工业厂房钢结构设计的现状及改进对策

周 安 楼

(攀枝花攀钢集团设计研究院有限公司，四川 攀枝花　617000)



工业厂房钢结构设计的现状及改进对策

周 安 楼

(攀枝花攀钢集团设计研究院有限公司，四川 攀枝花617000)

介绍了钢结构的特性，分析了目前钢结构厂房设计中存在的问题，从结构布局、截面设计、节点设计、支撑体系等方面，阐述了钢结构设计的改良措施，为钢结构的推广应用提供了条件。

钢结构，工业厂房，结构设计

0　引言

在这个以钢筋混凝土为主宰的时代，钢结构在建筑业中的重要作用是无法替代的。经济的发展促使大批的工业厂房建立，这对钢结构技术的应用也提出了更高的要求。钢结构的承重能力强，这为工业厂房的安全性提供了保障；另外，钢结构的安装机械化程度高，这在一定程度上加快了工业厂房的建设速度，缩短了施工期限，节省了大量成本。当然，钢结构技术并不是完美无缺的，它也存在一些问题，这就需要我们的技术人员在设计钢结构的过程中注意避免这些问题的发生，以便建设出安全高质量的工业厂房。

1　钢结构的特性

1.1钢结构的优点

如今钢结构的零部件都是批量生产，钢结构的安装机械化水平极高，事先设计好的钢结构模型能很快地拼接好，这大大减少了施工时间；钢结构自重较轻，这方便了施工人员的运输和安装；此外，它的承重能力和抗震能力极强，地震发生时它相对于混凝土更具可靠性，不会轻易倒塌；从经济因素考虑，钢结构强度高，可塑性强，可循环利用，这大大降低了工业厂房的建设成本。同时钢结构厂房是厂房中比较普遍的一种，这种厂房具有很多的优点，造型非常美观、色彩较为鲜艳、建筑体型多样化、工程造价较低、建设周期较短、机械化程度较高、安装施工较为简便、平面布局灵活易改造。并且钢材本身材质重量轻，材质密度均匀，实际受力比与力学计算模型较近似，易于计算处理。

1.2钢结构厂房的特点

1)厂房内部一般都比较宽敞，高度都会高于普通住房，而钢结构跨度大的特点刚好满足了这一方面的需求；另外其自身重量比较轻，体积适中，施工人员可随意拼接出各种不同的造型，能建设出不同形状的建筑，比如北京鸟巢，如今它已经是我国的标志性建筑。

2)目前我国的重工业厂房大部分都是钢结构建成的，这主要是由厂房特殊的需要所决定的。厂房多用于机械制造设备的放置，加工器械组装，这通常要求无障碍的宽广空间，纵向的钢铁柱状结构往往可以保证相当长的间距，这一点对于创建厂房空间是十分必要的。在合理的结构规划下，纵向柱状钢结构间距可以达到20 m的范围。

3)吊车作业通常是钢结构厂房中最基本的操作，大量的吊车使用量和较高的吊车使用频率对吊车的质量提出了严苛的要求。为了使厂房达到较好的使用情况，尽可能的选择承载能力较大的吊车类型，一般情况下，重级工作制即可满足绝大部分厂房需要。

4)钢结构，具有很强的承载能力，一般在厂房的设计建造时通常会使承重构件具有较大的横截面积，这进一步提高了钢结构的承载能力。较强的可塑性使钢结构承重在几何学方面有很大的提升，最为基本的三角钢结构已随处可见。

5)虽然钢结构有很多优点，但是也不能忽略一个致命的潜在问题，那就是钢材不耐火。很多人都认为钢材既不是易燃材料怎么会不抗火。钢材虽然属于不可燃材料，但是在高温的环境中，其力学性能就会发生变化，比如屈服强度，弹性模量等都会随着温度的升高而降低。当温度达到500 ℃以上时，降低幅度更为明显，一般在15 min左右就会丧失承重能力而发生垮塌。

图1为钢结构厂房的实例图。

2　我国当前钢结构设计问题分析

2.1钢结构厂房的结构设计

由于工艺布置等方面的要求，为了拓展厂房的空间，钢结构厂房一般会采用框架结构，此外，如果厂房的层数比较多且能达到一定的工艺条件时也能采用框剪结构。钢结构厂房设计对其结构布置的要求是要对称均匀地布置柱网，并使厂房的质量中心与刚度中心接近，达到降低厂房空间的扭转作用的目的。钢结构厂房的结构体系需要具备规则、简捷以及传力明确的特点，防止凹角、收缩以及现应力集中或者由于竖向过多而导致的内收或外挑等现象的出现，提高竖向刚度的稳定性。而在多层厂房中，由于其柱距方向尺寸小，柱子多、跨度方向尺寸大，柱子少的特点，所以一般对其采用横向控制的方式，实现纵横向的抗震能力的一致，提高钢结构厂房的抗震性能，促进钢结构厂房设计的经济性和合理性。

2.2理念的缺失

我国的钢结构设计一般分为两级，首先一般设计部门根据建设需要进行工图的设计，在工图设计满足规范后移交专业的钢结构设计单位，由具有资质的专业机构进行二次详图设计。这为数不多的环节中存在着诸多问题，设计院的初步结构设计往往只有一些较为简单的结构布局，设计人员缺乏对钢结构的基本认识，单从设计方面出发而未融合钢结构的一些特有属性导致钢结构的优点无法充分发挥。许多工程设计人员存在理论知识基础不牢、缺乏实战经验、缺乏严谨求实的精神，甚至有许多应届的大学生也参与到设计项目中来，这往往会导致钢结构项目在设计的时候就存在很大隐患。在工图设计与二次详图设计交接的过程中同样存在着诸多问题，设计院设计图纸不规范现象普遍存在，设计人员经常用一些简单的线条，结点进行设计表达，这为二次的详图设计带来很大麻烦。国内施工单位的水平同样参差不齐，某些规模较小的施工单位甚至还缺乏信息化的基本条件，不具备整套的计算机软硬件设备。由于施工单位偷工减料而产生的“豆腐渣”工程也广泛的存在于钢结构设计的施工中。钢结构的设计对工程质量是否合格有着潜移默化的影响，我们必须以高标准来要求钢结构设计，以免工程质量不合格造成经济损失和人员伤亡。

2.3钢结构的耐火性和抗腐蚀性有待提高

通常看来，我们都认为钢结构抗火性强，其实不然，在厂房建设中它的抗火性却成为为数不多的缺点。沸水的温度一般为100 ℃，在我们看来这个温度极高，会严重烫伤我们的皮肤。然而，对于钢铁，这是远远不够的。一般情况下，钢结构的温度达到400 ℃以上，那么它的强度只是常温下强度的一半；当温度高于600 ℃或甚至更高时，钢结构的强度就会为零。火灾对建筑物具有毁灭性打击，一旦建筑物着火，不仅会造成经济损失，还会造成许多人员伤亡，所以在厂房建设中耐火因素必须考虑到。在大型建筑物中，我们要做到未雨绸缪，提前准备好可以对钢材料表层涂隔热的特殊材料，这样即使温度达到一定的高度，对钢材性能的影响也会大幅减弱，不会造成钢材料强度的降低。

另外，钢材料具有一定的腐蚀性。一般建筑物都是暴露在空气中，钢材料在空气中会氧化；遇到雨季，钢结构就会出现大面积的锈渍。这就要求我们对钢材料采取一定抗腐蚀措施，以免钢材料的严重腐蚀影响它的载重能力，造成建筑物坍塌的情况。钢材料生锈还影响建筑物整体的美观性。目前，我国最普遍的方式就是对钢结构添加保护层来使其减慢腐蚀，避免快速氧化。一般的保护层分为金属保护层和非金属保护层，此外还有化学保护层，保护层的选用要根据建筑物具体情况来决定。我们要知道，并不是对建筑物添加了保护层，它就不会被腐蚀，这只是减慢了腐蚀的时间，我们要对建筑物进行基层除锈，合理保护建筑物。

2.4钢材料的传导性

我们都知道在空旷的钢结构建筑物里面，大声说话可以听到回音，这就是由钢材料良好的传导性决定的。另外，温度也可以通过钢材料进行传递，我们可以合理利用这一原理。比如在寒冷的冬季，我们可以将钢材料外部的热量传递到内部，从而增加室内温度。一般在大型公共场合，其空间相对较大，这就为声音的传递创造了条件，通常我们会利用反射板来解决回音的问题。

3　钢结构设计的合理改良

3.1结构与布局的改进

钢结构在形式方面的选择具有一定的科学依据，不同的形式具有不同的作用。钢结构一般可分为网架、框架和平面架，我们要根据厂房的实际情况选用科学合理的钢结构形式。荷载的大小是在进行钢结构形式选择时首要考虑的问题，钢结构的设计一定要均匀，一般荷载较大的情况下选用网架最为合适，其能使钢结构充分发挥最佳作用。

3.2钢结构截面设计

钢结构截面的合理设计极为关键，它必须根据各个支柱间的距离、跨度以及支柱的高度来决定。为了确保截面设计的精确性，必须对支柱各方面的测量更加细心，决不能出现误差。测量时几毫米的误差反映在建筑物上就会被放大，会使这个建筑物处于危险状态。所以，我们在对截面的设计中要格外的细心，以免因小的误差引起大的事故。另外，合理的截面设计会使整个建筑物看起来更加美观。

3.3整体结构的改进

建筑物主要框架是由钢结构支撑起来的，可见钢结构的整体设计对整个建筑物尤为关键。钢结构设计问题极为严肃，一定要聘请资深的设计人员进行设计，决不能为节约成本，聘请非专业人士，以免对整个建筑物产生不利影响。目前钢结构设计一般以线性弹性分析为主，部分设计软件同时也考虑到几何非线性分析，这大大提高了钢结构设计的精确性。为设计出最佳方案，我们可先用不同的设计软件进行建模，然后请资深的专业人员再对其建模完成的数据进行分析，从而选择出最适合厂房实际需求的方案。

钢结构本身可以循环利用，是一种环保的建筑物料，也是我国使用最多的建筑材料。建筑物的安全性不容小视，一个建筑可以在外形上不美观，但一定要安全可靠。在多层建筑钢结构的设计时，可以采用纯框架和支撑框架二者合一，以加强钢结构的稳定性。北京鸟巢是钢结构设计最为完美的代表，它不仅外观漂亮，抗震性也极高。

3.4节点方面设计的改进

钢结构设计时要考虑到节点这个因素，如果钢结构设计时分析不准确，就会使实际设计出来的节点与事先设计的节点不一致。节点的连接方式对整个建筑的安全性有着不可忽视的影响，所以一定要根据结构传力特点的不同选择合适的连接方式，一般可以选择刚接、半刚接和铰接三种连接方式其中的一种。节点的设计要考虑到施工人员的施工条件和施工环境，以便施工人员进行合理施工。

3.5钢材的保温隔热与防火及有关举措

钢材的导热性能优良，当其处于温度不一样的情况下时，钢架构的抗拉性与塑性均会产生很大的变化，大致包括4个层级：第一，受热温度高于100 ℃；第二，受热温度在100 ℃～250 ℃区间内；第三，受热温度在250 ℃～500 ℃区间内；第四，受热温度高于500 ℃，而且在这4个温度等级内钢架构的抗拉性与塑性均会产生不同的变化，相应的对钢架构造成程度不一的影响。其中当钢架构所受温度在2～4区间时钢架构会分别产生蓝脆反应、渐变反应、钢材节后塌落反应。从这可以知道，当钢架构所处环境的温度在100 ℃以上的时候便一定要采用科学的隔热举措，来提升钢材的抗热性，防止钢架构受热产生较大变化。

钢架构的防火一般有下述几种方式：构建自动喷水灭火体系、设立防火带、设立防火墙、防火门、单独水幕。其中设立防火墙是最简便、高效、最经济的方式。通常在厂房高度低于8 m亦或仅需要划分两个区的状况下，可设立智能喷水体系，让防火面积增大1倍，以达到有关规定。

3.6屋盖支撑体系设计

在屋盖支撑机制设计过程中，对支撑体系的选取与屋面防水问题应当谨慎考虑。通常来说，屋盖支撑体系的设计和生产车间高度及跨度、屋盖架构方式、吊车设立和吨位等要素相关，并且在大部分状况下，不管有无檩条的屋盖架构均应当设计为纵向支撑机制。在没有檩条支撑的机制中，尽管大规模屋面板有3点与屋架焊在一起，发挥了上弦支撑的功能，可是因为作业条件的制约与装设的需要，不管有无檩条的屋盖均应当在屋架上弦与天窗架上弦设立上弦水平方向支撑。此外，如果厂房屋架距离在20 m以上亦或内部设立有大吨位吊车亦或大规模震动设施，这种状况下均应当在厂房内设立垂直方向的支撑。在屋盖支撑设计过程中一定要设置好屋面坡度，天沟方式、单坡屋面长度，这是由于此些要素对于房屋防水功能的优劣有很大程度的影响。依据相关要求，屋面坡度最小为5%，但是实际状况应当依据各个区域的特点进行有关调整。厂房所在地方的最大气温差与降水量的多少是生产车间单坡屋面长度的主要影响要素，可是整体而言单坡屋面长度应当管控在70 cm以内，比70 cm长的应当特别处置。

4　结语

钢材料相对于混凝土具有许多优势，它的强度高，载重能力极强，可塑性高，而且它是环保建筑材料，这使得它在我国建筑业中应用广泛。另外，钢结构可以循环利用，其顺应了可持续发展道路的发展方向。随着人们生活水平的提高，人们对建筑物的观赏性提出了更高的要求，钢结构可以满足建筑物美观方面的要求。虽然钢结构也存在一些问题，但是专业人员可采取一定的措施来改变现状，由此看来，钢结构在建筑业的应用前景相当乐观。

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[2]彭伟宣.小议钢结构建筑构件的防火措施[J].中国新技术新产品，2010(19)：107.

[3]张晓红.钢结构建筑火灾危险性和预防措施[J].消防技术与产品信息，2013(10)：57-59.

The present situation and improvement countermeasures of industrial plant steel structure design

Zhou Anlou

(PanzhihuaPangangGroupDesignandResearchInstituteLimitedCompany,Panzhihua617000,China)

This paper introduced the characteristics of steel structure, analyzed the existing problems in current steel structure workshop design, from the structure layout, interface design, node design, support system and other aspects, elaborated the improvement measures of steel structure design, provided conditions for the promotion and application of steel structure.

steel structure, industrial plant, structure design

1009-6825(2016)08-0063-03

2016-01-08

周安楼(1963- )，男，工程师

TU391

A