工业厂房结构设计中钢结构设计的应用

陈 鸿

福建省宁德市建筑设计研究院有限公司 福建宁德 352100

工业厂房是工业生产活动安全稳定进行的主要场所，同时也是工厂人员进行作业的场所。工厂厂房的坚固性、经济适用性等，是工厂保障生产安全和节约成本的重要要求。当前，钢结构工程设备因具备建筑结构跨度空间大、质量轻、安装操作便捷高效等独特优点，在工业厂房建设的过程中得到了广泛的应用。为了能够确保钢结构设计的稳定性，从而达到工业厂房建设的要求，对钢结构设计要点进行分析，明确钢结构的设计参数，对推动厂房项目的建设有着积极作用。

1 钢结构设计在工业厂房结构设计中的应用优势

1.1 施工速度快

在工业厂房建设的过程当中，钢结构能够提高工程的施工速度。制造设备厂商们在用于制造的大型现代化工业厂房设计里，常常用到各式各样的大型精密钢结构部件，通过采用这种高强度的焊接方式，和全流程机械化加工方式的联合化生产以及运用加工技术，使要加工制造的各类大型金属构件焊接后的焊缝质量精准度数和整体外观上符合标准，同时保证钢结构的稳定性［1］。

生产和装配制造出来后的各种大型钢结构部件，通常都需要尽快地从各种建筑生产基地现场，进行生产运输并装配加固到其他各相关建筑厂房、安装施工生产设备等现场。在围绕其零部件进行的生产组装，及加固装配工作等全工作过程操作中，通常需要进行对该部件的各种螺栓实施紧固连接及固定等操作，在实践过程中做到在其他相关部位上有效地生产装配，加固装配工艺方式操作即可。这种操作工艺方式在很大的程度上降低并缩短设计与施工的时间周期，并且合理又经济，有效地简化了安装和施工作业环节的复杂操作程序，充分的保证设计了施工建筑质量、缩短了设计施工安装及施工作业的时间周期，更是大大地有利于为厂房的建设，提早开始建设生产，尽快完成设备施工作业，创造出了更多有利的技术经济效益。

钢结构房屋系统整体建筑安装技术的研发速度显著增快，所以对房屋及其结构和组成材料、主要零件结构形式、主要受力的部件结构方式等方面技术全部可以实现，并可以大批量进行生产。对于钢结构厂房而言，在生产以及装配的过程都是通过现场预制，将其运输到施工现场进行拼接。在拼接的过程当中具备方便简单等特点，不需要进行其他步骤的操作，只需要通过施工设备将相应的固件调配装卸即可。钢结构厂房的安装与传统的混凝土工程相比，具备施工方便、操作简单等特点，能够缩短施工作业周期，能够让厂房的建设提前完成，给企业的发展奠定良好基础。

1.2 抗震性能好

在一些大型现代工业厂房结构建筑抗震防护设计中，钢结构建筑是有着整体抗震与防灾技术性能的，抗震性能显著。在小型工业厂房设计体系的整体规划中，钢结构建筑体系整体质量自重相对较轻，与其他传统砌体结构例如的普通水泥混凝土结构对比，这一点特性比较有效地减轻了普通混凝土地基材料本身所无法完全避免的压力。

钢结构体系设计的应用解决了一些问题，比如以往普通水泥混凝土结构整体设计抗震或防护设计性能水平都较低、建筑工艺相对较为简单等，以及其他一些技术劣势性。在工业厂房建设的过程钢结构的应用能够给工业厂房项目的开展奠定基础，能够确保结构的整体性及稳定性，保障结构工程的安全。

1.3 环保性能好

如果工业厂房采用混凝土结构，那么当施工接近尾声以后，现场遗留的混凝土材料，其回收与降解率相对较低，甚至大多数混凝土材料都将被视为建筑垃圾而进行集中处理。但是，钢结构设计的工业厂房，在施工过程中，所使用的砂、石、灰的用量相对较少，一方面不会产生大量的建筑垃圾，另一方面，钢结构材料可以做到100%回收与降解，这就有效避免了对自然生态环境的影响和破坏。

2 工业厂房结构设计中钢结构设计要点

2.1 结构形式

在工业厂房结构设计的阶段，对于钢结构的设计人员需要对钢结构自身的稳定性以及安全性进行分析，明确结构的设计形式。对于大型工业厂房系统来说，这个设计属于一种重型的钢结构，应当分别考虑系统横向稳定性，与建筑纵向整体刚度和结构稳定性。在设计环节需要对厂房边柱与中柱进行分析，一般而言这些位置的设计可以采用实腹工字型结构柱与格构柱连接，并通过利用高强连接螺栓与插入式钢柱脚连接，将钢柱脚与衬底基础连接起来成为一个整体结构。厂房钢结构屋面的整体支撑框架系统中，包括了水平支撑框架与屋面柱梁间竖向支撑，水平框架支撑系统与屋顶横向、纵向角钢架构成是一个整体封闭结构体系，这本身就使建筑钢结构整体刚度得到大幅提升。同时针对厂房屋顶柱间纵向支撑全部采用钢结构，可以与整个屋面水平框架支撑结构共同支撑构成一个整体空间封闭稳定的体系，这种结构形式具有较高的稳定性，厂房的安全系数也相对较高［2］。

2.2 结构特点

新型的钢结构厂房设计在整体承重强度，和建筑抗震强度等各多方面具备了优点：

（1）钢结构框架工业厂房建筑通常自身及整体重量较轻，目前我国所建造的传统砖混框架建筑或钢筋混凝土结构自身结构体系比较大，钢结构框架体系下建筑的轻型工业厂房建筑，其本身重量轻。由于这个原因，这种轻框架结构建筑应用在实际工业，及实际商业生产等建筑场景设计中，横跨空间的扩展幅度均较大，这种设计属于新兴的轻型工业厂房结构类型，适用建筑范围相对较广。

（2）由于钢筋抗弯曲、拉伸、钢板抗剪切力与折损等方面能力比较强，所以一般用钢结构形式建筑生产出来的各种现代化建筑工业厂房等，整体抗震及防护加固能力均较强，尤其是在地震受灾较重和频繁出现地震的一些地区，通常将钢筋运用到各种钢结构上面进行建厂。

（3）整体稳定性能高，钢结构建筑自身的化学材料活跃度系数低，抗腐蚀、抗老化的性能优良，密封透气性能亦较好，可以适用于在大型工业厂房，还可大量运用于冷库化工厂车间等建筑中。

（4）由于钢结构厂房的可自由移动性能及安装便捷等特点，钢结构制造往往是直接在原工厂整体加工完成，所以这些钢结构更便于拆卸改造，或者进行重新焊接组装，更加便于进行回收与再利用，对厂区自然环境破坏程度较小，材料能够实现二次利用。

（5）由于大型钢结构产品需要直接在其生产建造现场工厂进行装配，制造完成后需要工厂整体完成现场组装生产或调整，所以在其实际工业化阶段生产及建造生产过程速度均较快，在其整个工厂现场组装生产建造及生产调试过程中，

能够在既定的时间完成吊装、安装工序，完成生产建造，从而能加快工厂生产组装的建造调试过程进度，一座大型规模的整体钢结构框架工厂进度最快只需要一个半月至两个月的时间。

（6）企业建厂大型钢结构工程设计中，设计与施工现场建筑占地面积通常也较小，为扩大设计生产场地范围，实际现场施工总使用厂房地的面积一般应是给设计预留了较大的可利用空间，大大地提升了工地的进度，提升设计厂房用地空间的综合使用率及增值空间。

（7）采用钢结构建筑为基本框架形式的工业厂房的建设，便于客户后期可进行局部改装加高或者整体变动，一些建筑内部空间的分布以及设置等也是较为便捷实用的，只需要人工对其局部进行合理分割处理，便可独立组建整体隔断，具备施工简单优势。

2.3 变截面屋面梁设计思路

关于屋面荷载以及跨度，该厂房的屋面梁体采用变截面梁，即楔形屋面梁。这种梁体的显著特点是外形美观、加工过程简单、人工成本低、易于施工。但是，在设计变截面屋面梁时需要注意以下几个问题。首先，由于楔形梁的数学计算式在《钢结构设计规范》中并没有体现，在计算楔形梁各项技术参数时，需要参照《门式刚架轻型房屋钢结构技术规程》对计算结果进行校核。其次，变截面梁的抗震性能是较为关键的一个设计因素，在现行的《建筑抗震设计规范》中，明确规定了为提高建筑整体结构的抗震性，需要综合考虑板件的宽度、厚度以及延展性等指标。因此，在设计变截面梁时，应当尽可能地缩小梁柱相交节点附近塑性耗能区段内构件腹板的宽厚比，这样既可以杜绝材料浪费现象的发生。

2.4 吊车梁连接节点的设计思路

吊车梁借助于突缘式支座简支在肩梁上面，这种突缘式支座的反力作用点与吊车肢的中心位置更为接近，这样即便产生偏心荷载，可以让结构稳定性得到提升。在设计过程中，为了减少支座连接对吊车梁上翼缘的嵌固作用，设计人员采用相互独立的连接板，将吊车梁上翼缘与上柱连接在一起，并且用一颗螺栓予以固定，在纵向连接相邻的两片吊车梁时，螺栓通常处于梁端中部1/ 3 的位置，这种节点的连接方式能够大大增加梁体的稳固性，进而确保厂房的整体稳定性。

3 结语

工业科技的长期高速发展，始终离不开现代工业厂房设施的完善建设。高质量现代化和高标准工业厂房的建设，对保证生产厂房的结构安全性能和质量稳定性有着积极的作用。钢结构的设计凭借本身良好的安全稳定性和使用灵活性等特点，已然发展成为我国当前现代化厂房系统设计工作中最适用的主要设计方式。在企业进行建筑钢结构专项设计评审时，综合分析了设计前准备与建设施工过程中重点要求内容，需要着重处理存在的问题，以便确保新厂房的建设工程快速顺利地有效进行。对工业厂房钢结构设计要点进行解析，提出钢结构设计要点。未来，在工业厂房钢结构设计时，还需要明确钢结构设计类型，通过优化设计理念、引入BIM 等信息技术提升钢结构设计的质量，如此，才能给工业厂房建设奠定基础。