单层钢结构厂房结构优化设计方法探讨

毛曾依

（桂林经开投资控股有限责任公司 广西桂林 541805）

单层钢结构厂房是当前最为常见的一种厂房结构设计，在近些年的冶金企业的热轧、冷扎和硅钢所使用的厂房都是单层钢结构厂房，此外还有一些门式钢架厂房也是选择的单层钢结构厂房。因此，对于单层钢结构厂房国家的相关规定也逐渐得到了完善，对于技术规范的规章制度设计也越来越成熟，例如在门式钢架厂房中，《门式钢架清醒房屋钢结构技术规程》对于其吊车的重量和柱距都进行和规范，在计算时应该按照相关的设计规范进行设计。而也正是在这样的背景下，单层钢结构厂房设计的发展也越来越成熟和规范化，对于冶金厂房这种生产工艺复杂，管线较多且跨度较大，对于采光要求和通风要求也更高的厂房设计，在进行单层钢结构厂房设计中也需要进行优化设计，从而更好地满足不同厂房需求。本文正是就单层钢结构厂房结构设计的流程展开的简述，同时针对不同的流程给出相对的厂房结构优化设计方案。

1 确定厂房柱网布置

在进行单层钢结构厂房设计之前需要能够对场地条件和总图进行充分了解，并确定柱距，同时要尽量避免在设计的过程中，将柱子布置在场内道路宽度范围内。此外，便需要根据轨顶的标高、轮压和厂房高度等数据，对柱间的支撑角度进行合理的分析与计算，进而确定合适的柱间距。

首先，关于柱间距的设计，按照笔者从业的经验来讲，对于那些轨顶标高不高，且不是特别大的单层钢结构厂房，我们的柱间距可以选择为12～15m左右，而具体的数值则根据工程的变化和数据进行优化选择。同时，柱间距的选择还需要考虑到施工和建筑场地的条件和使用要求，对于这种无法进行大量数据对比的施工，需要在初步的设计阶段，便通过各部门的专业沟通，合理地控制工程预算，进而推断不同柱间距的整体耗钢量，例如在进行专业建筑设计之前，可以充分地考量对于天窗的设计，若是能够取消天窗，那边尽可能地不去设计天窗，若是非要使用天窗，也可以选择自重较轻的成品通风，避免使用传统的厚重的天窗。

其次，在进行拔柱的设计时，需要首先了解工艺的基本要求的宽度是多少，在满足基本工艺要求的基础上，便可以实现少拔柱甚至是不拔柱，以便于进一步地降低单层钢结构厂房的重量，从而减少对于钢量的使用消耗。同时，少拔柱和不拔柱对于单层钢结构厂房设计优化具有重要的现实意义，其能够实现结构整体计算和刚度的优化，同时降低耗钢量。柱距的选择也没有必要坚持在传统的模数，可以在超过基本柱距的柱子上，按照工艺基本要求进行合理的布置，从而减少计算工作量和构建种类。

2 确定厂房最小柱肢宽度和最小的厂房高度

确定厂房的高度是当前单层钢结构厂房设计的首要难题，对于工艺的要求是极为基础性的，换句话说，先要弄清楚并确定最小的厂房高度，便需要能够确定工艺的要求，同时也要求能够更好地确定准制造厂的吊车资料，这样一来才能够更好地实现对于厂房最小高度的确定。一般而言，要求建筑专业能够按照工艺专业先行，同时还需要能够具体的分析厂房内部结构各种相关系统是否符合标准，建筑和工艺专业又是否准确，这样才能够更好地完成对于单层钢结构厂房最小高度的确定，而这时往往需要能够放大样本。

此外，厂房的高度与吊车桥架上校车的净空要求具有直接的关系，如果是单轨吊时，由屋面单轨吊检修走道以下的净空控制，而在走道上则是按照走人的净空要求选择，同时还需要照顾到单轨标高之间的关系，而对于屋面结构的挠度等因素的考虑更是基本要求。另一方面，我们还需要对横向肢距进行合理的控制。首先，若是横向肢距太小，便很容易造成管线布置出现问题，不利于管线的布置，其次便是对于高跨厂房，往往需要很大的横向刚度，因此需要尽可能地保证横向肢距能够在宽度这方面达到标准。而在确定了较大的下柱横向刚度之后，下柱的界面大小也可以通过单肢平面外稳定即肩梁高度进行控制，所以对于单层钢结构厂房设计而言，一般下柱中部都设有纵向的管桥，这样一来便能够减小下柱平面外的设计长度问题，实现对于下柱界面的直接且有效的控制。而在屋面衡量和上柱分配的弯矩之间的关系控制时，断面可以小一些，对于减少耗钢量具有直接的意义。

3 单层钢结构厂房基础埋深的设计

基础埋深与建筑物的高度具有直接的关系，与地基的相关施工条件之间也有关系，为此在进行单层钢结构厂房设计时，需要能够对基础埋深进行充分的考量，同时还需要能够兼顾不同地区的不同特色，具体情况下具体分析，这样才能够更好地实现对于单层钢结构厂房设计的优化和完善。例如，在北方寒冷地区需要能够考虑冻土的深度，冻土的深度将会直接影响单层钢结构厂房基础埋深的作用效果，同时按照现行的混凝土结构设计规范中，对于严寒地区和露天环境的考量中，其对于混凝土的配比还需要根据不同的限制条件，进行综合调整，这一点在单层钢结构厂房设计中不要忽略，尤其是在北方进行工程设计时，需要格外的注意。同时，在厂房基顶面标高的设计中，我们一般设计的高度为一米到一米五左右，钢柱的脚埋在土里还需要混凝土保护，这样一来对于靠近设备基础埋深的柱基表面和柱肢之间的布置管沟，都能够实现混凝土的优先保护，而在没有管沟或者管沟可以绕过的地方，我们的基础顶面则可以适当的做高一点，这样一来能够适当的节约钢材，减轻单层钢结构厂房的重量。

4 单层钢结构厂房设计系统优化分析

根据上述所说的原则，笔者选择了某大型的钢铁厂的主厂房的设计作为了案例进行了分析。首先便是柱网的确定，由于主厂房的面积约21万m2，其跨度分别为27m、30m以及42m，轨顶的标高则为13m左右，因此在选择柱距时选择了15m的柱距，这样一来能够更加的节省柱子数量，同时也能够更好地利用土地资源。而在厂房的框架结构体系方面，本工程选择的是排架结构而不是钢架结构，这主要是由于本工程的车间轨面较低，相关的框架体系决定了，排架结构比钢架结构更加经济，例如在厂房的上部结构则能够节省超过5%的钢材，基础的结构也比钢架结构要省一些，而除此之外的主要原因便是由于排架结构体系中，一般没有传递的弯矩给柱子，所以在设计上柱断面时也可以设计的更小，相关的架构体系也就更小，设计起来也更加的经济合理。而在基础的系统方面，本工程的基础底面标高约为1.5m，同时为了更好地节约成本，在基础的设计中采用了新的基础作法，在基础短柱中进行开孔，虽然这样一来增加了不少的钢筋，但是总得工程总量却还是减少了不少。

5 结语

总而言之，在进行单层钢结构厂房设计中需要进行优化设计，从而更好地满足不同厂房需求，而结构设计的合理同时还能够更好地达到经济合理的目的，使得不同的工程在不同的使用条件下，都能够处于最优的状态。而在近些年的优化设计研究中，结构的优化方式很多，单层钢结构厂房国家的相关规定也逐渐得到了完善，对于技术规范的规章制度设计也越来越成熟，单层钢结构厂房设计的发展也越来越成熟和规范化，对于结构设计的优化也就更为完善。