工业厂房地面设计浅谈

张连杰

（林产工业规划设计院，北京 100010）

0 引言

近年来，伴随国民经济的发展和“十四五”规划的实施，工业行业的发展进程不断加快，工业生产能力不断提升，企业的生产规模持续扩大，工业生产的机械自动化水平不断提高[1]，这就对工业厂房的建设提出了更高的要求。

工业生产的机械自动化水平不断提高，预示着厂房内出现大面积密集堆料、无基础的机床和无轨运输车辆等产生的地面荷载的可能性将会不断增多，这就对厂房地面的使用提出了更高的承载能力要求。下面，本文将从“地面的基本构造”和“地面垫层厚度取值”两个方面，对工业厂房地面设计进行探究。

1 工业厂房地面的基本构造

工业厂房地面一般由面层、垫层和基层组成。当它们不能充分满足适用要求或构造要求时，可增设其他构造层，如结合层、找平层、隔离层等[2]。

1.1 地面面层

工业厂房地面面层的选择，应服从经济性、实用性、美观性的设计原则，根据建筑功能、使用要求、工程特征和技术经济条件等因素进行设计。

当地面在使用过程中对防菌、洁净等方面有使用要求时（如有无菌要求的实验用房、生产精密仪器车间等），地面面层应根据使用功能需求选用防尘、洁净或防菌地面；当地面在使用过程中对防静电有要求时（如通信机房等），地面面层需选用表层静电耗散性材料的防静电地面，同时设置相关的防静电措施；当地面在使用过程中经常通行车辆、从车辆上倾卸物品或堆放重物料时，地面面层应根据荷载作用形式选用耐磨或耐撞击地面；当地面在使用过程中存在可能会受到腐蚀性介质（酸、碱性物质等）作用时，地面面层应采用防腐蚀地面，其面层材料应根据腐蚀性介质的酸性、碱性类别和作用情况等因素进行选择；当地面在使用过程中存在受机油作用情况时，地面面层应采用防油渗地面。目前，我国普遍存在无特殊使用要求的大型工业厂房地面，通常采用聚氨酯耐磨地面涂料，具有既满足耐磨性要求，又清洁美观的特性。

1.2 地面垫层

地面垫层主要的作用是承受并将地面荷载传至地面基层，垫层按照构造及材料性质不同可以分为刚性、半刚性和柔性3 种。

刚性垫层是指用混凝土、沥青混凝土和钢筋混凝土等材料做成的垫层[3]，其主要特点是整体性好、强度大、防渗透性能好，适用于主要荷载为大面积密集堆料、无机械支撑的设备安装或无轨运输车等对地面变形要求较高的情况，或对地面耐腐蚀性、防渗透性要求较高的情况。半刚性垫层是指由灰土、三合土、四合土等材料做成的垫层，其主要特征为在受力时出现的塑性变形现象，且由于其使用原料主要是建筑垃圾和工业废物，因此材料成本相对较低；柔性垫层主要用于防冻胀层使用。

地面垫层的选择应与面层材料相适应，同时需要考虑地面荷载的种类和作用特征，以及使用要求等因素。纵观我国现代工业建筑，混凝土垫层是使用较为广泛的地面垫层。按照目前国家标准《建筑地面设计规范》（GB 50037—2013）规定的有关要求，一般混凝土垫层的强度级别不应小于C15，在其需要兼顾面层时，混凝土强度级别不应小于C20。地面在实际使用过程中需要对裂缝加以严格控制，当作用在地面上的静荷载或活荷载较大时，须在混凝土垫层中按负荷计算设置钢筋或在垫层中加增钢纤维，以此来控制地面开裂。

1.3 地面基层

地面基层是承受上部荷载的土壤层[4]。铺设地面垫层的地基应均匀密实，如此才能保证地面设计和使用的安全性和稳定性，避免不均匀沉降造成如地面下沉、地面起鼓、地面开裂等工程问题的发生。

对于软弱地基，如淤泥质土、杂填土、冲填土、高压缩性土等，受力后会产生沉降变形。如果直接在软弱地基上铺设地面，设计时必须要考虑在使用过程中可能由地基变形造成的危害。软弱地基需要按照目前国家标准《建筑地基基础设计规范》（GB 50007—2011）规定的有关要求进行加固处理。当采取换填土措施时，填土应分层夯实，按照填土夯实的设计要求施工，并经验收确认填土质量合格，方可铺设地面。当遇到地基处理难度较大和费用交高的情况时，应在有关专业设计人员的技术支持下，通过结构计算的手段对各种地基处理方案的技术性和经济性进行比较，选用技术成熟、使用安全、经济合理的地基处理方法。

2 工业厂房地面垫层厚度取值

地面土垫层的厚度取值和材料选择，要综合考虑地基土的压缩模量、地面的使用要求与作用荷载特征等多种因素。通常情况下，工业厂房地面垫层采用混凝土垫层，确定垫层的厚度的手段是计算。混凝土垫层厚度在计算时，需要考虑作用在地面上的主要荷载类型、荷载大小、间距等多方面因素。根据专家学者们多年来对正常使用条件下的地面荷载的调查与分析，主要有以下3 种类型：大面积密集堆料作用荷载、无机械支撑的设备安装作用荷载和无轨运输车荷载。

在既要满足“承载力极限状态”，又要满足“正常使用极限状态”的双重要求下，对混凝土垫层的厚度进行取值。地面垫层厚度取值有“经计算确定地面垫层厚度取值”和“经查表确定地面垫层厚度取值”两种确定方法。

2.1 经计算确定地面垫层厚度取值

混凝土地面垫层厚度计算与作用于地面的荷载类型、选用混凝土的强度等级和压实填土的地基变形模量等因素息息相关。同时，需要注意当遇到“大面积密集堆料、无机械支撑的设备安装或无轨运输车”3 种可变荷载作用于地面时，地面垫层厚度应大于等于100mm，其他地面垫层厚度应大于等于80mm。

以地面使用可变荷载为130kN/m2、地面垫层混凝土强度等级取C20、回填土的变形模量取20N/mm2为例，按照现行国家标准《建筑地面设计规范》（GB 50037—2013）规定的有关计算方法，对工业厂房地面混凝土垫层厚度的计算过程下。

2.1.1 满足承载能力极限状态下的最小垫层厚度计算

（1）假设各支点与地坪接触面积为300mm×300mm，即可得到各支点面积。

（2）当量半径计算。

（3）支点荷载计算。

式中：S——荷载基本组合设计值，kN/m2；GK——永久荷载标准值，kN/m2，本示例中取值为0；QKi——可变荷载标准值，本示例中取值为130kN/m2；γG——永久荷载分项系数，取值为1.2；γQi——可变荷载分项系数，取值为1.4；CG——永久荷载效应系数，取值为1.0；CQi——可变荷载效应系数，取值为1.0；φCi——动力系数（搬运或装卸以及车轮起、刹车产生的动力），取值区间为1.1～1.2，本示例中取值为1.1。

（4）垫层厚度计算。

式中：h——垫层厚度，mm；r0——重要性系数，按《建筑地面设计规范》（GB 50037—2013）表C.1.3 的要求确定，本示例中取值为1.0；kc——荷载区域系数，取值为kc＝2.0；ft——混凝土抗拉强度设计值，按照现行国家标准《建筑地面设计规范》（GB 50037—2013）表C.1.4 的规定确定，本示例中取值为1.1MPa；β——综合刚度系数，按照现行国家标准《建筑地面设计规范》（GB 50037—2013）表C.1.6 的要求确定，本示例中取值为1.8×10-3mm。

2.1.2 满足正常使用极限状态下的最小垫层厚度计算

抗裂度要求是评价能否满足正常使用极限状态要求的指标。因此，混凝土垫层满足抗裂度要求的厚度即为混凝土垫层正常使用极限状态下的厚度。

（1）根据已知条件可知支点荷载取值。

（2）相对刚度半径计算。

式中：L——相对刚度半径，mm；h——混凝土垫层厚度，mm；Ec——混凝土弹性模量，按照现行国家标准《建筑地面设计规范》（GB 50037—2013）表C.1.4 的要求确定，本示例中取值为2.55×104N/mm2；E0——压实填土地基的变形模量，按照现行国家标准《建筑地面设计规范》（GB 50037—2013）表C.1.5 的要求确定，本示例中取值为20N/mm2。

（3）垫层厚度计算。

式中：hf——混凝土垫层满足抗裂度要求的厚度，mm；kc——荷载区域系数，取值为kc＝1.0。

2.1.3 计算结果

设计地坪混凝土垫层厚度建议取值为200mm。计算时值得注意的是：当圆形或当量圆形荷载计算半径与相对刚度半径比值≤0.2 时，应按照目前国家标准《混凝土结构设计规范》（GB 50010—2010）规定的有关要求进行附加冲切验算。由于本示例中当量圆形荷载计算半径与相对刚度半径比值为0.25，故不需要进行附加冲切验算。

2.2 经查表确定地面垫层厚度取值

为简化设计流程、提高工作效率，通过多年的探索和经验总结，国家标准《建筑地面设计规范》（GB 50037—2013）中总结出：当工业厂房地面遇到“大面积密集堆料、无机械支撑的设备安装或无轨运输车”3 种可变荷载作用，且地基回填土压实系数≥0.94 时，地面混凝土垫层厚度确定如表1 所示[5]。

表1 混凝土垫层厚度

3 结语

随着国民经济的发展和“十四五”规划的实施，我国工业发展进程仍会不断的加快，工业生产技术不断向科技化、机械自动化方向发展，使得工业厂房的建设规模越来越大，对工业建筑的设计和使用要求也会越来越高。我们在设计过程中，需要不断探索、不断创新，设计出更加具有适用性、经济性和美观性的现代化特色工业建筑，以适应新时代的发展需求。