工业项目结构设计分析与要点

郭中伟

中国电建集团华东勘测设计研究院有限公司 浙江 杭州 310000

引言

众所周知，工业建筑是以工业生产为目的的建筑，这点与民用建筑有很大区别。大多数工业生产需要使用大型机械设备，因此施工现场也需要满足容纳设备的空间需求，对结构的稳定性要求也更为严格，因此，应根据不同的生产工艺设计相应的需求结构。

1 工业建筑基础结构设计

1.1 地基和预埋件

从工业建筑工程设计的角度来看，混凝土的标号及保护层厚度须与结构的耐久性及环境类别相适应。各设备埋件和基础连接处应提供清晰与详细的施工图、节点图，且各临近设备基础处各基础应相互脱开，尽量不要合并使用，以防止因荷载差异较大导致的不均匀沉降变形。砌体结构在部分墙体上集中荷载较大，因此应按照实际的需求增加条基宽度。此外，依据建筑地基基础设计规范还要注意靠近边坡的基础应与边坡保持足够的距离。

工业建筑就是个重要的载体，设备平台上要安装许多设备，从而就会需要进行预埋及开孔工作。在施工设计图纸中，技术人员需要在整体结构施工图中清晰注明预埋件的尺寸和开孔定位。不少项目由于预埋件遗漏，不得不在后期进行补充埋件，需要现场植筋耗费大量人力物力，还会对相关结构有损伤。技术交底时应明确施工单位有关埋件位置和规格要求。在工业厂房的钢立柱安装过程中，应注意保证预埋件的安装精度及保护工作，如：钢结构出厂前，构件表面除安装连接的接触面及工地焊缝两侧50mm范围内，其余均须涂刷防锈底漆。

1.2 各构件的设计

在工业工程主体结构设计中，在柱截面柱的选择上，为有效保证其经济性，适合选用混凝土柱或钢柱，如：H型钢、焊接组合型钢、混凝土立柱。外部厂房一般选用钢结构，而厂房内的设备平台较多采用混凝土结构以防止设备的震动。采用钢结构时，可增加侧向支撑等，以减少车间立柱长度。支撑构件的结构一般既可以按拉杆设计较经济，重要结构也可按压杆。由于工业工程的荷载比较大，为确保结构强度基本要求，需将建筑梁、柱的纵截面面积设计的比较大，钢筋又厚又密，给其他施工工序带来不同程度的困难[1]。为准确控制整个横梁截面的配筋高度，一些桥梁设计人员将配筋率提升至2.5%，这在实践中很难实现。如果梁、柱钢筋重量分布过密，梁、柱各节点区的钢筋很难将混凝土浇筑密实，无法直接安全插入无人地震探测杆，造成梁柱钢筋严重松动和位移，留下诸多安全隐患。在实际的配筋设计中，首先要通过综合分析，考虑是否增加各种横斜截面的使用高度，降低配筋率。

目前，大多数现浇板和钢筋的加工都是由普通PKPM或YJK等软件自动生成的，这可以更好地提高出图速度和精度。在正确计算钢板配筋时，应充分考虑钢筋的塑性变形和应力分布。板上各钢筋块应力乘以弯曲衰减放大系数0.8～0.9，板下钢筋块应力乘以放大系数1.1～1.2。若按弹性力学中的理论方法计算钢筋双向移动板的最大应力，则计算结果更为保守，无须人为放大。

对于混凝土设备平台，要特别注意水平动荷载情况下的结构扰动情况，机械工业部曾编了本动力机器基础设计规范（GB50040-96，较老现已更新）对各类压缩机、破碎机、冲击机器等作了详细说明和计算方法。设备平台对应的梁、柱、板的构造尺寸均比正常荷载下增大很多，设计人员进行优化时务必要慎重，以免优化后，设备的振动出现问题，后期再去加固就比较麻烦了。在平台前期设计方案中也应尽量做到设备支点尽可能落在立柱上，如不满足可落在主框架梁上，对于落在次梁上的方案要进行及时纠正。

1.3 楼梯的设计

在各类工业机房、办公区建设工程中，楼梯大多采用板框结构，出于美观大方也施工便捷。然而，需要在高层梯梁与高层踏步板之间应留有足够宽度，特别是在高层建筑的出入口，且台阶高度之间的距离不应超过20cm，防止不慎跌倒。休息室平台上部与梯板两侧下部水平搭接方向上部同时加固，钢筋与梯板两侧下部搭接。在一些特殊情况下，如钢板结构楼梯的反拱跨度已超过5m，施工中不易达到要求的挠度，因此在建筑施工设计图纸中，特别是在指标中增加反拱是很有必要的。

而对于钢结构楼梯，由于其施工速度快，自重轻也经常被用于各类结构中。如果是混凝土结构里的钢结构斜梯需注意做好预埋板以便钢与混凝土的连接，如果是钢结构平台上的钢斜梯，注意钢斜梯尽量与主体结构脱开，以免钢斜梯形成空间结构，对钢结构整体不利。

2 工业建筑结构设计中的要点

2.1 防腐蚀和防火设计

一是按照地勘提资中的腐蚀性等级划分合理地选用混凝土及钢结构材料，对钢结构做好相应的防火涂料，各构件的防火要求不一，具体可参见新版的建筑防火规范；还应注意项目当地的水位情况，对于地下有水的结构应注意防腐蚀的设计。

二是防水材料，一般来说，大多数防腐建筑工程都会选择沥青、橡胶等材料作为防渗隔离层，这主要是因为这些材料对建筑物的防水隔离能力具有良好的抗氧化性和防水稳定性。

2.2 钢结构设计

在整个工业建筑中，钢结构扮演者极其重要的角色，各常见的钢结构形式需注意以下几点。

2.2.1 钢厂房：钢结构厂房使用较为广泛，有门刚、排架和钢框架等各类形式。门刚一般用于无吊车情况或风荷载较小，而且高度小于18m的轻型厂房。排架一般用于重钢厂房，立柱通常是格构柱形式，而且吊车荷载通常较大。框架结构多用于高度大于18m的厂房，此时应注意规范的选取，不应再按门刚的要求了，应依据建筑抗震设计规范（GB50011-2010）和钢结构设计标准（GB50017-2017）来进行设计，后者的要求较严，而且用钢量也会增加不少[2]。在具体设计过程中，应注意柱脚节点的选择，铰接、固接，平板节点、外露式、外包式、埋入式；一般为了达到固接要求，设计人员更愿意采用埋入式，但这个要根据现场情况。如果不允许可采用杯口基础或外露式刚接。对于外露式刚接应注意地脚螺栓不要选取过大，笔者曾见到过采用80以上的地脚螺栓，现场看到那是很夸张了；柱底板厚度也应与柱脚螺栓匹配，对于上述80的地脚螺栓，即使能选到匹配的柱底板厚，当大于40mm时还要考虑板件钢材宜具有厚度方向抗撕裂性能即Z向性能的合格保证（依据钢结构设计标准4.3.5条）。

2.2.2 钢结构平台：由于软件里一般没有构筑物抗震设计规范（GB50191-2012）这一选项，计算时可依据建筑抗震设计规范（GB50011-2010）和钢结构设计标准（GB50017-2017）来进行设计，而对于一些不适用抗震设计规范的要求可依据构筑物抗震设计规范第七章等进行适当调整，构筑物规范钢结构这块没有抗震等级一说，注意对比两本规范的异同。如：对于底部剪力法，建筑抗震规范的限值为40m，二构筑物抗规的限值就大很多可以到55m甚至65m；对于基础零应力区的限值两本规范也有区别，构筑物规范要求松一些分了25%、15%和0三档，而建筑抗震规范只有15%和0两档；重力荷载代表值的选取区别较大，楼面等效均布荷载构筑物规范取值较大0.5～0.7注意两者区别。

2.2.3 胶带机通廊结构：由于通廊一般需要大跨故实际工程一般采用钢结构，对于胶带机的抗震及构造措施等可参见构筑物抗震设计规范（GB50191-2012）及钢铁企业胶带机钢结构通廊设计规范（YB4358-2013）的相关要求，要特别注意桁架应一端固定一端滑动，以免出现应力集中；当通廊跨度大于24m，8、9度地震时需考虑竖向地震作用。而对于通廊支腿的设计，如果通廊跨度较大、支腿较高时要考虑水平向风载下支腿基础的抗倾覆以及柱脚螺栓的抗拔，此时需控制基底零应力区，建议按无零应力区控制。值得注意的是：YB4358-2013中4.5.2条文说明中提到封闭式廊身体型系数较建筑结构荷载规范增大不少（1.0+0.7=1.7远大于1.3），笔者建议设计时参照此条执行。对于胶带机支腿结构，顶部宽度可按工艺要求来确定，而底部宽度应注意宽高比不能过小，一般按1/4～1/8，如超出应注意三维建模，考虑水平荷载情况下的柱脚及基础设计等。通廊的高度可按工艺要求，但如果跨度大于24m时应注意桁架高度与跨度的比值控制，一般控制在1/10～1/14；如笔者具体设计遇到的某50m跨通廊，如果按普通通廊的3m高设计就不合适了。

2.2.4 安装：钢结构节点采用螺栓连接应留足实际安装空间，不少新手螺栓节点设计得很密，未考虑实际施工的难度和可行性，现场无法按图施工，这就给结构设计留下安全隐患。实际焊接连接设计中应考虑了连接施工的方便性，如关键部分尽量少采用现场焊接（仰焊更应避免采用），以免质量达不到设计要求。高强连接螺栓可广泛应用于建筑梁柱、梁柱、梁的无缝连接。在施工和使用过程中，必须特别注意随时控制固定节点的位置和螺栓的布置和分布。此外，我们还根据需要对建筑整体钢结构施工图进行了详细的说明，并注意钢结构对应的防腐防锈、制造、施工安装等工序。钢结构厂房安装过程中尚应注意根据设计和施工工况要求，采取措施保证结构的整体稳固性，具体可参见门刚规范14.2.5条的要求。

2.2.5 节点：节点设计是钢结构设计的重要内容，而钢结构的安全很大程度上取决于每个节点的施工。接头的设计要力求结构简单、传动可靠、受力清晰、工艺性好。在工业厂房的钢结构设计中，这些是至关重要的[3]。在施工过程中，各构件的截面不宜任意增大，以免形成不合理的结构，如随意加大梁的截面无法实现“强柱弱梁”这对结构来说是不安全的。另外钢结构设计标准（GB50017-2017）12.2.3条中对节点板的局部稳定有了详细的说明，斜撑做成压杆时注意节点板厚度等应满足此条要求，以免节点处出现局部失稳的情况。对于柱脚螺栓设计时：柱基础二次灌浆的空间应符合门刚规范14.2.4条的要求，铰接时不宜大于50mm，固接时不宜大于100mm。

3 结束语

工业建筑结构设计是一项技术专业性强、复杂的工作，对设计人员和施工队伍的专业素质和综合技术能力提出了很高的要求。实际项目中，结构设计人员应重视与工艺人员的沟通交流以调整工艺方案来进行解决。

在满足以上条件的情况下，还应注意以下几点：首先，要充分结合公司自身特点，考虑制造、工艺、设备选型等因素，对性能、成本、结构、舒适性等做出科学合理的选择。其次，设计人员应主动学习和掌握相关的规范、教材和软件。最好不要觉得一辈子只做某一类结构而不愿去学习其他行业或相关规范，这样很难做到触类旁通对自身的水平成长很不利。再次，结构人员应多于同行交流，在相互交流和探讨中能更好地成长，一个人的水平和造诣毕竟有限，而博百家之长才能让自己的水平有长足进步。