關(guān)海洲

中機(jī)第一設(shè)計(jì)研究院有限公司（030009）

0 前言

近年來，隨著建筑行業(yè)的穩(wěn)步發(fā)展，鋼鐵技術(shù)也在進(jìn)步，鋼結(jié)構(gòu)在工業(yè)建筑業(yè)中的地位開始日益重要。與傳統(tǒng)的鋼筋混凝土相比，鋼結(jié)構(gòu)不僅自重輕、承載力大，而且可以在不受季節(jié)變化影響的情況下進(jìn)行建造，減少了建筑垃圾的排放。鋼結(jié)構(gòu)在施工過程中的優(yōu)勢也十分明顯，可以極大加快施工進(jìn)程。為了更好地發(fā)展鋼結(jié)構(gòu)工業(yè)建筑，應(yīng)針對(duì)實(shí)際設(shè)計(jì)進(jìn)行分析，并嚴(yán)格遵守相關(guān)規(guī)定，使鋼結(jié)構(gòu)工業(yè)建筑推動(dòng)綠色建筑的發(fā)展。

1 工業(yè)建筑鋼結(jié)構(gòu)的應(yīng)用優(yōu)勢分析

1.1 材質(zhì)輕盈，抗震能力強(qiáng)

與傳統(tǒng)的磚混結(jié)構(gòu)相比，鋼結(jié)構(gòu)的總重量明顯要小，主要是由于鋼結(jié)構(gòu)的密度小。在外載相同的條件下，鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件截面小，易于運(yùn)輸和安裝。此外，鋼結(jié)構(gòu)具有良好的抗震性能，這與鋼材的可延性有關(guān)。在地震災(zāi)害發(fā)生時(shí)，鋼結(jié)構(gòu)會(huì)消耗大量的地震能量[1]。

1.2 安裝便捷，施工周期短

鋼結(jié)構(gòu)的大部分組件都在工廠預(yù)加工，因此在施工過程中，施工人員只需要安裝、吊裝和焊接組件。相較于鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，鋼結(jié)構(gòu)施工可以節(jié)省30%以上的作業(yè)時(shí)間，大大提高了施工效率，降低了施工成本[2]。

1.3 材料環(huán)保，整體造價(jià)低

近年來，我國在建筑工程領(lǐng)域提出了節(jié)能降耗、綠色環(huán)保的要求。傳統(tǒng)的鋼筋混凝土施工產(chǎn)生的固體廢物易污染環(huán)境。為了避免或減少施工出現(xiàn)的污染問題，施工單位往往需要投入大量資金處理污染問題，增加了企業(yè)的經(jīng)濟(jì)負(fù)擔(dān)。但鋼結(jié)構(gòu)在安裝過程中不會(huì)產(chǎn)生粉塵，節(jié)約了大量的污染治理成本。此外，鋼結(jié)構(gòu)施工技術(shù)逐漸顯示出節(jié)能、防水、隔熱等方面的優(yōu)勢，在大型公共建筑中成為首選技術(shù)類型[3]。

1.4 形式美觀，具有功能化

在鋼結(jié)構(gòu)建筑中，鋼結(jié)構(gòu)的形狀、構(gòu)件和節(jié)點(diǎn)決定著建筑物的形象。工業(yè)建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和功能應(yīng)該實(shí)現(xiàn)一體化，這樣建筑將更具功能性，形成藝術(shù)和技術(shù)共存的建筑。鋼結(jié)構(gòu)建筑可以突破結(jié)構(gòu)、斜線、曲線的約束，創(chuàng)造出更加新穎、美觀的建筑形象。鋼結(jié)構(gòu)建筑強(qiáng)大的造型潛力在磚混結(jié)構(gòu)和混凝土結(jié)構(gòu)建筑中難以實(shí)現(xiàn)，其中點(diǎn)支式玻璃幕墻形式多樣、變化無窮，具有良好的藝術(shù)性，使工業(yè)建筑更加美觀。

1.5 用途廣泛，可塑性極強(qiáng)

鋼結(jié)構(gòu)重量輕、韌性好、抗壓強(qiáng)度高，適用于各種建筑物的建設(shè)。尤其是傳統(tǒng)建筑工程中難以完成的大跨度工業(yè)建筑，使用鋼結(jié)構(gòu)可以實(shí)現(xiàn)室內(nèi)沒有柱子的大空間[4]。鋼材能夠抵抗擠壓，這使得結(jié)構(gòu)可以用來建造新型的鋼結(jié)構(gòu)，已成為工業(yè)建筑的新趨勢。

2 工業(yè)建筑鋼結(jié)構(gòu)應(yīng)用存在的問題

目前，鋼結(jié)構(gòu)工業(yè)建筑的應(yīng)用研究還不夠，主要是由于鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的應(yīng)用較為廣泛，在技術(shù)人員的心目中地位很高。技術(shù)人員認(rèn)為，鋼結(jié)構(gòu)更具備安全穩(wěn)定性。我國鋼結(jié)構(gòu)工業(yè)建筑應(yīng)用在許多方面落后于西方發(fā)達(dá)國家，特別是在技術(shù)水平和設(shè)計(jì)理念上。此外，我國對(duì)鋼結(jié)構(gòu)建筑投入不足，在專業(yè)人才培養(yǎng)、新產(chǎn)品研發(fā)、設(shè)備更新等方面缺乏積極性，極大地阻礙了鋼結(jié)構(gòu)工業(yè)建筑的發(fā)展。鋼結(jié)構(gòu)工業(yè)建筑設(shè)計(jì)人員對(duì)于新材料缺乏研究和改進(jìn)，只是憑借工作經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行項(xiàng)目設(shè)計(jì)，工業(yè)建筑鋼結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)價(jià)值沒有體現(xiàn)出來[5]。因此，這就要求相關(guān)人員加大研究力度，使鋼結(jié)構(gòu)技術(shù)水平能夠滿足工業(yè)建筑的使用需求。

3 工業(yè)建筑鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)應(yīng)遵守的原則

隔熱系統(tǒng)、支撐系統(tǒng)和防火系統(tǒng)是鋼結(jié)構(gòu)工業(yè)建筑的重要組成部分，直接影響到工業(yè)建筑的實(shí)際使用效果。支撐系統(tǒng)是鋼結(jié)構(gòu)的主體框架，只有對(duì)主支撐結(jié)構(gòu)進(jìn)行科學(xué)的設(shè)計(jì)，才能確保工業(yè)建筑的安全性和穩(wěn)定性。設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)考慮整體結(jié)構(gòu)的剛度和柱的承載能力，避免發(fā)散結(jié)構(gòu)傾斜和變形。此外，根據(jù)工業(yè)建筑總體布置空間、廠房高度、深度等因素，還應(yīng)合理布置支撐系統(tǒng)，滿足橫向支撐系系統(tǒng)的要求[6]。鋼結(jié)構(gòu)比傳統(tǒng)建筑材料具有更好的熱導(dǎo)率，因此應(yīng)充分重視保溫系統(tǒng)，根據(jù)工業(yè)建筑的實(shí)際功能，科學(xué)應(yīng)用保溫材料，并采取防火措施，以提高鋼結(jié)構(gòu)的安全系數(shù)。

4 工業(yè)建筑鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的要點(diǎn)

4.1 荷載設(shè)計(jì)

在工業(yè)建筑鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，應(yīng)以鋼結(jié)構(gòu)的實(shí)際承載狀態(tài)為標(biāo)準(zhǔn)，確保荷載值的準(zhǔn)確性，從而為建筑的安全性和可靠性提供有力保證。此外，鋼結(jié)構(gòu)荷載設(shè)計(jì)還應(yīng)考慮風(fēng)荷載、溫度荷載等外部因素?！督ㄖY(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》規(guī)定，永久荷載分項(xiàng)系數(shù)為1.2或1.35，可變負(fù)荷為1.3或1.4，設(shè)計(jì)值應(yīng)大于標(biāo)準(zhǔn)值[7]。

4.2 保溫隔熱與防火

鋼結(jié)構(gòu)具有優(yōu)良的熱導(dǎo)率，對(duì)溫度非常敏感。因此，在設(shè)計(jì)過程中應(yīng)注意鋼結(jié)構(gòu)的隔熱處理。如果設(shè)計(jì)的保溫措施不科學(xué)，不僅不能保證工業(yè)建筑室內(nèi)的實(shí)際溫度，而且會(huì)在后續(xù)使用過程中造成較大的經(jīng)濟(jì)負(fù)擔(dān)。此外，一些工業(yè)生產(chǎn)過程需要在高溫條件下進(jìn)行，鋼結(jié)構(gòu)熱絕緣系統(tǒng)必須采取防火措施。一般來說，防火處理主要有兩種措施，一種是在鋼結(jié)構(gòu)表面涂抹耐火材料，另一種是直接使用耐火材料。鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)期間，首先，要做好防火區(qū)的處理，確定各區(qū)的面積。其次，車間內(nèi)應(yīng)設(shè)置疏散口，以滿足國家標(biāo)準(zhǔn)的消防要求。為了使工業(yè)建筑達(dá)到防火標(biāo)準(zhǔn)，必須確保安全出口的合理性。最后，根據(jù)人口密度確定疏散距離和疏散路線，有助于及時(shí)將人員疏散到安全區(qū)，從而避免財(cái)產(chǎn)損失和人員傷亡。

4.3 立面設(shè)計(jì)

工業(yè)建筑的輕鋼結(jié)構(gòu)，其尺寸、顏色、變化和線條都有明顯的特點(diǎn)。雖然彩色壓型鋼板可以突出豐富的色彩，但立面的設(shè)計(jì)在追求外觀的同時(shí)會(huì)增加項(xiàng)目成本。為了避免這些問題，設(shè)計(jì)人員在鋼結(jié)構(gòu)立面設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)盡量選用冷色調(diào)，這樣不僅可以提高工業(yè)建筑的整體氛圍，而且可以使整個(gè)結(jié)構(gòu)更加立體[8]。

4.4 溫度伸縮縫設(shè)計(jì)

由于鋼結(jié)構(gòu)工業(yè)建筑材料的獨(dú)特性，其對(duì)溫度變化的敏感性比混凝土結(jié)構(gòu)更低，在溫度變化下鋼結(jié)構(gòu)相對(duì)不易發(fā)生變形。鋼結(jié)構(gòu)工業(yè)建筑一般平面尺寸較大，溫度伸縮節(jié)點(diǎn)應(yīng)設(shè)計(jì)在結(jié)構(gòu)中間部分，通常采用雙柱設(shè)計(jì)。鋼框架結(jié)構(gòu)的溫度區(qū)段規(guī)范沒有明確規(guī)定，一般取值為混凝土的1.2到1.5倍。

4.5 屋蓋支撐系統(tǒng)及屋面設(shè)計(jì)

鋼結(jié)構(gòu)工業(yè)建筑屋面支撐體系的布置應(yīng)考慮高度、跨度、柱網(wǎng)布置、起重機(jī)噸位、屋面結(jié)構(gòu)等因素。一般來說，梯形鋼屋架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)宜采用垂直支承結(jié)構(gòu)，屋架上弦桿采用上弦支承結(jié)構(gòu)。如果屋架間距大于12m，或是廠房內(nèi)部使用大型振動(dòng)設(shè)備作業(yè)，應(yīng)設(shè)置縱向水平支撐。屋面由保溫層、防水層、隔汽層和屋面彩鋼板內(nèi)板組成，這種結(jié)構(gòu)受溫度因素影響較小[9]。此外，可以采用雙層鋼板加保溫棉，這種形式比較常見，但受溫度影響容易發(fā)生膨脹和收縮。在選擇墊板、引出板和引弧板時(shí)，質(zhì)量應(yīng)與母材的質(zhì)量一致。目前，在輕型屋面和檁條體系墻體的設(shè)計(jì)實(shí)踐中，設(shè)計(jì)人員需要考慮美觀、造價(jià)和后期使用安全等因素。單層壓型鋼板的自重為0.10～0.18kN/m2。在工業(yè)建筑有保溫要求的情況下，可采用雙層鋼板夾超細(xì)玻璃纖維棉或巖棉。屋頂荷載一般不超過1.0kN/m2。在墻體材料設(shè)計(jì)中，應(yīng)根據(jù)建筑的實(shí)際情況確定鋪設(shè)方式，并注意墻體材料的美觀性。

4.6 抗震性能設(shè)計(jì)

在鋼結(jié)構(gòu)工業(yè)建筑的抗震設(shè)計(jì)中，需要注意三點(diǎn):一是結(jié)構(gòu)的剛度必須均勻分布，否則會(huì)降低結(jié)構(gòu)的抗震性能；二是有效設(shè)計(jì)承載力，避免結(jié)構(gòu)發(fā)生傾斜；三是考慮地震對(duì)鋼結(jié)構(gòu)的影響，確保結(jié)構(gòu)處于塑性工作狀態(tài)。

在鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，應(yīng)確保構(gòu)件布置的均勻性，合理布置工業(yè)建筑的豎向和水平結(jié)構(gòu)。溫差較大時(shí)產(chǎn)生的溫度應(yīng)力對(duì)鋼結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性有嚴(yán)重影響，在設(shè)計(jì)過程中可以增加溫度伸縮縫，或者采用雙柱或單柱的方式進(jìn)行設(shè)置。要做好結(jié)構(gòu)支撐體系的設(shè)計(jì)，確保其合理性和科學(xué)性。鋼結(jié)構(gòu)的抗拉強(qiáng)度應(yīng)根據(jù)廠房高度、振動(dòng)設(shè)備、廠房吊車進(jìn)行設(shè)計(jì)，頂板支護(hù)和柱間支護(hù)是兩種常用的支護(hù)方式，需要進(jìn)行協(xié)調(diào)。下柱支護(hù)通常設(shè)置在溫度區(qū)的中間，保證車梁等構(gòu)件能夠?qū)崿F(xiàn)自由伸縮[10]。

4.7 防腐設(shè)計(jì)

腐蝕會(huì)對(duì)鋼結(jié)構(gòu)造成嚴(yán)重?fù)p傷，可能導(dǎo)致鋼結(jié)構(gòu)表面腐蝕、構(gòu)件截面減小等不良現(xiàn)象，縮短鋼結(jié)構(gòu)的使用壽命。因此，在設(shè)計(jì)過程中應(yīng)加強(qiáng)鋼結(jié)構(gòu)的防腐防銹設(shè)計(jì)，在鋼結(jié)構(gòu)的表面涂上防銹漆，以便隔離外界環(huán)境的影響因素。對(duì)于外露的鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件，應(yīng)采取有效措施，防止鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件出現(xiàn)腐蝕。

4.8 合理設(shè)置隅撐

在單層鋼結(jié)構(gòu)廠房設(shè)計(jì)中，應(yīng)合理設(shè)置隅撐，避免柱內(nèi)翼緣和梁下翼緣失穩(wěn)。鋼結(jié)構(gòu)廠房的斜梁受力不固定，無法保證廠房的穩(wěn)定性，下翼緣可能失去平面外支承力，因此可以在下翼緣位置設(shè)計(jì)支承。如果下翼緣承受較高的壓力，有必要強(qiáng)化斜梁下翼緣支承結(jié)構(gòu)。

5 工業(yè)建筑鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的步驟

5.1 選擇鋼材種類

在工業(yè)建筑鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，選擇合適的鋼材種類非常必要。目前，我國生產(chǎn)的合金鋼有300多種，碳鋼有100多種。但是，由于鋼結(jié)構(gòu)受鋼材的強(qiáng)度和變形能力的影響，在工業(yè)建筑鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，要根據(jù)工業(yè)建筑的類型選擇合適的鋼材。

5.2 鋼結(jié)構(gòu)選型和布置分析

在鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過程中應(yīng)注重整個(gè)結(jié)構(gòu)體系與子系統(tǒng)的力學(xué)關(guān)系，通過工程經(jīng)驗(yàn)、試驗(yàn)現(xiàn)象、破壞機(jī)理等方面明確設(shè)計(jì)思路，從建筑物的整體角度確定結(jié)構(gòu)布局。工業(yè)建筑鋼結(jié)構(gòu)通常包括桁架、門式鋼架、輕鋼、框鋼、排架等結(jié)構(gòu)形式，因此應(yīng)根據(jù)結(jié)構(gòu)的性質(zhì)、荷載分布和體系特點(diǎn)進(jìn)行設(shè)計(jì)，以保證鋼結(jié)構(gòu)具有多道防護(hù)，防止鋼結(jié)構(gòu)受到移動(dòng)荷載發(fā)散傾斜。

5.3 截面預(yù)估分析

在鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，應(yīng)對(duì)鋼結(jié)構(gòu)截面進(jìn)行估算，考慮支座截面形狀、尺寸以及柱梁截面。不同鋼結(jié)構(gòu)對(duì)支撐和柱梁截面的構(gòu)造要求不同，柱截面考慮地震作用，長細(xì)比通?？刂圃?0～100，工業(yè)建筑選用100左右。鋼梁通常焊接或軋制H型鋼，根據(jù)支承和荷載情況，截面高度通常在跨度的1/20～1/50。

5.4 節(jié)點(diǎn)構(gòu)造設(shè)計(jì)分析

節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的重要內(nèi)容之一。鋼結(jié)構(gòu)工業(yè)建筑柱梁結(jié)構(gòu)一般采用熱軋H型鋼或焊接工字形節(jié)點(diǎn)，強(qiáng)軸向鋼梁與鋼柱節(jié)點(diǎn)通常采用剛性連接，弱軸向鋼柱節(jié)點(diǎn)與鋼柱節(jié)點(diǎn)通常采用鉸接連接，大噸位鋼柱底座與基礎(chǔ)節(jié)點(diǎn)通常采用剛性連接，無吊車或吊車小型鋼柱底座通常采用鉸接。

5.5 編制鋼結(jié)構(gòu)圖紙

工業(yè)建筑鋼結(jié)構(gòu)圖由鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)單位提供，包括設(shè)計(jì)圖和施工詳圖，鋼結(jié)構(gòu)施工詳圖由鋼結(jié)構(gòu)制造公司根據(jù)鋼結(jié)構(gòu)詳圖編制。在鋼結(jié)構(gòu)圖紙的編制過程中，設(shè)計(jì)依據(jù)、結(jié)構(gòu)布置、設(shè)計(jì)要求、材料要求、技術(shù)數(shù)據(jù)、荷載數(shù)據(jù)、構(gòu)件截面等，應(yīng)在設(shè)計(jì)圖紙中清楚標(biāo)注，主要施工材料應(yīng)編制詳細(xì)清單，以便體現(xiàn)設(shè)計(jì)意圖。

6 結(jié)語

鋼結(jié)構(gòu)在工業(yè)建筑方面應(yīng)用廣泛，具有材質(zhì)輕盈、安裝便捷、材料環(huán)保、抗震能力強(qiáng)、整體造價(jià)低等優(yōu)勢，適合可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略。工業(yè)建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是否科學(xué)合理，將嚴(yán)重影響工業(yè)建筑的安全穩(wěn)定。目前工業(yè)建筑鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中存在易腐蝕、耐熱性差等問題，應(yīng)制訂有效的解決對(duì)策，加強(qiáng)工業(yè)建筑鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，確保工業(yè)建筑的安全性。