浅析轻型钢结构在工业建筑中的设计与应用

摘 要：民用建筑和工业建筑是建筑的两大分类，在工业建筑中，除了一些重型厂房需要承担较大的负荷量之外，轻型钢结构因为自身重量轻、高强度、简单装配和施工速度快等优，得到了愈发广泛的应用。轻型钢结构具有较强的抗震性、抗风性、耐久性以及环保性等多重优势，符合我国节能环保理念，其在工业建筑设计中可以为企业节省施工材料，提升施工进度，对建筑企业的健康发展具有一定的推动作用。

关键词：轻型钢结构；设计方法；应用；细部构造

前言

在国外，轻型钢结构发展比较早，最开始是用于建造汽车车库等简单房屋。到后来，轻钢结构被用在建造营房和库房上，主要是利用它们拆装方便的优点。等到20世纪60年代，国外出现了色彩丰富而耐久的彩色压型钢板，以及H型钢和冷弯型钢，轻型钢结构的发展有了较大的突破。现在轻型钢结构已成为非常常见的商品。业主可以根据自己的需要，向承包商定购某种功能的轻型钢结构房屋。轻型钢结构大多外形美观、简洁，在造价上能节省钢材，在安装方面施工速度快且安装方便。它最大的优势就是制作上可以形成系列化和装配化的批量生产，是现今最具有竞争力的结构形式之一。文章将针对轻型钢结构在工业建筑中的设计与应用展开探究。

1 轻型钢结构建筑的概念

最早的轻型钢建筑是以单层为主的实腹式刚架轻型钢结构金属面板建筑，后来被引进工业建筑中，主要是因为轻型钢结构建筑的重要优点——重量轻。随着时间的推移，越来越多的厂房、车库，特别一些中小型工厂采用轻型钢结构作为其主要的结构形式，轻型钢结构建筑的应用范围也不断的扩大。结合轻型钢结构建筑在实际应用中的现状以及其自身的特点，可以说轻型钢结构建筑是指在充分运用轻型冷弯薄壁型钢、轻型焊接和高频焊接型钢、轻型热轧型钢等基础之上的一种新型的受力构件。

2 轻型钢结构在工业建筑中的应用优势

轻型钢结构主要应用在不需要承受大载荷的建筑中，目前轻型钢结构已经在工业建筑设计得到了应用，这是由其本身诸多的优势性决定的，例如抗风性、抗震性、保温性、耐久性、健康性、隔音性以及环保性等等。轻型钢结构在应用中特点较为突出，其特点主要表现在三方面：

首先，轻型钢结构具有自重轻的特点。自重轻是支撑轻型钢结构得以广泛应用的重要因素。轻型钢结构之所以自重轻是因为该结构在制作中采用的是轻型焊接的H型钢，其具有较高的截面利用系数，在一定程度上可以节省钢材。

其次，轻型钢结构工业化程度高。轻型钢结构整体构造比较简单，并且在制作中所使用的材料也较为单一，因此与其他结构相比更容易实现自动化与标准化生产。不论是从生产角度来说还是从安装使用的角度来说，利用轻型钢结构所建造的建筑一般都具有较高的工业化程度，符合工业建筑要求。

最后，轻型钢结构在建筑现场施工速度快，所使用的工期较短，所以在工业建筑中应用该结构可以有效降低施工成本以及生产成本，并且轻型钢结构本身质地较强，对技术要求标准也不是很高，因此在工业建筑中应用较为便捷经济。

3 工业建筑轻型钢结构设计的要点分析

3.1 适用性

轻钢结构工业建筑的适用性是指在室内物理环境上满足职业规范和生产人员的劳动安全的要求，在空间上要满足生产工艺的需求。在实际的工程设计中，室内物理环境设计往往被人们忽略，它的质量没有得到充分的保证。相反空间设计得到了设计人员的重视。空间设计一般体现在声环境、热环境、光环境等几个方面。

3.1.1 声环境

工业建筑中取消钢结构建筑室内噪声的来源主要为三类：振动噪声、雨水撞击声及空气噪声。由于噪音的来源不同，采取的阻断方式也就不同。对于振动噪声，一般采取的办法是采取阻断振源。主要是两种方法：（1）设备自身采取一定的措施，减少震动。（2）在主体钢结构与振源间设隔振沟，可以大幅度提高隔震效果。对于雨水撞击声，一般采用采用具一定的有隔断声音性能的材料来达到减少雨水噪音的目的。为了减少空气带来的噪声，轻钢结构建筑一般采用的是50mm厚的岩棉夹芯板。采用岩棉夹芯板可隔声降噪，使厂房外的噪音达到30分贝以内。

3.1.2 热环境

热环境是指由太阳辐射、气温、周围物体表面温度、相对湿度与气流速度等物理因素组成的作用于人、影响人的冷热感和健康的环境。轻钢结构工业建筑主要是通过采用通风和保温隔热来调节室内的热量。在靠屋脊的位置安装通风器可以起到通风效果，采用特殊的隔热材料可以满足要保温隔热的要求。

3.1.3 光环境

轻钢结构工业建筑对于室内的采光要求较高，一方面可以节约室内照明，一方面可以保证生产的安全。采光材料的选择应与采光要求和其他围护构件的耐久年限相适应，常用的采光材料为玻璃纤维聚酯（FRP）采光板和聚碳酸酯（PC）采光板。

3.2 安全性

轻钢结构工业建筑安全一般指的是防腐、防火、抗风、抗震、防爆及防雷等，文章主要结合结构专业的经验，对轻钢结构工业建筑防火设计进行简要的分析。

安全设计是轻型钢结构工业建筑设计中较为重要的设计内容。工业建筑的火灾危险性等级是根据产品的性质特点、原料在整体中所占面积比例和生产工艺及其原料来确定的。而工业建筑的耐火等级还需要结合实际工程的规模来确定。通常，戊类厂（库）、多（单）层厂房在设计中采用轻钢结构时是可以不做防火保护的，这可节约工程造价。对于那些需要做防火处理的结构构件，可以在其表面刷薄涂型防火涂料，以达到防火隔热目的。另外，在建筑中所采用的防火涂料的各项性能指标都需要满足《钢结构防火涂料应用技术规范CECS24：90》中的相关要求。其施工技术也需要严格按照相关规范实施，并且所有钢构构件的耐火极限都需要满足《建筑设计防火规范GB50016-2006》的要求。在设计中，可以根据轻钢结构工业建筑的规模大小，来确定防火等级，采用相关的防火措施。规模较大的轻型钢结构厂房一般为综合性厂房，需按照相关规范分成多个防火分区，采取有效的防火隔断措施。

3.3 经济性

采用合理的建筑方案的是控制轻钢结构工业建筑造价的最有效手段。这需要设计师不断的优化方案，使其满足轻型钢结构的生产特点和企业的要求。优化方案设计就包括项目的选址、规划总图位置、划分防火分区、选择建筑材料、确定建筑耐火等级和耐久年限、控制单体规模和设计建筑造型等方面。除了需要满足结构上多方案的比较、得出最优的柱距和断面之外，还需要结合建筑美观、保温隔热等要求选择强度较高的夹心板。为了降低用钢量，结构设计人员需配合建筑、电、水、工艺、暖通等专业的要求适当增加吊挂荷载（尽可能均布）。在结构设计中减少异型构件引起的造价增加，尽可能的采用定型的产品。尽可能的使用建筑模数，以压型钢板等构件的模数尺寸基准设计的结构，材料损耗最少。总之，在满足规范要求的前提下，需要满足建筑功能的和业主的相关要求，在此基础上，尽可能采用最经济、可行的方案来构造材料。

3.4 美观与立面

轻钢结构工业建筑的特点是形体简洁、规格统一、体量较大、构建的类型较少，因此轻钢结构应该根据其自身的特点，尽可能的采用较少的构架。它对避雷针、点支玻璃雨棚、企业名称等可起到画龙点睛的作用；对外墙板，如弧形彩钢板、大型氟碳涂层水平安装夹芯平板、高（低）波压型彩钢板、小型彩钢竖直安装平板等材质的变化、光影效果和线条对比也会形成韵律感。

4 工业建筑设计中轻型钢结构的设计方法

4.1 工业建筑设计中轻型钢结构屋面设计方法

在轻型钢结构屋面设计中，首先是建筑材料与坡度选择，现今我国工业建筑轻型钢结构中的屋面材料主要有太空钢板以及压型钢板等，目前我国工业建筑中应用较为广泛的是金属压型复合保温板、夹心板以及金属压型板，这三种材料各有其不同之处，它们之间的用途也存在一定的差异性。就一般工业建筑而言，建筑屋面坡度越大，那么对屋面排水则越有利，然而若坡度过大也存在一定的弊端，坡度过大会提升排水速度，易产生溅水现象。相应的若坡度过小，排水速度也会相应变小，水流速度过于缓慢易造成积水状况，因此在轻型钢结构设计中一定要合理控制屋面坡度。另外，轻型钢结构屋面材料也是影响工业建筑整体质量的关键因素，在屋面材料选择中相关工作人员应明确工业建筑对材料的实际需求，以此为基础选择价格适中且质量较好的屋面材料，为后期工业建筑奠定基础。本还应该对金属压型钢板屋面构造设计进行合理把控，金属压型钢板屋面构造设计中主要包含板型选择、屋面开洞方式、采光带设置以及压型金属板选择等等，一般情况下大多采用轻型钢结构的工业建筑，为使建筑具备良好的采光与通风效果，会在屋面上部位置合理设置通风孔与采光带。

4.2 工业建筑设计中轻型钢结构墙体设计方法

工业建筑中的墙体位置一般可分为两种，分别是外墙和内墙，根据其不同的受力特点可以将工业建筑墙体分为自承重式轻型墙体以及非承重式轻型墙体，通常情况下我国工业建筑墙体设计中所运用的墙体材料大多数以轻质材料为主，例如彩涂金属压型板夹心板、彩涂金属压型板以及PC板等等，在应用中设计人员应根据建筑要求、设计标准及不同板型材料的优缺点进行合理选择墙体材料。金属压型板墙面系统构造设计的重点在于压型板具体的长度选择以及钢板墙面系统细部构造设计，在墙体金属板选择过程中应全面考虑板块单位面积的覆盖率以及板块承载力水平，在使用中应尽可能的减少或者不出现压型板长向搭接，这样在很大程度上可以节约施工材料。另外在夹心板墙板构造设计中需要对夹心板的节点做法以及及结构布置进行综合考虑，从而科学选择板块的放置方式，在设计中要懂得把握重点，需要对墙体的转角处、窗洞口以及踢脚处进行重点设计，以此来提高轻型钢结构墙体设计整体水平。

4.3 工业建筑设计中轻型钢结构加层构造设计方法

轻型钢结构加层设计与建筑中的普通加层存在一定的区别，其不仅具有普通加层的功能，同时还兼具了轻型钢结构本身的特点，在轻型钢结构加层构造设计过程中要考虑轻型钢结构加层的个性特点。轻型钢结构加强的主要方式是在原有建筑主体结构上进行直接性加高，在原有建筑结构的基础上得到加固以及优化主体结构的目的。当然要实现此目的需要一个经济完整并且合理的设计方案，所以做好轻型钢结构加层构造设计十分重要。由于轻型钢结构的刚度比较小、重量轻，因此在加层构造设计中应科学设置足够的横向与纵向支撑，以此来保证轻型钢结构原有的刚度与稳定性。与此同时，在加层构造设计中还要充分考虑轻型钢结构加层构造的地震效应，使板块刚度均匀分布在结构之中。

5 轻型钢结构维护结构的细部构造措施

现以某沿路厂房车间为例，介绍轻型钢结构维护结构的细部构造措施。此车间东临次干道，在建筑方案创作中，立面设计成为建筑外观的主要因素。在主体构思中主要借助于外围护体系的设计而体现。车间立面主要是通过四角柱的T字造型、压型钢板表面的凹凸变化、梯形窗、以及色彩的变化（选择了象牙白、瓷兰色、将军红等较为醒H的颜色应用于墙而）等形成建筑外观的韵律，彰显出工业建筑的卓越品质，并产生较好的效果。

5.1 墙体外围护构造

墙体外围护表面凹凸变化明显，这在外围护构造上就提出了与常见厂房不同的构造措施。瓷兰色压型钢板墙体突出象牙白墙体200mm，该处的解决办法是通过在墙内檩条边缘增加附加构件与压型钢板形成特别的连接构造形式（图1），同时做好凹凸部位压型钢板折件的收边处理（图2）。

5.2 墙面转角处构造

立面墙面转角处采用专门的包角折件进行包边处理，力求达到比例协调、防止渗漏、经济性等设计要求。设计师根据立面高度、压型钢板板型为包角折件设计了合适的收边形式及尺寸，避免收边过大或过小。而且还预留出多的延展宽度，确保折件收边在遭遇环境的冷、热变化时不遭受破坏。

5.2.1 窗上、下口

本工程窗口凹凸部分的设计采用两个截面相同的檩条并列焊接在一起，再配合彩钢板板折件包边，从而达到较好的凹凸效果（图3）。其他部位的窗上口与墙体的连接处设计了独特的彩钢板折件，并用防水自攻螺丝钉与墙板固定，在窗框处采用密封胶密封，防水效果良好（如图4）。窗下口与墙体的连接和窗户上口的连接相似，在有些部位也需根据立面效果设计彩钢板折件。

5.2.2 窗侧口

窗口与侧墙体的连接和窗户上下口的连接相似，此处不重复表达。

5.2.3 檐口构造

檐口的主要作用是汇聚并排出屋面雨水，檐口的构造措施应满足相关要求。本工程采用了女儿墙内置钢天沟的做法，此处处理的重点是钢天沟与屋面板及女儿墙内墙板的连接构造。钢天沟与内墙板之间采用铆钉连接，连接处需加设通常的密封条，为了防止雨水溢出，预制天沟侧板与内墙板搭接要较长一些；在屋面板与钢天沟的连接处应设置与屋面板型号相适应的堵头封填，需将屋面板伸入天沟内不得小于100mm，并在屋面板上面安装滴水挡板。

6 结束语

总而言之，轻型钢结构现今已经在多种类型的工业建筑中得到了广泛应用，例如办公区、生产厂房以及仓库等，其在工业建筑设计中有举足轻重的作用。工业建筑设计中轻型钢结构建筑方案选择、结构构件布置、以及屋面、墙体、加层构造等方面的合理设计对于较少工程造价，提升工业建筑设计质量具有重要意义。在设计中能把握轻型钢结构的自身特点，不断的优化设计，对后期工业建筑施工的顺利开展具有指导意义。

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作者简介：马琴，女，陕西省神木县人，2007年毕业于河北省燕山大学土木工程系，二级结构工程师，现在于鄂尔多斯市神东工程设计有限公司工作，主要从事工业建筑设计工作。