工业建筑结构设计中的防腐设计探析

胡登先 唐 昊

中机国际工程设计研究院有限责任公司 湖南 长沙 410007

近几年，建筑企业在设计施工一体化实践模式下，按照项目立项→投资决策→方案设计→招投标→施工建设→试运行→收尾→维保等流程实践后，有效提高了此类建筑结构设计水平，增强了结构施工质量。但是，随着工业建筑类型增多、建筑材料更新、建造工艺及技术发展，改变了其中的部分内容，在这种现状下，建筑企业应遵循现行《工业建筑防腐蚀设计标准》（GB 50046-2018），提高了对防腐设计的重视程度，加强对其结构防腐设计相关问题的研讨。

1 工业建筑结构腐蚀机理分析

腐蚀性分级形式较多，主要包括：（1）污染土；（2）腐蚀性水；（3）固态介质；（4）气态介质；（5）酸碱盐溶液等。对于工业建筑结构而言，容易受到大气腐蚀、局部腐蚀、应力腐蚀的影响，进而导致结构损坏。下面仅对这三种腐蚀类型的机理做出具体分析。

1.1 大气腐蚀机理

工业建筑长期暴露于自然环境之中，大气环境中的空气中含有水分、氧气等化学成分，受到电化学作用或发生化学反应后，空气中的水分会与其结构表面生成电解液，随着电解液中氧气的溶入生成阴极去极剂，相当于在工业建筑结构中设置了一个腐蚀原电池，此时会造成锈迹，并通过腐蚀作用的加剧对其结构的腐蚀[1]。

1.2 局部腐蚀机理

局部腐蚀比较常见，危害相对较大。从目前的研究成果看，发生局部腐蚀的工业建筑结构形态会受到一定程度的损坏。该腐蚀通常被分为电偶腐蚀、缝隙腐蚀两种子类型。前一种腐蚀多发生在结构连接位置、组合结构部位，其中的正电位结构腐蚀速度小于负电位结构，二者与工业建筑结构结合可形成腐蚀原电池，进而对其结构造成破坏。后一种腐蚀发生在工业建筑结构表层缝隙、构件之间，当缝隙宽度容纳足够的液体悬流时会导致结构裂缝，通常的腐蚀敏感宽度范围在0.025mm到0.1mm之间。

1.3 应力腐蚀机理

工业建筑结构不受应力影响的条件下，一般不会发生应力腐蚀问题。但是，在革种介质环境下出现应力后必然会导致腐蚀，甚至断裂现象。从产生机理看，当工业建筑结构受到应力或腐蚀介质影响后，会破坏其表面的氧化膜并形成阴极与阳极，阳极金属离子受到溶解以电流的形式流向阴极。由于阳极面积小电流密度大，此时可破坏工业建筑结构。实践经验表明，应力腐蚀缺乏显著征兆，一旦发生便会造成较大危害，包括结构倒塌、管线泄漏等。

2 工业建筑结构防腐设计要求分析

工业建筑因其生产项目存在较大差别，并且在使用功能上具有一定的特殊性。例如，发电厂、储物仓、水塔、医药厂房、化工厂房等用途不同，其结构所在的内部环境、外部环境存在差异。目前，工业企业虽然在生产过程中，根据实际的生产原料、加工工艺、半成品、成品等，设计了对强腐蚀性物质的回收处理工艺，但是由于此类物质具有挥发性，逃逸后仍会对建筑内部空间造成相应的影响，进而导致结构腐蚀问题。因而，在当前工业建筑结构防腐设计时，应对其设计要求做进一步分析。

2.1 安全性要求

工业建筑是工业生产的物质基础与必要条件，当主体结构受到腐蚀后，可降低结构强度与承载力，随着腐蚀问题的加剧与外力作用，不排除导致构件掉落、结构坍塌等安全事故。因而，对其进行防腐设计时的首要目标是确保其安全性。根据GB 50046-2018标准要求看，第1项总则中的1.0.3条便明确提出了“预防为主和防护结合的原则”，要求设计人员进行结构设计时根据生产过程中产生的介质腐蚀性等因素，选择综合性的防腐蚀措施，保障此类建筑承重结构及构件安全等[2]。

2.2 适用性要求

工业建筑类型不拘一格，评价其腐蚀性等级时，一般采用强腐蚀、中腐蚀、弱腐蚀、微腐蚀四个等级。按GB 50046-2018标准第3项中的基本规定看，应结合腐蚀性介质性质、类别、形式，以及存在的环境湿度、湿度等，选择适配性较高的防腐措施。例如，气态介质会对工业建筑材料造成腐蚀，此类介质包括氯、氯化氢、氮氧化物、硫化氢、氟化氢、二氧化硫等，当腐蚀介质浓度不同时，在环境相对湿度条件下，会对钢筋混凝土、预应力混凝土中的钢筋、水泥砂浆、素混凝土、木材、钢材、铝等造成不同等级的腐蚀。因此，设计人员进行防腐设计时必须遵循适用性要求，根据实际结构及应用材料分析其中的腐蚀性等级，进而选择适用性较强的腐蚀设计方案。以设计使用年限为50年的结构混凝土材料为例，在腐蚀环境其耐久性基本要求应满足表1中的要求。

表1 结构混凝土材料的基本要求

2.3 经济性要求

工业建筑结构防腐设计时，要求设计人员对其用途、结构特点、环境特点、主要腐蚀介质等进行全面分析并选择适合的设计方案。事实上，部分工业企业为了降低成本，往往会要求建设企业在防腐设计中选择成本投入最低的方案。考虑到经济性要求，设计人员应在防腐设计过程中，根据勘察报告、环境影响评价报告、初步设计方案等，利用BIM技术进一步优化结构设计，并在此基础上设计至少3套防腐设计方案，这样做有利于从成本、技术、可维护性等多个层面，比较不同方案的优势与劣势，最终选择既能够满足防腐目的，又能够被工业企业接受的经理合理型设计方案。

3 工业建筑结构设计中的防腐设计策略

3.1 结合新理念，选择适配形式

自《装配式建筑评价标准》（GB/T 51129-2017）、《绿色建筑评价标准》（GB/T 50378-2019）实施以来，工业建筑中的装配率普遍提高到了50%以上，按照装配式评价项中的100分评价分值计算主体结构占到了50分，按绿色建筑评价分值计算，控制项基础分值要求达到至少400分。尤其在GB/T 50378标准第5项5.1条控制项中，明确了对污染物浓度的控制要求。在上述标准下，设计人员进行工业建筑结构防腐设计时，首先要树立标准化防腐设计理念，并在该理念下依据GB 50046-2018标准按部就班完成其结构防腐设计[3]。

其次，结构防腐中利用结构形式设计提高防腐能力相对容易，除了常用的钢筋混凝土框架结构外，对于钢结构形式的选择相对增多。建议在设计过程中区工业建筑的大跨度与中小跨度，尽量在前一种条件下选择钢筋混凝土结构，在后一种条件下应用钢结构形式。需要说明的是，防腐设计受到市场因素、建筑类型、建造工艺、施工技术等因素影响，选择钢结构形式后应配套的开展市场调研，确保设计方案中对钢结构的表面防护做出详细规定。如表2：

表2 钢结构表面防护要求

例如，在工业建筑防腐腐蚀设计过程中，由于建筑用途具有一定的特殊性，其中不排除侵蚀性气体、粉尘等，在这种条件下，应在单体建筑造型设计时选择简约设计理念，尽可能按敞开式、半敞开式进行设计，为其保持良好的自然通风提供有效支持。尤其在确定其形式后，应根据《工业建筑防腐蚀设计标准》中的实际要求，对材料、外露构件、楼面、地面等进行综合分析。从以往的设计经验看，应从具体项目的构成要素着手，根据总项目、分部项目、子项目的系统性特点出发，进行系统性的防腐蚀设计，进而保障整体建筑的防腐性能。

3.2 运用新技术，优化结构布局

与常规建筑不同，工业建筑生产工艺系统与结构布局关系十分密切，设计人员进行防腐设计时要对二者进行相互协调，确保结构布局的合理性，降低腐蚀影响。首先，应选择新时期已普遍推广应用的BIM技术，先将初步设计CAD图导入Revit软件，利用其中的“族库”功能，完成其各个方面的“族模型”设置，再通过可视化的拆分与组合设计优化其结构布局。

其次，具体操作过程中，一方面应针对主要生产设备进行集中布置，以此提高对腐蚀介质的回收处理效率。另一方面应进行场址方面的优化，如在下风向设置生产车间，并根据地下水流向调整生产车间与建筑结构布局，充分发挥自然环境引流作用，减少不同介质对其结构的腐蚀影响。尤其在空间结构设计过程中，设计人员应清晰明确的认识到线型结构方式的优势所在，将其与风向进行协调。至于工业生产废水方面的存在的腐蚀介质影响因素，可以采用室外排水坡度设计方法，提高排水流畅性，进而控制可能因积水造成的腐蚀现象。除以上优化外，设计人员应把Revit三维模型进一步导入Navisworks四维仿真软件，利用其中的“4D动画模拟”功能与“碰撞检查”功能，对气流界输送管道的敷设方式与连接设计情况等进行仿真与检查，提前做好对其泄漏风险的预测分析，并进行相应的调整等[4]。

需要说明的是，新时期我国建筑领域实施了《装配式建筑评价标准》（GB/T 51129-2017）和《绿色建筑评价标准》（GB/T 50378-2019），在实际应用BIM技术优化结构布局时，设计人员应严格按设计施工一体化实践模式，充分利用拆分设计、组合设计，在IFC标准下做好对BIM结构数据的设置，为后续PC构件预制时，选择防腐蚀材料、运用节能技术、提高预制效率、科学开展装配施工等奠定坚实基础，全面发挥出设计环节的引领性作用。

3.3 融合新方法，保障防腐效果

在新一轮工业化改革浪潮推动下，建筑企业在工业建筑中扩大了对新材料、新技术、新工艺的应用。从目前保障防腐设计效果的方法看，仍然集中在防腐材料择、结构表层处理、防腐涂层厚度设置等方面。

例如，在钢结构中通常会选择改性结构、阴极保护、热浸锌、涂层法。在钢筋混凝土结构中，通常将重点放在原材料质量控制、混合料的配合比设计优化、配套养护等方面。建议在新时期的工业建筑结构设计中实施防腐设计时，梳理其相关流程，确保设计人员能够在工业建筑类型→结构形式→腐蚀机理→防腐设计→防腐措施→防腐监测等环节，选择适配性较高的方法提高防腐设计效果。如钢结构中对于安得瓦产品的使用，有利于发挥其耐候性、耐腐蚀性、抗冲击性、抗风性等优势，进而在防腐的同时提高其对外部作用的抵抗能力等。

再如，新时期工业建筑设计中并没有专门的防腐专业设计人员，一般将防腐设计工作分派给各个专业的设计人员。考虑到建筑材料、建筑类型、建造工艺方面的变化，导致了局部设计内容差异，常规培训方法并不能达到预期设计目标。在这种前提下，建议设计单位于实际操作中，由设计总工把关，一方面加强与业主方的沟通交流，另一方面将建筑特征和安全性、适用性、经济性要求全面关联起来，编制一些防腐设计专题对相关设计人员开展专题培训，使其在知识结构、专业技能、职业素养方面获得全面提升，进而为其质量保驾护航[5]。

4 结束语

总之，工业建筑是企业从事生产经营工作的物质基础，受到大气腐蚀、局部腐蚀、应力腐蚀后，结构会发生问题。在新时期建筑行业、工业行业高质量发展之际，应结合工业建筑高质量设计与高水准运营目标，持续提升其结构防腐设计水平。结合上述分析可以看出，此类建筑结构腐蚀类型较多，产生机理复杂，在新时期进行防腐设计过程中，一方面应细致分析防腐设计要求，并选择适配性较高的防腐方法开展设计工作，另一方面应加强选材、结构布局调整，尽量通过综合化的设计策略，提高其防腐能力，为工业企业高效、安全生产保驾护航。