小型轻钢结构在冶金厂房中的应用

马晓文

山西太钢工程技术有限公司（030009）

轻钢结构建筑的施工工艺与当前制造业产品生产方式极为类似，并且契合国家当前的绿色建筑理念，因此在各种工业、商业建筑中都具有极为广泛的应用前景。将轻钢结构应用到冶金厂房工程中，要重点考虑轻钢结构厂房的防火设计，避免长期处于高温环境下影响建筑物的承重体系或改变内部应力，从而缩短建筑使用寿命。

1 工程概况

本工程为山西某公司的一处加工车间，位于XZ 市某村附近。该项目为小型建筑，所用主体材料为轻型钢结构，建筑规模长度66 m，屋面采用100 mm 岩棉隔热板材料，坡度设计为1∶15，屋架截面为梯形结构，跨度18 m，柱距为3 m。该建筑所在地基本风压为0.55 kN/m2，抗震设防烈度7 度，基本雪压为0.25 kN/m2，同时建筑附带一台双梁吊车，载重为20 t。

2 建筑耐火设计

2.1 高温条件下轻钢结构荷载极限状态

轻钢结构冶金厂房中，由于长时间处于高温作业环境，钢材的力学性能与热工性能会在很大程度上受到影响，进而降低自身的承载能力。这一变化通常表现为建筑结构处于极限受火状态下时，钢构件的轴心受拉、受压平衡遭到破坏，进而造成材料的弹性模量及屈服强度迅速改变，变形速率逐渐大于材料的塑性区域，此时建筑整体结构便会遭到破坏[1]。正常状态下，可使用下面公式表示:

式中:L——钢构件长度，mm；δ——构件极限挠度变形值，mm；h——构件的截面高度，mm；t——持续受热时间，h。

2.2 高温状态下轻钢结构承载力变化情况

为了更好地体现出轻钢结构支架在临近冶金作业区高温条件下的承载力变化，本节拟定屋架编号模型。建筑材料拟用H 型钢，屋架上下弦截面S1为9 218 mm2，竖、斜杆件截面S2为2 190 mm2，材料弹性模量均为2.06×105MPa，荷载参数设定为25 kN。

假设构件彼此连接拉力为X1，常温状态下屋架超静定状态可用公式Δ1p+δ1X1=0 来表示。

其中，Δ1p经计算为，δ1为，则由此可计算X1=3.5P。利用X1可通过结构整体平衡公式即可求出超静定状态下，下弦杆1、4、8构件的内力数值分别为-35、10、25。

在临近冶金作业区高温状态下，屋架结构的内力情况需要考虑钢材受热后的膨胀系数αs与受热时长Ts（温度与时间关系）。本工程选用的建筑钢材αs值为1.4×10-5，了解到该工厂临近冶金作业区温度与时间关系为TS=345l g（8t+1）+20。此时屋架超静定状态结构变化为:

经计算结果显示，当温度攀升后，屋架构件的内力状态将快速增大，并在膨胀系数的作用下使构件接触部分的拉力转变为压力[2]。此时下弦杆的作用力变化更加明显，并且由于受力方向的改变，上弦杆与其他腹杆的作用力集中在下弦杆上，因此极易导致超静定状态受到破坏，从而造成建筑结构的损坏。

2.3 轻钢结构的耐火措施

通常而言，轻钢结构建筑的耐火设计主要有粘贴法、吊顶法、现浇法以及喷涂法等四种措施。本项目为小型建筑结构，现浇法由于会增加建筑自重，需要延长工期对地基进行处理。吊顶法是采用钢绞索来吊装防火材料，并提高屋架的承载能力。由于本工程涉及安装大型双梁吊车，采用此种工艺会影响设备的正常运行。因此排除吊顶法、现浇法，拟用粘贴法与喷涂法来共同增强建筑的耐火性能。

2.3.1 喷涂法

喷涂法的作用原理为将隔热涂料均匀喷涂在钢结构表面，一旦涂料吸热之后便会产生化学反应，自动释放水汽与不可燃气体来驱散周围热量，从而对钢构件形成一定的降温作用。在金属表面温度达到临界值的情况下，会自动在钢结构表面产生一层泡沫隔热层，避免热源直接侵蚀金属表面，产生热桥效应，阻止热量进一步向钢构件内部传递，以此延长钢构件的极限状态。但这一技术的缺陷在于需要定期进行喷涂维护。对一些主要承重构件进行喷涂时，要在金属结构表面装订钢丝网结构，以确保涂层厚度在4 cm 以上[3]。

2.3.2 粘贴法

粘贴法在轻钢结构厂房隔热设计中较为普遍，并且有着极为卓越的防火效果。本工程结合企业生产条件，设计隔热面板规格为100 mm×100 mm，厚度达25 mm 以上。同时轻钢构件用岩棉材料紧密包裹，利用射钉与钢钉将面板固定在钢构件表面，材料接缝处采用25 mm×25 mm 的角钢材质进行覆盖。

3 BIM 轻钢龙骨自动化排布技术

BIM 技术目前在轻钢结构建筑领域中拥有极为广泛的应用途径，其主要功能在于改善轻钢构件的排布效果，根据建筑承载极限，选择最为科学的结构排布方式，能够提高轻钢结构建筑建材加工、设计、安装的准确性，可以促进建筑施工质量的提升。本工程中采用的BIM 建模软件为Autodesk Revit，以此替代传统的CAD 平面设计图形来辅助人工进行施工。

3.1 墙面龙骨排布设计

Autodesk Revit 软件的技术优势在于根据施工图纸对建筑布局、墙面参数设定之后，系统会自动以标准数值对后续的建筑结构进行创建，并采用智能排布算法保证龙骨排布的合理性。本工程设置的施工参数如下。

常规墙面尺寸:L（宽）×H（高）=3 000 mm×3 000 mm。竖向间距——400 mm，横向间距——1 200 mm，底部间距——1 225 mm。

由此可计算墙面竖向龙骨排列为:墙面宽度（L）÷竖向间距=3 000÷400=7 根龙骨，并空余出200 mm 距离。按照墙体两侧各空置100 mm 间距，补加2 根龙骨进行划分，此时墙体最外侧龙骨开口方向朝向墙体内侧。横向龙骨排列为:（墙面高度H- 底侧间距）÷横向间距=（3 000-1 225）÷1 200=1，空余575 mm，则补加1 根龙骨。

3.2 垂直相交墙龙骨排布设计

在处理垂直相交墙结构时，系统软件会自动对两面墙的相连处进行处理，主要流程为:

根据建筑结构特点，判断两面墙中哪一面为剪力墙，另一面则判定为主墙。

所有墙体的龙骨排布方式均按照竖向排列参数进行设置。

墙体的相交点，需要在主墙原有结构基础上多设置2 个竖向龙骨。例如在A、B 两面墙体中，B 墙为剪力墙，那么可以认定A 为主墙构造。系统在创建墙体模型的过程中，会自动在两面墙的相交点处为A 墙多设置2 根龙骨，随后沿B 墙端点开始正常排布。

3.3 门窗孔洞处龙骨排布设计

墙体门窗孔洞处设计时，Autodesk Revit 软件会自动根据以下运算流程设计，同时采取局部强化处理技术，以避免对建筑物的承载能力造成损伤。

首先，门窗处建筑龙骨采用竖向排布设计，根据设计图纸中设置的门窗建造参数，预留出相应大小的孔洞，从门、窗框上沿继续进行向上排布。窗洞位置则需要将龙骨分为上下两个部分，分别在窗框下沿与上沿处进行排布。

其次，门、窗洞位置需要设置相应的偏移量，为施工过程中置留出足够的容错空间。

最后，门窗洞口两侧需要设置补强龙骨，并与洞口上下两端的连接梁进行固定，以此增强墙体结构的承载力[4]。

在设计过程中，需要先确定门窗洞口相邻位置的竖向龙骨排列，然后将补强龙骨与其进行搭接，并且其最终位置需要向两侧各自移动3 mm，以保证盒子梁或过梁能够顺利镶嵌至门框内部。

4 施工成效

经对比研究，采用Autodesk Revit 软件自动构图设计的建筑图纸，相较于CAD 设计出图效率提升了42.7%，并且施工过程中由于有更为直观的三维立体图纸指导，使施工周期相较于以往建设周期缩短了24%[5-7]。另外，在完成三维建模之后，采用算量功能即可精确导出轻钢构件的尺寸规格与工程料单,因此可以直接与预制厂家联系定制生产。

4.1 设计完成后的协调处理

完成初步设计后，工作人员还需要根据业主意见、现场作业环境等对轻钢结构厂房进行调试。工作人员可以依托两点来纠正设计环节中存在的误差。

首先，BIM三维碰撞检测技术在系统自动构建生成的立体施工图形中，输入使用钢材在高温状态下的各项物理性能极限值，检测建筑结构是否稳定。

其次，BIM技术可依托于互联网平台，实现完整的数据信息共享。这一过程中设计人员可以将完整的建筑模型与系统中的同等规模建筑模型进行合并对比，并对差异（承载力、建筑结构、材料用量）进行对比，结合使用需求作相应的结构调整，提升设计方案速度，结合系统的模拟测试反馈来综合调整设计结构[8-9]。

4.2 施工吊装管理

BIM 施工技术可以借助有限元受力分析的方式，对建筑吊装施工过程中各个单元构件的力学强度、结构搭配、受力极限进行分析，避免吊装施工由于操作失误而引发安全问题。在此基础上，BIM技术还能够实现与现场机械设备对接，通过实时监测设备的作业参数，设置更为合理的分段式吊装工序。例如，通过模拟塔式起重机的作用范围以及回旋半径，BIM技术可以设定作业安全区域，并通过现场感应探头等装置，共同组成物联网系统。一旦作业人员或设备超过安全作业区域，BIM系统即会立即发出警告，从而控制其与高压线、附近建筑的安全距离[10-12]。

5 结语

文章采用轻钢结构荷载极限公式对轻钢结构冶金厂房的耐火措施进行设计，满足其功能使用需求，并提出了基于BIM技术的轻钢结构龙骨排布计算方式，确保有效提高施工质量，减少施工过程中的误差现象，希望能够促进我国轻钢结构建筑施工水平的提升。