钢结构工业建筑设计问题研究

2020-03-09叶修喜周晓燕查蓓蓓

工程技术研究 2020年13期

叶修喜，周晓燕，查蓓蓓

（中机第一设计研究院有限公司，安徽合肥 230601）

钢材强度高、重量轻、材质均匀，具有良好的塑性和韧性，钢材的强度远高于混凝土和砌体，适合建造大跨度、高耸或重载结构。钢材建造的工业建筑自重轻，可减小基础负荷，降低地基基础部分的造价，同时钢构件截面小，可增加工业建筑的使用面积。钢结构工业建筑所需的构件可以在工厂制造，生产速度快、质量可靠，施工过程湿作业少，污染小，符合我国建筑工业化要求。

钢结构工业建筑也有一些缺点，如果设计时不重视，会影响结构的使用。钢结构对风荷载、雪荷载敏感，在过去的一些实际工程中，对风荷载、雪荷载考虑不足已造成不少工业建筑破坏，甚至整体倒塌。钢结构耐腐蚀性差，钢材的腐蚀是一种不均匀的破坏，一旦钢材表面出现腐蚀坑，外界腐蚀介质会通过腐蚀坑继续向纵深发展。如果不重视防腐蚀设计和日常维护，势必会因为腐蚀问题而影响工业建筑的正常使用，给钢结构安全留下隐患。钢结构耐火性能差，温度升高会使钢材强度显著降低，故钢构件应按相关规范要求进行防火设计，采用涂层或板材隔热等防护措施。

1 结构选型

钢结构工业建筑常用的结构形式有排架结构、门式刚架结构、多层框架结构、大跨度空间结构。普通单层钢结构厂房横向抗侧力体系一般为排架结构，横向抗侧力体系组成构件有柱、屋架或屋面梁，排架是普通钢结构厂房的主要承重结构；纵向抗侧力体系一般采用柱间支撑结构，柱间支撑结构由柱、柱顶系杆、吊车梁、托架或托梁、柱间交叉杆件等组成。轻型钢结构厂房多采用门式刚架结构，门式刚架为横向抗侧力体系，一般由梁、柱组成；轻型钢结构厂房纵向抗侧力体系同普通单层钢结构厂房。多层框架结构，纵横向梁、柱组成的框架作为承受竖向荷载和水平荷载的主要构件，框架结构的梁柱一般采用刚接。当工业建筑空间上需要双向大跨度、大柱网、大开间时，一般采用大跨度空间结构，主要有空间网格结构和空间张拉结构两种形式，形体上呈现三维空间状态并具有三维受力特性。

2 建筑设计

2.1 平面设计

不同性质的工业建筑，在生产操作时会出现不同的生产特征，而生产特征也会影响厂房的平面设计。有些厂房（机械工业的铸造车间、热加工车间、炼钢车间等）在生产过程中会散发出大量的热量、烟气、粉尘，此时平面设计应使厂房具有良好的自然通风；有些厂房（机械冷加工车间、家电组装车间等）是在正常的温度、湿度下进行生产的，室内无大量的余热及有害气体散发，但该类车间对采光有一定的要求，在平面设计时应综合考虑厂房所在地区的气象条件、地形特征等，以满足厂房的采光和通风的要求；还有些厂房（电子车间、纺织车间等）对温度、湿度、清洁度有严格的要求，需要采用空气调节设备，这类厂房不宜采用联跨整片式设计，以方便空气调节设备的安装。

根据工业建筑不同的生产工艺流程，平面设计一般有3种组合方式。

（1）直线布置：厂房由若干个跨间平行组成，工艺流程顺跨间直线进行。这种布置方式适用于规模不大、吊车吨位不大的厂房。采用这种布置方式的厂房平面可全部为平行跨，具有结构简单、扩建方便等优点。但当跨度较小、跨数较少时，厂房成长条状平面，厂房外墙面积大，土建投资不经济。

（2）平行布置：厂房由若干个跨间平行组成。在建筑结构上与前一种基本相同，生产时通常需要采用传送带、平板车或其他越过跨间的运输设备。

（3）垂直布置：厂房平面跨间相互垂直。在不同跨间，可以根据工艺需要，对零部件进行加工装配。厂房设有越跨运输设备，由于跨间相互垂直，建筑结构较为复杂，在大、中型厂房中由于工艺布置和生产运输有优越性，故其应用也较为广泛。

2.2 外观设计

钢结构工业建筑造型受内部生产活动限制，体型规则严谨，相似的结构选型、平面布局，难免造成千篇一律的形体。在设计过程中，色彩营造的氛围会影响建筑使用者和周围人的情绪和行为。如果在设计时配色出现问题，则有可能破坏建筑物与环境的协调性，给人们的心理和生理带来负面影响。建筑外观色彩设计必须控制色彩污染问题。彩色调节技术可以适当调节建筑立面比例、突出形状、深化材质肌理，调节建筑形体的不足，对建筑进行改头换面的再创造。工业活动投资规模巨大，大部分资金用于购买设备和雇佣员工，在工业建筑支出上侧重外部围护结构，利用色彩构成建筑造型是最简单且经济的设计手法。

3 结构安全

钢结构工业建筑有诸多优点，其中一个显著的优点是抗震性能良好。钢材基本属于各向同性材料，抗拉、抗压、抗剪强度均很高，具有良好的延展性。钢结构工业建筑可以通过钢材的弹塑性变形吸收和消耗地震能量。地震力是一种惯性力，结构自重越大吸收的地震力就越大，钢结构工业建筑相对于其他结构形式，其自重轻，大大减轻了地震作用的影响。

钢结构工业建筑，特别是轻型门式刚架结构，自重轻、刚度小，其抗风荷载、抗雪荷载性能差。近年来，由于设计和施工的不合理，已造成大量的钢结构工业建筑在恶劣的风雪天气下倒塌，结构设计时应特别重视风荷载和雪荷载参数的选择。根据《门式刚架轻型房屋钢结构技术规范》（GB 51022—2015），门式刚架轻型房屋钢结构属于对风荷载比较敏感的结构，计算主刚架时，基本风压乘以1.1的放大系数，计算檩条、墙梁和屋面板及其连接乘以1.5的放大系数；门式刚架轻型房屋钢结构屋盖较轻，属于对雪荷载敏感的结构，雪荷载经常是控制荷载，极端雪荷载作用下容易造成结构整体破坏，后果特别严重，雪荷载采用100年重现期的基本雪压。

4 防腐设计

据公开资料显示，我国每年被腐蚀的钢材约占钢材总产量的1/10，因为金属腐蚀而造成的损失占到国民生产总值的2%～4%。钢结构工业建筑防腐蚀设计主要包括三个方面的内容。

（1）钢结构构件和节点采用易于涂装及检查维护的结构形式。腐蚀等级为强时，桁架、柱、主梁等重要受力构件不宜采用格构式，不应采用冷弯薄壁型钢；杆件采用实腹式或闭口截面，闭口截面端部封闭。腐蚀等级为强、中时，不宜采用由双角钢组成的T形截面或双槽钢组成的工形截面。

（2）钢材本身防腐蚀，即采用具有抗腐蚀能力的钢材。处于外露环境，且对耐腐蚀有特殊要求或处于侵蚀环境中的承重结构，可采用耐候结构钢。通过添加少量合金元素Cu、P、Cr、Ni等，使其在金属基体表面形成保护层，耐候钢的耐大气腐蚀性能是普通碳素钢的2～8倍。

（3）涂层防腐蚀。涂层防腐蚀包括防腐蚀涂料和各种工艺形成的锌、铝等金属保护层。防腐蚀涂料一般分为底涂料、中间涂料、面涂料，根据环境腐蚀条件、防腐蚀设计年限、施工和维修条件等进行配套设计，应选择相互间结合良好的涂层配套。

5 防火防爆设计

建筑防火防爆设计是钢结构工业建筑设计中的重点内容之一，主要从以下几点来控制。

（1）正确定义建筑物的火灾危险性类别。火灾危险性分为甲、乙、丙、丁、戊5类。设计师应对工业建筑内生产和使用的物质特性有充分的了解，具体操作过程中不应人为压低火灾危险性分类。

（2）正确定义建筑物各构件的耐火等级。耐火等级共分为一级、二级、三级、四级4个等级。一般钢结构工业建筑按二级耐火等级设计的居多，实际操作时往往会人为提高建筑物的耐火等级，以获得较大防火分区面积，此时应注意对钢柱、钢梁、支撑等承重构件采取防火措施，使其达到建筑物相应的耐火等级要求。

（3）合理划分建筑物的防火分区，对每个防火分区的面积进行严格控制。注意建筑物安全出口数量、疏散宽度、疏散距离需要满足规范要求。

（4）严格做好工业建筑的防爆设计。工业建筑中有爆炸危险的厂房或厂房内有爆炸危险的部位应设置泄压设施。一般采用轻质屋盖和轻质外墙泄压，作为泄压设施的轻质屋面的单位质量不宜超过60kg/m2。厂房泄压面积按照公式A=10CV2/3计算，复核实际泄压面积大于计算泄压面积，保证工业建筑的使用安全。

（5）裸露钢构件的耐火时限仅为15min，当环境温度超过300℃后，钢材的屈服强度和抗拉强度均显著降低，耐火等级为二级时，柱的耐火极限要求不低于2.5h，梁的耐火极限不低于1.5h。钢结构工业建筑通常采用涂刷防火涂料或包裹防火板材的方式来提高构件的耐火极限。

（6）钢结构防火涂料分为膨胀型和非膨胀型两大系列，膨胀型防火涂料又称薄型防火涂料，厚度一般为1.5～7mm，其中厚度小于3mm时也称超薄膨胀型防火涂料。膨胀型防火涂料基料为有机树脂，配方中还含有发泡剂、碳化剂等成分，遇火后自身发泡膨胀，形成比原涂层厚度大十几倍到数十倍的多孔碳质层，多孔碳质层可阻挡外部热源对基材的传热，如同绝热屏障；膨胀型防火涂料耐火极限可达0.5～2.0h。非膨胀型防火涂料又称厚型防火涂料，厚度一般为10～50mm，主要成分为无机绝热材料，遇火不膨胀，自身具有良好的隔热性；非膨胀型防火涂料耐火极限可达0.5～3.0h。采用不燃材料制造的板材包裹钢结构构件外表面，板材本身具有优良的耐火隔热性，因此可以提高钢结构构件的耐火极限；采用防火板材包裹的钢构件耐火极限可达3.0h以上。