钢结构厂棚的装配式构件化设计

马腾，王亚东，李峰，耿天普

（中建七局交通建设有限公司，河南 郑州 450003）

0 引言

在新时代对于环境保护，资源节约显得尤为重要，目前建筑工程所使用厂棚普遍存在安拆速度慢，只能一次性使用，造成资源浪费严重，针对厂棚不同需求大小的项目不可构件化拼装，导致适应性降低，不可周转，不方便运输，而装配式厂棚可以解决以上建筑施工厂棚的痛点，可以实现厂棚多次周转使用，厂棚长宽尺寸可调，适应性更强，缩短厂棚安拆周期，然而对装配式厂棚建设研究较少而且构件化标准还不够完善。

随着建筑工业化的发展，装配式建筑厂棚也逐渐发展起来，所谓的装配式结钢结构建筑，就是所有的构件都在工厂中首先进行 加工的，从而使工程现场的施工量大大减少，严重降低了对环节所 造成的污染，也使施工工期大大加快，通过标准化的设计施工，从而使 建筑工程的安全和质量得到充分保证，和当前的绿色、创新开发以及协调的发展理念相互适应。因此，加强对装配式钢结构建筑体系的研究探索是非常的有意义[1]。针对目前建筑工地使用的钢筋加工棚、料仓棚等多跨式装配钢结构厂棚结构，绿色环保构件式已经成为当前建筑工地解决多跨式厂棚结构的主要方案，然而对于该结构的设计思路和标准化方案尚不完备，亟待研究与补充。绿色环保构件式厂棚对国家“十四五”规划纲要中“发展智能建造，推广绿色建材、装配式建筑和钢结构住宅，建设低碳城市”新时代环保钢结构的发展与设计具有重要意义。

在环保节能的前提下，如何提高结构受力性能、减少耗钢量、降低工程造价，成为越来越多的学者关注和研究的问题。满足结构使用要求并结合现场环境等诸多条件，设计出受力合理、抗震性好、经济耐用、周转次数高、快速运输的结构形式，对实际设计意义颇深。随着空间结构的深入研究，针对钢结构厂棚出现的周转率低、运输不便等各类问题，设计一款装配简易、绿色环保、安全可靠、方便运输的钢结构厂棚，在工程中大力推广应用。

1 装配式厂棚介绍

钢结构装配式住宅建筑属于一种新型建筑模式，该模式在我国的出现时间较晚，但是其价值得到了业内外的广泛认知，应用频率不断增加。现阶段，我国的建筑行业正处于转型关键期，在这种形势下，钢结构装配式住宅的价值得到了进一步的体现，特别是在工程建设流程方面，应用前景广阔[2]。装配式厂棚是一种新型装配式钢结构，通过构件化和模数化设计，可适应不同长宽场地。通过工厂化生产、法兰连接，实现快速拆装，快速运输，如图1 所示。该厂房具有良好的物理、力学性能，承载力大，不易变形；周转次数多，使用寿命长；损耗率低，具有良好的经济、社会效益。

图1 新型装配式钢结构

2 厂棚设计

在钢结构设计过程中，良好的稳定性设计是保障钢结构应用性能，提升整体工程质量与安全的关键。因此，设计人员一定要对钢结构的设计做到足够重视，并根据建筑工程需求，结合实际情况，采取科学合理的策略进行钢结构设计，显著提升钢结构的稳定性，满足建筑工程的实际应用需求[3]。通过对工程案例展开分析与现场调研，对厂棚现状进行归纳总结并结合存在的问题，提出绿色环保构件式厂棚结构构造方案和建筑总体结构方案，主要包括结构形式、桁架高度、桁架间距等，并结合总体设计方案对结构进行细化设计，包括檩条间距、隔断墙形式、通风照明等。然后PKPM 软件通过建模计算得出可靠性数据，并进行优化，提高模型的准确度。计算过程包括结构模型的确立、荷载的施加、荷载的组合、组合系数的取值、支座形式的确定等，并由计算结果分析得出结构受力合理、经济适用的厂棚形式，最终通过软件中相关参数设置完成施工图设计。模型如图2 所示。

图2 新型装配式钢结构模型

3 厂棚构造形式

依照施工现场备料数量和钢筋使用量，首先设计厂棚长宽，然后根据河南地区20 年一遇最大风荷载、雪荷载取值，设计结构强度、刚度，确定厂棚各部件尺寸。按照用途分为钢筋加工棚和料仓两种构造形式。为增加厂棚的适应性，钢梁设计有调节块，调节厂棚跨度，尽最大可能覆盖厂棚所有长宽。

3.1 钢筋加工棚

钢筋加工棚分为带桁车和无桁车两种设计形式，并根据实际应用场景不同设置有调节块，以增加厂棚的适应性。

3.1.1 无桁车钢筋棚

无桁车钢筋棚分为单层单跨和单层双跨，跨距可根据施工场地大小和工程特点选择，钢架纵深标准间距6m，所有构件均为标准化设计，包括钢架、檩条、系杆、水平撑、隅撑。檐口高度12m，屋面坡比0.1，项目可根据跨度自配龙门吊，两端各1 道自动卷帘门出入。通过顶部通风器和侧面排风扇进行排烟，另有灭火系统和灯带检验指示标（有禁止、警示检测指示标等）。设计雪灾、大风等应急措施，如提前融雪、拉缆风绳等。

（1）标准跨度

水平跨度以2.5m、5m 为模数。标准跨度为：2m×30m、2m×25m、2m×20m、2m×15m、30m、20m 以及15m，各钢架组合形式如图3 所示：

图3 无桁车钢筋棚标准跨度

（2）调节块

调节块水平跨度为1.5m，在标准跨度基础上进行跨度调节。调节后的跨度为：2m×33m、2m×28m、2m×23m、2m×18m、33m、28m、23m、18m，调节后的钢架跨度组合形式如图4 所示。

图4 无桁车钢筋棚调节块跨度

3.1.2 桁车钢筋棚

带桁车钢筋棚只设置标准跨度，无调节块设计。钢架纵深标准间距6m，桁车高度8.5m，每跨2 个，单车承载10t。标准跨度为：2m×30m、2m×25m、2m×20m、2m×15m、30m、20m、15m，各钢架跨度组合形式如图5 所示。

图5 桁车钢筋棚标准跨度

3.2 料仓棚

单层多跨，跨距可根据施工场地大小选择。檐口高度10m，屋面坡比0.1。四周无窗，端头设4 道自动卷帘门出入，外覆单层蓝色彩钢板和透明光板。挡料墙高3.5m，采用型钢+钢板组合。内部设有喷淋系统，降低粒料粉尘。料仓棚只设置标准跨度料仓棚，无调节块设计。钢架纵深标准间距6m，端头设有（12+6）m 宽封头空间。水平2.5m 和4m 为跨度模数。标准跨度为：4m×23m、4m×18m、4m×15m 以及4m×10m。各钢架组合形式如图6 所示。

图6 料仓棚标准跨度

4 厂棚特点

（1）低成本优势明显。与钢筋砼比用钢量小，该类型厂房相比传统的一次性厂房成本低，装配式钢筋棚周转两次后每次为公司约创效83 元/m2，装配式料仓周转两次后每次为公司约创效65 元/m2。（2）构件化设计。采用构件化设计，由工厂统一制作，确保其结构可靠性，加工精度高，现场组装，运输快捷方便，施工优越性明显，周转利用高，损耗低，该厂房根据不同地区环境进行相应的设计，所有构件均独立成型，可以适应不同的场地尺寸需求，通用性更强。（3）安全性、抗震性好。已广泛应用于多个项目，有规范作依据，有成熟的技术和丰富的经验，指导运用多年，结构安全性和抗震效果显著。（4）结构轻巧、紧凑。结构设计轻巧、轻便、新颖，具有很强的先进性。在国际上，现代化工厂多为钢结构。（5）绿色环保。钢结构厂棚是一个绿色环保型产品，设计智能化，是一个绿色产品，可重复利用并且施工过程无噪声、无污染。

5 厂棚的社会、公司和经济效益

社会效益。随着我国土建建筑业的飞速发展，在传统的发展模式下，存在建设周期长、能耗大、兼容性低等问题，明显不符合行业发展趋势。本技术主要特点是，采用构件化设计、工厂化生产，构件均独立成型，可周转使用，运输快捷方便，降低能源损耗，节约成本，解决行业发展的资源损耗大的问题，为土建工程建设向绿色节能方向转型提供经验。

公司效益。通过对绿色环保构件式厂棚研究与应用，为建立中建七局交通公司非标物资标准化体系添砖加瓦。通过对构件式厂棚的研究，增加其周转利用率，为公司节省大量成本，也为后续构件式厂棚的推广提供坚实支撑。

经济效益。构件式绿色钢结构厂棚，安装、拆除速度快，强度高，适用性强，可重复利用，综合成本最低，节约资源和工期。一次性厂棚与构件式厂棚经济对比分析如表1 所示。

表1 一次性厂棚与构件式厂棚经济对比分析

构件式绿色钢结构厂棚主要材质为钢构件，为全回收绿色环保材料。其结构简单通用，易于组装拆卸，可实现高周转，强适应。安装、拆除过程中无有害物和垃圾，符合国家绿色建筑理念。

6 厂棚的应用

随着社会经济的不断发展，社会经济的发展推动着建筑行业的进步。建筑行业中的建筑材料得到了不断的更新换代，轻型钢就是一种新型的建筑材料，具备质量轻、使用年限长和施工简单等优势，是一种减少成本的重要手段。同时轻型钢这种材料是绿色环保的，它的出现符合国家的发展方向，有利于推动整个建筑行业绿色可持续发展[4]。采用构件式绿色钢结构厂棚施工技术，工厂化加工，施工速度快，材料均可回收利用，美观大方，节约资源，具有明显的经济和社会效益，所实施的钢结构厂棚工程完全满足要求。目前已经应用于郑州市轨道交通6 号线一期工程，其中第四标段博览中心站-小营站由中国建筑第七工程局有限公司承建，本工程项目于2020 年4 月5日开始建设，2020 年5 月15 日完成。另外应用于许昌至信阳高速公路项目，其中漯河市郾城区至源汇区由中国建筑第七工程局有限公司承建，位于漯河境内。本工程项目于2020 年9 月3 日开始建设，2020 年10 月7 日完成。最后应用于南阳至镇平快速通道改建工程项目，其中第一标段由中国建筑第七工程局有限公司承建，位于漯河境内。本工程项目于2021 年3月16 日开始建设，2021 年5 月2 日完成。

7 结论

在建筑工程行业装配式建筑产业不断发展的过程中，装配式、绿色环保构件式钢结构厂棚已经成为当前建筑工地解决多跨式厂棚结构的主要方案。针对钢结构厂棚需求不同的项目，通过构件化拼装，安拆方便，并且速度快，可以多次周转、重复使用，适应性更强，缩短施工周期，方便运输，节约资源，为公司和社会节约成本，提高效率。推广绿色建材、装配式厂棚，对建设低碳城市以及新时代环保钢结构的发展与设计具有重要意义。