前工業(yè)生產(chǎn)的需求。輕型鋼結(jié)構(gòu)的重量輕、成本低、施工方便，且現(xiàn)場投入的資源量比較少，所以是目前鋼結(jié)構(gòu)建筑領(lǐng)域中應(yīng)用比較廣泛的一種形式。

1.2"鋼結(jié)構(gòu)的聲環(huán)境

鋼結(jié)構(gòu)運(yùn)行環(huán)節(jié)會受到聲環(huán)境的影響，主要是人們?nèi)粘Ｉ钪懈鞣N因素所造成的噪聲，分為如下幾種類型。

（1）物體振動噪聲。振動發(fā)聲是最基本的物理原理，并且不同的振動源所產(chǎn)生的噪聲也會有很大的不同。為降低振動噪聲，可安裝吸聲材料、隔聲層，配備隔聲門和隔聲窗，或在建筑結(jié)構(gòu)中設(shè)置隔振溝，以有效減少噪聲的產(chǎn)生和傳播。

（2）雨水撞擊噪聲。目前，建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)階段都會選擇使用阻斷聲音的材料來減小雨水撞擊所造成的噪聲。

（3）空氣傳播噪聲。當(dāng)前工業(yè)和民用建筑中應(yīng)用厚度50mm的巖棉夾芯板來隔絕空氣傳播中產(chǎn)生的噪聲［1］。

1.3"鋼結(jié)構(gòu)的熱環(huán)境

鋼結(jié)構(gòu)建筑的熱環(huán)境主要是因?yàn)橥獠恳蛩馗蓴_影響而導(dǎo)致的環(huán)境變化，使得鋼結(jié)構(gòu)主體受到溫?zé)嶙兓霈F(xiàn)性能的改變。熱環(huán)境的影響因素比較多，比如太陽光直射、周邊環(huán)境溫度變化、鋼結(jié)構(gòu)主體表面溫度和大氣流速變化等。輕型鋼結(jié)構(gòu)應(yīng)用的環(huán)節(jié)需要在結(jié)構(gòu)內(nèi)部設(shè)置保溫隔熱材料，并且需有良好的通風(fēng)設(shè)施才能滿足輕型鋼結(jié)構(gòu)的施工要求。

1.4"鋼結(jié)構(gòu)的光環(huán)境

工業(yè)和民用建筑對于采光的要求比較高，這也是鋼結(jié)構(gòu)建筑設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)必須要考慮的因素。工業(yè)和民用建筑的設(shè)計(jì)階段，采光材料的選擇極為重要，應(yīng)符合主體結(jié)構(gòu)的采光要求，且能夠延長維護(hù)構(gòu)件的使用年限。在選擇采光材料時(shí)，目前主要應(yīng)用的是玻璃纖維聚酯采光板和聚碳酸酯采光板，這兩種材料都能滿足鋼結(jié)構(gòu)建筑的采光要求［2］。

1.5"鋼結(jié)構(gòu)的安全性

確保鋼結(jié)構(gòu)建筑的安全性是保障其長久使用的關(guān)鍵，更是保護(hù)公眾安全的基石。在構(gòu)建過程中，普遍采取防腐、防火、抗震、防爆等措施以增強(qiáng)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)固性。無論是在工業(yè)還是民用建筑中，這些措施都旨在提升結(jié)構(gòu)安全性，滿足工程需求，并延長使用壽命。特別在鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)階段，選擇涂刷防火涂料是至關(guān)重要的一環(huán)，選擇時(shí)必須嚴(yán)格遵循《鋼結(jié)構(gòu)防火涂料應(yīng)用技術(shù)規(guī)程》（T/CECS24-2020）的要求，并確保各項(xiàng)性能指標(biāo)與工程需求相匹配。

1.6"鋼結(jié)構(gòu)的經(jīng)濟(jì)性

在工業(yè)建筑設(shè)計(jì)中采用輕型鋼結(jié)構(gòu)時(shí)，設(shè)計(jì)人員需對結(jié)構(gòu)形式進(jìn)行綜合分析，以優(yōu)化成本，降低項(xiàng)目施工費(fèi)用。設(shè)計(jì)人員應(yīng)根據(jù)當(dāng)前輕型鋼結(jié)構(gòu)建筑設(shè)計(jì)的具體情況優(yōu)化改進(jìn)施工方案，從施工地址選擇、分區(qū)劃分、建筑材料選用、耐久性、耐火性等方面進(jìn)行分析，然后確定合理設(shè)計(jì)方案。在鋼結(jié)構(gòu)建筑的整體設(shè)計(jì)階段，應(yīng)確保電、水、工藝、暖通等專業(yè)緊密協(xié)作，以優(yōu)化材料使用，減少浪費(fèi)。同時(shí)，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)傾向于減少異形結(jié)構(gòu)部件，優(yōu)先采用定型構(gòu)件，從而提升整體結(jié)構(gòu)的性能與效率。

2"輕型鋼結(jié)構(gòu)在建筑中的實(shí)際應(yīng)用

2.1"輕型鋼結(jié)構(gòu)在外墻體系中的應(yīng)用

在以輕型鋼結(jié)構(gòu)形式進(jìn)行建筑施工時(shí)，通常不能應(yīng)用到承重墻結(jié)構(gòu)內(nèi)，應(yīng)以非承重墻的結(jié)構(gòu)施工為主。目前建筑外墻體施工環(huán)節(jié)，輕型鋼結(jié)構(gòu)應(yīng)用比較常見，一般采用組合墻體結(jié)構(gòu)形式，對墻體高度進(jìn)行合理的配合分析。這種墻體厚度的配合分析方法，需確保砌塊墻的高度在1～1.3m之間，壓型鋼板的高度在1.3m以上，從而保證組合墻的安全性達(dá)標(biāo)。在進(jìn)行壓型鋼板和磚組合墻設(shè)計(jì)時(shí)，壓型鋼板主要采用的是鍍鋅板或者鍍鋁鋅鋼板。在設(shè)計(jì)階段，壓型鋼板的選用需基于結(jié)構(gòu)形式來確定適宜的制造工藝，以確保輕型鋼結(jié)構(gòu)在安全性和耐久性上均能滿足要求。在水泥廠房外墻的工業(yè)建筑設(shè)計(jì)階段，必須精確選擇外墻結(jié)構(gòu)施工的操作流程，從而確保結(jié)構(gòu)形式滿足預(yù)定要求。在主體架構(gòu)搭建完成后，應(yīng)根據(jù)柱體間隔精確設(shè)置墻檁，設(shè)計(jì)人員需嚴(yán)格根據(jù)建筑結(jié)構(gòu)需求確定墻檁的規(guī)格尺寸和安裝密度。墻檁安裝完畢后，需將合格的壓型鋼板準(zhǔn)確安裝到位，并填充超細(xì)玻璃絲，以保障結(jié)構(gòu)性能達(dá)標(biāo)。為確保廠房建筑的整體性，結(jié)構(gòu)體系設(shè)計(jì)完成后需進(jìn)行全面包裹處理，以確保各結(jié)構(gòu)鋼板的安裝效果符合標(biāo)準(zhǔn)。輕型鋼結(jié)構(gòu)和傳統(tǒng)的鋼結(jié)構(gòu)存在很大差異。所以，設(shè)計(jì)階段應(yīng)考慮到輕型鋼結(jié)構(gòu)的具體特性，尤其是壓型鋼板制作的環(huán)節(jié)，需設(shè)置合理的金屬壓型板墻面結(jié)構(gòu)，從而保證結(jié)構(gòu)的性能達(dá)到要求，以此來提升內(nèi)部空間舒適度。在制作壓型鋼板時(shí)，生產(chǎn)人員必須嚴(yán)格遵循設(shè)計(jì)方案要求，以確保其承載力達(dá)標(biāo)。這是確保輕型鋼結(jié)構(gòu)在外墻體系中高效運(yùn)行、滿足鋼結(jié)構(gòu)使用標(biāo)準(zhǔn)的關(guān)鍵所在［3］。

2.2"輕型鋼結(jié)構(gòu)在屋面設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

2.2.1"對屋面設(shè)計(jì)的坡度進(jìn)行合理選擇

工業(yè)建筑中應(yīng)用輕型鋼結(jié)構(gòu)形式對屋面設(shè)計(jì)有更高要求，需保證其排水效果達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)，并設(shè)計(jì)合理的坡度。如果屋面設(shè)計(jì)階段選擇的坡度比較大，排水效果能達(dá)到要求，但是也會存在較多的問題，比如所受風(fēng)荷載會隨著角度增大而增大以及增加建造成本等。與之相對應(yīng)的，如果屋面設(shè)計(jì)的坡度比較小，會導(dǎo)致排水效果下降，進(jìn)而造成屋面積水及壓型鋼板腐蝕嚴(yán)重。經(jīng)過目前調(diào)查數(shù)據(jù)顯示，工業(yè)建筑中的輕型鋼結(jié)構(gòu)屋面坡度設(shè)計(jì)在5%～35%之間最為合理。設(shè)計(jì)人員應(yīng)結(jié)合實(shí)際情況確定合理的路面坡度，才能保證結(jié)構(gòu)運(yùn)行效果達(dá)標(biāo)。我國的南北方降雨量有著很大差異。因此，在設(shè)計(jì)時(shí)，南方應(yīng)適當(dāng)增大屋面坡度，北方需盡量減小屋面坡度，以適應(yīng)當(dāng)?shù)刈匀画h(huán)境。

2.2.2"壓型鋼屋面構(gòu)造的設(shè)計(jì)

在進(jìn)行輕型鋼結(jié)構(gòu)壓型鋼屋面構(gòu)造設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)設(shè)置采光、通風(fēng)以及突出結(jié)構(gòu)部件等位置。

（1）屋面漏水問題。在輕型鋼結(jié)構(gòu)建筑屋面設(shè)計(jì)階段，應(yīng)合理布置邊長和孔直徑較小的掛件，并在這些位置涂抹硅酮膠以強(qiáng)化密封性。對于直徑較大的孔洞，現(xiàn)場需進(jìn)行防水處理，以確保結(jié)構(gòu)防水性能達(dá)標(biāo)，從而延長建筑的使用壽命。

（2）在輕型鋼結(jié)構(gòu)屋面通風(fēng)設(shè)計(jì)中，需充分考慮大氣污染環(huán)境對屋面的潛在影響。設(shè)計(jì)階段應(yīng)精準(zhǔn)選擇風(fēng)管安裝位置，以確保內(nèi)部空氣得以順暢排放。對于工業(yè)建筑而言，鑒于生產(chǎn)過程中易產(chǎn)生大量粉塵等污染物，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)配備必要的排放裝置，以確保建筑運(yùn)行的安全性達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)。

（3）在輕型鋼結(jié)構(gòu)屋面采光設(shè)計(jì)中，應(yīng)嚴(yán)格遵循國家標(biāo)準(zhǔn)，以確保采光效果滿足要求。采光頂棚式屋面在突出位置設(shè)置天窗時(shí)，設(shè)計(jì)人員需依據(jù)實(shí)際情況設(shè)計(jì)天窗的開向、高度、坡度等尺寸，以達(dá)到理想的采光效果。在工業(yè)建筑中，輕型鋼結(jié)構(gòu)的采光板主要選用中空板和玻璃纖維加強(qiáng)聚酯等材料，并安裝圍護(hù)板材以維持結(jié)構(gòu)的采光性能。在具體屋面設(shè)計(jì)中，玻璃纖維加強(qiáng)聚酯因其高強(qiáng)度、易成型的特性而備受青睞，其應(yīng)用效果滿足標(biāo)準(zhǔn)，是理想的采光材料選擇［4］。

3"輕型鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

應(yīng)選擇合理的鋼體結(jié)構(gòu)形式，以確保結(jié)構(gòu)的性能合格，防止出現(xiàn)結(jié)構(gòu)嚴(yán)重?fù)p壞等危險(xiǎn)事故。

3.1"鋼結(jié)構(gòu)的形式設(shè)計(jì)和布局

設(shè)計(jì)人員在確定鋼結(jié)構(gòu)建筑設(shè)計(jì)形式時(shí)，需進(jìn)行整體性考量，要確保結(jié)構(gòu)布局既科學(xué)又合理，從而實(shí)現(xiàn)軟硬結(jié)合的優(yōu)化效果。在工業(yè)建筑中，鋼結(jié)構(gòu)的應(yīng)用涵蓋平面構(gòu)架、鋼框架、鋼體外殼及連接部件等。設(shè)計(jì)過程中，應(yīng)緊密結(jié)合現(xiàn)場實(shí)際，同時(shí)融入先進(jìn)科技，要確保鋼結(jié)構(gòu)建筑的尺寸規(guī)格符合工程標(biāo)準(zhǔn)。此外，施工完成后，應(yīng)進(jìn)行全面的結(jié)構(gòu)檢查和驗(yàn)收，以保障鋼體結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度和穩(wěn)定性均符合相關(guān)規(guī)范，進(jìn)而確保建筑的整體質(zhì)量和安全。

3.2"考慮鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的合理性

在鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)階段，需依據(jù)實(shí)際使用需求與合理性，精準(zhǔn)選擇鋼結(jié)構(gòu)體系。例如，倉庫一般選用門式鋼架或排架結(jié)構(gòu)，而加油站則傾向于空間網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)。隨著建筑領(lǐng)域的飛速發(fā)展，鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)水平持續(xù)提升，因此，深入分析鋼結(jié)構(gòu)建筑設(shè)計(jì)的具體因素，方能確保設(shè)計(jì)效果達(dá)標(biāo)。在此過程中，強(qiáng)化設(shè)計(jì)的合理性，滿足鋼結(jié)構(gòu)建筑設(shè)計(jì)與性能標(biāo)準(zhǔn)，可延長使用壽命，確保建筑高穩(wěn)定性，進(jìn)而有效防范坍塌與損壞風(fēng)險(xiǎn)。

3.3"鋼結(jié)構(gòu)連接部件的設(shè)計(jì)

在新型鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，連接部件的選用尤為關(guān)鍵，它直接影響鋼結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度和穩(wěn)定性。當(dāng)前，鋼構(gòu)件的連接形式主要包括焊接、鉚接和螺栓連接等。其中，高強(qiáng)度螺栓連接因其高可靠性而備受青睞。但具體選擇還需結(jié)合現(xiàn)場實(shí)際情況，可能還需采用焊接和鉚接的方法。因此，設(shè)計(jì)人員在制定鋼結(jié)構(gòu)建筑設(shè)計(jì)方案時(shí)，需全面考慮各種因素，要確保結(jié)構(gòu)質(zhì)量及穩(wěn)定性達(dá)標(biāo)，以滿足正常使用需求，并延長結(jié)構(gòu)的使用壽命［5］。

4"實(shí)例應(yīng)用

4.1"工程概況

某工業(yè)廠房采用的是多層輕型鋼結(jié)構(gòu)建筑形式，其建筑面積為10 782m2，采用矩形設(shè)計(jì)，長度84m，寬度27.9m。該項(xiàng)目設(shè)計(jì)方案確定為主體結(jié)構(gòu)4層、局部結(jié)構(gòu)6層。主結(jié)構(gòu)應(yīng)用的是框架結(jié)構(gòu)形式，截面采用的是焊接H型鋼，屋面結(jié)構(gòu)使用薄壁型鋼和雙層保溫彩鋼板組合設(shè)計(jì)。

4.2"結(jié)構(gòu)計(jì)算

該項(xiàng)目設(shè)計(jì)階段進(jìn)行了精心規(guī)劃，1～4層分別高6.9m、 6.0m、 6.0m和5.1m。為確保結(jié)構(gòu)的穩(wěn)固性，采用鋼框架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，需確保柱與基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)剛性連接，同時(shí)運(yùn)用壓型鋼板組合樓蓋，形成一體化結(jié)構(gòu)。

4.3"設(shè)計(jì)分析計(jì)算

在輕型鋼結(jié)構(gòu)工業(yè)廠房的設(shè)計(jì)中，施工材料的選擇需緊密依據(jù)建筑結(jié)構(gòu)形式要求。目前，主要選用熱軋H型鋼梁和Q355B鋼柱作為主要結(jié)構(gòu)部件，其余部件亦采用Q355B鋼。基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)施工則采用C30混凝土進(jìn)行澆筑，以確保結(jié)構(gòu)的整體強(qiáng)度滿足要求。

該項(xiàng)目設(shè)計(jì)階段，設(shè)計(jì)人員對荷載能力參數(shù)進(jìn)行了全面分析，涉及永久荷載、樓面與屋面活荷載、風(fēng)荷載以及地震作用等多個方面。在永久荷載設(shè)計(jì)中，特別考慮了樓板自重和梁體結(jié)構(gòu)自重的因素。受力計(jì)算環(huán)節(jié)，設(shè)計(jì)人員對框架附屬結(jié)構(gòu)進(jìn)行了簡化處理，可確保框架柱與基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)剛性連接，以滿足鋼結(jié)構(gòu)建筑穩(wěn)定運(yùn)行的高標(biāo)準(zhǔn)需求。

4.4"計(jì)算方法

在鋼結(jié)構(gòu)建筑的設(shè)計(jì)計(jì)算階段，設(shè)計(jì)人員充分利用有限元軟件，對各項(xiàng)參數(shù)進(jìn)行全面而細(xì)致的分析，以確保各結(jié)構(gòu)部件均滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。通過高效的數(shù)據(jù)交互和共享機(jī)制，數(shù)值計(jì)算的精準(zhǔn)性得到顯著提升，從而滿足了設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)要求。同時(shí)，結(jié)合現(xiàn)行的鋼結(jié)構(gòu)建筑設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，對結(jié)構(gòu)的剛度、強(qiáng)度以及自振周期進(jìn)行精確計(jì)算，可確保鋼結(jié)構(gòu)的性能卓越，完全滿足使用要求。

5"結(jié)語

隨著建筑工程領(lǐng)域的快速發(fā)展，輕型鋼結(jié)構(gòu)的應(yīng)用日益廣泛，特別是在工業(yè)建筑領(lǐng)域，其使用范圍持續(xù)擴(kuò)大。輕型鋼結(jié)構(gòu)在設(shè)計(jì)和應(yīng)用上展現(xiàn)出了顯著優(yōu)勢，不僅可滿足人們?nèi)粘Ｉa(chǎn)生活的需求，還能有效降低項(xiàng)目施工成本，并提供便捷的維護(hù)方式。展望未來，對輕型鋼結(jié)構(gòu)建筑的深入研究與分析將進(jìn)一步提升鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)水平，進(jìn)而推動我國建筑工程行業(yè)向高質(zhì)量方向發(fā)展。

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