关于对工业厂房结构设计的探析

2023-01-12王少智

建筑与装饰 2022年7期

王少智

新发药业有限公司山东东营 256000

1 工业厂房结构设计优化方法分析

目前来看，在工业厂房设计中，一般有两种结构设计优化方法。第一种方法为主观判断优化方法，该优化方法在很大程度上依赖设计人员的设计经验以及主观意识，在工业厂房设计中，设计人员是设计方案的制定者，在设计的过程中，设计人员会结合建设场地的实际情况以及生产的要求，利用个人经验以及专业知识对厂房的结构进行规划分析，从而设计出厂房结构的初步方案，这种主观判断设计优化方法具有较高的设计效率，但是对于个人经验以及专业技能水平有比较高的要求，因此在设计的过程中，难以保证设计方案的科学性以及可靠性，具有一定的设计风险；第二种设计优化方法为理论知识优化方法，该优化方法以房屋建设设计相关的理论知识为依托，严格按照设计理论的要求进行设计，但是在实际的设计环节中往往会出现难以用常规设计理论解决的问题，因此在设计实践中不能完全依赖理论知识。工业厂房结构设计具有一定的综合性与复杂性，在设计的过程中，既需要充分发挥设计人员自身的经验优势，也需要重视理论知识的应用，根据不同的设计要求，灵活的应用不同的设计方法，提升设计方案的科学性以及可行性[1]。

2 工业厂房结构设计要点

2.1 地基基础

工业厂房往往具有较大的占地面积，同时投资比较大，建设的位置地质情况十分复杂，因此在建设的过程中，对于地基的处理十分关键。针对一些载荷要求比较大的位置，可以应用桩基、独立基础、条形基础以及弹性地基梁等。工业厂房一般配置有输送皮带，对于输送皮带的设置可以将皮带支架设计成底部铰链的形式，在这种设计方案下，皮带在运行的过程中会将剪力以及轴力传给地基，为了提升地基的稳固性，需要将地基设计为柱下条形基础形式。从实用性的角度考虑，在设计的过程中还需要重视对混凝土的选择，地基部分的混凝土其标号应该符合C25结构耐久性的要求，在配筋设计方面需要尽量降低配筋率，桩基应合理选择桩径及桩类型，经济合理且便于施工。钢管廊结构独立基础底板厚度应满足钢筋锚固长度要求。化工储罐区地基基础应满足《储罐区防火堤设计规范》及《石油化工钢储罐地基础设计规范》《化工设备基础设计规范》等相关国家、地方及行业标准。针对条基交叉处的钢筋设计需要有详细的工程图，且该部位的基底面积需要具有一定的独立性，不能被重复使用，同时还需要根据具体的条件来调整基宽。地基基础宜优先采用天然地基且尽量浅埋，当天然地基不能满足承载力及沉降要求或不经济时，可采用复合地基处理或桩基础。基础应合理控制基底零应力区的面积。大面积地面荷载作用下尚应验算地基的附加变形，此外，还需要特别关注柱下条形基础，针对采取缓坡型设计翼缘板，需要加强对坡角进行控制，防止角度过大，影响后续的施工。此外，在地基规划设计的过程中，还需要重视地质勘察报告的作用及建议，结合当地地基处理经验结合建筑荷载大小确定合理经济的地基及基础形式，混凝土耐久性尚应满足《工业建筑防腐蚀设计标准》的规定。

2.2 梁与板件的设计

在工业生产中，厂房往往需要承担比较大的负载，因此为了保证厂房的结构强度能够满足生产作业的需求，一般在设计的过程中都会加大梁的横截面积，而这种设计思路也在一定程度上增加了施工的难度。一些设计师为了避免出现过大的横截面积，因此通过增加配筋的方式保证结构强度，但是这种设计方案在施工中也是比较难以实现的，因为如果大量配筋集中于同一区域，就将增加混凝土压实的难度，导致相关位置难以插入振捣，如果出现这种问题将带来比较严重的质量隐患，因此需要对设计方案进行进一步优化。在设计的过程中，可以适当增加梁的横截面积，并减少配筋的使用。为了给现场施工创造有利的条件，在设计的过程中需要尽量减少钢琴堆梁柱接头的使用，没有相关位置没有特殊的负载要求，需要将配筋率控制在1.7%以下，这样的设计不仅有利于梁结构的塑性铰的形成，还能提升结构整体的抗震性能。在设计的过程中还需要合理设置伸缩缝，梁计算可合理考虑楼板作为翼缘对梁刚度增大的影响。楼板开洞处应合理补强楼板钢筋。针对悬臂梁配筋的计算，需要保留一定的安全系数。在设计的过程中，还需要重视控制好砌体结构悬臂梁深墙梁长度，确保其长度能够满足实际施工的要求[2]。

2.3 柱形件设计

在工业厂房结构设计中，轴向分力应用的较为广泛。在确定柱截面的过程中，需要充分考虑到设计方案的经济性，一般来说，钢管混凝土柱和钢格柱在实际的使用中都有良好的性能表现，且成本可控。组合截面柱的腹杆体系分为缀条式和缀板式两种，为了进一步加强对厂房建设成本的控制，可以通过增加纵向钢筋的方式，降低材料成本，并保证建筑的结构。在厂房建筑结构中，往往采取单杆的支撑结构，在设计的过程中，需要根据厂房的实际使用需求以及受力的大小，来确定单杆的长度，确保设计方案的合理性。单层钢筋混凝土柱厂房宜采用装配式排架柱。柱顶高度应考虑屋架及梁底距吊车的最小净空尺寸，且不宜小于250mm，适当加大柱刚度，柱间增设柱间支撑增大两个方向平面内的刚度，可以减小柱计算长度，增强梁柱连接节点，满足“强柱弱梁、强节点”的概念设计要求。

2.4 预埋件设计

工厂需要能够容纳各种各样的设备以原料，想要在生产的过程中较为稳固的固定设备，就需要有一定数量的预埋件作为支撑。埋件设计应注明锚筋的植入深度及化学锚栓的相关施工工艺要求，改造后植筋设计应符合《混凝土结构后锚固技术规程》的要求。在设计的过程中，设计人员需要从工厂的生产实践出发，确定好预埋件的尺寸以及位置，并在设计图纸中清晰的标明。在设计的过程中经常会出现忽视楼梯预埋件的情况，需要后期到现场亲自补埋，在很大程度上影响了施工的效率。在技术交底环节中，需要清楚的向建设单位说明预埋件施工的要点，在某些工厂中，预埋件作为负载件存在，因此在设计的过程中还需要计算好预埋件的负载能力，防止在使用的过程中，出现预埋件断裂的情况[3]。

2.5 钢结构设计

钢结构已经成为当前厂房施工过程中最常用的建筑结构之一，与其他建筑结构相比，其具有造价成本低、性能强度高的优点。在对钢结构进行设计的过程中，不仅需要考虑到钢结构稳定性，同时也需要为后续的施工创造良好的条件。在设计的过程中首先需要关注钢材料的选择，尽量选择具有较高强度以及较强耐腐蚀性的钢材，针对钢柱、钢梁及吊车梁所选用钢材料为Q355B，抗风柱、墙架系统及次结构所选用钢材料为Q235B，钢结构梁柱采用合理的连接及拼接形式，在设计的过程中还需要对对脚螺栓的设定方位进行科学计算、合理确定，控制脚螺栓的数量和质量，避免造成资源浪费，保障施工质量符合规定要求。厂房的钢结构不可避免地会受到腐蚀作用，为了减缓腐蚀的速率，降低腐蚀发生的概率，在钢结构安装前期，就应该检查结构表面的平整度，清除表面的杂物。此外，还可以选择喷涂油漆等防腐蚀材料，实现钢结构的质量控制[4]。

3 加强工业厂房结构设计的相关措施

3.1 提升厂房结构与生产的协调性

工业厂房的设计与建设服务于工业生产实践，因此在开展设计工作的过程中，需要工业厂房的用途以及工厂的生产工艺有充分的了解，结合实际的生产需求，有针对性地对设计方案进行优化。从工厂的生产要求以及使用要求出发，确定结构设计的方案，防止由于设计方案与生产实践适应性不足，导致厂房难以启用。在实施设计方案的过程中，往往会出现一些与工厂实际生产环节不相符的地方，主要的原因在于，在设计的过程中没有深入了解工厂的工艺特点以及生产需求，因此需要设计人员加强对工厂工艺的实地勘察研究，在了解工厂工艺特点的基础上开展设计，防止因结构设计方案不合理，影响工厂的正常生产工作。比如针对框架梁上方开洞位置的设计，如果没有充分考虑到结构整体的受力情况以及生产需求，梁洞位置布置不合理，就回影响工厂正常的生产工作，尤其针对一些需要应用大型机械设备的工厂，在设计的过程中，需要充分考虑机械设备的尺寸特点，一方面需要保证厂房内部空间能够容纳生产设备；另一方面需要确保内部空间的合理性，防止厂房内部空间被大量浪费。此外，工业厂房设计结构布置、选型和构造处理，应满足生产工艺及安装维修维护要求，合理选择安全等级，做到安全可靠、技术先进经济合理。达到结构方案传力简捷，受力明确并具有良好的整体性。荷载的布置应合理考虑各种使用要求，支撑在结构上的设备和管道自重、平台、悬吊物、振动设备动力荷载、撞击荷载、检修荷载、反应釜内物料重量不要遗漏。有防爆要求的控制室要合理考虑爆炸荷载且爆炸荷载载与地震及风、雪荷载不同时组合，采用以概率理为基础的极限状态设计方法，荷载满足结构可靠性指标要求。化工建筑应按《化学工业建（构）筑物抗震设防分类标准》，合理选择抗震设防类别。厂房设计应尽量模块化，满足通用工艺流程及模数要求，构件尺寸及类型应尽量减少类型，方便预制拼接及工厂化生产施工及方便运输，同时可减少现场施工误差及工作量。工业建筑尚应综合考虑结构构件的防火、防爆、抗爆、防腐、防震要求。设计中积极选用新材料、新工艺、新技术，为业主合理优化但不过度优化结构，力争实现节能、节地、节水、节材及绿色环保，可持续发展。

3.2 重视结构优化计算

在结构设计中，结构数据计算的准确性将直将影响方案的质量以及厂房后续的使用表现。因此在进行结构设计的过程中，需要充分重视计算环节，加强对核心区域的节点计算，确保能够较为准确的进行抗剪验算、长细比验算以及裂缝宽度验算等，主要确保关键数据的准确性，才能为科学的设计打下基础。针对核心区域的抗剪验算需要严格的相关的操作原则实施，从厂房结构的整体特点出发，充分考虑到厂房的结构跨度以及载荷等。一般来说，如果柱支撑截面积较大，那么节点偏心也会比较大，如果不能保证计算的准确性，将会到厂房结构的整体稳定性造成很大影响。在计算楼面等效载荷的过程中，需要充分考虑到不同材料的力学特性以及厂房的结构特点，不仅需要关注到建筑本身的结构稳定性，还需要考虑到实际生产过程中厂房的载荷。在厂房结构设计中，抗震设计也是设计的重点，而科学的抗震设计需要依托于准确的裂缝宽度计算，一般来说，结构裂缝宽度需要控制在0.3mm左右，才能保证整体结构具有一定的抗震性能[5]。