轻型钢结构工业建筑设计及应用研究

刘占俭

（唐钢国际工程技术有限公司，河北唐山 063000）

1 引言

轻型钢结构具有结构截面小，自身质量轻的优势。轻型钢结构的质量只有普通钢结构质量的35%～50%，只有钢筋混凝土结构质量的3%～10%，可以大幅度削减工程建筑材料和工程辅助材料的使用量，大大降低工程造价[1]。

2 轻型钢结构工业建筑立面设计

2.1 钢结构工业建筑立面墙体材料选择

2.1.1 彩色压型钢板

彩色压型钢板具有金属和有机聚合物的双重属性，既具有较强的腐蚀性又可表达多种建筑风格。彩色压型钢板色彩种类繁多，但基本色彩由红、黄、蓝3 种组成，通过冷暖色彩的灵活设计来满足工业建筑不同的风格需求。工业建筑使用的彩色压型钢板的厚度在0.4～1.6 mm，常见的截面尺寸形式有V 形、W 形以及波纹形，其中适用于工业建筑墙面的彩色压型钢的波高在75 mm 以下，属于中波纹和低波纹类型。工业建筑对彩色压型钢选型的要求是依据建筑造型要求来选择波形合适、截面形式合适的压缩钢，同时也要兼顾色彩和纹理的组合搭配。建筑设计可以从建筑整体上考虑灵活运用彩色压型钢来实现不同风格、不同样式的建筑美学需求。

2.1.2 压缩铝合金板

压缩铝合金板是与彩色压型钢板具有相同纹理的一种轻型板材，其质量为彩色压型钢板的1/3。压缩铝合金板具有较好的防火、导热以及耐腐蚀性能。压缩铝合金板材在不用涂装的情况下可以适用高海拔、低温以及沿海高湿的施工环境。

2.1.3 玻璃幕墙

在工业建筑中的开放式生产车间或者公共交流区域经常使用到玻璃幕墙[2]。玻璃幕墙分为半透明、透明以及镜面3 种形式。其中，点支式玻璃幕墙采用的是透明玻璃，充分显露工业建筑结构的连接形式和结构构造，凸显结构设计的精确性和严谨性。

2.2 轻型钢结构工业建筑立面造型设计元素

轻型钢结构工业建筑立面造型设计元素主要包括门、窗、屋檐以及色彩。用于生产型的工业建筑需要经常出入各类大中型运输车辆，厂房大门通常设置为既高又宽的形式，大门通常设置为水平或者垂直方向来区隔立面，使得工业建筑具有节奏感。依据工业建筑具体用途将大门设置为卷闸门、大型推拉门或者平开门等形式。厂房装卸货物进出的门面可以通过设置防撞立柱和门套来进行保护。此外，为了避免雨水侵蚀，还可以将门与雨棚一同设计。工业建筑的大门需要与建筑整体和谐布局，当大门和窗的位置不在同一个高度时，可以增加大门入口的视觉尺寸来匹配建筑窗户的排列。当工业建筑门的尺寸较小时，会影响建筑立面尺寸和窗户高度的协调性，这时设计可以采用夸张门的方法在视觉上增加建筑入口与立面的比例，达到建筑整体平衡的效果。

工业建筑的窗户主要负责建筑内部采光、建筑立面分割以及建筑通风，是工业建筑立面部门的核心组成部分。工业建筑窗户形状以长方形和正方行为主，在设计过程中要善于利用这两种形式演变出多种排列形式的立面。窗形如果是长方形垂直排列，那么在建筑立面处的窗与墙的比例较大，会增加建筑室内的采光条件，而且特别适合大空间生产区域使用。设计人员应根据工业建筑的使用需求不同，采取不同窗型和不同排列组合的措施来满足其要求。此外，窗台进深较大，会在窗体玻璃上留下明显阴影，增加建筑结构的立体层次感，所以当墙体厚度满足要求时，应尽量增加窗台进深尺寸。

轻型钢结构工业建筑的色彩设计应遵循共性、明显性以及主从性的“三性”原则，在遵循基本原则的基础上，根据建筑立面层次有序配色，确保建筑立面构造清晰。

2.3 轻型钢结构工业建筑立面造型设计方法

2.3.1 借用元素的设计方法

轻型钢结构工业建筑立面设计可以依据工业建筑使用类型来设置符合企业形象的立面元素，彰显企业的行业属性。当工业建筑立面缺少门窗开洞等造型元素时，设计时可以采用凸显形体的方法来打破建筑平平无奇的现状。凸显建筑形体的设计做法主要是突出建筑主体的墙面，通过材料轮廓、材料颜色以及材料纹理重新定义建筑立面组成的秩序，使工业建筑在视觉上具有一定的冲击力。

2.3.2 外立面细部构造设计方法

工业建筑外立面细部构造设计内容包括板材连接处的细部构造设计、门窗洞口细部构造设计以及墙面转角处的细部构造设计3 方面内容。板材连接处的细部构造设计主要包括压型钢板侧向连接和压型钢板与建筑墙体结构连接。压型钢板侧向连接的接缝分为纵向连接接缝和横向连接接缝，纵向连接搭接长度应大于100 mm 且应顺应墙体水流方向；横向连接应顺应厂区所在地最大频率的风向。侧向连接的方式主要有搭接式连接和扣合式连接。压型钢板和墙体的连接方式主要有外露连接和隐蔽式连接。外露连接的自攻螺钉暴露在建筑墙体表面，在一定程度上破坏了工业建筑墙面的整体性。隐蔽式连接采用板材之间构造相互遮盖的方式将自攻螺钉隐藏起来，使得建筑立面整齐划一，特别是当工业建筑高度较低时，采用单波板材隐蔽式连接更能凸显建筑设计和建筑施工的精细化。工业建筑立面板材的连接要尽最大努力保证主体结构的完整性，使得板材纹理和板材板型统一，将施工留下的拼接痕迹进一步弱化。此外，如果采用外露连接方式，应将外露螺钉喷涂与板材颜色一致的颜料，如果外露螺钉将对建筑统一性造成不利影响。

2.3.3 门窗洞口细部构造设计

工业建筑门窗洞口宽度设计尺寸应是夹芯板宽度的整数倍，确保板材切割作用集中在工业建筑立面墙体的尽端。金属门窗或者塑料门窗设计尺寸应比洞口尺寸小5 mm，为门窗包边留出足够的空间，并将泛水边压在门窗外边沿。因窗框的厚度大于板材厚度，所以在设计时应考虑到窗体质量的设计，通常采用C 形钢墙梁来固定夹芯板。

3 轻型钢结构工业建筑屋面设计

3.1 屋面板材的连接方式

工业建筑屋面常用板材有彩色压型钢板和彩钢夹芯板。屋面用彩色压型钢板的连接方式主要有咬合式连接和扣盖式连接。咬合式连接是采用专用的咬边机将搭接在一起的彩色压型钢板紧密咬合。咬合程度又分紧密咬合和非机密咬合，设计时要根据工业具体使用要求来确定采用哪种咬合程度。扣盖式连接设计时应将接缝形式设置为对称布置，并将板材边缘收紧，在板材上安装防水扣盖。扣盖式连接设计的隐藏构造形式增加了屋面防水能力，但是考虑到板材下的空腔受风阻较大，该连接方式在沿海多风地区不适宜应用。彩钢夹芯板的连接方式主要有屋面板才纵向连接和屋面板材横向连接。屋面板材横向连接设计的企口凹凸处首尾相接，屋面板材之间采用密封胶喷涂，并采用自攻螺钉将压盖板和屋面板连接。将板材搭接处用作构造连接，避免连接处出现虹吸现象。纵向连接的两块屋面板材应放置在屋架支撑构件上，板材支座的设计长度要大于50 mm，且两块纵向连接板材的搭接处檁条应设计为双檩或设计为焊接长角钢形式。

3.2 屋面功能设计

工业建筑屋面排水设计主要包括以下几个方面：首先，屋面排水坡度应大于5%，排水形式多为屋面外排。因屋面高度增加会增加整体造价，所以在屋面排水结构设计时应在外排水基础上选用宽波高肋压型板材料，板材侧面采用卷边处理，在一定程度上可以适当减小屋面坡度，降低屋面高度，降低工程总造价。其次，屋面板接缝处理和屋面板防水处理。屋面板如果采用纵向连接方式，那么屋面板排水方向与板材方向一致，这时候主要从屋面板构造方面考虑排水和防水为主，防水材料为辅的原则来进行设计；屋面板如果采用横向连接方式，应设置一定的搭接边来顺应屋面排水，搭接边长度应大于200 mm，且采用防水材料密封。

3.3 工业建筑屋面通风设计

工业建筑厂房大多数是密封作业，作业过程中会产生大量粉尘、水蒸气以及污浊气体，如果不及时排除会腐蚀机械设备，所以在屋面通风设计方面应考虑屋面气楼的设计。气楼结构是屋面结构的竖向延伸，在满足工业建筑密封空间排气要求同时，也拉伸了工业建筑的竖向空间，提升了工业建筑的层次感，也保护了工业建筑屋脊结构构件。

4 轻型钢结构工业建筑设计实例分析

4.1 案例简介

某生态环保科技有限公司的废旧科技产品回收及综合应用车间，建筑耐火等级为一级，屋面防水等级为二级，建筑综合类别为三级。其中，办公区域建筑为钢框架结构，回收加工车间区域为门式钢框架结构。建筑主体北侧首层层高为4.8 m，作为办公及车间附属施舍用房，建筑主体北侧二层为相关科技产品回收再利用展览用房。建筑主体南侧层高为10 m，主要用于生产建工车间用房，总建筑面积为14 000 m2，办公区域面积为2 800 m2，生产加工车间面积为11 200 m2。

4.2 建筑材料的选择

考虑到案例项目工业建筑的使用特性，在建筑设计中应遵循低碳环保理念，所以建筑形式采用门式钢框架结构，建筑维护材料选择彩色压型钢板，因为钢材属于可重复利用的材料，也凸显了建筑本身的绿色可持续发展理念，与建筑使用性质不谋而合。建筑凸出部分采用了厚度为0.8 mm 的横排象牙白波浪板材，建筑维护墙体材料为厚度0.5 mm 的竖排象牙白外板，使得建筑凸出部分的机械工业智慧感十足。板材条纹方向和板材条纹大小的设计需要设计师根据建筑效果图和建筑长宽比例综合分析确定。建筑从上到下主流颜色为象牙白，除了建筑北侧的玻璃幕墙和窗户之外，设计过程中没有加入其他色彩。建筑设计中色彩搭配方案要综合考虑建设单位使用需求和建筑总体体量进行综合考虑并确定。

4.3 建筑立面设计

因案例项目为科技产品回收再利用的办公加生产车间，为了凸显建筑的科技感和未来感，建筑4 个立面设置成凸凹形状，在光线作用下凸显了建筑的与众不同。建筑办公部分采用钢框架结构设计，局部屋面使用张悬梁结构设计，办公区入口处采用明框玻璃幕墙，充分彰显建筑的现代感。玻璃幕墙和金属板材的交相辉映，勾勒出建筑北侧立面的整体架构。

4.3.1 建筑墙体立面外围护结构细部设计

为了凸显建筑的与众不同，将车间外维护表面设计成凸凹形状，将压型钢板颜色设计为瓷蓝色，将压型钢板突出象牙白墙体200 mm。具体设计方案是在墙体内檩条边缘加设附加结构构件，让附件结构构件与压型板形成特别的连接构造形式，同时处理好压型钢板的收边位置。突出部位的檩条做法与常规做法不同，将檩条设计成焊接角钢形式的突出构件。

4.3.2 窗口细部设计

案例项目凸凹部分窗口设计方案是将两个截面面积一致的檩条并列焊接在一起，再与彩色钢板相互配合进行包边处理，将凸凹效果达到极致。建筑非凸凹部分的窗口也设计了别致的彩钢构折件，并通过防水自攻螺钉与墙体板材进行固定，固定后用密封胶在窗框出进行密封，达到了预期的防水效果。窗下口与墙体的连接同窗上口连接方式基本一致。

5 结语

与工业建筑和民用建筑相同，轻型钢结构工业建筑的空间同样是由结构骨架组成，轻型钢结构的屋面和立面也是由与之相同的元素构成。所以在轻型钢结构工业建筑设计时，可以参考建筑设计统一美学进行设计。此外，轻型钢结构建筑可以有多种外观形式，结构空间组成也好、立面造型或者屋面造型也好，设计人员都可以充分发挥想象空间去设计，继而达到和其他建筑相同的美学效果。