工业厂房建筑结构设计中的问题及对策

潘承霞 商嫒君

（1.山东力诺电力设计咨询有限公司 山东济南 250000；2.山东省能源建筑设计院山东济南 250013）

工业厂房的设计既要满足其安全、耐用的要求，又要满足工业技术的要求。在不同的行业中，工厂的设计是非常多元化的。要建立一个符合现代化标准的工业厂房，不但要吸取相关的经验，还要优化设计的规范，还要在此基础上创新先进的工业厂房的设计思想和方法，以降低材料的消耗，保证厂房的结构设计的经济性。此外，在工业厂房的设计中，应以抗震、防火为主要目标，或以工厂的环境建设为基本要求。要想有效地改善工厂的生产环境，就必须完善工厂的结构设计，因此，在工业厂房的结构设计中，应根据其自身的特点和生产需求，把握设计的最佳趋势，主动改造现有的工业厂房。

1 工业厂房的结构设计概况

为了提高土地利用率，充分利用厂房面积，满足工业生产效益要求，应重视厂房结构的设计。在设计规范、标准、风格、技术和功能需求上，工业厂房与居住建筑有着明显的不同。要求工厂设计人员对工厂生产进行实时的调研，了解生产工艺、原料供应、周边建筑及周边环境特点，从而使工厂的设计结构更加合理。针对工业厂房的建筑项目，提出多种设计方案，通过对厂房抗震、防火、结构稳定性等多个方面的对比探讨，得出更加经济、可行的工业厂房设计方案。

2 总体结构的设计问题

结构的总体设计无疑是结构设计中的重中之重。结构设计应以合理、经济、安全为主要目的，同时还要兼顾结构设计的工程、力学分析、技术经济、参数优化理论、设计方法、设备和工艺。在结构设计时，应满足承载力、稳定、变形等方面的要求，并对受力条件、受力方式等进行合理地优化，以确保结构的设计有充分的余量，以提高工程的经济效益，方便日后的操作（增加设备、位置等），从而增加了灵活性。

以往的结构设计中，常常会将基础放大、乘以系数、增大等问题，导致了工业结构的“粗、笨、大”。在某些基础工程中，为了节省计算和提高经济效益，没有采用大面积的厚板筏基。在一些工业中，经常采用垂直电梯，一般采用钢筋混凝土结构，而修补墙体采用砖砌。由于塔架垂直荷载较低，其结构的受力主要为水平风荷载和地震荷载，通过减小塔身的自重，可以减小侧向风的影响，故在设计时应去掉顶层外部的各种维修墙，以满足生产需要，减轻自身的重量，节省费用［1］。结果表明，只要采取正确的施工方法，就能有效地避免结构的破坏。所以，总体结构的规划与优化非常重要，但设计人员必须具备相当的专业知识。

总而言之，该结构在各种外力作用下不仅要满足结构刚度要求、强度要求、裂缝要求、受力路径和传递路线等要求，还应尽可能地使其结构合理，进行合理的经济设计，最大限度地发挥工料和结构的机械性能，以适应工业生产和使用的要求。

3 工业建筑特点

工业建筑在进行设计时，首先要进行工艺设计，然后根据设计人员的要求来进行设计。在选择工业建筑的形状和结构时，会受到很多因素的影响，包括工艺、设备、生产操作、生产要求等。在进行建筑设计时，要和行业专家进行细致的沟通，针对不同的需求，给出不同的设计。工厂是为了生产而设计的，在工厂的设计中，技术是必不可少的。在工艺设计者进行部署的情况下，会与结构的设计产生冲突，因此，在进行结构设计时要进行协调，避免造成不必要的麻烦。与一般的建筑物不同，在使用过程中，一定要确保工厂设备的安全和运行，工厂内的设备各不相同，因此，要针对不同的设备进行结构设计。在工业建筑中，既要满足各种设备的需求，又要确保其运行良好。

在进行荷载计算时，应注意既要考虑静载荷的影响，又要考虑动载荷的影响。此外，为适应项目施工，设备摆放、维修、更新等多项需求对楼面的要求也比较高。众所周知，工业厂房的抗震能力差，主要是因为其本身的结构不合理，导致了建筑物的重心偏离了原本的轨迹，许多楼层都出现了错层，在地震的情况下，整栋楼都会出现扭曲，因此，在进行加载时，必须要做好抗震和构造的准备。在工业建筑物中，通常会有许多空隙以满足工艺和生产的需求。众所周知，工业厂房是为了满足生产的需求而设计的，它的主要功能是确保设备的安全，确保生产的顺利进行。工业建筑是一个便利的生产场所，也是一个人集中居住的地方，一般来说，工业建筑需要具备制造、运输、储存等功能，而且还需要给工人们一个舒适的工作环境。

4 成本问题

4.1 项目成本及物料成本

工业结构的优化是不可避免的，但其整体经济和整体结构的优化过程十分复杂，难度较大。所以，在实际工程中，应从最优的角度出发，循序渐进，在合理利用有限的材料时，可以最大限度地利用其优点，并取得良好的经济效益。

4.2 成本估算和规划

目前，工程造价管理主要采用预结算、事后反馈和返工调整等传统的工程管理方法，工程造价估算不准确，造成了大量的资源浪费。尽管近年来设计阶段的成本控制日益受到重视，但由于控制策略与方法过于简单，控制手段不同步，设计费用与设计工作量、项目设计所需要的功能与工程造价不匹配等，使得工程项目的管理效果不佳。由于工程建设的飞速发展，大量的工程造价估算方法应运而生，能够对工料、费用进行快速的估算。但是，在进行预测和估算时，常常依靠经验来确定设计变量及其所占的比例，其说服力和可信度都很低，在实践中缺少理论依据，数据处理量大，在设计阶段没有充分考虑到设计过程中的诸多设计参数，对工料、费用的影响也不是很大［2］。然而，运用计算机软件及其他技术方法对工业建筑进行经济评估，并运用数学方法进行资源分配，从而避免了传统人工计算造成的被动局面，大大加快了设计进度，为新的工业建筑的发展提供了方便，节省了投资。

5 工业厂房的结构设计的有关准则

5.1 确定结构参数的精确度

在进行工厂设计时，结构参数的精确性是建筑设计的前提，同时也是设计质量的依据。针对工厂的复杂结构，需要学习如何运用专门的软件大规模地收集工厂的相关参数，进行精确地计算，从而加快工厂的结构数据的处理，确保设计的精度，避免人工因素对工业厂房设计的影响，同时，对厂房的结构进行了可行性分析。在一个工程中，对于相同的工厂，可以有许多不同的设计，在工程投资、工期、地点等前提下，进行最经济、合理的设计。另外，在确定了设计方案后，建筑设计师要对建筑的结构进行准确的计算，然后对其进行审核，以消除设计中的安全隐患，提高设计的合理性。

5.2 建筑布局要与工业生产特征相适应

在工业厂房的建筑物中，它的构成是较为灵活的，要从工业生产的需求出发，在保证设备的品质和性能的前提下，尽可能地优化车间的布局，降低设备的建设投资。在不同的工艺条件下，对厂房布局的需求也是不同的，工厂的建造工程师应该对制造工艺有足够的了解；同时，企业还要积极参与厂房的设计，加强企业间的沟通，优化车间的布局，以避免生产流程与规划设计的冲突，提高厂房的结构设计。此外，在进行厂房结构设计时，一定要考虑到厂房的规模，根据企业发展规划及设备更新需要，对厂房进行结构设计，以达到最大限度地利用工业土地。

6 工业厂房结构优化设计的相关措施

6.1 厂房建材的优选

材料的选用和结构的设计密切相关。在工业厂房建设中，最好的材料是设备的结构设计，不同的建材具有显著的不同特性，要实现厂房结构的最佳化，就需要从原料的源头入手。在确定厂房的结构设计方案时，应按设计规范的要求进行；同时，还应与工业厂房项目的价格底线、工期和功能设计条件相结合，确定更为适宜的建材。由于工业厂房的建材种类繁多，可以满足各种用途，在成本上也有显著差异，可以作为工厂设计方案的参考。在明确方案后，要采取控制措施，保证工厂的建材质量。在众多的建材中，钢材是最常用的工业厂房，在钢结构厂房的设计中，应着重考虑其结构强度、耐火性、耐腐蚀性等特性，选用较适宜的材料［3］。对于一般的钢混结构厂房，结合材质的软性和硬度，降低了材料的不确定性，保证了工厂的工程质量。

6.2 改善工业建筑的防震设计

首先，设计时，工业厂房的设计者要对厂房进行总体规划，明确其具体要求，确保厂房的结构布置合理、科学，提高设计质量。在选择横梁结构时，一般要选择钢结构，设计人员应充分利用钢结构的机械特性，尽量降低受力和荷载的不利影响。

其次，在设计时，要充分考虑横向结构改变的原则，并对不利因素进行合理的控制。在实际应用中，由于建筑内部结构的不合理，不能有效地确保结构的稳定与质量，因而很容易被外界干扰。

最后，在对地震要素进行讨论时，重点关注外部环境的影响，并对现存结构节点的不当之处进行修正，选择合适的确定标准。在采用结构框架时，要充分考虑钢结构的特点，合理选用，以增强结构在地震中的可靠度，从而有效地提高其抗震能力［4］。

6.3 厂房建筑防火设计的优化

在工业生产中，消防安全的要求是非常高的，而在工业厂房的建筑结构设计中，防火性能的提高是必不可少的。以普通钢结构工业厂房为例，其防火性能取决于其材质，当钢材在100℃以上时，其强度明显下降，塑性增加，工厂结构稳定性下降；在250℃的高温下，材料的可塑性降低，有可能出现断裂。如果温度再升高，就会有很大的变化。针对钢材自身的特性，设计人员应针对各种温度的变化进行科学的研究与分析，制订合理的防火设计方案，严格选择高强度钢材，以减少厂房的热损失，延长其使用寿命，从而有效地保证工业厂房的安全运行，防止火灾对工业厂房的影响［5］。

6.4 屋顶支承与屋顶构造的最佳化

屋顶支承体系的设计要考虑到工厂的高度及其他环境因素，才能保证结构形式的实用性和可靠性，同时，对厂房结构的抗震性能也有一定的认识。在屋面结构的设计中，建筑单位应根据已有的技术与能力提前进行调研，确定基础的安装条件，以达到较好的防护效果。在屋顶框架上设计弦式天窗时，应把握各支架间的间距，确定水平间距，使其在水平方向与纵向方向的衔接，提高布局的合理性，提高钢筋的使用率，既能节省施工费用，又能防止因荷载太大引起的层间摩擦，避免对屋面结构造成不良影响。设计人员应全面考虑，在了解一般屋顶使用钢材的情况下，再进行合理的优化以降低钢材用量，增加各个工序的连续衔接。在结构初步优化设计的前提下，实现了连续运转，以达到最小化钢材用量、最小化钢铁用量、合理配置资源、改善工厂结构设计质量、创造安全和合理的工作环境、提高厂房利用率等目的［6］。

6.5 其他的优化设计

目前，在工业厂房中，钢铁建筑是最常见的一种，这样一来，虽然有很大的优势，但是也有一些弊端。例如，钢结构长期暴露于自然环境中，其腐蚀问题就难以避免，这与环境有直接的关系。在工业厂房的结构设计中，防锈剂的设计与工厂的结构寿命密切相关，因此，应加强对厂房结构设计人员的关注，采取合理的防锈和防腐蚀措施。例如，可以利用不同的涂料，防止水蒸气和氧气进入钢材的表面。为了深入理解钢结构的腐蚀机制，要对厂房的温度、湿度、环境介质的敏感性进行深入的分析和讨论，进而从设计的角度来提高其抗腐蚀能力，以保证工厂的结构安全。

7 结语

综上所述，在进行工业生产时，厂房的结构设计是否合理关系到生产效率和安全性。然而，目前的厂房结构设计仍存在着结构同质化、空间布局不合理等问题，这既需要厂房的结构设计人员在设计时要确保参数的精确，又要结合实际的工业生产需要，对厂房的空间布置进行合理的规划，从整体上兼顾抗震、消防，从经济、结构稳定等方面提出了改善工业厂房结构的措施。此外，建筑设计人员应重视设计创新，借鉴先进的设计经验与观念，改善现有的工厂环境，以达到建筑设计的经济效益与空间利用率。