工业建筑结构设计的复杂性及安全性问题研究

刘星辉 毛娟娟

黄河三角洲京博化工研究院有限公司 山东 滨州 256500

引言

在社会经济发展历程中，工业生产创造的价值不可估量，工业建筑对于维护工业生产的持续性和高效性更是发挥了巨大作用。然而在工业建筑结构设计工作中，因其复杂性和特殊性，导致安全问题频出，致使工业建筑各结构部位的受力平衡被打破，运行状态不稳，难以保证工业建筑的安全运行。对此，工业建筑结构设计人员必须要明确工业建筑结构设计的重点和难点问题，结合行业设计规范及具体设计要求，选择合理的建筑结构形式，加强工业建筑平面、地基、抗震、防腐等方面的细化设计，从源头上消除工业建筑运行隐患，致力于为工业企业创造良好的生产环境，推动社会经济高质量发展。

1 工业建筑的特点及设计要求

工业建筑的组成结构通常较为复杂，包含钢屋架、混凝土柱梁、吊车梁、墙面板及檩条等结构，组成了多种结构体系，不同结构间的连接通常需要专业、复杂的工艺技术，保证各个结构的受力平衡，以维持工业建筑的运行安全。与此同时，在工业建筑结构设计工作中，还应重点考虑工业建筑鲜明的特点，具体包括以下几点。一是空间大，这是由于工业生产设备类型和数量较多，需要铺设大量线缆，供多名人员同时操作设备，因此工业建筑通常占地面积较广，内部空间极大（如图1）。二是结构复杂，与民用建筑相比，工业建筑对采光、排水、通风的要求相对更高，需要构建相应配套设施，强化工业建筑性能，提高生产环境质量[1]。三是工业建筑的布局和结构应科学合理，与工业企业生产技术工艺要求相契合，以降低工业生产安全风险，保证工业生产效率达到较高层次。

图1 工业建筑区

工业建筑结构设计质量对于工业建筑使用功能和使用寿命有着较大的影响，相关设计人员要立足长远、整体角度开展设计工作，打造智慧化工业建筑，保证工业建筑的安全运行，建筑使用功能可以充分发挥出来，尽可能延长工业建筑的使用寿命。首先，设计人员要考虑到工业生产设备安装、运行、检修对空间环境的基本要求，为材料、设备、人员进入生产现场留出足够的空间，还要分析设备进场后物料运输的空间需求，确定工业建筑的空间尺寸和布局方式。其次，工业建筑结构设计方案应该具备较强的可操作性，协调好各部分结构，尽量避免建筑结构之间的冲突，提高对工程施工及建筑使用的指导价值。最后，加强工业建筑结构抗震、防腐等方面的设计，合理提高工业建筑的抗震承载力，降低外界环境及地质灾害对工业建筑结构的破坏，保证工业建筑的运行安全可靠。

2 工业建筑结构设计中存在的复杂性及安全性问题

长期以来，在工业建筑结构设计中，设计人员考虑问题不够全面，往往忽视了工业建筑复杂性及安全性问题，导致最终设计效果不甚理想，严重影响到了工业建筑的运行安全。工业建筑结构设计工作中比较常见的问题有：一是工业建筑布局与工业生产的关联性不强，设计人员对工业企业生产要素、生产方式、自动化控制等方面缺乏考量，工业建筑的自动化、智能化程度有待提升，安全隐患随之而生。二是工业建筑组成结构的复杂性增加了设计难度，设计人员所用的设计软件功能单一，无法得到准确的工业建筑结构受力分析结果，一定程度上影响了设计效果。三是设计人员对风险因素的考虑不够全面，工业建筑的耐腐蚀能力、抗震能力不强，在自然环境影响下建筑立面结构老化现象加剧，发生地震灾害时，更是给建筑内部设备及人员的安全造成重大威胁，工业企业蒙受的经济损失也将不可估量。基于此，综合考虑工业建筑结构安全的复杂影响因素，提高工业建筑安全系数和智能化水平，已然成为新时期工业建筑结构设计工作的发展趋势。

3 基于复杂性和安全性角度提高工业建筑结构设计质量的有效策略

3.1 工业建筑基于材料的结构形式选择

一般来说，制约工业生产效率的一个重要因素就是生产环境，而生产环境主要受到工业建筑结构设计质量的影响。加强工业建筑结构优化设计，既要保证建筑结构的灵活性和可扩展性，以便在工业企业生产规模扩张、生产工艺改变时能够作出适当的调整，又要保证工业建筑结构的稳定性好、使用寿命长，削减环境因素对建筑结构的不利影响。现如今，建筑工程中常用钢筋混凝土结构、钢结构、钢材与混凝土结合的混合结构。各自优势在于：钢筋混凝土结构属于钢筋和混凝土紧密结合所构成的建筑结构，适用范围广，施工材料易于就地取材，施工成本较低，建筑结构耐腐蚀性与耐火性强，建筑物安全性能够得到保障；钢结构具有施工效率高、工程造价低、施工操作简单的优点，可是耐腐蚀性以及耐火性较差，后续需要增加投资用于提高建筑结构相应性能[2]。在工业建筑结构设计中，应结合具体建筑的使用特点、建设周期等综合考量，选用更为贴切的结构形式。

3.2 工业建筑的平面设计

在工业建筑结构设计中，需要遵循标准流程开展相关设计工作，先要合理确定建筑总图布置，再进行平面设计，将建筑内部各个功能分区予以合理划分。工业建筑的功能分区通常包括生产区、物料保管区、值班区、控制区，配套变配电所、机柜间、水泵房、食堂等，其复杂性可见一斑。信息时代背景下，BIM技术在工业建筑结构设计工作中的应用可以显著提高设计质量，BIM软件自带的碰撞检查、施工模拟功能还能及时发现工业建筑平面设计的不合理之处，将设计变更控制在设计环节。因此，设计人员可以运用BIM技术进行建筑模型的构建，适当调整各个分区面积的大小，某个区域面积的变化会引起其他区域尺寸的自动改变，最终生成多套工业建筑平面设计方案，从中挑选技术先进、经济合理的一套方案，作为工业建筑建设施工的依据[3]。

3.3 提高设计图纸的精确性

以往工业建筑结构设计工作中，受到设计人员主观因素的影响，导致设计图纸中出现一些错漏和表述不清的问题，给工业建筑施工和运行埋下了隐患，建筑结构施工工艺不相匹配，预埋孔洞和管线位置不当，影响了建筑功能发挥和工业生产效率。提高设计图纸的精确性，防范建筑质量安全问题，需要依托现代信息技术。如BIM技术的应用就是工业建筑结构设计的一个创新思路，凭借这一先进技术的可视化、交互性特点，可以满足复杂性及安全性的要求。工业建筑结构设计人员可以与其他部门人员保持有效交流和信息共享，通过模拟施工流程，及时发现设计图纸中潜存的缺陷和漏洞，优化预留孔洞尺寸、位置，减少管线碰撞，经过对设计图纸的不断完善，提高设计图纸对工业建筑施工的指导作用。

3.4 提高地基设计的稳定性

地质因素对工业建筑运行安全的影响不言而喻，在我国多个地区土壤以软弱土层为主，需要采用地基加固技术，增强地基的稳定性，缩小地基沉降量。设计人员要提前做好现场勘察工作，准确掌握工业建筑工程施工现场的气候、土壤、水文环境，运用3S技术将勘探结果以图像、视频、数据等形式加以展现，以便对现场环境进行综合分析，得到可靠的分析结果，确定地基稳定性要求，开展地基设计工作。根据地质结构特点、工业建筑使用工况，合理选择天然地基、换填垫层、地基加固或桩基等基础方案，地基处理方案应尽可能降低对周围环境的扰动，防止地基施工引起地形地貌、地下水位变化而威胁工业建筑运行安全。

3.5 工业建筑的抗震设计

地震灾害会威胁到工业建筑内部设备和人员的安全，加强工业建筑的抗震设计，保证地震灾害发生时工业建筑结构的完整性及其运行的稳定性，会对开展应急救援工作，减少地震灾害损失，产生积极影响。我国关于不同地区、不同形式工业建筑的抗震设计有着明确的规定，必须保证工业建筑达到规定的抗震等级，采取必要的抗震措施，确保工业建筑抗震性能符合安全性要求。设计人员应建立合理的抗震工况下结构模型进行抗震分析，必要时对地震发生时结构的破坏状态进行时程模拟。从提高结构抗震稳定性的角度，降低设防地震对建筑安全的威胁。若单体工业建筑存在较大高差或平面布置差异较大，应结合建筑布置，合理划分结构分区设置抗震缝，对抗震缝位置及宽度进行合理控制，并在抗震缝的两侧合理布置抗震墙等构件，可以有效提高建筑抗震性能。

3.6 工业建筑的防腐蚀设计

自然环境会对建筑立面造成持续性的侵蚀，如暴雨、大风、暴雪等，持续性的日照也会加速建筑材料和结构的老化，而在工业建筑使用时，工业生产过程中产生的酸、碱、盐类物质，更会对建筑内部结构产生腐蚀。因此，防腐蚀设计是工业建筑结构设计的重点内容。设计人员在建筑材料选择时，应对材料防腐性能综合分析，选用适于建筑环境的合理材料。必要处应进行材料防腐处理，如在钢材表面喷涂防腐层、混凝土表面抹聚合物水泥砂浆等，形成防腐蚀层，延缓建筑结构老化，削弱化学物质、土壤和水对建筑结构的腐蚀，延长工业建筑的使用寿命。除此之外，对工业生产原料、工艺、中间产出或最终成品予以了解，将腐蚀性强的生产环节布置在水流下游或下风侧，减弱腐蚀介质对建筑结构的腐蚀[4]。

4 结束语

总而言之，工业建筑结构设计质量直接关系到工业生产效率和安全，相关设计工作具有较强的专业性。设计人员需要考虑到工业建筑结构设计的复杂性及安全性问题，合理选择建筑结构形式，运用BIM技术加强工业建筑的平面设计，提高设计图纸的精确性，还要格外强化工业建筑地基稳定性设计以及结构抗震设计和防腐蚀设计，从而提高工业建筑结构设计质量。