工业厂房钢结构设计应用探讨

田明来

中铁高铁电气装备股份有限公司 陕西 宝鸡 721000

引言

工业厂房的职能是保障工业生产活动的正常开展和工厂人员的生活休息[1]，是制造业基建的重点。相应地，工业厂房的建设是制造业生产的基础内容和管理的重要内容[2]。工业厂房设计建设的合理性和科学性是制造业工业厂房设计建设的重中之重。在众多因素之中，建筑结构材料的稳固性和耐久性是保障工业厂房安全合理的重要条件。工业厂房设计建设经历了砖混结构、钢筋混凝土结构和钢结构三个阶段。当前设计首推钢结构，最经济实用的建筑材料是钢结构材料[3]。

图1 不同的结构设计

1 采用钢结构设计工业厂房的特点

对于工业厂房结构设计中采用钢结构设计来说，其特点比较鲜明的，优势比较明显。具体来看，其主要有以下四个方面：

1.1 便捷性

钢结构大大挺高了工业厂房结构设计的便捷性。相对于采用钢筋混凝土设计，采用钢结构设计工业厂房能够在很大程度上降低结构设计的难度和复杂性，极大地提高了施工的效率。

1.2 经济性

相对于采用钢筋混凝土等设计的其他工业厂房结构类型，采用钢结构设计的厂房在经济性方面也具备一定程度的优势。由于钢铁自身的强度能够承担结构载荷和作业载荷在施工的过程中，避免了浇筑混凝土时拆模与支模材料的使用[4]，节省了施工材料成本。另外采用钢结构设计，在单位立方内的材料价格消耗上，相较于其他设计方式，具备着非常明显的优势。

1.3 环保性

在环保性方面，采用钢结构设计相较于其他设计方式具备比较强的竞争力。钢结构在施工过程中，对周围的环境影响甚微，而且还可以回收利用。所以从对环境影响小和可回收利用两个方面确保了其环保性强。

1.4 空间利用率高

在空降利用率方面，钢结构设计相较于其他设计具有更大的优势。在工业厂房设计与施工中，如果选用钢结构设计方式，往往会采用搭接装配，其结构所占用的空间相较于其他方式明显小。另外钢结构可重构，也为工业厂房设计的变化提供了多种可能。上述是钢结构在工业厂房结构设计中的一些较为明显的优势，但是事物几乎没有十全十美的。目前钢结构材料防腐蚀性和防火性能力表现平平，这使得采用钢结构的工业厂房在防腐蚀性和防火性方面存在着不足。这些缺陷需要在具体的工业厂房设计中重点关注，扬长避短，切实发挥钢结构的应用价值。

2 工业厂房结构设计中钢结构设计的要点

2.1 工业厂房屋面结构设计

对于应用于生产的工业厂房，其最核心的因素之一便是稳定，所以要对其支撑体系进行合理与严谨的设计。其中承担着非常重要支撑作用的结构便是屋面，所以屋面结构的设计是一个要点，需要针对实际的屋面受力，进行恰当的分析，再行设计，保障其支撑效果，提高工业厂房的可靠性和安全性。

2.2 防水设计

不仅是工业厂房，对于建筑，防水是一个必须考虑的要点。在传统的重力排水设计外，考虑虹吸设计。在阴雨天气时，由于虹吸作用，可以使得工业厂房屋顶的雨水快速被排放。采用虹吸排水，可以满足钢结构工业厂房大跨度屋面的排水要求。

2.3 防火性设计

钢结构耐热不耐火，防火设计又是一个重中之重。在实际的设计过程中，对钢结构工业厂房的防火性能应该着重考虑。可以在钢结构表面喷涂水性或油性涂料提高钢结构工业厂房的耐火性。

2.4 防腐性设计

钢结构耐腐蚀性较差，需要根据工业厂房所处的环境对钢结构进行防腐蚀性设计。在要求较高的地方需要考虑阳极保护的设计。

2.5 全面性设计

在实际的工业厂房结构设计中，还应该针对具体的要求全盘地考虑。这其中包括工业厂房的类型与用途。根据机械设备安装形式与生产流水线布置，进行各方协调设计等。

3 钢结构在工业厂房设计中的应用

3.1 工程概况

本节重点分析铝合金铸造工业厂房。铝合金铸造加工工艺设计流程比较复杂，从铝合金砂型、熔炼开始到铝合金铸件浇注成型并进行成品铸件打磨，环节比较多，空间环境影响大，铝合金铸造钢结构厂房在设计上要重点考虑高温和粉尘防爆问题，并要考虑环保排放到达该地区标准，厂房设计要求更加严格。

由于厂房地理处于市区主干道，并与大桥相邻，按市建筑规划及环保方面要求，铝合金铸造生产除尘排放装置不能设置在临街面上，为了便于生产、办公人员出入方便，要求生产车间与车间办公区贴建在一起。

为了提高该厂房的生产实用性，在办公区二层增加观察生产区回廊，但是增加了消防分区的难度。由于各方面因素需要兼顾考虑，进一步提高了厂房设计的复杂性。

主体厂房为单层钢结构，局部三层办公辅房为钢筋砼框架结构，整体建筑面积18334.70m2，长度为143m、宽度为127m，厂房建筑高度13.94m。

表1 厂房建筑参数表

厂房内需要设置起重机（天车），另外综合考虑生产线布置，采用三连跨加两连跨结构。三跨和两跨的中间采用露天跨连接，如图2所示。在每跨内设置2台5吨LD型单梁式起重机，轨道标高9.6m，厂房耐火等级乙级、抗震等级烈度8度。

图2 跨示意图

3.2 设计方案的确定

因为受到施工工艺以及流程配置要求的限制，以及消防规范、环保要求等诸因素的影响，铝合金铸造厂房设计采用钢结构设计标准（GB50007-2017）、门式刚架轻型房屋钢结构技术规范（GB51002-2015）、冷弯薄壁型钢结构技术规范（GB50018-2002）、钢结构工程施工质量验收规范（GB50205-2001）、钢结构高强度螺栓连接技术规范（JGJ82-2011）、钢结构焊接技术规范（GB50661-2011）。钢结构部分计算程序采用中国建筑科学研究院建筑工程软件研究所研制的PKPM系统软件PKPM2010-V4.2。

为了更好地满足铝合金铸造生产设备及工艺相关要求，以及工序排产、周转等方面的影响，设计采用为五联跨门式刚架轻钢结构，各跨度自南向北分别为24m、24m、21m、18m（露天）、21m、18m，柱距7.5m，如表2所示。中间为露天跨，主要用于环保设备除尘装置，循环水泵房、打风房、配电房等附属设施，有效地缓解厂房内生产设备安装空间，降低了厂房内噪音影响，尤其是环保设备除尘装置的高烟囱，避免了在厂房内设置伸出屋面增加了渗漏点又不美观的弊端，保证了屋面使用寿命。

表2 五联跨门式钢架轻钢结构设计参数

钢结构设计在钢柱、抗风柱、扶墙柱以及钢屋架均采用H型钢结构样式，用不同规格钢板在钢结构生产厂家专用设备进行焊接加工成成品，焊接H型钢腹板与翼缘的焊接应采用自动埋弧焊机焊，且四道连接焊缝均为双面满焊，不得单面焊接。钢结构的主要受力部位不得随意焊接或开孔。钢构件成品检验合格后运至施工现场，钢结构相互之间的连接采用10.9级摩擦性高强度螺栓连接，摩擦系数为0.4，接触面范围内不得刷漆及有油污。

按钢结构防火要求，达到如表3所示的耐火条件，钢结构表面涂防火涂料，防火涂料的性能、涂层厚度及质量要求应符合《钢结构防火涂料》（GB14907-2002）规定，围护结构采用75厚铝镁合金双面企口夹芯矿棉板，通过方管立柱与C型钢檩条与钢柱、钢屋架进行连接固定后，充分保证了整体钢结构的强度和稳定性。

表3 构件的耐火极限

4 结束语

综上所述，钢结构拥有设计施工便捷性、节省材料经济性、空间利用率高、可回收、环保性好等优势，从传统的钢筋混凝土结构中脱颖而出，占据了工业厂房结构设计的一席之地，但是在其显著的优势下，钢结构的防火性、防水性、防腐性需要在设计中重点考虑，在实际设计施工中，严格按照需求与标准保证其质量，并且考虑工业厂房后续生产工艺、流水线布置，全面协调设计，以保证工业厂房安全性和实用性并重。在未来，钢结构的材料会随着工业厂房要求的提升进一步发展，这将使得钢结构的优势更大，工业厂房的钢结构设计更加灵活。