大型熱加工廠房的屋面通風形式探索及演變

摘?要：本文就所設(shè)計的大中型熱加工廠房的屋面建筑及其天窗形式，進行了認真分析研究，將最為成功的大雙坡屋面建筑的，最具代表性的縱橫單向天窗、縱橫雙向復(fù)合天窗的多種形式，一一加以簡介，以期前事不忘，后事之師。

關(guān)鍵詞：熱加工廠房;天窗形式;通風;采光

我國熱加工（大中型）工程建筑專業(yè)設(shè)計的創(chuàng)新，主要是圍繞著大型熱加工廠房的通風采光和屋面排水方式所展開，集中體現(xiàn)在對多跨大型熱加工廠房，雙坡屋蓋建筑的棄小揚大，天窗形式的不斷改進翻新之上。

1 概述

對熱加工廠房屋面建筑形式，按慣性思維，一般都應(yīng)以滿足工藝對起重軌頂標高要求的前提下，采用屋架下弦高低并非一致的單跨小雙坡屋蓋及其縱向通脊門型天窗即可。這種設(shè)計理念，乍聽起來似乎合情合理，無可挑剔，但對大型熱加工多跨廠房則不然。究其滿天飛的天溝，漏堵可能時有發(fā)生，室外下小雨室內(nèi)下大雨，特別是廠房越長，矛盾越尖銳。更為頭疼的是屋面低洼處難免發(fā)生兜風頂風現(xiàn)象，以致高跨屋頂煙霧排不出去，光線進不來，特別是北方冬季氣壓一低，長時間為煙霧所彌漫，苦不堪言。

隨著熱加工的大型化超大型化發(fā)展，廠房跨數(shù)越來越多，平面建筑寬度越來越寬，于是給車間的自然通風、采光、屋面排水帶來的難度越來越大，特別是本世紀以來寬度成倍增加已屢見不鮮。這樣沿用縱向通脊門型天窗+高側(cè)窗的大雙坡屋蓋建筑形式已難于維系，多跨小雙坡更是無能為力的了，這樣就為屋蓋建筑形式的進一步創(chuàng)新提供了契機。有關(guān)中國中元國際工程有限公司（原機械部設(shè)計總院）在不同時期，對熱加工廠部分房屋蓋形式的創(chuàng)新，參見下表。

2 大雙坡縱橫單向天窗

2.1 縱向通脊門型窗

1953年，中元院成立之初，在開業(yè)首秀工程太重鑄鋼主廠房的設(shè)計中，對其П型鑄鋼車間3連跨主廠房，即24m的爐料跨、18m的平爐煉鋼跨、30m的出鋼澆注跨，就破天荒地對煉鋼爐跨和出鋼澆注跨，開創(chuàng)了48m大雙坡，縱向通脊門型天窗屋蓋建筑形式設(shè)計的先河，如圖1所示。

圖1所示屋蓋系統(tǒng)的設(shè)計可以看出，中元院對大中型熱加工煉鋼爐廠房建筑的通風、采光、屋面排水系統(tǒng)設(shè)計，一開始就步入在正確的軌道之上，并取得了良好效果。尤其值得一提的是這種形式的天窗，在1985年國內(nèi)首臺平爐改為電爐時，還出乎意外的為30t電弧爐，大型屋頂排煙罩的順利設(shè)置，奠定了先天條件，實屬難得。

在2004年的擴建中，還曾力排眾議，采用主廠房向東接長42m，而不是在主廠房的端頭，改擴建原有的縱跨，并將上層起重等級由100t提高到125t，以成就這項優(yōu)秀設(shè)計工程，繼續(xù)更大更好地發(fā)揮作用。

2.2 縱向通脊門型疊式窗

1964年二重平爐鑄鋼車間恢復(fù)建設(shè)時，在大量調(diào)查研究，并權(quán)衡一重和太重設(shè)計教訓(xùn)和經(jīng)驗的基礎(chǔ)上，毅然確定對30m的出鋼澆注跨與21m的平爐煉鋼跨，回歸大雙坡縱向通脊門型天窗的屋蓋建筑形式，且門型天窗首創(chuàng)雙層疊加方式，如圖2所示。

相比之下，圖1所示大雙坡縱向通脊門型非疊式窗屋蓋建筑形式，后來得到了更為廣泛的采用，如杭州鑄鋼、巴重鑄鋼、陜重鑄鋼、洛礦鑄鋼等車間。中元則一如既往，對這種附加高側(cè)窗的，大雙坡縱向通脊單層門型，以及后續(xù)通脊包孕天窗屋蓋建筑形式，情有獨鐘，因此后來在沈陽機車煉鋼、華銳鑄鋼、中鐵山橋煉鋼等得以發(fā)揚光大。

2.3 橫向貫通門型窗

2008年在大連瓦房店華銳鑄業(yè)鑄鐵車間的設(shè)計中，工藝要求主廠房按180m六連跨、長276m、面積50km2、起重軌高14m等高進行設(shè)計，因此擬定屋面為簡易的大雙坡。其廠房如此之寬，面積如此之大，屋面通風采光如何解決，建筑形式則必須慎重對待，于是橫向貫通門型天窗大雙坡屋蓋，率先應(yīng)運而生，如圖3所示。

對圖3所示的橫向貫通門型天窗，均布于整個屋面，且每兩條天窗帶之間按跨度設(shè)置間歇采光板區(qū)段，以把通風和采光有機的結(jié)合起來。凡有煙塵產(chǎn)生的設(shè)備均置于天窗帶之下，以盡可能地提高通風和采光的效果。從圖3看，其天溝僅設(shè)兩條，比前述縱向通脊式門型天窗屋面還少，達到了最低程度，使超大雙坡屋蓋建筑形式的優(yōu)越性，進一步得以彰顯。整個建筑物無論是鳥瞰，還是內(nèi)視都蔚為壯觀，觀光者無不贊嘆不已，如此大手筆也為后續(xù)中冶京誠營口基地同類車間的設(shè)計，奠定了堅實的基礎(chǔ)。

根據(jù)對華銳鑄業(yè)的回訪，其生產(chǎn)時間一久，由于煙塵的吸附污染，采光板透明度有所降低，采光效果不如當初。這樣在今后的對同類廠房的設(shè)計中，要盡可能采取其他措施，增加自然采光量，相應(yīng)減少對采光板采光的依賴程度;如有可能對采光板采用疏煙塵型材料，并增設(shè)清刷系統(tǒng)，以減輕或減緩?fù)该鞫鹊慕档?。但是要注意，圖3所示的屋蓋建筑形式，一般只適用于各跨起重等高，中柱兩側(cè)的吊車梁能互為制動桁架，結(jié)構(gòu)簡易的大雙坡屋蓋。即使起重非等高，但高差不大，中柱同側(cè)吊車梁與制動桁架的高度錯不開，也是無法采用的，切勿泛用，以免適得其反。

3 大雙坡縱橫雙向復(fù)合天窗

3.1 縱向通脊+橫向半坡連續(xù)門型

2013年在中冶京誠營口基地鑄鐵車間的設(shè)計中，工藝要求主廠房仍按華銳鑄業(yè)180m六連跨、長360m、面積65km2、起重軌高14m等高進行設(shè)計。鑒于上述華銳鑄業(yè)同類車間設(shè)計的經(jīng)驗教訓(xùn)，確定屋面天窗采用縱橫雙向門型復(fù)合式天窗，即縱向回歸通脊門型天窗，并將圖3所示的橫向貫通式門型天窗從中截斷，成為半坡連續(xù)式，如圖4所示。

從圖4看，正是由于縱向通脊門型天窗的回歸，廠房中部兩跨自然通風采光面積大幅增加，還可蔭及相比鄰的兩跨，因此效果比圖3會有顯著的改善，其亦不失為減少對采光板依賴的好方式。

3.2 縱向通脊+橫向間斷門型窗

其實，上述六連跨起重等高，結(jié)構(gòu)簡易的大雙坡可遇不可求，一般重大型廠房屋蓋，往往呈復(fù)雜的大雙坡形式，于是縱橫雙向復(fù)合式天窗屋面建筑形式得以進一步創(chuàng)新，2010年率先在太重大型鑄鍛件國產(chǎn)化研究項目煉鋼鑄鋼車間得以實現(xiàn)。即縱向按慣例采用通脊門型窗，橫向則不能像圖4那樣采用半坡連續(xù)門型窗，而要按屋蓋坡面因勢利導(dǎo)地采用間斷式門型窗，這樣還可像圖1、2那樣附設(shè)高側(cè)窗，其效果自然美不勝收，如圖5所示。

圖5所示六連跨屋蓋，中間高跨雙坡縱向通脊門型天窗為圖1所示形式;左側(cè)坡面上的橫向門型天窗套用的是圖4的形式，但由于有高低落差，橫向門型天窗無法形成連續(xù)形式，只能斷開呈臺階狀，而有所變異;右側(cè)坡面甚小從建筑形式的統(tǒng)一，也采用了橫向門型窗，當然隨跨數(shù)的增加，采用橫向門型天窗那將是必需的。在這種復(fù)雜的大雙坡屋蓋上，所采用的縱向通脊門型天窗也好，橫向間斷門型天窗也罷，均屬因勢利導(dǎo)，順理成章所自然形成，并非人為特意雕作。圖5中，正是由于高側(cè)窗條數(shù)的增加，自然采光量相應(yīng)得以加強，于是采光板也相應(yīng)隨之減少。因此可以認為，圖5所示縱橫雙向復(fù)合門型窗，比圖3所示橫向貫通式，圖4所示縱橫雙向復(fù)合式門型窗都好。每當身臨其境，通透質(zhì)感，體會尤深。

3.3 縱向通脊+橫向間斷門型窗衍生

圖5所示六連跨，自左至右分別為粗加工跨、鑄鋼清理跨、鑄鋼鑄造跨、出鋼澆注（鑄錠）跨、煉鋼爐跨和爐料跨，其工藝并不合時宜。從合理的生產(chǎn)工藝考慮，粗加工跨應(yīng)予于剔除，而改為露天跨并設(shè)在鑄鋼鑄造跨、出鋼澆注跨的中間。由于從一味追求增加高側(cè)窗的采光出發(fā)，將鑄鋼跨雙重起重機的軌高以及粗加工跨、鑄鋼清理跨的軌高降低同樣也不合時宜。因此，在撇開粗加工跨合理性不議外，其既定六連跨屋面建筑形式，應(yīng)按以下較為合理的方式進行衍生，即附設(shè)偏氣樓，如圖6所示;合理的起重軌高，這樣通風采光的效果或許會更理想些，權(quán)且作為今后設(shè)計的借鑒。

從圖6所示縱橫雙向復(fù)合式天窗看，通過對前述中小型電弧爐所用偏氣樓的吸納，可使出鋼澆注跨的通風采光得到大幅加強，煉鋼爐上方的排氣效果，不但不受影響，甚至?xí)兊酶靡恍?。由于當時設(shè)計受進度的制約，未曾顧及，不甚惋惜。

3.4 縱向包孕+橫向半坡連續(xù)門型

2012年在山西森特聞喜基地金屬結(jié)構(gòu)車間設(shè)計中，對186m六連跨主廠房首次采用了橫向通脊包孕+縱向半坡連續(xù)門型復(fù)合屋蓋建筑形式，如圖7所示。

從圖7可以看出，包孕式天窗與門型天窗相比，其開口窄，采光量小，因此兩側(cè)坡面采光板需要多加設(shè)置。但是包孕式天窗通風效果極好，并為中冶京誠營口基地100t電爐煉鋼廠房實際使用所驗證，特別是冬季還曾發(fā)生過車間管道凍裂事故。通過工程案例實際的使用，選擇包孕式通風系統(tǒng)比采用橫向半坡連續(xù)式門型天窗方案通風效果良好。由此也說明對天窗形式的選擇，尚需對車間的采光和通風，屋面排水做出慎重權(quán)衡后再抉擇，切忌盲從。

對圖7所示屋蓋建筑形式，還于2016年在中鐵山橋煉鋼3連跨廠房進行采用，效果良好。

4 結(jié)語

建筑專業(yè)對大中型熱加工廠房的傳統(tǒng)設(shè)計，因為建筑平面形式須按工藝要求進行，建筑專業(yè)設(shè)計往往發(fā)揮的余地不大，難于體現(xiàn)出建筑師的真實設(shè)計水平;但是屋面建筑形式主要關(guān)乎車間的通風、采光和排水問題，建筑專業(yè)設(shè)計則可以盡情發(fā)揮。

通過對屋頂多種通風方式的比較和不斷創(chuàng)新摸索，期望對大型熱加工廠房提供更好的人性化的環(huán)境，為生產(chǎn)企業(yè)實現(xiàn)了節(jié)能要求的同時，也為生產(chǎn)企業(yè)帶來了良好的經(jīng)濟效益，也值得類似生產(chǎn)加工的企業(yè)廠房設(shè)計借鑒和應(yīng)用。

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作者簡介：張青鵬（1971—?），女，漢族，高級工程師，研究方向：建筑設(shè)計。