劉爽

陜西省寶雞市建筑設(shè)計院 陜西寶雞 721000

提起傳統(tǒng)的工業(yè)廠房，大眾的第一印象總是整齊劃一、規(guī)格統(tǒng)一、模式單一，站在廠房里，不管你在哪個位置，其承重結(jié)構(gòu)都是一模一樣的，就像六七十年代的樓房，厚實(shí)的墻體，10米左右的高度，一眼看過去都是一個樣式。這不是人們不想蓋得更好，這是工業(yè)技術(shù)的制約，當(dāng)各方面技術(shù)條件都不成熟的時候，安全才是市場的主流，其余需求只能將就現(xiàn)有的條件適應(yīng)。改革開放這幾十年來，我國的科技水平突飛猛進(jìn)，現(xiàn)有工業(yè)技術(shù)的提升，使建筑行業(yè)不僅在材料上有所突破，設(shè)計條件、施工技術(shù)更是日新月異，大量以前只能充斥在設(shè)計師想象里的建筑都已拔地而起。在滿足建筑物安全的前提下，建設(shè)方開始提出更多、更細(xì)節(jié)的設(shè)計要求，比如，以前因?yàn)槌叽邕^高過大、或者局部形狀不規(guī)則，當(dāng)時的車間廠房因?yàn)楦叨?、寬度的限制或者造價成本過高而只能讓設(shè)備露天或是挖坑下沉擺放，現(xiàn)在也都可以依據(jù)需求給它們專門建個廠房，其中，高層工業(yè)廠房也就如雨后春筍般應(yīng)運(yùn)而生[1]。

1 工程概況

某高層鋼結(jié)構(gòu)工業(yè)廠房，平面尺寸為60×54米，縱向均為6米柱距，橫向三連跨，每跨18米，立面成山字形，兩個邊跨檐口高度20米，屋面為5%單坡，中間高跨檐口高度34.5米，屋面為5%雙坡，廠房內(nèi)設(shè)2臺32t橋式吊車和1臺50t橋式吊車，工作級別A5。結(jié)構(gòu)重要性系數(shù)為1.0，建筑結(jié)構(gòu)的設(shè)計基準(zhǔn)期為50年，設(shè)計使用年限為50年。抗震設(shè)防烈度是8度，設(shè)計基本地震加速度值為0.20g，Ⅱ類場地，抗震等級三級，標(biāo)準(zhǔn)設(shè)防類建筑。因現(xiàn)場開挖情況和建設(shè)方要求，持力層為卵石層，基礎(chǔ)采用獨(dú)立基礎(chǔ)+高杯口。

2 建筑物設(shè)計

2.1 建模方案選取

以往工業(yè)廠房在設(shè)計初期，最先考慮的就是門式剛架，該模式以加工簡單，批量生產(chǎn)，用鋼量低，施工速度快等優(yōu)點(diǎn)頗受市場青睞，而且一旦建筑物需要轉(zhuǎn)移，可以很快拆除，在新地址重新安裝，投入使用，不用重復(fù)建設(shè)造成成本浪費(fèi)。該工程雖然從立面上看中間每榀鋼架都一樣，可以按照傳統(tǒng)二維方式建模，但這樣就忽略了建筑物的整體性，這是二維模型計算的局限，它讓三維建筑只能滿足平面內(nèi)計算，平面外僅依靠構(gòu)造措施連接，不能經(jīng)過整體抗震驗(yàn)算。雖然計算軟件的升級換代實(shí)現(xiàn)了門式剛架的三維建模，發(fā)現(xiàn)平面外節(jié)點(diǎn)如果按照構(gòu)造措施連接大部分根本不能滿足抗震驗(yàn)算。不過，本工程在設(shè)計方案討論初期就摒棄門式剛架，因?yàn)椤堕T式剛架輕型房屋鋼結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)范》GB51022-2015總則條文1.0.2條中明確門式剛架的范圍，“本規(guī)范適用于房屋高度不大于18m，房屋高寬比小于1，承重結(jié)構(gòu)為單跨或多跨實(shí)腹門式剛架、具有輕型屋蓋、無橋式吊車或有起重量不大于20t的A1-A5工作級別橋式吊車或3t懸掛式起重機(jī)的單層鋼結(jié)構(gòu)房屋。”本工程已經(jīng)超出了這個范圍，明顯不適用。所以經(jīng)過方案比較，最終決定該工程采用鋼框架結(jié)構(gòu)形式。

2.2 結(jié)構(gòu)專業(yè)設(shè)計

此廠房因?yàn)榭偢叨纫呀?jīng)超過24米為高層工業(yè)建筑，在設(shè)計時工程師會為建筑物安全增加更多的抗震措施。首先，結(jié)構(gòu)設(shè)計上最先考慮的就是框架柱平面內(nèi)外的穩(wěn)定，本工程邊跨最低點(diǎn)也達(dá)到20米高，中跨框架柱更是34.5米高度，這需要建模時在鋼柱適當(dāng)高度增加平面外構(gòu)件來減小鋼柱長細(xì)比值，根據(jù)抗震規(guī)范條文9.2.12條、9.2.15條該廠房要設(shè)置剛性系桿、柱間支撐、屋面支撐等構(gòu)造措施來加強(qiáng)結(jié)構(gòu)的整體穩(wěn)定性。另外，因?yàn)槲菝娌捎幂p型屋面，荷載的選取、導(dǎo)荷方向就必須一一核實(shí)是否與實(shí)際情況相符，例如，輕鋼屋面的保溫板是固定在檁條上的，檁條則安裝在主鋼梁上，所以屋面荷載是單方向?qū)Ш桑皇浅绦蚰J(rèn)的四邊導(dǎo)荷，若忽略修改，主鋼梁的計算結(jié)果會比實(shí)際要小，與主鋼梁垂直相交于框架柱處的邊梁就會得出比實(shí)際計算大很多的應(yīng)力值。單坡屋面鋼梁有18米長，在鋼框架建模時不能像二維設(shè)計門式剛架那樣可以在計算長度上按照側(cè)向支撐間距直接修改，這時為防止鋼梁平面外計算與實(shí)際不符，可把剛性系桿以兩端鉸接構(gòu)件輸入，若忽視這一步驟，計算結(jié)果顯示鋼梁的平面外驗(yàn)算會很難滿足。

本工程因?yàn)槠矫骈L寬尺寸相近，鋼柱布置齊整，X、Y兩個方向的剛度大小相近，這使建筑物在抗震計算時，地震作用的最不利方向一般出現(xiàn)在45度左右，這會讓整個建筑物很容易發(fā)生扭轉(zhuǎn)。為了解決這個問題，考慮到廠房里設(shè)備布置，設(shè)計時可以沿著縱向在廠房兩端和中間開間均勻布置柱間支撐，使地震作用最不利方向調(diào)整為0-15度。在建模時還應(yīng)考慮，吊車梁高度位置選取，吊車起重量、吊車數(shù)量、工作級別、折減系數(shù)等一系列參數(shù)的填選，這些都是會影響最終驗(yàn)算，須落實(shí)不可缺失。

該工程在幾種基礎(chǔ)方案中多有比較，從實(shí)際現(xiàn)場布局、地勘報告、施工難易程度以及施工成本等各方面出發(fā)，最終采用獨(dú)立基礎(chǔ)+高杯口方案，框架結(jié)構(gòu)在受力簡單明確時，獨(dú)立基礎(chǔ)是施工難度不大，且成本較低的一種形式，因?yàn)檫@些基礎(chǔ)寬度大部分在3米左右，若做成錐形大放腳形式需要二次抹平，不利于控制質(zhì)量，但做成臺階式則方便支模，成型后不用返工?；A(chǔ)頂面設(shè)置高杯口則是對應(yīng)上部鋼柱下端為插入式柱腳，這種形式既有利于滿足《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)》第17.2.12條要求，又便于施工，混凝土施工后，直接吊裝鋼柱插入杯口，填充細(xì)石混凝土，利于操作，施工成果會與設(shè)計施工意圖更相符。

還有很多構(gòu)造措施在設(shè)計階段是不可忽視的，例如，對于輕鋼屋面的水平支撐應(yīng)在與柱間支撐同開間布置，而縱向支撐可按照抗規(guī)9.2.12.4-2條“對于高低跨廠房，在低跨屋蓋橫梁端部支承處，應(yīng)沿屋蓋全長設(shè)置縱向水平支撐”；抗規(guī)9.2.12.4-4條“當(dāng)設(shè)置沿結(jié)構(gòu)單元全長的縱向水平支撐時，應(yīng)與橫向水平支撐形成封閉的水平支撐體系。多跨廠房屋蓋縱向水平支撐的間距不宜超過兩跨，不得超過三跨；高跨和低跨宜按各自的標(biāo)高組成相對獨(dú)立的封閉支撐體系”這兩條布置，讓整個屋面各自形成封閉體系，讓屋面的整體性更好。

2.2.1 配合建筑專業(yè)設(shè)計

高層工業(yè)廠房會比普通廠房增加許多安全檢修措施，一般工業(yè)廠房（不帶吊車）高度為6-8米，有吊車的多為10米以上，建筑在方案上就會增加檢修爬梯，有時建設(shè)方為了節(jié)省成本，把十字交叉雙角鋼+綴板形式的柱間支撐當(dāng)臨時爬梯使用，不光違反國家制定的法規(guī)、規(guī)范，其工作人員的安全問題也得不到保證。工程師必須考慮設(shè)計是否能排除一些潛在的隱患，例如做成人字形單角鋼支撐等。在平時工作中，會影響結(jié)構(gòu)安全使用年限的最大因素是圍護(hù)的防潮防水防火，建筑方案中有許多這方面的設(shè)計，怎樣合理利用現(xiàn)有條件來實(shí)現(xiàn)，是要在設(shè)計開始就要考慮的，一個設(shè)施就做一套承重體系會增加成本，結(jié)構(gòu)可以調(diào)整一些構(gòu)件的位置來配合建筑，例如可以把休息平處的梁與鋼柱弱軸方向的側(cè)向支撐合一，這可以減少鋼梁的數(shù)量；也可以利用吊車梁做室外爬梯平臺的落腳點(diǎn)，以此為支撐配重向墻外延伸挑梁設(shè)置外檢口平臺，詳例圖所示，這些細(xì)節(jié)都可以大大節(jié)省建造成本[2]。

2.2.2 配合水電暖專業(yè)設(shè)計

根據(jù)現(xiàn)有國家規(guī)范，對單層、多層、高層建筑的消防設(shè)計各有規(guī)定，眾所周知，越高的建筑物對消防需求越高，高鋼建筑更嚴(yán)，需要設(shè)置消防管道，尤其是給排水管道。排水管里的水一旦流動，能產(chǎn)生很大的動力，剛度小的鋼構(gòu)件有很大概率會被此振動影響破壞，所以它所有的連接點(diǎn)必須都要在剛度大的承重構(gòu)件上。工業(yè)廠房柱間跨度很大，并不能像鋼筋混凝土建筑那樣在墻柱上埋設(shè)預(yù)埋件，而消防排水管道需要在廠房里形成閉環(huán)，電氣管道需要抬高設(shè)置橋架，它們的安裝就會懸空，此時就必須與給排水、電氣專業(yè)協(xié)商溝通，三個專業(yè)把各自的條件和必須達(dá)到的要求放在一起后，集思廣益，重新排列，得出最佳方案，只要調(diào)整二者的標(biāo)高，在鋼柱上焊牛腿，牛腿下方安裝一個“曰”字形型鋼焊成的鐵架，給排水水管排在上面，電氣管道放在下方，這樣一來，只需少量構(gòu)件就能固定這兩套系統(tǒng)，既節(jié)省安裝成本，也讓管道安裝后整齊美觀，不顯凌亂，具體詳例如圖所示。這些都只是提供一種解決方式，工程設(shè)計師必須做到具體問題具體分析解決，不能拘泥于統(tǒng)一形式，要靈活多變開動腦筋。

設(shè)計時，暖通專業(yè)需要在墻面、屋面上設(shè)置風(fēng)機(jī)，風(fēng)機(jī)一般會長時間運(yùn)轉(zhuǎn)，其工作時產(chǎn)生的振動和運(yùn)轉(zhuǎn)力，一般規(guī)格的薄壁型鋼制成的檁條會隨之局部振蕩，影響使用安全。在過去的很多工業(yè)建筑正常生產(chǎn)時，安裝的大功率設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)起來會帶動整個建筑跟著顫動，雖然沒有造成建筑安全，但是工作人員卻不敢長時間站在樓面。本工程雖然沒有大功率運(yùn)轉(zhuǎn)的風(fēng)機(jī)設(shè)備，但是也不能忽視這個問題，可以用剛度更好的工字鋼替換原位置的檁條，也可以離開原檁條安裝位置一定距離，專門為風(fēng)機(jī)設(shè)置支撐檁條，使風(fēng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)時不會對建筑物造成不利影響。

2.3 設(shè)計結(jié)果分析

此工程依據(jù)抗規(guī)9.2.7.2條，“平面規(guī)則、抗側(cè)剛度均勻的輕型屋蓋廠房，可按平面框架進(jìn)行計算。等高廠房可采用底部剪力法，高低跨廠房應(yīng)采用振型分解反應(yīng)譜法。”進(jìn)行抗震計算，框架柱最大強(qiáng)度應(yīng)力比值為0.68，框架梁最大受拉應(yīng)力比值為0.71，最大剪應(yīng)力比值為0.13，從安全儲備上來說是比較合適的。設(shè)計人可以再單獨(dú)取標(biāo)準(zhǔn)跨，用“鋼結(jié)構(gòu)二維設(shè)計”中框架選項(xiàng)進(jìn)行二維建模計算，輸入同樣的參數(shù)數(shù)據(jù)，得出框架柱最大強(qiáng)度應(yīng)力比值為0.92，框架梁最大受拉應(yīng)力比值為0.96，最大剪應(yīng)力比值為0.11，二者比較后不難發(fā)現(xiàn)二維計算的結(jié)果有些數(shù)據(jù)明顯偏大。這跟兩者的計算假定有關(guān)，也能看出三維整體計算考慮了所有受力構(gòu)件之間的聯(lián)系，互相勾連，共同作用，使得單獨(dú)一根框架梁、柱的應(yīng)力值小很多，這也是框架形式的優(yōu)點(diǎn)所在。設(shè)計師可以綜合考慮，取其最不利因素對原設(shè)計進(jìn)行調(diào)整，做到“強(qiáng)柱弱梁、強(qiáng)減弱彎、強(qiáng)節(jié)點(diǎn)弱構(gòu)件”這一目標(biāo)，滿足結(jié)構(gòu)安全。

3 結(jié)語

高層鋼結(jié)構(gòu)工業(yè)廠房的設(shè)計只是鋼結(jié)構(gòu)體系這棵大樹上的一個分支，它看起來不大，但其中涉及到的細(xì)節(jié)卻覆蓋了高層建筑、工業(yè)設(shè)計、消防措施、檢修維護(hù)等方方面面的問題，工程師決不能單純的以一般廠房設(shè)計來定義它，要更加綜合系統(tǒng)的考慮，學(xué)會優(yōu)化組合，化繁為簡，盡量充分利用已有的條件來達(dá)到設(shè)計目的，這才是一個合格的結(jié)構(gòu)工程師最基本的要求。我國的建設(shè)速度世界矚目，建筑技術(shù)也達(dá)到了世界先進(jìn)水平，最重要的建筑質(zhì)量更不能馬虎大意，安全生產(chǎn)的同時，建造成本的節(jié)約是工程師們必須考慮的事情，當(dāng)性價比過低時，建設(shè)方多數(shù)會放棄這個方案，必須能做到既要安全也要經(jīng)濟(jì)，這才能讓這一建筑形式能夠更好地發(fā)展。