輕型鋼結構工業(yè)建筑設計及應用研究

劉占儉

（唐鋼國際工程技術有限公司，河北唐山 063000）

1 引言

輕型鋼結構具有結構截面小，自身質(zhì)量輕的優(yōu)勢。輕型鋼結構的質(zhì)量只有普通鋼結構質(zhì)量的35%～50%，只有鋼筋混凝土結構質(zhì)量的3%～10%，可以大幅度削減工程建筑材料和工程輔助材料的使用量，大大降低工程造價[1]。

2 輕型鋼結構工業(yè)建筑立面設計

2.1 鋼結構工業(yè)建筑立面墻體材料選擇

2.1.1 彩色壓型鋼板

彩色壓型鋼板具有金屬和有機聚合物的雙重屬性，既具有較強的腐蝕性又可表達多種建筑風格。彩色壓型鋼板色彩種類繁多，但基本色彩由紅、黃、藍3 種組成，通過冷暖色彩的靈活設計來滿足工業(yè)建筑不同的風格需求。工業(yè)建筑使用的彩色壓型鋼板的厚度在0.4～1.6 mm，常見的截面尺寸形式有V 形、W 形以及波紋形，其中適用于工業(yè)建筑墻面的彩色壓型鋼的波高在75 mm 以下，屬于中波紋和低波紋類型。工業(yè)建筑對彩色壓型鋼選型的要求是依據(jù)建筑造型要求來選擇波形合適、截面形式合適的壓縮鋼，同時也要兼顧色彩和紋理的組合搭配。建筑設計可以從建筑整體上考慮靈活運用彩色壓型鋼來實現(xiàn)不同風格、不同樣式的建筑美學需求。

2.1.2 壓縮鋁合金板

壓縮鋁合金板是與彩色壓型鋼板具有相同紋理的一種輕型板材，其質(zhì)量為彩色壓型鋼板的1/3。壓縮鋁合金板具有較好的防火、導熱以及耐腐蝕性能。壓縮鋁合金板材在不用涂裝的情況下可以適用高海拔、低溫以及沿海高濕的施工環(huán)境。

2.1.3 玻璃幕墻

在工業(yè)建筑中的開放式生產(chǎn)車間或者公共交流區(qū)域經(jīng)常使用到玻璃幕墻[2]。玻璃幕墻分為半透明、透明以及鏡面3 種形式。其中，點支式玻璃幕墻采用的是透明玻璃，充分顯露工業(yè)建筑結構的連接形式和結構構造，凸顯結構設計的精確性和嚴謹性。

2.2 輕型鋼結構工業(yè)建筑立面造型設計元素

輕型鋼結構工業(yè)建筑立面造型設計元素主要包括門、窗、屋檐以及色彩。用于生產(chǎn)型的工業(yè)建筑需要經(jīng)常出入各類大中型運輸車輛，廠房大門通常設置為既高又寬的形式，大門通常設置為水平或者垂直方向來區(qū)隔立面，使得工業(yè)建筑具有節(jié)奏感。依據(jù)工業(yè)建筑具體用途將大門設置為卷閘門、大型推拉門或者平開門等形式。廠房裝卸貨物進出的門面可以通過設置防撞立柱和門套來進行保護。此外，為了避免雨水侵蝕，還可以將門與雨棚一同設計。工業(yè)建筑的大門需要與建筑整體和諧布局，當大門和窗的位置不在同一個高度時，可以增加大門入口的視覺尺寸來匹配建筑窗戶的排列。當工業(yè)建筑門的尺寸較小時，會影響建筑立面尺寸和窗戶高度的協(xié)調(diào)性，這時設計可以采用夸張門的方法在視覺上增加建筑入口與立面的比例，達到建筑整體平衡的效果。

工業(yè)建筑的窗戶主要負責建筑內(nèi)部采光、建筑立面分割以及建筑通風，是工業(yè)建筑立面部門的核心組成部分。工業(yè)建筑窗戶形狀以長方形和正方行為主，在設計過程中要善于利用這兩種形式演變出多種排列形式的立面。窗形如果是長方形垂直排列，那么在建筑立面處的窗與墻的比例較大，會增加建筑室內(nèi)的采光條件，而且特別適合大空間生產(chǎn)區(qū)域使用。設計人員應根據(jù)工業(yè)建筑的使用需求不同，采取不同窗型和不同排列組合的措施來滿足其要求。此外，窗臺進深較大，會在窗體玻璃上留下明顯陰影，增加建筑結構的立體層次感，所以當墻體厚度滿足要求時，應盡量增加窗臺進深尺寸。

輕型鋼結構工業(yè)建筑的色彩設計應遵循共性、明顯性以及主從性的“三性”原則，在遵循基本原則的基礎上，根據(jù)建筑立面層次有序配色，確保建筑立面構造清晰。

2.3 輕型鋼結構工業(yè)建筑立面造型設計方法

2.3.1 借用元素的設計方法

輕型鋼結構工業(yè)建筑立面設計可以依據(jù)工業(yè)建筑使用類型來設置符合企業(yè)形象的立面元素，彰顯企業(yè)的行業(yè)屬性。當工業(yè)建筑立面缺少門窗開洞等造型元素時，設計時可以采用凸顯形體的方法來打破建筑平平無奇的現(xiàn)狀。凸顯建筑形體的設計做法主要是突出建筑主體的墻面，通過材料輪廓、材料顏色以及材料紋理重新定義建筑立面組成的秩序，使工業(yè)建筑在視覺上具有一定的沖擊力。

2.3.2 外立面細部構造設計方法

工業(yè)建筑外立面細部構造設計內(nèi)容包括板材連接處的細部構造設計、門窗洞口細部構造設計以及墻面轉角處的細部構造設計3 方面內(nèi)容。板材連接處的細部構造設計主要包括壓型鋼板側向連接和壓型鋼板與建筑墻體結構連接。壓型鋼板側向連接的接縫分為縱向連接接縫和橫向連接接縫，縱向連接搭接長度應大于100 mm 且應順應墻體水流方向；橫向連接應順應廠區(qū)所在地最大頻率的風向。側向連接的方式主要有搭接式連接和扣合式連接。壓型鋼板和墻體的連接方式主要有外露連接和隱蔽式連接。外露連接的自攻螺釘暴露在建筑墻體表面，在一定程度上破壞了工業(yè)建筑墻面的整體性。隱蔽式連接采用板材之間構造相互遮蓋的方式將自攻螺釘隱藏起來，使得建筑立面整齊劃一，特別是當工業(yè)建筑高度較低時，采用單波板材隱蔽式連接更能凸顯建筑設計和建筑施工的精細化。工業(yè)建筑立面板材的連接要盡最大努力保證主體結構的完整性，使得板材紋理和板材板型統(tǒng)一，將施工留下的拼接痕跡進一步弱化。此外，如果采用外露連接方式，應將外露螺釘噴涂與板材顏色一致的顏料，如果外露螺釘將對建筑統(tǒng)一性造成不利影響。

2.3.3 門窗洞口細部構造設計

工業(yè)建筑門窗洞口寬度設計尺寸應是夾芯板寬度的整數(shù)倍，確保板材切割作用集中在工業(yè)建筑立面墻體的盡端。金屬門窗或者塑料門窗設計尺寸應比洞口尺寸小5 mm，為門窗包邊留出足夠的空間，并將泛水邊壓在門窗外邊沿。因窗框的厚度大于板材厚度，所以在設計時應考慮到窗體質(zhì)量的設計，通常采用C 形鋼墻梁來固定夾芯板。

3 輕型鋼結構工業(yè)建筑屋面設計

3.1 屋面板材的連接方式

工業(yè)建筑屋面常用板材有彩色壓型鋼板和彩鋼夾芯板。屋面用彩色壓型鋼板的連接方式主要有咬合式連接和扣蓋式連接。咬合式連接是采用專用的咬邊機將搭接在一起的彩色壓型鋼板緊密咬合。咬合程度又分緊密咬合和非機密咬合，設計時要根據(jù)工業(yè)具體使用要求來確定采用哪種咬合程度?？凵w式連接設計時應將接縫形式設置為對稱布置，并將板材邊緣收緊，在板材上安裝防水扣蓋?？凵w式連接設計的隱藏構造形式增加了屋面防水能力，但是考慮到板材下的空腔受風阻較大，該連接方式在沿海多風地區(qū)不適宜應用。彩鋼夾芯板的連接方式主要有屋面板才縱向連接和屋面板材橫向連接。屋面板材橫向連接設計的企口凹凸處首尾相接，屋面板材之間采用密封膠噴涂，并采用自攻螺釘將壓蓋板和屋面板連接。將板材搭接處用作構造連接，避免連接處出現(xiàn)虹吸現(xiàn)象?？v向連接的兩塊屋面板材應放置在屋架支撐構件上，板材支座的設計長度要大于50 mm，且兩塊縱向連接板材的搭接處檁條應設計為雙檁或設計為焊接長角鋼形式。

3.2 屋面功能設計

工業(yè)建筑屋面排水設計主要包括以下幾個方面：首先，屋面排水坡度應大于5%，排水形式多為屋面外排。因屋面高度增加會增加整體造價，所以在屋面排水結構設計時應在外排水基礎上選用寬波高肋壓型板材料，板材側面采用卷邊處理，在一定程度上可以適當減小屋面坡度，降低屋面高度，降低工程總造價。其次，屋面板接縫處理和屋面板防水處理。屋面板如果采用縱向連接方式，那么屋面板排水方向與板材方向一致，這時候主要從屋面板構造方面考慮排水和防水為主，防水材料為輔的原則來進行設計；屋面板如果采用橫向連接方式，應設置一定的搭接邊來順應屋面排水，搭接邊長度應大于200 mm，且采用防水材料密封。

3.3 工業(yè)建筑屋面通風設計

工業(yè)建筑廠房大多數(shù)是密封作業(yè)，作業(yè)過程中會產(chǎn)生大量粉塵、水蒸氣以及污濁氣體，如果不及時排除會腐蝕機械設備，所以在屋面通風設計方面應考慮屋面氣樓的設計。氣樓結構是屋面結構的豎向延伸，在滿足工業(yè)建筑密封空間排氣要求同時，也拉伸了工業(yè)建筑的豎向空間，提升了工業(yè)建筑的層次感，也保護了工業(yè)建筑屋脊結構構件。

4 輕型鋼結構工業(yè)建筑設計實例分析

4.1 案例簡介

某生態(tài)環(huán)?？萍加邢薰镜膹U舊科技產(chǎn)品回收及綜合應用車間，建筑耐火等級為一級，屋面防水等級為二級，建筑綜合類別為三級。其中，辦公區(qū)域建筑為鋼框架結構，回收加工車間區(qū)域為門式鋼框架結構。建筑主體北側首層層高為4.8 m，作為辦公及車間附屬施舍用房，建筑主體北側二層為相關科技產(chǎn)品回收再利用展覽用房。建筑主體南側層高為10 m，主要用于生產(chǎn)建工車間用房，總建筑面積為14 000 m2，辦公區(qū)域面積為2 800 m2，生產(chǎn)加工車間面積為11 200 m2。

4.2 建筑材料的選擇

考慮到案例項目工業(yè)建筑的使用特性，在建筑設計中應遵循低碳環(huán)保理念，所以建筑形式采用門式鋼框架結構，建筑維護材料選擇彩色壓型鋼板，因為鋼材屬于可重復利用的材料，也凸顯了建筑本身的綠色可持續(xù)發(fā)展理念，與建筑使用性質(zhì)不謀而合。建筑凸出部分采用了厚度為0.8 mm 的橫排象牙白波浪板材，建筑維護墻體材料為厚度0.5 mm 的豎排象牙白外板，使得建筑凸出部分的機械工業(yè)智慧感十足。板材條紋方向和板材條紋大小的設計需要設計師根據(jù)建筑效果圖和建筑長寬比例綜合分析確定。建筑從上到下主流顏色為象牙白，除了建筑北側的玻璃幕墻和窗戶之外，設計過程中沒有加入其他色彩。建筑設計中色彩搭配方案要綜合考慮建設單位使用需求和建筑總體體量進行綜合考慮并確定。

4.3 建筑立面設計

因案例項目為科技產(chǎn)品回收再利用的辦公加生產(chǎn)車間，為了凸顯建筑的科技感和未來感，建筑4 個立面設置成凸凹形狀，在光線作用下凸顯了建筑的與眾不同。建筑辦公部分采用鋼框架結構設計，局部屋面使用張懸梁結構設計，辦公區(qū)入口處采用明框玻璃幕墻，充分彰顯建筑的現(xiàn)代感。玻璃幕墻和金屬板材的交相輝映，勾勒出建筑北側立面的整體架構。

4.3.1 建筑墻體立面外圍護結構細部設計

為了凸顯建筑的與眾不同，將車間外維護表面設計成凸凹形狀，將壓型鋼板顏色設計為瓷藍色，將壓型鋼板突出象牙白墻體200 mm。具體設計方案是在墻體內(nèi)檁條邊緣加設附加結構構件，讓附件結構構件與壓型板形成特別的連接構造形式，同時處理好壓型鋼板的收邊位置。突出部位的檁條做法與常規(guī)做法不同，將檁條設計成焊接角鋼形式的突出構件。

4.3.2 窗口細部設計

案例項目凸凹部分窗口設計方案是將兩個截面面積一致的檁條并列焊接在一起，再與彩色鋼板相互配合進行包邊處理，將凸凹效果達到極致。建筑非凸凹部分的窗口也設計了別致的彩鋼構折件，并通過防水自攻螺釘與墻體板材進行固定，固定后用密封膠在窗框出進行密封，達到了預期的防水效果。窗下口與墻體的連接同窗上口連接方式基本一致。

5 結語

與工業(yè)建筑和民用建筑相同，輕型鋼結構工業(yè)建筑的空間同樣是由結構骨架組成，輕型鋼結構的屋面和立面也是由與之相同的元素構成。所以在輕型鋼結構工業(yè)建筑設計時，可以參考建筑設計統(tǒng)一美學進行設計。此外，輕型鋼結構建筑可以有多種外觀形式，結構空間組成也好、立面造型或者屋面造型也好，設計人員都可以充分發(fā)揮想象空間去設計，繼而達到和其他建筑相同的美學效果。