钢结构工业厂房设计的现状及改造措施

史慧

【摘 要】介绍了钢结构的特点和钢结构工业厂房的特点，分析了钢结构工业厂房设计中存在的问题，从荷载设计、柱设计、节点设计、防火設计、防腐设计、抗震设计这几个方面进行钢结构工业厂房设计改进，为钢结构工业厂房设计提供参考依据。

【Abstract】The paper introduces the features of steel structure and characteristics of steel structure industrial workshop， analyzes the problems existing in the design of steel structure industrial workshop. The design improvement of steel structure industrial workshop is carried out from the aspects of load design， column design， joint design， fire prevention design， anticorrosion design and seismic design， which can provide reference for the design of steel structure industrial workshop.

【关键词】钢结构；钢结构工业厂房；设计

【Keywords】steel structure； steel structure industrial workshop； design

【中图分类号】F84 【文献标志码】A 【文章编号】1673-1069（2018）08-0151-03

1 钢结构的特性

1.1 钢结构的优点

首先，钢结构材料强度高、质量轻。衡量质量轻重可以通过钢材的密度与强度的比值来确定。如钢材（1.7～3.7）×10-4m，钢筋混凝土18×10-4m，对比得出钢结构的质量轻。在荷载和约束条件都相同的情况下，钢结构的自重比钢筋混凝土自重小很多。比较跨度和荷载都相同的钢屋架与钢筋混凝土屋架，前者比后者轻2/3～3/4左右，若采用更轻的薄壁型钢，则更轻，比后者轻9/10。结构自重轻不仅可以降低运输费，还可以降低吊装费。其次，钢结构工业化生产程度高，施工工期比较短。钢构件只需要在加工厂大规模大批量生产，可以机械化制造。钢结构采用工厂加工、工地安装的施工方法。这样不仅缩短了工期，同时也可以降低工程造价，从而可提高经济效益。再次，钢结构的抗震性能比较好。在地震中，损坏最轻是钢结构建筑。这是由于钢结构自重比较轻和结构体系相对比较柔。当地震发生时，混凝土建筑容易开裂而粉碎性倒塌。钢结构建筑则不同，由于其的延展性能可减弱地震对建筑物的破坏力。钢梁和钢柱组成的柔性框架足以抵抗8度以上的地震作用，因此广泛应用于在抗震设防地区特别是强震区。然后，钢结构耐热性较好。钢材从常温到250℃，性能基本不变化，耐热性较好。最后，钢结构符合绿色建筑的可持续发展的要求。钢结构能合理利用资源和能源，对环境的污染较小，是绿色环保建筑。由于搅拌浇筑混凝土的手工湿作业，施工现场会产生大量的粉尘和噪声。钢结构不需要使用砂石、水泥等散料，可以避免扬尘、废弃物堆积和噪声污染等问题，也能有效地降低建筑垃圾。钢结构的材料基本上是钢材，可以全部回收，符合国家可持续发展的要求。在相同规模的建筑，钢结构施工中产生有害气体的排放量，却只有混凝土结构的65%左右。其施工过程能耗较低，隔热性能优越，在降低住宅碳排量方面具有明显的优势。

1.2 钢结构工业厂房的特点

①钢结构厂房自重轻，钢结构自重仅是砖混结构的1/5。钢结构厂房跨度大，空间大。在合理的结构规划下，纵向柱状钢结构间距可以达到20m。

②钢结构厂房的抗震性好、抗冲击性好。钢结构厂房整体刚性好、变形能力强。钢结构已被公认为是抗震设防地区特别是强震区的最合适的结构。

③钢结构厂房防火性高，防腐蚀性高，密封性高。比如说，钢结构厂房可用于冷库、化工厂等。

④钢结构厂房拆迁方便，可100%回收利用，对环境的破坏相对较少，是绿色环保型建筑。

⑤钢结构厂房制造的工业化程度较高，可以快速标准流水线安装。所有钢结构构件均在工厂制作完成，现场只需简单拼装可以大大缩短施工周期，一座5000平方米的钢结构工业厂房，只需40天即可基本安装完成。

⑥钢结构占用面积小，使用面积大，钢结构柱截面面积较混凝土结构柱的截面面积减少1/2左右，有效增加了建筑的使用面积。

⑦钢结构厂房在使用过程当中易于改造，如加固，接高，隔断等内部分割，调整比较容易，灵活方便。

2 钢结构工业厂房设计中常见的问题

2.1 设计理念

我国目前使用的钢结构工业厂房的设计一般分为两级完成。首先，根据工业厂房的使用要求，由专业的设计单位对其进行结构设计。待结构设计确定，并符合相关规范及使用要求之后，再交由专业详图设计单位进行二次详图设计。这个过程尽管不复杂，但却存在着许多问题。最突出的问题就是钢结构工业厂房结构设计图不能按照规范完成，图纸中常出现不明的标注，比如焊缝表示方法不符合规范要求，这使得详图设计无法完成。另外，由于钢结构施工单位的施工水平不一样，同样的图纸对节点连接认识不同，就会导致所建造的钢结构工业厂房的质量不一样，有可能出现豆腐渣工程。因此我们必须严格按照钢结构规范完成结构设计，避免由于工程质量不合格而造成经济损失和人员伤亡。

2.2 成本造价

无论对于何种建筑来说，都应该考虑其成本问题，因此对于钢结构设计成本控制也是非常重要的，但目前的钢结构设计对于成本的重视度不高，导致设计过程中出现返工现象。在钢结构工业厂房设计过程中，有些设计人员只考虑用钢量的大小，没考虑实际钢构件的加工制造、运输及实际施工难易程度所引起的造价差距。因此，设计人员对成本造价控制考虑的方面比较少，这有待进一步改进。

3 钢结构工业厂房设计改进措施

3.1 荷载设计

钢结构工业厂房设计的重要前提是荷载设计。在钢结构厂房设计中必須要保证荷载取值的准确性，其取值影响着钢结构工业厂房可靠程度。荷载设计时，还要考虑到本钢结构工业厂房的实际使用情况。比如有吊车梁的工业厂房，荷载设计时就要考虑动荷载的影响。同时，荷载设计的取值还与厂房周围气候有关，设计时要考虑环境气候的影响。

3.2 柱的设计

钢柱截面包括型钢截面和组合截面。这两种截面在钢结构厂房中的设计需要根据实际情况来进行选择，并需要同时满足厂房的建设、工业的生产和经济利益三个方面的需求[1]。型钢截面受到型钢种类和型号限制，与受力所需的面积相对应的很少，用料较多，但其加工省时省工，施工成本相对较低。组合截面的截面形状和尺寸根据构件受力性质和受力大小设计成合适的截面，钢材利用充分，节约钢材，但增加了加工成本，费时费工，施工成本相对较高。所以在钢柱设计时，要综合考虑各方面因素。

3.3 节点设计

钢结构设计时要考虑节点因素，如果钢结构节点设计不准确，就会造成设计出的节点与现实不符，使得钢结构构件在现场无法拼装。节点的连接方式对整个建筑的安全性有着不可忽视的影响，所以一定要根据结构传力特点的不同选择合适的连接方式，一般可以选择刚接、半刚接和铰接三种连接方式其中的一种[2]。

钢结构节点设计时，要考虑钢结构连接是采用焊缝连接还是采用螺栓连接。焊缝连接由于不需要附加连接板等零部件，在钢材上无需开孔，破坏原结构性能，其构造简单，制造方便，生产效率高，密封性能好。但焊接过程中，钢材受到不均匀高温和冷却作用，导致钢结构产生焊接残余应力和焊接残余变形，这样会影响到钢结构的承载力、刚度和使用性能，很容易发生低温冷脆现象，焊缝处也可能出现气孔、夹渣等缺陷。螺栓连接安装方便，便于拆卸，但要在钢件上打螺栓孔，拼装时还需要螺栓孔对准，不仅增加了工作量，螺栓孔还会使构件截面削弱，同时相互螺栓连接的板件还需要互相搭接或者是另外加拼接板连接，比较费钢材。实际钢结构节点设计都需要考虑，用哪种连接形式比较经济。

对于焊接节点，焊缝的尺寸和形式要符合钢结构规范的有关规定。如焊条的选用应低于被连接金属材料强度，E43对应于Q235，E50对应于Q345。对于螺栓连接，要根据普通螺栓和高强螺栓的受力特点，选择用于合适的部位。如梁柱节点处要用高强螺栓连接，檩条和梁柱的连接处用普通螺栓。

此外，节点的设计还需要考虑到制造厂的工艺水平、施工场地、现场的环境和吊装顺序等，尽可能方便施工人员现场安装。

3.4 防火设计

钢材在温度达到300℃以后，强度逐渐下降，在450～650℃时，强度几乎丧失，结构失去了承载能力。因此，钢结构的耐火性很差。钢结构厂房的防火设计非常重要。钢结构进行防火的目的是将钢结构的耐火极限提高到规范规定极限范围，防止钢结构在火灾中迅速升温发生结构失效[3]。是根据火灾的危险程度进行防火设计，首先要明确确火灾的危险程度，并确定其对应的防火等级，根据防火规范的要求进行防火设计。

目前，钢结构防火保护主要采用截流法和疏导法这两种方法。截流法的工作原理是指在构件表面设置一层保护材料，火灾产生的高温会先传给这层保护材料，再通过保护材料传给构件。截流法又可分为喷涂法、包封法、屏蔽法和水喷淋法这四种方法。钢结构工业厂房常采用喷涂法。喷涂法是在钢构件表面喷涂一层含隔热材料和化学助剂的防火涂料，以提高钢构件的耐火等级。这种施工可以不受到钢构件几何形体限制，施工操作比较方便。

防火设计还可以进行安全出口和紧急疏散通道的设计，火灾发生时要有安全出口、疏散通道帮助人员逃生。

3.5 防腐设计

钢材易于锈蚀，因此钢结构防腐设计非常重要。钢材中含有铁原子，铁和氧气在空气中会生出四氧化三铁，也就是我们说的砖红色的铁锈。钢材在潮湿的环境中，特别是在有腐蚀介质的环境中更加容易锈蚀。实际工程中，我们通常采用油漆或者是镀锌来加以保护钢构件。比如说，在钢结构的表面涂防腐的材料。由于该材料输水性好，能够有效地阻止水蒸气对钢结构的腐蚀，同时其电阻性好，还能阻止空气中的阴离子对钢结构的腐蚀，从而能够起到很好的防腐蚀效果[4]。需注意合理控制防腐层的厚度，外部以 150 ～ 200μm 为宜，内部只需 100μm 即可[5]。但是在钢结构工业厂房使用期间还需要定期维护。因此，钢结构的维护费用比钢筋混凝土要高。

油漆或者是镀锌的方法不能根本解决钢材的锈蚀问题，研究一种方法根本解决钢材的锈蚀问题任重而道远。现在，国内外正在研究各种高性能的涂料和不易锈蚀的耐候钢。如果能研制成功，这样能解决钢材的锈蚀问题，可以省去钢结构的维护费用。

3.6 抗震设计

考虑钢结构工业厂房的安全要求，还需要对钢结构工业厂房进行抗震设计。我国是一个地震发生比较多的国家，因此抗震设计非常重要。只有钢结构工业厂房具有良好的防震性能，才有安全保障。钢结构工业厂房抗震设计主要原则是结构造型简单化，当结构比较复杂时可采用防震缝把结构分为几个单元。当不能采用防震缝时，应对薄弱环节处采取相应加强措施，使厂房在地震作用下具有整体振动的特点[6]。

首先钢结构工业厂房抗震设计应该保证结构平面布置的完整和对称。钢结构工业厂房整体布置要质量和刚度分布都均匀，尽量使质心与刚度中心重合在一起。其次，柱间支撑是钢结构工业厂房主要的减震措施，因此要选用合理的柱间支撑，还要考虑柱间支撑与钢柱之间的连接。最后还要控制厂房高宽比，从而使减震效果得到保证。

4 结语

文章结合相关经验，介绍了目前钢结构工业厂房在设计过程中存在的一些常见问题，并提出了相应的设计改进措施。这可以为相关设计人员提供参考。另外，钢结构具有粉尘少、噪音低，不污染环境等特点，其能有效地减少建筑垃圾。由于钢构件可以循环利用，钢结构符合可持续发展的需要。虽然钢结构还存在着不少问题，但技术人员不断地改进并逐渐会解决这些问题，未来钢结构的使用范围会越来越广，钢结构将越来越受到重视。

【参考文献】

【1】高原.工业厂房钢结构设计的现状及改进对策论述[J]. 绿色环保建材，2017（06）：58.

【2】周安楼. 工业厂房钢结构设计的现状及改进对策[J]. 山西建筑，2016，42（08）：63-65.

【3】宋俊国.浅谈钢结构防火设计[J]. 山西建筑，2011，37（11）：48-49.

【4】汪正奇.工业厂房钢结构设计的现状及改造措施[J]. 建材与装饰，2017（17）：69-70.

【5】王新超.工业厂房钢结构设计现状及改进措施[J]. 住宅与房地产，2017（05）：101.

【6】陈绍蕃. 钢结构设计原理[M]. 北京：科技出版社，2003.