基于輕型鋼結(jié)構(gòu)工業(yè)建筑設(shè)計(jì)的分析

王 璇

安徽新華學(xué)院

基于輕型鋼結(jié)構(gòu)工業(yè)建筑設(shè)計(jì)的分析

王 璇

安徽新華學(xué)院

輕型鋼結(jié)構(gòu)的最早發(fā)展并不是在我國(guó)，而是在國(guó)外最先興起的，在對(duì)輕型鋼使用的初期階段，并沒(méi)有將輕型鋼用在比較復(fù)雜的建筑上，而是使用于建造比較簡(jiǎn)單的車庫(kù)或者搭建簡(jiǎn)易棚子。等到了1960年左右，世界上逐漸出現(xiàn)了一種彩色的輕型鋼結(jié)構(gòu)的材料，輕型鋼的發(fā)展越來(lái)越快。到了21世紀(jì)，輕型鋼結(jié)構(gòu)已經(jīng)被廣泛使用。輕型鋼結(jié)構(gòu)不僅綠色環(huán)保，而且外形非常美觀、輕便，在裝修使用上非常方便快捷，減少了人工投資。輕型鋼越來(lái)越受到人們的歡迎，本文主要闡述了一些型鋼結(jié)構(gòu)在工業(yè)建筑中的設(shè)計(jì)中應(yīng)該注意的事項(xiàng)。

工業(yè)建筑；輕型鋼結(jié)構(gòu)；應(yīng)用

在國(guó)外，輕型鋼結(jié)構(gòu)發(fā)展比較早，最開(kāi)始是用于建造汽車車庫(kù)等簡(jiǎn)單房屋。到后來(lái)，輕鋼結(jié)構(gòu)被用在建造營(yíng)房和庫(kù)房上，主要是利用它們拆裝方便的優(yōu)點(diǎn)。等到20世紀(jì)60年代，國(guó)外出現(xiàn)了色彩豐富而耐久的彩色壓型鋼板，以及H型鋼和冷彎型鋼，輕型鋼結(jié)構(gòu)的發(fā)展有了較大的突破?，F(xiàn)在輕型鋼結(jié)構(gòu)已成為非常常見(jiàn)的商品。業(yè)主可以根據(jù)自己的需要，向承包商定購(gòu)某種功能的輕型鋼結(jié)構(gòu)房屋。輕型鋼結(jié)構(gòu)大多外形美觀﹑簡(jiǎn)潔，在造價(jià)上能節(jié)省鋼材，在安裝方面施工速度快且安裝方便。它最大的優(yōu)勢(shì)就是制作上可以形成系列化和裝配化的批量生產(chǎn)，是現(xiàn)今最具有競(jìng)爭(zhēng)力的結(jié)構(gòu)形式之一。文章將針對(duì)輕型鋼結(jié)構(gòu)在工業(yè)建筑中的設(shè)計(jì)與應(yīng)用展開(kāi)探究。

1 輕型鋼結(jié)構(gòu)建筑的概念

最早的輕型鋼建筑是以單層為主的實(shí)腹式剛架輕型鋼結(jié)構(gòu)金屬面板建筑，后來(lái)被引進(jìn)工業(yè)建筑中，主要是因?yàn)檩p型鋼結(jié)構(gòu)建筑的重要優(yōu)點(diǎn)— —重量輕。隨著時(shí)間的推移，越來(lái)越多的廠房﹑車庫(kù)，特別一些中小型工廠采用輕型鋼結(jié)構(gòu)作為其主要的結(jié)構(gòu)形式，輕型鋼結(jié)構(gòu)建筑的應(yīng)用范圍也不斷的擴(kuò)大。結(jié)合輕型鋼結(jié)構(gòu)建筑在實(shí)際應(yīng)用中的現(xiàn)狀以及其自身的特點(diǎn)，可以說(shuō)輕型鋼結(jié)構(gòu)建筑是指在充分運(yùn)用輕型冷彎薄壁型鋼﹑輕型焊接和高頻焊接型鋼﹑輕型熱軋型鋼等基礎(chǔ)之上的一種新型的受力構(gòu)件。

2 輕型鋼結(jié)構(gòu)在工業(yè)建筑中的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)

目前，工業(yè)建筑已經(jīng)使用的材料已經(jīng)離不開(kāi)輕型鋼結(jié)構(gòu)，輕型鋼具有諸多特點(diǎn)，抗震性強(qiáng)，具有持久性，綠色環(huán)保，同時(shí)還具有保溫的特點(diǎn)。但是使用輕型鋼結(jié)構(gòu)要注意一個(gè)問(wèn)題，就是盡量不要在大負(fù)荷的工業(yè)建筑之中使用。輕型鋼結(jié)構(gòu)在應(yīng)用中特點(diǎn)較為突出，主要有三種情況，第一，輕型鋼結(jié)構(gòu)之所以能夠得以廣泛應(yīng)用，這與它自身具有自重輕的特點(diǎn)是離不開(kāi)的，輕型鋼結(jié)構(gòu)在制作的過(guò)程中選取的是一種輕型焊接的H型鋼材，這就是輕型鋼具有自重輕的主要原因。第二，使用輕型鋼結(jié)構(gòu)符合工業(yè)化建筑的具體要求。輕型鋼結(jié)構(gòu)具有重量輕的特點(diǎn)，在工業(yè)建筑中操作簡(jiǎn)單便利，還有其結(jié)構(gòu)比較單一化，并不像過(guò)去使用的鋼材那么復(fù)雜，是非常容易達(dá)到工業(yè)的的標(biāo)準(zhǔn)生產(chǎn)的。不管是從輕型鋼結(jié)構(gòu)自身的特點(diǎn)來(lái)講，還是其對(duì)整個(gè)工業(yè)建筑來(lái)說(shuō)，都是非常具有優(yōu)勢(shì)的，都是符合工業(yè)建筑的具體要求的。第三，使用輕型鋼結(jié)構(gòu)具有節(jié)省材料，節(jié)省人力投資，縮短工期等優(yōu)勢(shì)，輕型鋼結(jié)構(gòu)操作起來(lái)方便易行，大大減少了人力的投入，其在價(jià)格方面也比過(guò)去使用的重型鋼材低廉，在很大程度上節(jié)約了建筑成本，在工業(yè)建筑中是非常具有優(yōu)勢(shì)的。

3 輕型鋼結(jié)構(gòu)在中國(guó)的發(fā)展現(xiàn)狀

3.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與建筑設(shè)計(jì)分離

建筑﹑結(jié)構(gòu)﹑水﹑暖﹑電的專業(yè)分離已經(jīng)成為中國(guó)建筑設(shè)計(jì)的固定模式，幾乎所有的設(shè)計(jì)都遵循先建筑后結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)程序。而輕型鋼結(jié)構(gòu)需要建筑與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)一體化，甚至結(jié)構(gòu)先行，同時(shí)各專業(yè)緊密結(jié)合。從本期介紹的案例可以看到，輕型鋼結(jié)構(gòu)建筑的結(jié)構(gòu)構(gòu)件直接成為建筑立面的形式表現(xiàn)，施工工藝也直接在建筑形式中體現(xiàn)出來(lái)。這就要求建筑師能夠把握從設(shè)計(jì)到施工的各個(gè)環(huán)節(jié)，專業(yè)之間緊密配合。而傳統(tǒng)建筑設(shè)計(jì)中所謂“外飾面”的遮蓋式處理手段在輕型鋼結(jié)構(gòu)中沒(méi)有用武之地。另外，輕型鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)需要建筑師對(duì)材料非常熟悉，包括材料的性能﹑特點(diǎn)﹑規(guī)格以及施工工藝，而這方面是中國(guó)建筑師和建筑教育的弱項(xiàng)。

3.2 建筑材料不夠豐富

完善中國(guó)鋼鐵工業(yè)的產(chǎn)量已居于世界前列，但鋼材在建筑業(yè)的使用比例卻遠(yuǎn)低于發(fā)達(dá)國(guó)家的水平。究其原因，中國(guó)建筑鋼材品種不夠多樣，規(guī)格單一。僅從彩鋼板的顏色就可以看出，歐美國(guó)家彩鋼板顏色多種多樣，可以根據(jù)客戶需要進(jìn)行定制，而中國(guó)市場(chǎng)上的彩鋼板只有紅﹑藍(lán)﹑白等幾種簡(jiǎn)單鮮艷的顏色，嚴(yán)重影響彩鋼板在建筑上的使用。其他的配套產(chǎn)品也規(guī)格單一，以至于很多產(chǎn)品不得不進(jìn)口，大大增加了建筑造價(jià)。輕型鋼結(jié)構(gòu)建筑非常符合綠色建筑的理念，無(wú)論是材料﹑結(jié)構(gòu)，還是施工以及建筑使用，都環(huán)保節(jié)能。發(fā)展輕型鋼結(jié)構(gòu)建筑尤其是輕型鋼結(jié)構(gòu)住宅，對(duì)中國(guó)的建筑產(chǎn)業(yè)具有重要的意義。

3.3 缺乏專業(yè)施工隊(duì)伍

輕型鋼結(jié)構(gòu)對(duì)施工技術(shù)要求很高，需要經(jīng)過(guò)嚴(yán)格培訓(xùn)的專業(yè)技術(shù)工人。目前國(guó)內(nèi)建筑施工企業(yè)能夠勝任大型鋼筋混凝土建筑的施工，而能夠完成輕型鋼結(jié)構(gòu)施工的卻很少。輕型鋼結(jié)構(gòu)建筑對(duì)中國(guó)建筑施工來(lái)講是一個(gè)挑戰(zhàn)，同時(shí)也是產(chǎn)業(yè)技術(shù)升級(jí)的機(jī)會(huì)。21 世紀(jì)將是輕型鋼結(jié)構(gòu)快速發(fā)展的時(shí)期，可以預(yù)見(jiàn)，未來(lái)從事輕型鋼結(jié)構(gòu)制造﹑施工的企業(yè)前景將非常寬闊。

4 輕型鋼結(jié)構(gòu)工業(yè)建筑設(shè)計(jì)要點(diǎn)

4.1 結(jié)構(gòu)選型

隨著社會(huì)的快速發(fā)展，工業(yè)建筑的設(shè)計(jì)也發(fā)生了翻天覆地的變化。在整個(gè)工業(yè)輕鋼結(jié)構(gòu)的建造過(guò)程中，根據(jù)設(shè)備的要求與生產(chǎn)工藝，選擇相對(duì)適用的跨度和最優(yōu)的柱距。因?yàn)樘囟ㄒ蟮墓I(yè)建筑的總用鋼量和柱距之間的關(guān)系呈反比，這就表示，該建造過(guò)程中存在一個(gè)最優(yōu)柱距。結(jié)合建筑造型的設(shè)計(jì)，我們尋找的最優(yōu)柱距會(huì)隨著跨度的改變以及吊車高度的改變，輕鋼的承載力也會(huì)發(fā)生變化。里面的主要原因是剛架的用鋼量和柱距之間也呈反比的關(guān)系，并隨著柱距的增加下降的速度也會(huì)減緩，而次結(jié)構(gòu)用鋼比率和柱距之間是呈正比關(guān)系。當(dāng)柱距比較大時(shí)，其用鋼量就占了重要位置。另外，一般來(lái)說(shuō)，輕鋼結(jié)構(gòu)所處的周圍環(huán)境﹑空間﹑層高﹑吊車﹑荷載量直接會(huì)對(duì)整個(gè)輕鋼結(jié)構(gòu)有影響，也會(huì)反映到整個(gè)柱距的變化上。

4.2 采用合理的建筑方案

采用合理的建筑方案的是控制輕鋼結(jié)構(gòu)工業(yè)建筑造價(jià)的最有效手段。這需要設(shè)計(jì)師不斷的優(yōu)化方案，使其滿足輕型鋼結(jié)構(gòu)的生產(chǎn)特點(diǎn)和企業(yè)的要求。優(yōu)化方案設(shè)計(jì)就包括項(xiàng)目的選址﹑規(guī)劃總圖位置﹑劃分防火分區(qū)﹑選擇建筑材料﹑確定建筑耐火等級(jí)和耐久年限﹑控制單體規(guī)模和設(shè)計(jì)建筑造型等方面。除了需要滿足結(jié)構(gòu)上多方案的比較﹑得出最優(yōu)的柱距和斷面之外，還需要結(jié)合建筑美觀﹑保溫隔熱等要求選擇強(qiáng)度較高的夾心板。為了降低用鋼量，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)人員需配合建筑﹑電﹑水﹑工藝﹑暖通等專業(yè)的要求適當(dāng)增加吊掛荷載(盡可能均布)。在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中減少異型構(gòu)件引起的造價(jià)增加，盡可能的采用定型的產(chǎn)品。盡可能的使用建筑模數(shù)，以壓型鋼板等構(gòu)件的模數(shù)尺寸基準(zhǔn)設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)，材料損耗最少。總之，在滿足規(guī)范要求的前提下，需要滿足建筑功能的和業(yè)主的相關(guān)要求，在此基礎(chǔ)上，盡可能采用最經(jīng)濟(jì)﹑可行的方案來(lái)構(gòu)造材料。

4.3 在通風(fēng)以及采光中的應(yīng)用

通風(fēng)設(shè)計(jì)。工業(yè)封閉式生產(chǎn)作業(yè)方式極易產(chǎn)生大量的粉塵﹑煙霧以及熱氣等污濁氣體，若不能及時(shí)排出會(huì)嚴(yán)重影響室內(nèi)工作環(huán)境，甚至危害作業(yè)人員的身體健康﹑腐蝕結(jié)構(gòu)構(gòu)件，這就需要在立面加設(shè)百葉窗的基礎(chǔ)上加裝氣樓或輔助通風(fēng)器﹑天窗等設(shè)施，保持良好的室內(nèi)環(huán)境。

采光設(shè)計(jì)。屋面采光設(shè)計(jì)主要是利用采光頂棚﹑采光板等形式，其中采光頂棚是在突出屋頂表面的側(cè)向開(kāi)窗的天窗形式，其高度和跨度主要根據(jù)通風(fēng)和采光的要求來(lái)具體確定。另外，采光頂棚根據(jù)采光要求可以單獨(dú)設(shè)置也可跨越整個(gè)屋脊或延伸到墻面與立面結(jié)合設(shè)計(jì)；采光板可選用中空板﹑玻璃纖維加強(qiáng)聚酯等做為板材，在屋面圍護(hù)板材安裝，形成采光條帶，增加室內(nèi)光線。目前，在輕型鋼結(jié)構(gòu)廠房中最常用的采光板材是玻璃纖維加強(qiáng)聚酯，其具有高強(qiáng)度﹑好耐久性﹑成型便捷等優(yōu)點(diǎn)，與彩色壓型鋼板配合使用，取得了較好的采光效果。

4.4 新型材料的運(yùn)用

輕型鋼結(jié)構(gòu)要發(fā)展，首先，要改變?nèi)藗儗?duì)建筑認(rèn)識(shí)的傳統(tǒng)觀念“重不等于堅(jiān)固”，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的發(fā)展歷史就是向空間“更高﹑更輕﹑更大”挑戰(zhàn)的歷史；其次，材料技術(shù)的發(fā)展為建筑提供了更多的選擇，諸如鈦合金﹑炭纖維等材料進(jìn)入建筑領(lǐng)域不會(huì)太遙遠(yuǎn)，輕型鋼結(jié)構(gòu)為我們打開(kāi)了建筑從重到輕的大門，與工業(yè)科技的結(jié)合在未來(lái)會(huì)更為廣闊；最后，發(fā)展輕型鋼結(jié)構(gòu)還需要建筑從設(shè)計(jì)到施工全過(guò)程的更新升級(jí)，改變建筑與結(jié)構(gòu)專業(yè)的脫節(jié)，促進(jìn)建筑施工企業(yè)的技術(shù)升級(jí)，一旦市場(chǎng)有了真正的需求，制造商也會(huì)積極回應(yīng)，提供更多更豐富的產(chǎn)品。

綜上所述，輕型鋼結(jié)構(gòu)在工業(yè)建筑中的應(yīng)用具有建筑實(shí)體空間輕巧﹑開(kāi)闊，主體結(jié)構(gòu)穩(wěn)定﹑可靠，施工建造方式便捷等優(yōu)勢(shì)，在工業(yè)建筑屋面設(shè)計(jì)中，應(yīng)選用彩色壓型鋼板﹑彩鋼夾芯板，并采用合理的連接方式，同時(shí)根據(jù)輕型鋼結(jié)構(gòu)廠房的實(shí)際情況，做好排水﹑通風(fēng)及采光等屋面功能設(shè)計(jì)，提高輕型鋼結(jié)構(gòu)工業(yè)建筑設(shè)計(jì)的成效，建設(shè)出高質(zhì)量的工業(yè)建筑。

[1]宋祥.輕型鋼結(jié)構(gòu)工業(yè)建筑設(shè)計(jì)研究[D].山東建筑大學(xué)，2012.

[2]白曉民.輕型鋼結(jié)構(gòu)工業(yè)建筑設(shè)計(jì)研究[J].黑龍江科學(xué)，2014，11：59.

[3]馬琴.淺析輕型鋼結(jié)構(gòu)在工業(yè)建筑中的設(shè)計(jì)與應(yīng)用[J].科技創(chuàng)新與應(yīng)用，2014，34：249-250.

安徽新華學(xué)院校級(jí)重點(diǎn)項(xiàng)目(2015zr004)

王璇(1988.02-)，女，助教，碩士，主要從事結(jié)構(gòu)工程相關(guān)研究。