对高层钢结构工业厂房的设计研究

刘爽

陕西省宝鸡市建筑设计院 陕西宝鸡 721000

提起传统的工业厂房，大众的第一印象总是整齐划一、规格统一、模式单一，站在厂房里，不管你在哪个位置，其承重结构都是一模一样的，就像六七十年代的楼房，厚实的墙体，10米左右的高度，一眼看过去都是一个样式。这不是人们不想盖得更好，这是工业技术的制约，当各方面技术条件都不成熟的时候，安全才是市场的主流，其余需求只能将就现有的条件适应。改革开放这几十年来，我国的科技水平突飞猛进，现有工业技术的提升，使建筑行业不仅在材料上有所突破，设计条件、施工技术更是日新月异，大量以前只能充斥在设计师想象里的建筑都已拔地而起。在满足建筑物安全的前提下，建设方开始提出更多、更细节的设计要求，比如，以前因为尺寸过高过大、或者局部形状不规则，当时的车间厂房因为高度、宽度的限制或者造价成本过高而只能让设备露天或是挖坑下沉摆放，现在也都可以依据需求给它们专门建个厂房，其中，高层工业厂房也就如雨后春笋般应运而生[1]。

1 工程概况

某高层钢结构工业厂房，平面尺寸为60×54米，纵向均为6米柱距，横向三连跨，每跨18米，立面成山字形，两个边跨檐口高度20米，屋面为5%单坡，中间高跨檐口高度34.5米，屋面为5%双坡，厂房内设2台32t桥式吊车和1台50t桥式吊车，工作级别A5。结构重要性系数为1.0，建筑结构的设计基准期为50年，设计使用年限为50年。抗震设防烈度是8度，设计基本地震加速度值为0.20g，Ⅱ类场地，抗震等级三级，标准设防类建筑。因现场开挖情况和建设方要求，持力层为卵石层，基础采用独立基础+高杯口。

2 建筑物设计

2.1 建模方案选取

以往工业厂房在设计初期，最先考虑的就是门式刚架，该模式以加工简单，批量生产，用钢量低，施工速度快等优点颇受市场青睐，而且一旦建筑物需要转移，可以很快拆除，在新地址重新安装，投入使用，不用重复建设造成成本浪费。该工程虽然从立面上看中间每榀钢架都一样，可以按照传统二维方式建模，但这样就忽略了建筑物的整体性，这是二维模型计算的局限，它让三维建筑只能满足平面内计算，平面外仅依靠构造措施连接，不能经过整体抗震验算。虽然计算软件的升级换代实现了门式刚架的三维建模，发现平面外节点如果按照构造措施连接大部分根本不能满足抗震验算。不过，本工程在设计方案讨论初期就摒弃门式刚架，因为《门式刚架轻型房屋钢结构技术规范》GB51022-2015总则条文1.0.2条中明确门式刚架的范围，“本规范适用于房屋高度不大于18m，房屋高宽比小于1，承重结构为单跨或多跨实腹门式刚架、具有轻型屋盖、无桥式吊车或有起重量不大于20t的A1-A5工作级别桥式吊车或3t悬挂式起重机的单层钢结构房屋。”本工程已经超出了这个范围，明显不适用。所以经过方案比较，最终决定该工程采用钢框架结构形式。

2.2 结构专业设计

此厂房因为总高度已经超过24米为高层工业建筑，在设计时工程师会为建筑物安全增加更多的抗震措施。首先，结构设计上最先考虑的就是框架柱平面内外的稳定，本工程边跨最低点也达到20米高，中跨框架柱更是34.5米高度，这需要建模时在钢柱适当高度增加平面外构件来减小钢柱长细比值，根据抗震规范条文9.2.12条、9.2.15条该厂房要设置刚性系杆、柱间支撑、屋面支撑等构造措施来加强结构的整体稳定性。另外，因为屋面采用轻型屋面，荷载的选取、导荷方向就必须一一核实是否与实际情况相符，例如，轻钢屋面的保温板是固定在檩条上的，檩条则安装在主钢梁上，所以屋面荷载是单方向导荷，而不是程序默认的四边导荷，若忽略修改，主钢梁的计算结果会比实际要小，与主钢梁垂直相交于框架柱处的边梁就会得出比实际计算大很多的应力值。单坡屋面钢梁有18米长，在钢框架建模时不能像二维设计门式刚架那样可以在计算长度上按照侧向支撑间距直接修改，这时为防止钢梁平面外计算与实际不符，可把刚性系杆以两端铰接构件输入，若忽视这一步骤，计算结果显示钢梁的平面外验算会很难满足。

本工程因为平面长宽尺寸相近，钢柱布置齐整，X、Y两个方向的刚度大小相近，这使建筑物在抗震计算时，地震作用的最不利方向一般出现在45度左右，这会让整个建筑物很容易发生扭转。为了解决这个问题，考虑到厂房里设备布置，设计时可以沿着纵向在厂房两端和中间开间均匀布置柱间支撑，使地震作用最不利方向调整为0-15度。在建模时还应考虑，吊车梁高度位置选取，吊车起重量、吊车数量、工作级别、折减系数等一系列参数的填选，这些都是会影响最终验算，须落实不可缺失。

该工程在几种基础方案中多有比较，从实际现场布局、地勘报告、施工难易程度以及施工成本等各方面出发，最终采用独立基础+高杯口方案，框架结构在受力简单明确时，独立基础是施工难度不大，且成本较低的一种形式，因为这些基础宽度大部分在3米左右，若做成锥形大放脚形式需要二次抹平，不利于控制质量，但做成台阶式则方便支模，成型后不用返工。基础顶面设置高杯口则是对应上部钢柱下端为插入式柱脚，这种形式既有利于满足《钢结构设计标准》第17.2.12条要求，又便于施工，混凝土施工后，直接吊装钢柱插入杯口，填充细石混凝土，利于操作，施工成果会与设计施工意图更相符。

还有很多构造措施在设计阶段是不可忽视的，例如，对于轻钢屋面的水平支撑应在与柱间支撑同开间布置，而纵向支撑可按照抗规9.2.12.4-2条“对于高低跨厂房，在低跨屋盖横梁端部支承处，应沿屋盖全长设置纵向水平支撑”；抗规9.2.12.4-4条“当设置沿结构单元全长的纵向水平支撑时，应与横向水平支撑形成封闭的水平支撑体系。多跨厂房屋盖纵向水平支撑的间距不宜超过两跨，不得超过三跨；高跨和低跨宜按各自的标高组成相对独立的封闭支撑体系”这两条布置，让整个屋面各自形成封闭体系，让屋面的整体性更好。

2.2.1 配合建筑专业设计

高层工业厂房会比普通厂房增加许多安全检修措施，一般工业厂房（不带吊车）高度为6-8米，有吊车的多为10米以上，建筑在方案上就会增加检修爬梯，有时建设方为了节省成本，把十字交叉双角钢+缀板形式的柱间支撑当临时爬梯使用，不光违反国家制定的法规、规范，其工作人员的安全问题也得不到保证。工程师必须考虑设计是否能排除一些潜在的隐患，例如做成人字形单角钢支撑等。在平时工作中，会影响结构安全使用年限的最大因素是围护的防潮防水防火，建筑方案中有许多这方面的设计，怎样合理利用现有条件来实现，是要在设计开始就要考虑的，一个设施就做一套承重体系会增加成本，结构可以调整一些构件的位置来配合建筑，例如可以把休息平处的梁与钢柱弱轴方向的侧向支撑合一，这可以减少钢梁的数量；也可以利用吊车梁做室外爬梯平台的落脚点，以此为支撑配重向墙外延伸挑梁设置外检口平台，详例图所示，这些细节都可以大大节省建造成本[2]。

2.2.2 配合水电暖专业设计

根据现有国家规范，对单层、多层、高层建筑的消防设计各有规定，众所周知，越高的建筑物对消防需求越高，高钢建筑更严，需要设置消防管道，尤其是给排水管道。排水管里的水一旦流动，能产生很大的动力，刚度小的钢构件有很大概率会被此振动影响破坏，所以它所有的连接点必须都要在刚度大的承重构件上。工业厂房柱间跨度很大，并不能像钢筋混凝土建筑那样在墙柱上埋设预埋件，而消防排水管道需要在厂房里形成闭环，电气管道需要抬高设置桥架，它们的安装就会悬空，此时就必须与给排水、电气专业协商沟通，三个专业把各自的条件和必须达到的要求放在一起后，集思广益，重新排列，得出最佳方案，只要调整二者的标高，在钢柱上焊牛腿，牛腿下方安装一个“曰”字形型钢焊成的铁架，给排水水管排在上面，电气管道放在下方，这样一来，只需少量构件就能固定这两套系统，既节省安装成本，也让管道安装后整齐美观，不显凌乱，具体详例如图所示。这些都只是提供一种解决方式，工程设计师必须做到具体问题具体分析解决，不能拘泥于统一形式，要灵活多变开动脑筋。

设计时，暖通专业需要在墙面、屋面上设置风机，风机一般会长时间运转，其工作时产生的振动和运转力，一般规格的薄壁型钢制成的檩条会随之局部振荡，影响使用安全。在过去的很多工业建筑正常生产时，安装的大功率设备运转起来会带动整个建筑跟着颤动，虽然没有造成建筑安全，但是工作人员却不敢长时间站在楼面。本工程虽然没有大功率运转的风机设备，但是也不能忽视这个问题，可以用刚度更好的工字钢替换原位置的檩条，也可以离开原檩条安装位置一定距离，专门为风机设置支撑檩条，使风机运转时不会对建筑物造成不利影响。

2.3 设计结果分析

此工程依据抗规9.2.7.2条，“平面规则、抗侧刚度均匀的轻型屋盖厂房，可按平面框架进行计算。等高厂房可采用底部剪力法，高低跨厂房应采用振型分解反应谱法。”进行抗震计算，框架柱最大强度应力比值为0.68，框架梁最大受拉应力比值为0.71，最大剪应力比值为0.13，从安全储备上来说是比较合适的。设计人可以再单独取标准跨，用“钢结构二维设计”中框架选项进行二维建模计算，输入同样的参数数据，得出框架柱最大强度应力比值为0.92，框架梁最大受拉应力比值为0.96，最大剪应力比值为0.11，二者比较后不难发现二维计算的结果有些数据明显偏大。这跟两者的计算假定有关，也能看出三维整体计算考虑了所有受力构件之间的联系，互相勾连，共同作用，使得单独一根框架梁、柱的应力值小很多，这也是框架形式的优点所在。设计师可以综合考虑，取其最不利因素对原设计进行调整，做到“强柱弱梁、强减弱弯、强节点弱构件”这一目标，满足结构安全。

3 结语

高层钢结构工业厂房的设计只是钢结构体系这棵大树上的一个分支，它看起来不大，但其中涉及到的细节却覆盖了高层建筑、工业设计、消防措施、检修维护等方方面面的问题，工程师决不能单纯的以一般厂房设计来定义它，要更加综合系统的考虑，学会优化组合，化繁为简，尽量充分利用已有的条件来达到设计目的，这才是一个合格的结构工程师最基本的要求。我国的建设速度世界瞩目，建筑技术也达到了世界先进水平，最重要的建筑质量更不能马虎大意，安全生产的同时，建造成本的节约是工程师们必须考虑的事情，当性价比过低时，建设方多数会放弃这个方案，必须能做到既要安全也要经济，这才能让这一建筑形式能够更好地发展。