现代工业厂房建筑设计的优化方案

林 晖

（福建建工集团有限责任公司，福建 福州 350001）

0 引言

在正常情况下，工业厂房主要包括大型屋面板、单层工业框、排架结构等类型，由于其很容易受到各种外界因素影响，如屋面跨度防水材料质量、设计水平等方面影响，从而出现不同程度的变形，给现代工业厂房设计工作提出更高挑战。同时，暖通设计、给排水设计、屋面防水设计等环节作为整个工程设计的重要环节，对整个设计质量提出更高要求，一旦该设计环节出现问题，不仅会影响到工业厂房日常生产，还会产生严重的资源浪费现象。唐文斐[1]对钢结构厂房的结构及防火设计进行了优化升级。高政重[2]研究了工业厂房设计阶段的造价控制。陈家翰[3]研究了工业建筑升级改造设计。本文在前人研究的基础上，以离子电池材料产业化项目为研究对象，通过分析现代工业厂房的设计理念，提出了现代工业厂房设计的优化方案。

1 工程概况

年产40 000t 锂离子电池材料产业化项目基地位于厦门市海沧区，海沧区是厦门市六区之一，海沧区全境位于海沧半岛，与厦门岛隔海相望。用地面积为204 034.506m2，总建筑面积为366 257.37m2，生产区由十余栋厂房及仓库组成，结构形式主要为钢筋混凝土框架结构及钢框架结构。整个屋面和外墙结构都使用预制压型彩钢夹芯板。在Revit软件环境下构建三维模型，由于该软件属于参数化的三维建模软件，在建立模型前应建立构件数据库，从而缩短建模所需要的时间，再利用建立参数化三维模型，让建筑单体逐渐参数化。再通过三维设计来确定每个构件的位置、数量、关系等内容，有利于开展后期模拟工作和材料表格编辑工作。本建筑单体的构建主要包括围护结构、钢筋混凝土独立基础、门式刚架等单元，而连接各构件部分则利用标准化螺栓来完成。在日常施工中，不仅要做好土建方面的工作，还要做好厂房建筑采暖、电气、给排水、防水等方面的施工，如图1 所示。

图1 项目区位及现状

2 现代工业厂房的设计理念

2.1 现代工业厂房中洁净设计

通过分析洁净设计理念内涵，发现其主要作用是在生产工作中不产生任何污染物，尽可能实现零污染、零排放。政府部门提出可持续发展理念，而现代工业厂房的洁净设计理念是提高现代化建筑质量的重要方法。在日常实施过程中，能重复回收利用各种废弃资源，提高资源利用率，合理控制企业生产成本，提高经济效益，被广泛应用到各产业中。近年来，我国社会经济不断发展，给各产业提供巨大发展空间，而工业作为我国第二产业中的重要环节，在政府部门提出的各种优惠政策帮助下，取得不错的发展前景。但值得注意的是，在分析任何事物时，不仅要看到其优点，还要看到其缺点。在工业发展过程中，三废问题是目前最严重的问题，工作人员要提高对其的重视程度，加强清洁排放工作，全面降低工业生产中各种污染物的排放量，从而实现零排放目标。

2.2 现代工业厂房中的绿色设计

施工企业要将绿色建筑理念应用在成本投入环节，来控制成本费用，保证施工建设工作和生态环境保护工作顺利进行，降低施工操作不当所产生的负面影响，合理控制工程资源消耗。特别在信息化时代背景下，设计工业厂房中要合理选择建设技术，保证设计理念能满足行业未来发展要求，不能盲目使用新技术，否则无法控制厂房日常消耗量，甚至会给其日常生产带来沉重负担。而绿色设计理念注重实现环保方面的内容，通过分析现代厂房综合情况，合理选择设计方法，达到低消耗、高效率发展效果。另外，设计人员要按照以人为本的发展理念，集中经济、社会、环境三方面资源，全面落实绿色设计理念，如材料、设备、工艺选择等方面，科学控制三废成本使用，研究出一条适合工业厂房设计的绿色生产模式。

2.3 现代厂房设计中的节能设计

在日常厂房建筑设计过程中，工作人员要合理控制整个建筑工程工期，根据实际施工情况来优化建筑设计。在传统厂房建筑施工中具有环境污染严重、造价成本高、施工工期长等特征，无论是民用建筑还是公共建筑，都会消耗巨大资源，产生大量的污染气体，给人们日常生活水平带来不同程度的影响。特别在信息化时代背景下，化石能源安全问题愈发严重，可再生新能源逐渐替换不可再生能源，这是全球能源领域发展的必然趋势。因此，建筑行业要降低化石资源的应用，提高城市环境，将城市污染控制在合理范围内，科学应用绿色节能理念，改革传统厂房建筑方案设计思维，将节能理念和建筑设计相互融合，来控制厂房建筑造价成本，有效提高可回收材料在建筑工程施工中的应用范围，降低建筑施工的化石资源消耗量，充分发挥建筑设计的环保作用。近年来，环保理念受到政府部门的高度注重，也是工业厂房未来的发展方向。因此，设计人员要将环保理念应用到现代工业厂房设计中，和节能设计理念相互融合，促进现代工业厂房能实现可持续发展。从整体角度来看，节能设计理念主要体现在厂房施工和设计两个方面，合理降低日常能耗数量。在日常设计过程中，设计人员可利用各种自然资源优势，如风能、太阳能、自然能源等，甚至能调整设计工艺，控制设计能耗，从而达到节能设计的作用。

2.4 现代工业厂房中人性化设计

在日常生活中，只要提到工业厂房建筑理念，自然而然在脑海中形成厂房雏形。通过结合人们对工业厂房的印象，发现工业厂房整体结构具有开窗面积大、横跨面广、涉及空间范围宽等特征，和居民建筑相比，两者具有明显差异性。对于长期在厂房工作的人来说，其长期在高速度、快节奏生活中，对外界事物的关注度不足，并未仔细观察厂房具体情况，如果工作人员仍然采用传统设计方法设计现代化工业厂房，会导致整个工业厂房设计缺乏个性，很容易影响到工作人员的归属感，无法满足厂房未来发展要求。针对这种情况，设计人员要将人性化关怀理念应用到厂房建设中，给工作人员营造良好的工作环境，减少其日常工作疲劳程度，让其能有更好的状态投入到日常工作中，提高整体工作效率。

3 现代工业厂房设计要求

3.1 经济性要求

随着社会经济不断发展，经济要求被广泛应用到工业厂房设计工作中，成为设计内容的主要依据。而想要实现上述要求，工作人员要在满足设计要求的基础上，合理控制施工成本，降低设计活动、施工活动中的成本投入，在确保设计质量满足行业标准的基础上，避免出现不必要的施工投入，从而达到提升施工设计效率的作用。同时，要合理利用厂房合并模式，减少厂房建筑实际面积，增强设计经济效益。

3.2 安全性要求

无论是民用建筑还是工业化厂房建筑，在设计中均要严格遵循安全性原则。厂房中集中大量工作人员，安装有各种工业生产设备，而想要保证日常生产工作能顺利进行，设计人员要站在整体角度进行分析，全面提高结构整体安全性，确保生产安全性能达到行业标准，避免工作人员生命安全受到严重威胁。目前，结构安全性主要体现在防水、防电、防火三个方面，设计人员要提高对其的重视程度，结合现场实际情况进行科学设计，保证上述三方面内容能达到预期要求[4]。

3.3 生态性要求

近年来，我国现代化工业发展类型出现不同程度的改变，传统设计理念无法满足厂房日常生产要求。因此，设计人员要提高对生态性原则的重视程度，将生态性原则应用到厂房日常设计中，提高厂房设计效果。目前，生态性理念主要体现在经济效益和生态效益相互结合方面，设计人员在选择厂房地址时，要综合考虑到各方面因素，如环境因素、周围产业布局等，尽可能和相关产业靠近，不仅能合理利用各种资源，还能提高废品处理工作的便捷性，促进现代工业厂房实现可持续发展[5]。

4 现代工业厂房建筑设计的细节问题

4.1 采暖系统设计

通过分析现代工业厂房所使用的空间机组特征来看，通常采用天然气方式，将外部温度传输到厂房中。因此，在采风口设计中，要将其设计为转化型封口形式，利用人口手段进行控制，完成风量角度调整和输送工作。而传统机组配置方法通常采用大小搭配方式，且要提前准备两台机组，作为备用和切换使用，需占据机房较大面积。因此，工作人员可采用磁悬浮冷水机组和单台变频离心式冷水机组，保证其能在负荷环境下仍然高效运行，不能进行大小搭配使用，能有效优化空调水系统，减少机组占地面积。但值得注意的是，上述两种机组前期投资成本较高，在选择冷水机组时要进行全面考虑，综合考虑到机组运行能耗和投资数额，尽可能选择初期投资少、节能效果好的组合方式，如冷凝热回收真空燃气换水机组，其热效率超过102%。同时，科学采用热泵系统。空气源热泵机组具有无需冷却水、节能、冷热替换等特征，被广泛应用到条件复杂的区域，尤其是新型带热回收型热泵机组和板管蒸发式冷热水机组，其制冷效果较佳，经常出现在绿色建筑设计方面，但在应用空气源热泵系统时要注重除霜因素影响。而地源热泵系统是将水资源作为低位热源，给空调系统提供冷热源，但这种系统很容易受到各种外在因素影响，如后期施工质量、中间设计、前期勘探、监测环节[6]。

4.2 轻钢结构的隔热设计

从钢铁结构特征方面来看，其具有较强的导热性能，而轻钢性能基本相同。据专业人员调查发现，当导热系数高于50℃时，轻钢内部导热性呈直线上升趋势，但值得注意的是，一旦内部结构温度超过90℃，会严重影响到轻钢内部的抗拉强度和可塑性，甚至影响到厂房日常生产活动。当其内部温度为250℃，轻钢材料结构抗拉强度不断增长，可塑性降低；如果轻钢结构内部温度为500℃，材料产生严重的崩塌现象。针对上述问题，设计人员在进行厂房设计工作时，要合理控制钢材内部温度，一旦发现外界环境温度达到150℃，要对钢材结构进行防火、隔热设计工作，避免其受到外界因素影响。

4.3 排水系统设计

在进行排水管道设计工作时，最常用胶黏连接方式，但值得注意的是，在采用该种方法进行排水管道施工时，要考虑到外界环境因素给连接效果带来的影响。当外界环境温度较低时，排水管道很容易出现结霜现象，给日常生产活动造成严重阻碍。针对该种情况，设计人员要积极应用变径管，将其安装在排水管道出水口，且做好前期准备工作和调查工作，一旦发现施工现场中存在大量污水进管和干管，要开展相关安装工作。当上述工作任务全部完成后，要开展灌水试验，无论是厂房排水系统还是给水系统，均要进行通水试验，从而保证整体管道的通畅性，避免出现堵塞问题。

4.4 屋面防水系统设计

在工程设计过程中，很多设计师会注重建筑物装修方面，而结构设计则在意基础设计和结构布局方面，导致很多防水设计只是根据当地区域环境进行设计，利用标准的防水图，更倾向于经验设计为主体。同时，由于防水资料不全面，导致其不仅在材料选择方面出现问题，还在工程审核方面存在问题，导致防水设计出现严重不合理现象，甚至很多建筑物出现渗漏问题。因此，在聘请工作人员进行厂房设计时，要注重工作人员专业能力，要聘请拥有丰富设计经验的人员来实施，严格遵循厂房自身特点，来确定厂房屋面做法和防水等级，从不同各方面来考虑到区域的自然条件、经济水平、防水材料情况等。并且要保持认真的态度，针对重要部位要设计详细图纸，选材要考虑到材料的耐久性，并在设计图纸中明确标注材料种类、性能等数据，还要通过准确计算来确定水落管的数量和直径。另外，在审核设计图纸时，要联合施工单位，针对厂房屋面排水坡度提出相关要求，重复检查防水涂层、防水卷材、隔离层厚度，一旦发现有处理错误，要及时上报给上级部门，经过设计人员优化后，才能正式投入使用，从设计方面提升屋面防水性能。

4.5 厂房内部结构设计

工业厂房利用率很容易受到各种外在因素影响，设计人员不仅要做好前期准备工作，还要在日常操作中及时解决各种问题，如厂房生产工艺、自身结构等内容。经过专业分析发现，现代工业厂房内部空间构造模式类型趋于多样化：（1）单跨厂房。其作为目前应用范围最广的厂房内部空间结构类型，采用传统砖混结构为主，通过长方形空间作用，对厂房两排柱进行纵向延伸。分析该种模式特征，发现其内部结构非常简单，对施工人员专业素养要求较低，可广泛应用到各项生产活动中；（2）单元空间厂房。从单元空间厂房生产特征来看，集中不同厂房特征，整体结构为方柱型，在内部结构中形成独立空间，具备工业厂房所有功能；（3）框架结构厂房。其将楼板、梁、柱结构作为主要支撑结构，形成完整的受力体系，在提高厂房刚度、延展性等方面具有重要作用。

5 现代工业厂房设计的优化方案

5.1 屋面设计

要确保屋面具有较强的承载能力，设计人员必须明确厂房的高度和跨度，根据厂房的不同需要进行合理安排和布局。屋面结构设计除了要考虑支撑力，还要综合地考虑厂房的抗震要求、吊车吨位等。一般情况下，屋面属于大型结构的要求采取三点和屋架焊接的方式，以确保上弦具有良好的支撑能力。工业厂房中经常需要安装大型的设备，这些设备在运行的时候震动感十分强，需要在设计的时候选取纵向水平支撑结构。工业厂房结构优化设计至关重要，科学合理的设计方案可以降低支撑使用钢构件的数量，将支撑杆的内力进行合理分配。钢结构厂房设计还需要做好排水设计，屋面必须有坡度，并且要控制在坡度5%以上。

5.2 节能环保优化设计

在厂房设计期间，应综合考量节能与环保设计元素，以此提升厂房生产活动的生产效率。在屋顶设计期间，应借助浅色设计元素，以此加强太阳辐射的反射效果，科学优化能源使用问题。如若在寒冷天气环境中，加强室内码头环境使用，以此降低能源消耗。借助吊顶式风扇加强热量消耗，提升空气流动效果，以此提升厂房从业人员的工作舒适度，减少空调使用。

5.3 重视防火设计

钢结构厂房和混凝土结构厂房有着明显区别，钢结构的厂房具有很多的优点，比如强度高、塑性好、施工简单等，同时也存在着一定的缺陷，受温度的影响比较大，防火的能力相对较差，这也使得钢结构工业厂房面临着巨大的安全隐患。因此，在设计钢结构厂房的时候必须重视防火设计，加入隔热设计的内容，确保钢结构工业厂房的安全性和可靠性。在防火设计的时候要结合生产的类型，以及厂房对防火的实际需要来确定厂房的防火等级，按照相关的要求进行防火设计。目前，钢结构工业厂房防火主要采取的是涂刷防火涂料的方式，以这样的外在干预提高钢结构厂房的耐火强度。在钢结构厂房防火设计的时候，还要做好安全出口的设计工作，确保疏散楼梯可以在钢结构厂房中发挥实质性的作用，一旦发生火灾就能及时地组织生产人员疏散。

6 结论

综上所述，工业厂房建筑结构的设计要以厂房的实际需要为出发点，在满足工业生产活动的前提下力争实现优化设计。设计人员不仅要对厂房整体结构强度、安全、耐久性上进行综合考虑，还要最大限度地提高整个厂房的空间利用率，在整体布局上为工人创造一个舒适安全的工作环境。随着工业生产规模的不断发展壮大，设计人员将不断引进新的设计理念，大胆创新，充分利用现有的资源，减少资源浪费的情况发生，促进我国工业厂房建设今后的顺利发展。