試論鋼結(jié)構(gòu)工業(yè)廠房的設(shè)計(jì)理念的優(yōu)化

摘 要：隨著社會(huì)主義現(xiàn)代化建設(shè)進(jìn)程的不斷推進(jìn)，我國(guó)鋼鐵工業(yè)得到了進(jìn)一步的發(fā)展，鋼結(jié)構(gòu)建筑逐漸被成為了一種新型的建筑類型。鋼結(jié)構(gòu)工業(yè)廠房由于其構(gòu)建面積狹小，空間利用效率高，同時(shí)造價(jià)相對(duì)低廉、抗震性能優(yōu)越、廢物回收率較高等特點(diǎn)，因而在建筑領(lǐng)域得到了廣泛的好評(píng)。在現(xiàn)階段，這種綠色節(jié)能建筑的應(yīng)用前景相對(duì)較為廣闊。在鋼結(jié)構(gòu)工業(yè)廠房設(shè)計(jì)過(guò)程中，要想提高廠房的質(zhì)量以及安全效益與經(jīng)濟(jì)效益，就必須要綜合各種影響因素，不斷優(yōu)化其設(shè)計(jì)理念。本文主要通過(guò)結(jié)合鋼結(jié)構(gòu)工業(yè)廠房設(shè)計(jì)過(guò)程中的重點(diǎn)以及難點(diǎn)，從而論述其設(shè)計(jì)理念，旨在促進(jìn)鋼鐵工業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。

關(guān)鍵詞：鋼結(jié)構(gòu)；工業(yè)廠房；設(shè)計(jì)理念；優(yōu)化

中圖分類號(hào)：TU391 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1671-3362（2013）12-0011-02

一般而言，就鋼結(jié)構(gòu)性能來(lái)講，主要體現(xiàn)在3個(gè)方面：承載性能高、穩(wěn)定性能優(yōu)越、安全性能可靠。隨著科學(xué)技術(shù)的不斷進(jìn)步以及社會(huì)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，多層鋼結(jié)構(gòu)工業(yè)廠房如雨后春筍般崛地而起，已經(jīng)逐漸成為了一種我國(guó)當(dāng)前工業(yè)廠房建設(shè)發(fā)展過(guò)程中的新型建筑類別。在鋼結(jié)構(gòu)工業(yè)廠房設(shè)計(jì)過(guò)程中，相關(guān)的設(shè)計(jì)人員要考慮到廠房的節(jié)點(diǎn)構(gòu)造、支撐體系以及樓面構(gòu)造等諸多內(nèi)容，從而不斷優(yōu)化廠房的設(shè)計(jì)思路以及設(shè)計(jì)參數(shù)計(jì)算方法，從而從根本上保障保鋼結(jié)構(gòu)工業(yè)廠房整體的穩(wěn)定性、可靠性以及安全性，最大限度地提高廠房的安全使用性能，實(shí)現(xiàn)鋼鐵工業(yè)的穩(wěn)步發(fā)展。

1 鋼結(jié)構(gòu)工業(yè)廠房概述

1.1 鋼結(jié)構(gòu)工業(yè)廠房特點(diǎn)

就其鋼結(jié)構(gòu)工業(yè)廠房而言，具有很強(qiáng)的優(yōu)越性，主要表現(xiàn)在4個(gè)方面：

1.1.1 對(duì)于施工速度來(lái)講

鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件可在廠房里可以實(shí)現(xiàn)批量生產(chǎn)，因而施工工藝簡(jiǎn)單，同時(shí)安裝便捷，在一定程度上縮短了施工的周期。

1.1.2 在材料上

鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件結(jié)構(gòu)體系主要運(yùn)用輕鋼，與其他鋼材料性能相比，具有很大的優(yōu)越性能，其自身的重量相對(duì)較輕。從本質(zhì)上來(lái)講，工業(yè)廠房結(jié)構(gòu)運(yùn)用輕鋼材料，在一定程度上有助于減輕鋼結(jié)構(gòu)工業(yè)廠房的自重。

1.1.3 就其結(jié)構(gòu)上來(lái)看

鋼結(jié)構(gòu)工業(yè)廠房主要運(yùn)用輕型圍護(hù)結(jié)構(gòu)。具體而言，采用夾芯金屬板作為主要的圍護(hù)材料，其材料自重相對(duì)較輕，且承載力較高，對(duì)鋼結(jié)構(gòu)工業(yè)廠房的基礎(chǔ)要求水平不高，有助于縮短施工工期，提高施工質(zhì)量。

1.1.4 立足于環(huán)保角度

鋼結(jié)構(gòu)體系從本質(zhì)上歸屬于綠色環(huán)保建筑，作為一種強(qiáng)度與效能均高的建筑材料，其再循環(huán)價(jià)值相對(duì)較高。通常情況下，無(wú)需進(jìn)行制模施工。

此外，在廠房用途的影響下，鋼結(jié)構(gòu)工業(yè)廠房每層高值都相對(duì)較大，廠房空間得到了極大的拓寬，廠房結(jié)構(gòu)性能優(yōu)越。

1.2 鋼結(jié)構(gòu)工業(yè)廠房設(shè)計(jì)內(nèi)容

在鋼結(jié)構(gòu)工業(yè)廠房設(shè)計(jì)過(guò)程中，要綜合考慮廠房設(shè)計(jì)的特點(diǎn)，分析廠房設(shè)計(jì)的實(shí)際需要，基于全面把握各個(gè)影響因素的前提下，從而優(yōu)化整體的結(jié)構(gòu)布置以及參數(shù)計(jì)算的辦法，盡可能地避免廠房設(shè)計(jì)質(zhì)量出現(xiàn)不合格的狀況，最大限度地提高鋼結(jié)構(gòu)工業(yè)廠房的使用性能。由此可知，在鋼結(jié)構(gòu)工業(yè)廠房設(shè)計(jì)的過(guò)程中，要主要兩個(gè)方面的內(nèi)容：

1.2.1 注意廠房的結(jié)構(gòu)體系

在鋼結(jié)構(gòu)工業(yè)廠房設(shè)計(jì)中，要注意廠房的結(jié)構(gòu)體系，積極發(fā)揮其框架作用，最大限度地提高廠房的安全性能以及可靠性能。因此，在具體的設(shè)計(jì)過(guò)程中，相關(guān)的設(shè)計(jì)人員要依據(jù)實(shí)際狀況，例如工業(yè)廠房在層數(shù)以及層高等方面的因素，從而完善廠房的結(jié)構(gòu)體系。例如常見(jiàn)的結(jié)構(gòu)體系有兩種，即框架—剪力墻結(jié)構(gòu)體系以及框架結(jié)構(gòu)體系等，當(dāng)廠房的空間范圍較大時(shí)，要運(yùn)用框架結(jié)構(gòu)體系；當(dāng)廠房層數(shù)較高時(shí)，可以運(yùn)用框架—剪力墻結(jié)構(gòu)體系。

1.2.2 注意控制廠房的框架橫向以及框架縱向

在實(shí)際的設(shè)計(jì)過(guò)程中，要把握廠房橫縱向的抗震能力，從而保障整體結(jié)構(gòu)的經(jīng)濟(jì)性以及穩(wěn)定性。此外，要綜合外界的環(huán)境變化狀況，合理選擇結(jié)構(gòu)的防震縫設(shè)計(jì)與收縮縫設(shè)計(jì)，從根本上達(dá)到提高鋼結(jié)構(gòu)工業(yè)廠房質(zhì)量的目的。

2 鋼結(jié)構(gòu)工業(yè)廠房設(shè)計(jì)原則

2.1 鋼結(jié)構(gòu)工業(yè)廠房截面優(yōu)化設(shè)計(jì)原則

就鋼結(jié)構(gòu)工業(yè)廠房截面而言，在其設(shè)計(jì)過(guò)程中要注意3個(gè)方面的內(nèi)容：第一，優(yōu)先采取厚度相對(duì)較薄的截面。在剛度的選擇上，要盡可能地選擇相同用鋼量的截面，由于其剛度較大，因而有助于提高整體結(jié)構(gòu)的使用性能。同時(shí)，還需依據(jù)相關(guān)的規(guī)范要求，選取合理的最小截面。在最小截面的使用過(guò)程中，需要注意的是，當(dāng)設(shè)計(jì)鋼結(jié)構(gòu)的受力構(gòu)件時(shí)，不可采用最小截面。一般而言，其鋼板厚度處在4mm以下，而鋼管的厚度在3mm以下；第二，當(dāng)使用C級(jí)螺栓時(shí)，要注意與其支撐桿件的連接，同時(shí)，就其連接的屋架桿件角鋼來(lái)看，把握其邊長(zhǎng)，要采用螺栓的最大直徑來(lái)進(jìn)行設(shè)計(jì)；第三，為了提高備料工作的效率，工業(yè)廠房所運(yùn)用的角鋼在其規(guī)格品種上要把握恰當(dāng)，通常情況下，其品種不能超過(guò)5種。如果兩種規(guī)格的尺寸出現(xiàn)相近時(shí)，要盡可能地使其統(tǒng)一，適當(dāng)減少材料的規(guī)格以及數(shù)量，提高其運(yùn)用效率。

2.2 鋼結(jié)構(gòu)工業(yè)廠房整體化設(shè)計(jì)原則

立足于建筑的整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)角度，由于受傳統(tǒng)鋼結(jié)構(gòu)建筑設(shè)計(jì)的影響，導(dǎo)致當(dāng)前諸多鋼結(jié)構(gòu)工業(yè)廠房在設(shè)計(jì)過(guò)程中仍然沿用先建筑后結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)理念來(lái)進(jìn)行設(shè)計(jì)。因此，在實(shí)際的設(shè)計(jì)過(guò)程中，要積極擺脫這種設(shè)計(jì)理念的束縛，對(duì)于鋼結(jié)構(gòu)工業(yè)廠房而言，要想提高設(shè)計(jì)程序的使用效率，達(dá)到實(shí)現(xiàn)建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的一體化目的，必須要注意建筑設(shè)計(jì)和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的同步。在現(xiàn)階段，諸多國(guó)外鋼結(jié)構(gòu)工業(yè)廠房設(shè)計(jì)公司均遵循建筑設(shè)計(jì)與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)同步理念，體現(xiàn)了建筑的整體風(fēng)格。而對(duì)于圍護(hù)系統(tǒng)與主體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的優(yōu)化而言，要想實(shí)現(xiàn)其整體化，我國(guó)國(guó)內(nèi)主要是將圍護(hù)結(jié)構(gòu)與主體結(jié)構(gòu)分別進(jìn)行設(shè)計(jì)，而優(yōu)化做法是將兩者進(jìn)行有機(jī)結(jié)合。

3 鋼結(jié)構(gòu)工業(yè)廠房設(shè)計(jì)思路分析

3.1 鋼結(jié)構(gòu)工業(yè)廠房常用結(jié)構(gòu)體系分析

在鋼結(jié)構(gòu)工業(yè)廠房結(jié)構(gòu)體系上，主要有3種常用的結(jié)構(gòu)：

3.1.1 純框架體系

具體而言，綜合考慮廠房的縱向與橫向這兩個(gè)方向，將其設(shè)計(jì)為剛接框架，禁止設(shè)置柱間支撐。這種結(jié)構(gòu)體系的使用空間基本上不受其影響，但是其柱不能運(yùn)用工字型柱，必須要設(shè)置成截面形式，例如箱形柱。一般而言，截面形式的兩個(gè)方向在慣性矩差別上基本上沒(méi)有變化，因而在一定程度上增加了鋼材的使用量。

3.1.2 框架-支撐體系

這種結(jié)構(gòu)體系主要是將結(jié)構(gòu)的橫向設(shè)計(jì)為剛接框架，而結(jié)構(gòu)的縱向通常設(shè)計(jì)為柱-支撐體系，基于積極發(fā)揮柱間支撐作用的同時(shí)，提高水平荷載的抵抗力。從本質(zhì)上來(lái)講，這種結(jié)構(gòu)體系相對(duì)經(jīng)濟(jì)環(huán)保，但柱間的支撐在一定情況下將會(huì)對(duì)整體的使用性能造成影響。由此可以看出，框架-支撐體系對(duì)于縱向深度較廣、橫向深度較廣的鋼結(jié)構(gòu)工業(yè)廠房。

3.1.3 鋼架聯(lián)合支撐的混合結(jié)構(gòu)體系

這種形式主要是把結(jié)構(gòu)的縱向設(shè)計(jì)為鋼架與支撐相結(jié)合的形式，依靠這兩者的相互作用來(lái)實(shí)現(xiàn)抵抗水平壓力的目的。立足于鋼架聯(lián)合支撐的混合結(jié)構(gòu)體系的特點(diǎn)，有助于促進(jìn)柱縱向彎矩的減少，但在一定狀況下增大了樓面的剛度，導(dǎo)致柱子間的變形出現(xiàn)不協(xié)調(diào)的狀況，因而柱間的支撐作用沒(méi)有得到有效發(fā)揮。

3.2 鋼結(jié)構(gòu)工業(yè)廠房樓蓋布置思路分析

一般來(lái)講，鋼結(jié)構(gòu)工業(yè)廠房的樓蓋主要存在4種形式：壓型鋼板現(xiàn)澆組合樓板、裝配整體式預(yù)制樓板、裝配式預(yù)制樓板和普通現(xiàn)澆混凝土樓板。綜合考慮這4類樓板各自的優(yōu)缺點(diǎn)，對(duì)于壓型鋼板現(xiàn)澆組合樓板來(lái)講，與普通現(xiàn)澆混凝土樓板均存在平面整體剛度相對(duì)較好的優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)在施工速度上，壓型鋼板現(xiàn)澆樓板與裝配整體式預(yù)制樓板以及裝配式預(yù)制樓板相比顯著提高，但其造價(jià)較高。由此可知，要想提高鋼結(jié)構(gòu)工業(yè)廠房的使用性能，必須要積極運(yùn)用壓型鋼板現(xiàn)澆鋼筋混凝土組合樓板。

3.3 鋼結(jié)構(gòu)工業(yè)廠房柱網(wǎng)布置分析

在鋼結(jié)構(gòu)工業(yè)廠房柱網(wǎng)的布置過(guò)程中，要遵循其相關(guān)的原則。換言之，主要體現(xiàn)在5個(gè)方面上：要滿足廠房的生產(chǎn)工藝以及使用需求；要遵循建筑結(jié)構(gòu)經(jīng)濟(jì)性以及合理性原則；體現(xiàn)施工方法的先進(jìn)性；與鋼結(jié)構(gòu)工業(yè)廠房建筑的統(tǒng)一化原則相匹配；最大限度地體現(xiàn)生產(chǎn)的發(fā)展要求以及技術(shù)變革的要求。通常狀況下，當(dāng)鋼結(jié)構(gòu)工業(yè)廠房的跨度處在18m以下的情形中，要運(yùn)用3m倍數(shù)原則。反之，如果跨度在18m以上時(shí)，要遵循6m倍數(shù)設(shè)計(jì)原則。而廠房的柱距要盡可能地執(zhí)行6m以及6m倍數(shù)原則。

3.4 鋼結(jié)構(gòu)工業(yè)廠房變形縫設(shè)置分析

在設(shè)置鋼結(jié)構(gòu)工業(yè)廠房的變形縫時(shí)，首先要明確變形縫的種類，主要包括3種，即為伸縮縫、防震縫以及沉降縫。當(dāng)鋼結(jié)構(gòu)工業(yè)廠房的寬度與長(zhǎng)度超過(guò)實(shí)際需求的范圍時(shí)，此時(shí)氣溫發(fā)生明顯的變化，于鋼結(jié)構(gòu)內(nèi)部出現(xiàn)一定的溫度應(yīng)力，導(dǎo)致墻面以及屋面產(chǎn)生拉裂現(xiàn)象，不利于廠房的正常使用。在這種情形下，為了最大限度地降低工業(yè)廠房結(jié)構(gòu)的溫度應(yīng)力，必須要進(jìn)行伸縮縫的設(shè)計(jì)。通常狀況下，要對(duì)廠房進(jìn)行分區(qū)處理，進(jìn)而分成諸多個(gè)溫度區(qū)段。需要強(qiáng)調(diào)的是，在設(shè)置伸縮縫的過(guò)程中，最先開(kāi)始的位置是基礎(chǔ)頂面，將溫度區(qū)段上部結(jié)構(gòu)區(qū)分開(kāi)來(lái)，預(yù)留適當(dāng)寬度的縫隙，致使上部的結(jié)構(gòu)在氣溫發(fā)生變化的過(guò)程中能夠順著水平方向?qū)崿F(xiàn)變形。

在鋼結(jié)構(gòu)工業(yè)廠房中 ，通常狀況下不進(jìn)行沉降縫處理，但是當(dāng)工業(yè)廠房相鄰的兩部分在高差上存在很大差異時(shí)可設(shè)置沉降縫，同時(shí)當(dāng)兩跨間吊車(chē)在起重量上產(chǎn)生巨大懸殊下，且地基承載力也發(fā)生巨大落差，必須要進(jìn)行沉降縫設(shè)置。為了盡可能地減輕震害，必須要設(shè)置防震縫。當(dāng)工業(yè)廠房在平面以及立面上相對(duì)復(fù)雜時(shí)，同時(shí)結(jié)構(gòu)的高度以及剛度存在較大的差異，必須要設(shè)置防震縫。此外，如果要在廠房的側(cè)邊進(jìn)行附房的布置，需要注意的是要將相鄰的部分區(qū)別設(shè)計(jì)，設(shè)置伸縮縫與沉降縫時(shí)，要與防震縫設(shè)計(jì)要求相一致。

3.5 鋼結(jié)構(gòu)工業(yè)廠房支撐體系分析

在設(shè)計(jì)鋼結(jié)構(gòu)工業(yè)廠房支撐體系的過(guò)程中，要注意對(duì)生產(chǎn)操作的影響，基本上順著廠房四周設(shè)置的水平方向來(lái)構(gòu)建支撐，或沿著垂直方向來(lái)進(jìn)行支撐的設(shè)計(jì)。在布置支撐中，要注意把握水平地震作用力以及抗側(cè)力中心，將這兩者接近重合。在這個(gè)過(guò)程中，柱間支撐主要分為兩種形式：中心支撐和偏心支撐。一般的鋼結(jié)構(gòu)工業(yè)廠房主要運(yùn)用中心支撐形式。立足于中心支撐角度，即為交叉支撐、單斜桿支撐或人字支撐，禁止采用K型支撐方式。就其適用范圍來(lái)看，對(duì)于構(gòu)造異常簡(jiǎn)單、且地震力小的結(jié)構(gòu)異常適用。另外，當(dāng)廠房處在強(qiáng)震區(qū)條件下，要選擇偏心支撐，其延性與耗能能力優(yōu)越。

在節(jié)點(diǎn)構(gòu)造中，鋼結(jié)構(gòu)工業(yè)廠房主要的節(jié)點(diǎn)位置有3種：柱-柱、梁-梁和梁-柱。通常狀況下，這些位置上的節(jié)點(diǎn)在受力上相對(duì)較為復(fù)雜，因此相關(guān)的設(shè)計(jì)人員在具體的設(shè)計(jì)過(guò)程中，要綜合考慮整體的的設(shè)計(jì)思路，優(yōu)化設(shè)計(jì)每個(gè)節(jié)點(diǎn)。具體來(lái)看，其節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)方式主要有3種，即蓋板式、切縫式以及托座式等，而鋼結(jié)構(gòu)工業(yè)廠房可主要運(yùn)用栓焊連結(jié)式，有助于提高節(jié)點(diǎn)穩(wěn)定性以及防震性。其次，在樓蓋構(gòu)造上，樓蓋作為承受縱向荷載的一種載體，對(duì)其承載力與強(qiáng)度等方面的要求較高，為了保障樓蓋的使用性能，必須充分運(yùn)用壓型鋼板組合方式與預(yù)制板疊合層組合方式來(lái)實(shí)現(xiàn)樓蓋的構(gòu)造，提高鋼結(jié)構(gòu)材料的使用效率，提高樓蓋的經(jīng)濟(jì)性能。此外，在鋼結(jié)構(gòu)工業(yè)廠房設(shè)計(jì)過(guò)程中，要采用相關(guān)軟件以及程序，計(jì)算廠房承受的荷載值、結(jié)構(gòu)構(gòu)件穩(wěn)定性與結(jié)構(gòu)抗震性，提高計(jì)算的精確率。

4 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，在鋼結(jié)構(gòu)工業(yè)廠房設(shè)計(jì)過(guò)程中，諸多業(yè)主與設(shè)計(jì)單位在鋼結(jié)構(gòu)建筑的認(rèn)識(shí)上存在諸多問(wèn)題，鋼結(jié)構(gòu)體系方案設(shè)計(jì)不合理，因此相關(guān)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)人員要充分發(fā)揮鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)思維，掌握新形勢(shì)的發(fā)展要求，優(yōu)化鋼結(jié)構(gòu)體系設(shè)計(jì)，綜合各種影響因素，優(yōu)化廠房整體的設(shè)計(jì)思路以及參數(shù)計(jì)算辦法，從而提高鋼結(jié)構(gòu)工業(yè)廠房設(shè)計(jì)質(zhì)量。

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