工业厂房建筑结构优化设计与施工

李军

摘 要：工业厂房建筑结构设计包含多个学科的理论内容，设计内容、设计环节具有一定的复杂性，设计人员需要总结更多的建筑结构设计经验，引进现代化设计理念，针对传统的工业厂房结构设计方式予以优化、创新，严格按照设计原则进行，确保建筑材料选择、结构布局的合理性，还需要注重各项设计优化工作，尤其要注重钢结构设计，从抗震设计、防火设计等方面确保工业厂房建筑结构的安全性和稳定性，提升工业厂房的整体质量。随着我国经济的快速发展，建筑行业所用的钢结构越来越多。我国目前广泛应用的钢结构工业厂房施工技术，不但提高了结构抗震效果，更有利于提升了生产厂房的整体质量。因此本文通过福州市某海鲜菇生产线房建项目钢结构工程为案例，总结钢结构工程施工技术要点，具有十分重要的工程实践意义。钢结构因利用空间大、施工速度快、跨度大，被广泛应用于制造业生产线的厂房建设。钢结构作为建筑工程领域最常见的结构形式，其不仅弥补了传统混凝土现浇施工存在的低效、污染等缺陷，而且实现了建筑结构大跨径和轻量化的飞跃。为了保证生产的安全正常运行，掌握结构的可靠性状态，需对本厂房进行全面的可靠性检测鉴定。

关键词：工业厂房;建筑结构;设计优化

0引言

近年来，钢结构在建筑结构中的应用越来越多，其在材料性能、材料价格以及施工效率等方面具有较多的优势。但是，在钢结构厂房的施工过程中，还存在非常严重的质量问题。出现这些情况主要是由于施工单位过于重视工程的施工进度，忽视了对工程质量的控制，使钢结构厂房施工在质量方面出现了非常多的问题。

1、工业厂房建筑结构设计存在的问题——以钢结构厂房为例

1.1不注重整体布局

在工业厂房实际设计过程中，设计人员需要注重整体布局，全面考虑各项设计方案。钢结构厂房是现代生产的重要场所，也是生产企业布局的关键，设计人员需要充分考虑厂房的实际要求和特点，如面积、气候等，确保厂房和企业其他建筑的协调存在。但是，很多设计人员无法全面考虑工业厂房设计，导致工业厂房和其他建筑位置出现一定的矛盾，如工业厂房和居住区域距离比较近，厂房会产生很多噪声、有害气体，直接影响着周边居民的身体健康和工作效率。

1.2精确度不够

在钢结构设计中，荷载取值的准确性直接关系着钢结构计算结果的准确性。但很多设计人员的工作态度不够严谨，无法确保荷载取值的准确性，引发支撑物安装位置不合理、墙体厚度不满足要求等问题，很难确保钢结构整体的稳定性。

1.3结构不合理

在工业厂房设计中，设计人员不注重成本控制问题，直接影响企业的综合效益。例如，钢结构工业厂房设计缺乏一定的合理性，未按照设计要求安装承重结构部位，极易造成资源浪费，会影响工业厂房的整体质量和安全性，严重的还需要拆除重建，增加返工次数及项目成本。

2、结构优化技术简介

2.1结构找形技术

对于复杂的自由曲面建筑表皮，依托于设计经验的常规手动结构布置方式往往难以满足要求，且所布置的结构型式往往不尽合理。特别是针对大跨度自由曲面建筑，如何寻找到以轴力形式为主的合理结构传力体系是设计的关键。基于现代计算机的结构找形技术应运而生。目前常用的刚性结构找形方法有力密度法，动力松弛法、非线性有限元法，应变能密度法等。同时随着计算机智能技术的发展，参数化设计软件结合一些启发式搜索算法，例如蚁群算法、遗传算法、模拟退火算法，使得由计算机自动完成结构形态的创建成为了可能。目前能够完成结构找形的软件主要有Abaqus、Ansys、Kangaroo等。

2.2拓撲优化技术

与常规设计方法及流程相比，拓扑优化技术可以实现在均匀分布材料的设计空间中自动找到最优的结构分布方案。不仅可以大大节省设计周期，还可以找寻最优的力学布置。基于连续体拓扑优化的方法主要均匀化方法、变密度法、渐进结构优化法（ESO）等。其中变密度法已经应用到大型商用优化软件中，例如德国的TOSCA已经集成到通用有限元软件ABAQUS内。拓扑优化技术目前已经广泛应用于机械制造业及航天航空领域。近年来，随着建设方对建筑产品的创新性、合理性日新月异的追求，拓扑优化技术在建筑结构领域的应用已崭露头角。例如上海喜马拉雅艺术中心和深圳中信金融中心项目结构体系优化等。

3、工业厂房建筑结构设计优化要点分析

3.1屋盖支撑体系设计

屋盖支撑体系设计涉及生产车间的高度、跨度、屋盖架构方式、吊车设立、吨位等。一般屋盖架构都需要设置纵向支撑，在厂房屋架距离20m或内部设立大吨位吊车、大规模振动装置，这时需要设立垂直方向支撑，合理地设置屋面坡度。

3.2组织保证措施

按照工程的质量和功能要求，项目部需要配备相应的专职质检员以及工程质量管理部门等，这样可以使项目的质量管理得到进一步的保障。项目部成立后，可以以项目经理为组长，技术负责人以及安全质量员为副组长，实施全面的质量管理和监督，组员主要包含各施工队的队长。各施工队同样需要设置质量管理小组，可以把施工队负责人设置为组长，其技术负责人设置为副组长，组员主要包含各工班长以及工人等。

3.3技术保证措施

在施工过程中需要采用比较先进的施工技术，建议投入一些精良的设备，保障该工程的高标准建设。在施工过程中，要对施工材料进行严格的把关，本工程所需使用的原材料和设备均需要从正规厂家进行购买，注意应购买通过国家认证的质量合格的产品。材料进场后需进行试验检测，保障质量合格后，方可投入使用，严禁使用质量不合格的材料。支架以及临时支架的施工主要从支架搭设、地基处理以及临时支座安放3个方面进行。在支架搭设之前，需要进行支架的稳定性验算，保证支架的承载力和稳定性满足要求;临时支座设置完成后，需再次测量放线，准确测量标高，在支架上清楚地划出每节钢梁的横向以及纵向位置的具体边线。

3.4提高建筑抗风荷载作用的能力

为了使厂房建筑抗风构件与结构设计的牢固性符合要求，对厂房建筑结构进行抗风设计时，必须充分做好以下工作：（1）优化基础，只有厂房建筑的基础部分稳定性较强，才能保证厂房建筑上部分结构的稳固性。因此，明确混凝土的级配标准成为厂房建筑基础设计最基本的工作。应尽可能购买高级配的砂石，增加基础持力层厚度，加设抗拔的锚杆构件，加强基础的牢固性。（2）通过改变建筑的轮廓设计、投影面积和高度，改变区域建筑布局，以及种植绿植等改变风荷载的强度和方向等，削弱风荷载对建筑的作用。

4、工业厂房建筑结构施工技术要点

4.1钢结构基础施工技术要点

（1）为确保上部结构安装质量，预埋时必须严格控制地脚螺栓的布置方位;（2）为了提高螺栓的紧固强度，建议使用经工厂统一预制的钢制模辅助定位;（3）螺栓预位后，及时检查螺栓丝扣标高是否满足规范要求，检测合格后将其焊接于钢筋网上，实现二者的刚接;（4）为了保护好紧固螺栓表面，避免螺栓受损，应在螺栓外表面加装保护壳。

4.2钢结构安装工程施工技术要点

施工准备阶段。（1）钢结构吊装前，应按照构件明细表，核对并检查验构件进场质量情况;（2）就钢结构厂房基础和预埋件等隐蔽工程而言，应详细校核构件轴线位置、标高偏差、平整度指标等，并使用墨盒弹出定位线;（3）还应注意的是，在钢结构和基础的测量过程中，为了保证测量标准的统一，应使用相同的测量辅助工具。

钢结构安装（1）钢制厂房中使用的钢构件基本采用两台12t级汽车吊吊装，零星小型构件采用人工吊装方式，承重钢柱采用旋转吊装法吊装，考虑到主梁的跨径较大，为了控制高空作业风险，应提前在地面完成组装，再整体吊装就位，吊装过程中应配合人工辅助调整，钢梁扶正采用两点平衡法;（2）为了保障吊装作业过程中的安全性和连续性，应提前设计吊装顺序，吊装过程中严格遵照顺序开展吊装作业;（3）承载钢柱吊装阶段应配合钢柱位置的校正及钢梁拼装就位;（4）承载钢梁吊装过程中，两榀间的横向系杆应在承重钢柱和钢梁校正以后及时安装，以保证主体结构的稳定性;（5）檩条、墙梁、支撑系、拉条及隅撑等附属构件应在主体结构吊装过程中同步完成，且不同构件可交叉同步完成;

4.3檩条及支撑系统的安装

（1）檩条、横向支撑系应与主体钢结构吊装作业同步进行，满足交叉作业的可交叉进行;（2）本钢结构主体工程的承重柱间距为6m，檩条可借助滑轮实现省力安装，安装过程中，螺栓孔位置应校对准确，紧固力大小适中。结合檩条大小及紧固位置，依靠人力将其拉至屋面或墙体立面的对应位置;（3）吊装完毕后，应及时调整构件水平及垂直度指标，以保证各构件定位的准确性，结合结构特点安装承载柱间的水平支撑系。微调横向连接系的紧固情况，适当放松一侧连接强度，当调整竖向柱达到垂直状态时，再次紧固连接系，应合理控制紧固强度，以避免紧固力过大而出现局部应力集中问题;（4）通常情况下，梁隅撑均由地面连接至顶梁，吊装完成后方使用高强螺栓与屋面的檩条连接。台度角钢使用膨胀螺栓紧固，山墙角钢直接固定在山墙檩条以下的翼沿上;（5）在屋墙面系杆和拉杆安装过程中，应适当调整檩条的水平度，及时纠正檩条的局部弯、扭曲变形。

4.4加強消防结构设计

厂房建筑结构结构复杂，一旦出现火灾，建筑使用者的人身安全与财产安全会受到严重的威胁。为此，必须重视厂房建筑的防火设计。首先，应合理设计防火间距。设计人员需要依照相关规定准确测量建筑物间的实际距离，需要注意的是，相邻两建筑之间的最佳防火间距应按建筑外墙间的最小距离进行计算，若外墙包含凸出的易燃构件，应从该构件外缘算起。另外，还必须设计安全疏散通道。通常情况下，需要尽可能多地设计几条便于人们疏散的安全通道。为加速烟雾扩散，安全疏散通道必须设计防烟区。对此，设计人员可以采取分割式设计，以有效控制火势与烟雾的蔓延速度。

5.结束语

在钢结构厂房的施工过程中，要控制施工质量，必须进行严格的监管，采取合理的措施，克服施工过程中存在的问题，保障工程的质量以及施工人员的安全，促进钢结构厂房的进一步发展。

参考文献：

[1]刘益明.工业厂房建筑结构设计优化的探究[J].智能城市，2019，5（13）：46-47.

[2]张永康.工业厂房结构设计中钢结构设计要点分析[J].建筑技术开发，2018，45（14）：36-38.

[3]王敬奎.多层钢结构工业厂房设计分析与探讨[J].工程建设与设计，2018（9）：41-43.

[4]管致宇.工业厂房建筑结构优化设计与施工[J].决策探索（中），2020（5）：47.

[5]陈伟波，杨天华，周率.钢结构厂房超长金属屋面板施工技术[J].中国建筑金属结构，2020（5）：59-61.

[6]朱朝应.钢结构工程施工质量控制技术分析[J].中小企业管理与科技（下旬刊），2020（01）：168-169;

[7]建筑抗震设计规范（2016年版）：GB50011-2010[S].北京：中国建筑工业出版社，2010.

[8]建筑结构荷载规范：GB50009-2012[S].北京：中国建筑工业出版社，2012.