工业厂房建筑结构形式的选择及处理

秦弢

福陆（中国）工程建设有限公司 上海 201103

引言

随着我国工业经济的持续发展，各类工业厂房的形式也相继出现，可靠合理的结构形式也保证了厂房在生产过程中安全和效率，从而体现了其生产价值。一般而言，工业厂房从材料方面分为纯混凝土结构、钢混结构、纯钢结构这三种；从结构形式上可分为门刚结构、排架结构、框架结构及框剪结构。不同的结构形式运用于满足不同的生产需要，本文就工业厂房各种类型来谈一谈工业厂房建筑结构形式的具体选择与处理。

1 工业厂房的分类

对于工业厂房来说，主要包括一些生产车间，原料和成品仓库，配电间，控制室，辅助用房及一些配套设施用房等。各种厂房的用途功能都不同，但都占据着很重要的地位[1]。

对于生产车间来说，应该是一个工业区的核心建筑物或构筑物，担负着生产加工的重担，因此，生产车间往往设备及管线的数量众多且载荷较大，占地面积往往也是该工业区中最大的。车间内的设备一般都是反应装置，有的甚至是个高耸的塔式反应器，对于拥有这类体积较大且满物料生产时又较重设备的生产车间，混凝土结构是首选，因为混凝土有着极其良好的抗压性能。混凝土结构的优势在于稳定可靠，承压能力强，另外，一般生产车间内的各种物料在化学反应时会存在易燃易爆的危险性，混凝土结构的耐火性好，且还能进行抗暴设计，很容易满足这方面安全设计的要求。但由于混凝土结构的构件截面往往较大且自重也较大，因此一般不用于高层生产车间的设计。对于载荷中等以下且高度较高的生产车间，钢结构或钢混结构可以作为首选。钢结构有着良好的弹性变形能力，且在设计过程中也能灵活多变，根据结构受力的需要可以很轻松释放不同的内力，从而实现刚接节点和铰接节点的互换。另外，钢结构相对混凝土结构来说，施工方便，周期也短，性价比往往高于混凝土结构，因此近几年钢结构的运用也越来越多。如果一个生产车间内底部几层有着重型设备，那就可以考虑采用钢混结构，底部承载重型设备的楼层采用混凝土结构，上部结构采用钢结构，如此可以兼顾稳定和灵活。

对于原料和成品仓库而言，一般都是用来堆载物料的，还有一些简单的辅助用房或配套设施用房，此类建筑物的功能和要求都相对简单，因此钢结构是这类厂房的首选，因为这类厂房的设计成熟，施工简单，周期较短，往往在厂区建设过程中能尽早地被投入使用。但由于钢结构的耐火性差，即长时间高温下钢结构的承载力会下降特别明显，另外腐蚀生锈对于钢结构的强度影响也很大，因此在钢结构的运用过程中，必须要进行防火设计及防腐蚀处理，我们国家建筑防火规范也根据不同的要求进行了相应的规定，任何的生产需求都不能以安全为代价。

对于变电间这类厂房建筑，其内部往往都是机电柜和配电柜，其担负着整个厂区的供电需求以及备用电源的作用，一般厂区的主电缆都是通过这类建筑物分配到各个厂房中去的。由于电缆众多，配电柜又是井然有序挨着排放的，一旦发生短路或火情，极其容易造成爆炸，导致对周边设施设备的损害，甚至威胁到厂区内工作人员的生命安全。因此近几年此类建筑物的设计往往都有抗爆设计要求，此时混凝土结构就是唯一的选择。在被抗爆设计过程中，混凝土结构是被允许发生一定的变形和破坏，从而吸收了爆炸产生的能量，降低了对周边设施设备的危害。

对于控制室这类有着精密仪器的建筑物来说，它是操控和监测整个厂区设施设备的中心建筑，且该建筑内往往人员活动较多，因此安全等级和保护要求也非常高，尤其在危害发生时，必须保护内部人员的安全。这类建筑物一般都不会很高，因此混凝土结构往往成为首选，有的甚至也有防爆和抗爆的设计要求[2]。

2 工业厂房建筑结构形式的选择

一般来说，工业厂房可以分为单层工业厂房和多层工业厂房，在具体的建设过程中，将根据其功能和要求以及产品特性来对两者进行选择。

2.1 单层工业厂房结构形式的选择

对于单层工业厂房来说，它的结构形式主要包括门式刚架结构和排架结构。它们的主要特点是结构简单，设计和施工的技术成熟且难度较低，施工周期也短，是应用较为广泛的一种结构形式。从结构体系方面来说，两者几乎一样，都是将一榀榀门型钢架用一系列系杆和支撑系统进行纵向串联组成。从受力上来说，横向平面内的钢架承担着抵抗横向水平荷载的作用，而纵向的水平荷载则由前后山墙和抗风柱传导至屋盖系统，再传导至两侧的柱间支撑系统，最后传导至基础。由于其受力简单明了，因此这类结构形式往往用于一些荷载简单的工业厂房，例如一些仓库类的建筑。门式钢架结构的特点在于其一般采用轻质钢材进行设计和建造，因此成本较低，可用于无特殊要求的普通仓库。当然门式钢架结构也可以用在一些有吊车运输要求的单层厂房，一般采用起吊载荷不大的单轨吊或桥式吊车。对于有重型起重机或起吊荷载较大的单层厂房，往往会选用承载力较高，结构受力更强的排架结构了。它可以是钢结构，也可以是混凝土结构，其两侧立柱分为上柱和下柱，上柱截面较小用来承载整个屋面，下柱截面较大，一般重型起重机或大型桁车的轨道梁就架设在下柱顶部。总的来说，单程工业厂房的结构较为牢固，同时也可以联合多个单层厂房进行定向设计和标准化生产，从而降低整个工业中的综合造价。

2.2 多层工业厂房结构形式的选择

相对于单层厂房而言，多层工业厂房的特点是结构受力复杂，承载力较高，功能性较强，在轻重工业领域都有着广泛的运用。很多工业厂区内都有着和民用建筑一样的办公楼，也有很多底层是大开间的生产车间，上层是办公区域的建筑，这类半工半民的建筑都可以采用多层厂房的结构形式。还有一些控制室和配套用房等在特殊的要求下也可以采用多层结构[3]。

多层框架结构一般分为混凝土结构和钢结构，混凝土结构从设计角度来说一般都是双向全钢设计，几乎很少出现柱间撑，这就为生产建设提供了很有利的空间条件。很多大型工业生产车间或者大型的反应装置都有着复杂烦琐的生产管线，在混凝土框架结构中就可以进行很好的空间利用和合理的空间布局。但混凝土框架的缺点也是显而易见的，由于无支撑系统，在纵横两个方向共同作用力下，柱子承担着主要的受力作用，因此两个方向上的截面高度都不可能小，一般都是采用正方形或者接近正方形的矩形截面，这样就占据了楼层一定的使用面积。另外，混凝土梁构件的截面高度也受到了跨度的限制，在有大跨度要求的地方，如果非要做混凝土梁，那该梁的高度在设计过程中可能会变得很高，这样既不经济也不合理，同时还会影响生产所需的高度要求。当然双向全刚接框架也可以是钢结构的，此时同样也会对钢柱有着很高的承载力的要求，但在一些特殊要求的场合下，钢结构会比混凝土框架有些优势，就比如之前的大跨度要求。因此在楼层相对不是很多也不是很高的情况下，承载力要求较高的可采用混凝土框架结构，而承载力要求较低的就可以采用钢框架结构。

钢框架结构的另一种形式是带有支撑体系的，即在设计初期根据实际情况，将平面内的一个方向作为主受力方向，采用无支撑系统的刚接设计，而另一个方向则设计成有支撑系统的铰接设计。如此一来，可利用结构体系的变化来降低对柱子承载力的要求，另一方面，支撑系统抵抗侧向水平力的能力也远远大于柱子的抗侧能力，这种结构设计对于用钢量也有所减少，是目前被普遍运用的一种钢框架结构体系。如果有些工业生产厂房对该钢框架结构体系的位移有严格变形要求的话，也可以将支撑系统平面内的铰接设计改为刚接设计，同理，也可以在刚接设计平面内增加柱间撑，再结合强大的楼面刚度，如此就更有效地提高了该结构体系的抗变形能力，满足生产和运用所需的要求，钢结构的灵活设计也意在如此。双向支撑系统的设计也普遍运用在高层工业厂房中，且效果良好。

还有一种结构形式是框架—剪力墙结构，这种结构往往采用混凝土结构，能抵抗较大的侧向水平荷载，一般适用于高度及宽度较大的厂房。目前，很多工业厂房对于楼梯间的逃生安全要求较高，楼梯间的抗震设计要求也被相应提高，因此很多时候楼梯间就可以进行剪力墙设计，另外，很多高层的工业厂房除了楼梯间外，还有电梯间，电梯井道的设计也可以采用剪力墙。这种结构有着很可靠的抗侧变形的元素，因此对于占地面积较大，楼层较高，楼梯间较多且拥有电梯间的工业厂房是个不错的首选。

对于大跨度生产车间进行结构处理时，就需要引用一些全新的结构体系以及设置特殊的安装层，以处理建筑的功能和空间使用难题。处理大跨度生产车间的结构时可以采取网架结构体系。这种结构是一种空间的杆系结构，在厂房四周设立柱作为支撑点，使得整体的结构具备重量轻，强度大，跨度大，立柱少的优质特点。而且在施工过程当中，网架结构体系所用到的网架杆件和球形节点均可在工厂中，经过简单加工而制成。对于现场拼接来说，也容易操作，而且这种结构体系也符合大跨度生产车间所需空间大的特点，对于企业的技术改造和创新来说，都有充分的空间[4]。

2.3 结构形式的组合运用

近几年，在很多工程实例中，多种结构体系的组合运用已变得越来越普遍，合理得结构组合会使得该厂房能满足更多的使用要求。

例如，位于上海市金山化工区某工业厂区的主生产车间，其占地面积约为3850m2，长约70m，宽约55m，主屋面高度约为12m，厂房中心局部有高出屋面的长条形天窗。该生产车间内有多台重达30至100t的反应器设备嵌固在二层楼板上，在生产过程中，物料从二楼加入设备，成品料从底层输出，因此二楼有着运输大量物料的要求，需要经常行驶中型叉车，该楼面活荷载设计值为2t/m2，属于重型载荷的生产车间。另外由于物料有易燃易爆的特性，业主方对该车间提出了定向泄爆的要求，以避免危害发生时对周边重要建筑的影响，因此该厂房在设计时将混凝土框架结构作为主要的结构体系，这样在满足高承载力的同时，还能进行局部抗爆的设计要求。在该厂房的南北两侧以及局部高出屋面的天窗部分，采用了门式刚架结构中常见的轻钢结构体系，即南北两侧的墙体采用墙檩加轻质彩钢板结构的设计，屋面天窗则采用了门式钢架结构立于混凝土框架结构之上，这样在爆炸发生时，轻质墙体和轻质屋面部分就可以满足定向泄爆的要求。由于该厂房占地面积较大，按消防安全规范规定，在一定范围内必须设有逃生通道或大门，因此该厂房在四个方向上均设有楼梯间，在南侧的泄爆墙处还额外设有电梯井道，平时是用来运输物料的，此时为了满足该区域的安全及抗爆的要求，将楼梯间及电梯井道均设计成剪力墙结构。最后再次总结下该生产车间厂房的结构形式：以多层混凝土框架结构为主，局部剪筒结构，再结合泄爆的门式钢架结构，满足了生产和降低危害的要求[5]。

3 结束语

在工业厂房结构形式的选择中，对设计人员有着较高的要求，必须要对各种结构体系有着很清晰明确的认知以及熟练的运用。另外在实际工程设计中，决定某个厂房的结构形式往往非一朝一夕立刻能给出结论，首先要了解设计前的一些输入条件和要求，然后可能会经过多种结构组合的反复计算及优化调整后，才能得出最终的结构形式。在这过程中，要多与业主及别的专业工程师沟通协调，同时结合施工要求，不停地调整方案，以达到最经济、最可靠也是最佳结构形式的目的。