工业厂房钢结构设计现状与优化措施

李攀剑 吴海燕

1 工程概况

红牛饮料内江生产基地项目共有4 个单体含钢结构，分别为立体仓库、生产车间、化学品库及员工活动中心。

其中立体仓库、生产车间为门式轻型钢架结构，化学品库及员工活动中心为钢混结构。

1）立体仓库。立体仓库为门式轻型钢架结构，面积26700 m2，长度为225.5 m，宽度为120 m，檐口高度23.4 m，女儿墙高度2 m；主钢结构含钢量1316 t，单根最重构件钢柱3.05 t，最大跨度32 m；屋面采用保温棉+360°直立缝锁边板，局部有屋面内衬板，面积4718 m2；墙面为内墙板+保温棉+外墙板形式。

2）生产车间。生产车间为门式轻型钢架结构，面积36194 m2，夹层面积13194 m2；车间长度为226.5 m，宽度为159.8 m，檐口高度11.675 m，女儿墙高度为2.12 m；主钢结构含钢量2191 t，最大跨度41 m，钢梁拼接起吊重量6 t；屋面形式为屋面内衬板+保温棉+360°直立缝锁边板；墙面为内墙板+保温棉+外墙板形式。

3）化学品库。化学品库为钢混结构，主体结构为混凝土，屋面是钢结构，面积1116 m2，屋面形式为屋面内衬板+保温棉+屋面板。

4）员工活动中心。员工活动中心为钢混结构，主体结构为混凝土，屋面是钢结构，面积1661 m2，屋面形式为屋面内衬板+保温棉+屋面板。

2 钢结构工业厂房的优势

2.1 质量轻且跨度大

钢结构工业厂房的首要优势是质量轻，一般大约只有同等体积钢筋混凝土结构的20%，这一特性源于钢材自身的高强度和良好的韧性，使得在承担相同荷载的情况下，钢结构需要的材料远少于混凝土结构[1]。由于质量的减轻，设计师可以采取更大的跨度设计，这不仅可以为工业生产提供更大的空间，减少内部支撑的干扰，还能降低地基的承载要求，从而减少地基工程的成本。

2.2 抗震能力强

钢结构工业厂房之所以在地震频发地区受到青睐，是因为其具有卓越的抗震性能。在工业厂房钢结构设计中，设计师采取了多种措施来提高其抗震性能，具体为：第1，通过优化结构布局和设计，如设置专门的能量耗散装置和隔震支座，有效提高了钢结构工业厂房的抗震能力。第2，结构连接部位的设计尤为关键，通过采用高强度螺栓连接或焊接，确保在地震作用下，连接部位不会成为薄弱环节。第3，对于高层或大跨度的钢结构，通过设置合理的支撑体系，如剪力墙和支撑框架，提高了整体结构的刚度和稳定性，从而提升了工业厂房钢结构对地震力的抵抗能力。

2.3 施工速度快

钢结构的施工速度快，成为其在现代建筑工程中广泛应用的重要原因，这一优势源于钢结构组件的预制化生产和现场快速组装的特性，不仅提高了施工效率，还在很大程度上保证了建筑工程的整体质量和安全性。预制化生产是指在工厂内按照精确的设计图纸和要求，提前完成钢结构组件的加工和部分组装工作，这种生产方式具有多方面的优势。第1，工厂化生产可以在可控的环境中进行，减少了现场施工对天气条件的依赖，特别是在雨季或冬季等恶劣天气条件下，预制化生产的钢结构仍可继续生产，不会延误工期。第2，工厂化的生产环境有利于施工质量的控制，每个组件都可以在生产过程中进行严格的质量检验，确保其尺寸精确、质量可靠。第3，预制化生产可以大幅度减少现场施工所需的劳动力和设备，降低施工成本。预制完成的钢结构组件运至施工现场后，可以快速进行组装和连接，现场组装的高效率不仅缩短了工期，大大缩短了整体的施工周期，还降低了施工成本。

3 钢结构工业厂房设计现状

3.1 整体布局不够合理

钢结构工业厂房的设计优化是现代工业建筑发展的关键，尽管钢结构因其显著的优点而在工业建筑领域中占据重要地位，但在实际的设计与实施过程中，仍存在一些问题和挑战，特别是在设计整体布局方面，如有的过于保守，有的在设计时对生产工艺使用要求考虑不全面等，这些都可能会对建筑的使用寿命和安全性产生负面影响。

在钢结构工业厂房的设计过程中，追求成本最低化往往成为主要目标，这导致设计者在布局和结构选择上可能忽略了一些重要的因素。例如为了减少钢材用量，设计者可能会选择增大建筑的跨度，以减少支撑结构的数量，虽然这种方法在理论上可以降低材料成本，但是在实际应用中，可能因为未充分考虑生产工艺、生产线布置及安装施工吊车的要求等因素，最终的施工成本并未减少，甚至影响后期的使用效率和安全性[2]。

3.2 造价成本控制不佳

钢结构工程在现代工业厂房建设中扮演着越来越重要的角色，其成本控制的优劣直接影响整个项目的经济性和可行性。然而，当前我国在钢结构工业厂房的设计和施工过程中，造价成本控制存在一定的问题和挑战，这些问题不仅增加了项目的经济负担，还影响了工程质量和进度。

设计阶段是控制钢结构工程成本的关键环节。合理的设计不仅能够确保结构的安全性和功能性，还能有效控制成本。然而，目前在设计阶段往往缺乏高效的优化方法，导致设计方案在钢材选用、结构形式和连接细节等方面存在不足。例如，对于钢材的选择，未能充分考虑材料的经济性和可获取性[3]，导致使用了成本较高或供应不稳定的钢材；在结构形式的选择上，未能充分利用计算机模拟和结构优化技术，增加了不必要的成本。

3.3 未充分考虑环境因素

在钢结构工业厂房的设计过程中，应充分考虑环境因素。但是部分设计师在设计工业厂房的钢结构时过分注重厂房的结构和功能，忽略了环境因素对厂房可能产生的长远影响。不同地区的气候差异显著，有的地区湿润多雨，有的地区则干燥少雨，还有的地区四季分明，温差较大。这些气候条件都会对钢结构厂房的材料选择、防腐处理及保温隔热等方面提出不同的要求。然而，由于设计师对气候因素的忽视，可能会导致厂房在使用过程中出现腐蚀、生锈、漏水、保温效果不佳等问题，进而影响厂房的使用寿命和安全性。另外，土壤类型、地下水位、地震活动等地质条件也会影响工业厂房的地基设计和施工，如果设计师对地质条件考虑的不够充分，很容易导致厂房在使用过程中出现地基沉降、开裂和抗震性能不足等问题，严重威胁厂房使用的安全性。此外，工业厂房钢结构在设计过程中也要考虑风荷载、雪荷载等方面的环境因素，这些因素在特定地区尤为重要。如果设计师没有对这些因素进行充分考虑和计算，可能会导致厂房在使用过程中出现结构失稳、倒塌等问题。

4 工业厂房钢结构设计的优化措施

4.1 屋盖支撑系统的优化设计

在工业厂房中，屋盖结构由于其广泛的覆盖面积和直接承受外部荷载的特性，对整体结构稳定性的影响极大，优化屋盖支撑系统的设计不仅能提高结构的安全性，还能有效减轻结构自重，提高材料使用效率。

在设计屋盖支撑系统时，需要综合考虑以下几个关键因素：第1，跨度与高度的匹配。工业厂房的跨度和高度是决定支撑结构设计的基本因素。为了保证结构的稳固和稳定，设计时需要对工业厂房的结构特点进行深入分析。大跨度结构特别需要考虑如何通过支撑系统设计减少中间支撑[4]，以提升使用空间的灵活性，同时保证结构的整体稳定性。第2，支撑体系的构成。屋盖支撑系统的优化设计需考虑系杆、横向支撑、竖向支撑及垂直支撑的合理布局。系杆可以有效提高屋盖的整体刚度，分散荷载；横向支撑和竖向支撑则是确保结构在水平与竖直方向上稳定的关键。在设计时，要根据屋盖的实际结构形式和跨度大小，采用合适的支撑体系，确保每个组成部分都能发挥其应有的作用。第3，屋面形式的考虑。屋面形式直接影响支撑系统的设计和布置。常见的屋面形式有平屋顶、坡屋顶、曲面屋顶等，屋面形式不同，支撑系统的设计要求也不同。设计时还需考虑屋面的隔热、防水等功能需求，通过合理布置支撑系统，不仅要确保结构的稳定性，还要考虑屋面维护的便捷性。

4.2 柱间支撑的设计

工业厂房钢结构的设计中，柱间支撑的配置不仅关乎整体结构的稳定性和安全性，还直接影响厂房的使用效率和维护成本。在现代钢结构设计中，柱间支撑系统通过增加建筑结构的内部连接，显著提升了结构的整体刚度和稳定性，这种支撑体系对于抵抗横向荷载（如风荷载、地震力等）具有至关重要的作用，能够有效减少结构在横向力作用下的位移和变形，从而保证结构的安全和使用功能，此外，柱间支撑还能调节建筑内部的力学环境，减少某些区域的应力集中现象，避免因局部失稳导致的结构损坏。

在大跨度钢结构工业厂房中，温差带来的影响尤为显著。温度变化会导致结构材料的膨胀或收缩，从而引起结构内部的应力变化。对于长度超过150 m 的大型工业厂房，温差所引起的结构材料长度变化不可忽视，这可能会导致结构的额外应力，甚至产生不利的结构效应。因此，在设计柱间支撑时，必须充分考虑温差的影响，特别是在温差较大的核心区，通过合理设置下部立柱支撑，补偿温差引起的结构变形，确保结构整体的稳定性。

针对温差较大的情况，下部立柱支撑的设置成为关键。一般而言，建议在高温段中部约1/3 位置设置下部支柱，这样的配置可以有效平衡由温差引起的结构变形，提高结构的垂直刚度。在实际设计过程中，还需考虑支撑系统与屋面的侧向水平支撑之间的协调性，确保整个支撑体系能够统一协作[5]，分担和传递荷载。为实现这一目标，设计师需采用精确的结构分析和模拟技术，预测不同温度条件下结构的变形，以及支撑配置对结构性能的影响。通过这些分析，确定最优的支撑布局方案，这不仅会提升结构安全性和稳定性，还可以提升施工的可行性，降低施工成本。

4.3 工业厂房钢结构的防火设计

钢结构在工业厂房建设中的应用日益广泛，但其在高温下强度会显著降低，这一安全隐患不容忽视，因此，钢结构的防火设计成为确保工业厂房安全的关键。合理的防火设计可以提高结构在火灾情况下的稳定性，保护人员安全，减少财产损失。

在进行钢结构的防火设计之前，首先需要根据国家标准和行业规范确定厂房的防火等级。防火等级通常根据建筑的用途、火灾风险程度及可能导致的损失程度进行划分，根据厂房内部生产工艺的特点和存储物质的火灾危险性，进行细致的风险评估，确定钢结构所需达到的防火性能标准。

钢结构的防火措施主要包括被动防火和主动防火2 个方面。被动防火措施着重于通过物理隔离或材料的不燃性来阻止火势的蔓延，而主动防火措施则包括设置自动喷水灭火系统、烟雾报警器等，以便在火灾发生时迅速响应。被动防火措施中，使用高隔热、高隔温的防火涂料是一种常见且有效的方法。这种涂料在遇到高温时会迅速膨胀，然后形成致密的保护层，有效隔绝高温对钢结构的直接作用，提高钢结构在火灾情况下的耐火极限。同时，可以通过在钢结构表面喷涂或贴覆耐火材料、设置防火板隔离层等方式来提高其防火性能。

在钢结构的防火设计中，除了选用合适的防火材料，还需要通过优化结构设计和布局来增强其在火灾情况下的稳定性，包括合理安排钢结构的空间布局，避免因温度不均匀导致的结构变形，以及设计足够的结构冗余度，确保在部分结构受损的情况下，整个结构仍能保持稳定。在设计工业厂房时，需根据火灾危险性的不同，将厂房划分为若干个防火隔离区，每个隔离区内采取相应的防火措施，并通过设置防火墙、防火门等措施，限制火势在隔离区内的蔓延。这种方式不仅能有效控制火灾规模，还能为消防救援提供便利。

4.4 工业厂房钢结构的防腐蚀设计

在生产过程中，会生成一些复杂的物质。这些物质会对钢结构的安全性产生一定的影响，因此会出现钢结构的锈蚀，如不加以防治，就会威胁钢结构的安全。因此，要高度重视钢结构的防腐设计。一般情况下，钢结构周围的空气等都会对其产生影响，当钢材与腐蚀性物质接触时，二者会发生化学反应，所以需要对其进行科学的防腐设计。在钢材表面涂敷防腐蚀材料，可以有效控制钢材的锈蚀问题。具体的防腐涂料可选用溶剂、精细颜料等，这些高品质的防腐涂料隔离效果较好，可以隔绝氯离子、水分、氧气等，防止钢筋锈蚀。在实际应用中，应注重对涂层的厚度进行控制，一般情况下，户外钢结构外部防腐材料的厚度以150 ～200 μm 为宜；室内的环境比较稳定，钢结构外部防腐材料的厚度约在100 μm 即可；对埋在地下的钢结构进行保护时，通常要涂150 μm厚的防腐蚀涂料，这样才能保证其安全性，避免钢材在酸性环境中被腐蚀。与此同时，工业厂房的钢结构设计也要与该工业厂房的生产项目、实际用途等相结合，有针对性地进行设计。例如，对化工型厂房，要着重进行钢结构的防腐设计，保证结构的安全性和工业厂房的长期稳定使用，实现工业厂房钢结构设计的终极目标。

5 结语

在我国的工业发展中，钢结构工业厂房作为生产活动的重要空间载体，其设计和建造的合理性直接关乎工业生产的效率与安全。然而，现阶段我国钢结构工业厂房在设计与实施过程中存在一系列问题，这些问题不仅提高了施工成本，还影响厂房的使用功能和安全性，给企业带来了不必要的经济负担和潜在的安全风险。例如，部分设计方案未充分考虑实际生产需求，导致厂房在使用过程中需要进行改建和重建；设计方案在选材、结构形式和施工技术等方面的选择不合理，导致施工成本较高；对厂房的长期使用维护、环境适应性及扩展灵活性的考虑不足，导致后期需要进行调整和改造。针对我国钢结构工业厂房设计中存在的问题，需要加强对实际生产需求的了解，深入把握工业生产的特点，对工业厂房钢结构主体进行科学、合理的改进。通过该方式，可有效提高工业厂房的设计质量，降低建设和维护成本，确保厂房在使用过程中的安全性和稳定性。