孙雪
京工建（北京）钢结构工程有限公司 100176 北京
摘要：近几年来,我国工业发展迅猛,各种钢结构设计技术和加工工艺的出现,极大地推动了钢结构设计在工业建筑、工业厂房、火力发电等建筑领域的应用。钢构结构设计具有施工快、工期短、造价低等优点,但也存在一些问题和不足,只有充分认识其优缺点,才能更有效地运用于随后的厂房建筑结构设计中。
关键词：钢结构；工业建筑；设计实践
主题词:钢结构;工业建筑;设计实践
钢构工业建筑也有其缺点,如设计时不够重视,会影响结构的使用。钢构结构对风荷载、雪荷载比较敏感,在过去的工程实践中,由于考虑不充分,已经造成了不少工业建筑的破坏,甚至整个建筑物倒塌。钢构耐蚀性能差,钢的腐蚀是一种不均匀的破坏形式,一旦钢构表面出现腐蚀坑,外部腐蚀介质就会通过腐蚀坑向纵深发展。如不重视防腐蚀设计与日常维护,势必会因腐蚀问题而影响工业建筑的正常使用,给钢结构的安全带来隐患。由于钢结构的耐火性差、温度升高会使钢的强度明显下降,因此钢构件的防火设计应符合有关规范的规定,并应采用涂层或板材保温等保护措施。
1.钢结构设计的优缺点
1.1钢结构设计优点
1.1.1钢结构大开间
当前我国大多数工业厂房都是大型厂房,而钢结构由于其自身能承担大跨度的设计要求,因此被大多数厂房设计者所选择和应用。钢结构的设计跨度比传统的混凝土结构大得多。这一区别于传统的性能具有一定的突破性,使得钢结构能够实现横向和300米以上的纵向温差,满足大多数工业厂房建设过程中温度变形的要求。
1.1.2钢结构重量较轻
钢质较轻,有效地克服了混凝土结构中存在的抗拉性能差,工艺繁琐等缺点。用抗腐蚀性能较强的冷轧镀锌钢板制成的钢结构,不仅在使用和施工过程中提高了钢结构的耐腐蚀性能,而且延长了钢结构的使用寿命,保证了钢结构应有的功能和价值。
1.1.3钢结构能有效提高施工效率
工厂选用的钢结构零件,是通过机械化、高强化加工而成的金属零件,其质量在投入使用之前就已得到充分保证。所生产的钢构件按需从生产基地运至施工现场,现场操作人员只需按照相应的步骤说明将构件装配,其操作过程简便快捷。这样的操作大大缩短了工业厂房的施工周期,简化了施工程序,在保证构件质量的同时,也提高了整个厂房的施工质量,使其能够在最短工时内完成施工,尽早投入使用,从而获得更大的经济效益。
1.2钢结构设计缺点
钢构建筑设计的优点比较明显,但问题也同样存在,如耐火性能参差不齐等,是一个很现实的问题。当前钢结构的耐火性能普遍不理想,虽然它的优点促使它在建筑界得到了广泛的认可,但这些缺陷同样值得关注和重视。典型地,在采用钢结构的工业厂房中,其主体缺乏钢筋混凝土或普通混凝土所具有的隔离性,往往导致在起火的第一时间内由于缺乏安全措施而使厂房遭受生命财产损失。另外一方面,钢结构也有不理想的抗腐蚀性,如由于长期使用而产生的锈蚀,如果在一开始不采取有效的措施,腐蚀就会蔓延,最终影响钢结构的质量和厂房的安全。
2建筑钢结构工程施工出现的问题
2.1钢结构的耐火性与耐腐蚀性较差
钢结构在应用过程中具有较强的导热系数，将钢结构应用在建筑物当中，一旦建筑物内部出现大型火灾就会导致钢结构材料的弹性模量发生相应的提升，并且高温环境会导致钢结构的自身强度大幅度降低，最终导致钢结构自身刚性和强度完全丧失。另外，钢结构在长期应用的过程中，由于自身属于金属物质会与空气当中的水分发生化学反应。导致出现生锈腐蚀状况，降低钢结构的自身强度和耐久性能。所以，在进行钢结构建筑物施工过程中要对其锈蚀问题采取措施进行解决，还要对环境当中的湿度进行控制，避免钢结构与空气中水分发生反应，从而导致锈蚀问题。
2.2对建筑钢结构选择方面的不足
我国是钢铁生产大国。但是，由于我国的钢铁矿石质量相较国外钢铁矿石质量偏差，并且，我国钢铁制造厂家和检验部门数量较多，这就导致我国钢材质量参差不齐。在钢结构应用到建筑物施工过程中，由于钢材自身的抗腐蚀性，耐热性能较低，建筑工程使用期限较长。所以，质量较次的钢结构会在使用过程中出现锈蚀，刚性降低等问题，导致建筑物出现安全隐患。所以，在进行钢结构施工之前，施工管理人员应选择质量较好，抗腐蚀能力较高的钢材进行钢结构施工作业。从而保障钢结构建筑在未来长远的使用过程中不会降低质量和强度。
3.钢结构工业建筑设计实践
3.1结构选用
钢质工业建筑通常采用的结构形式有排架结构,门式刚架结构,多层框架,大跨空间结构等。一般单层钢结构厂房横向抗侧力体系一般采用排架结构,横向抗侧力体系的组成构件有柱、顶架或顶梁,排架是钢结构厂房的主要承载结构;纵向抗侧力体系一般采用柱间支承结构,柱间支承结构包括柱、柱顶系杆、吊车梁、托梁或柱间交叉杆等。轻钢结构厂房多采用门式刚架结构,门式刚架一般是由梁、柱构成的横向抗侧力体系,轻钢结构厂房的纵向抗侧力体系与单层钢结构厂房相同。框架结构为多层框架结构,由纵横梁、柱子构成,承受竖向荷载和水平荷载,一般采用刚接梁柱。在工业建筑中,当空间需要双向大跨度、大柱网、大开间时,通常采用大跨度空间结构,主要有空间网格结构和空间张拉结构两种形式,在形态上表现出空间的三维状态和三维受力的特征。
3.2建筑设计
3.2.1平面设计
工业建筑的性质不同,在生产运行中会产生不同的生产特性,生产特性也会影响厂房的平面设计。
一些工厂(机械行业的铸造车间、热加工车间、炼钢车间等)在其生产的过程中会有一部分的热量散发处理啊， 还有着大量的烟气、热量、粉尘等，就需要在平面设计的过程中保持良好的自然通风的状态；一些工厂(机械冷加工车间、家电装配车间等)是在正常的温度、湿度下生产的,室内没有大量的余热和有害气体散发,但此类工厂对采光有一定的要求,在平面设计时应综合考虑工厂所在区域的气候条件、地形特点等因素,以满足工厂的采光和通风要求;另一些工厂(电子车间、纺织车间等)本身生产过程中对于外部环境中的各个因素条件要求时比较高的，也就需要进行空调的动力调节装置的有效分析，从而进行后续的优化设计和提升工作。
按照工业建筑生产工艺的不同,平面设计一般有三种组合方式。
(1)直线布置:厂房由若干跨间平行的流水线组成,流水线采用顺跨间直线。此布置方式适用于规模较小,起重吨位较小的厂房。在厂房的平面布置过程中一般采用了平跨的简单布局，不仅仅有着更高的空间利用率，也就在后续的扩建过程中减少了工作量，跨度小，长方形的平面可以保持稳定，外墙面积大,土建投资不经济。
(2)平行布置:厂房由若干跨室平行布置而成。结构上与前者基本相同,生产时通常使用传送带、平车或其他跨越跨间的运输设备。
(3)垂直布置:厂房平面跨厂房之间彼此垂直。零件可根据工艺要求,在不同的工件之间进行加工装配。工厂具有跨跨运输设备,由于跨间相互垂直,且建筑结构比较复杂,在大、中型工厂中应用也比较广泛,因为工艺布置和生产运输具有一定的优势。
3.2.2外观设计
钢结构的工业建筑设计过程中，需要在外形上进行结构的选择，还需要从多样性的角度进行有效的分析工作，使得工作的能力大大提升。色彩营造的气氛会影响建筑物使用者及周围环境的情绪及行为。设计中若色彩搭配出现问题,就有可能破坏建筑与环境的协调,对人的身心造成不利影响。建筑物外观色彩设计要控制色彩污染。色彩调整技术可以适当调整建筑立面比例,突出造型,深化材料肌理,调整建筑形态的不足,重新创造建筑形态。产业活动投资规模巨大,资金主要用来购买设备、雇用员工,重点用于产业建筑的外部围护结构,使用色彩来构成建筑造型是最简单、最经济的设计方法。
3.3结构安全性
钢构工业建筑具有许多优点,其中抗震性能较好是其显著的优势之一。钢是一种各向同性材料,其拉伸、压缩和剪切强度都非常高,具有良好的延展性。钢构工业建筑能够通过钢的弹塑性变形吸收并消耗地震能量。地震是一种惯性作用力,结构自重越大,吸收的地震作用力越大,钢结构工业建筑相对于其它结构形式,自重越轻,地震作用的影响就越小。
钢质工业建筑,尤其是轻型门式刚架结构,自重轻,刚度小,抗风荷载和雪荷载能力差。近几年来,由于设计和施工上的不合理,导致了大量钢结构工业建筑在恶劣的风雪天气中倒塌,在结构设计的过程中需要重点做好风载荷和雪载荷的有效设计工作，在各种类型的承重设计过程中需要进行精准的控制与分析，使得其结构的设计工作可以在未来很长的时间内保持稳定的工作状态。门式刚架轻型房屋钢结构技术规范(GB51022—2015),门式刚架轻型房屋钢结构属于风荷载敏感结构,计算主刚架基本风压乘以1.1的放大系数,计算檩条、墙梁和屋板及其连接乘1.5的放大系数;门式刚架轻型房屋钢结构的屋盖轻质,雪荷载敏感,雪荷载常处于控制荷载状态,在极端雪荷载作用下,易造成结构的整体破坏,其后果尤其严重,雪荷载采用100年期基本雪压。
3.4防腐蚀设计
钢结构构件和节点采用结构形式,需要进行重点的喷涂检查和维修的工作。一是当出现了腐蚀现象时，就需要在重要的受力构件的位置进行结构上的分析工作，不能采用格型结构，也不能采取冷弯薄壁型钢，需要根据外部腐蚀的具体情况进行有效的分析工作，使得结构上更加稳定和优质。
二是钢质本身的防腐蚀,即使用有抗腐蚀能力的钢质。在暴露环境中,对耐腐蚀有特殊要求的,或者在受侵蚀环境下的承重结构,可以采用耐候性结构钢。加入少量的 Cu合金元素，也就在其表面形成了有效的保护层，从而在大气腐蚀的过程中进行了有效的保护工作，实现了高性能的腐蚀。三是利用涂层进行有效的腐蚀保护工作，在锌、铝等金属的表面进行保护，也就分为了底涂料、中间涂料等不同的种类，需要根据腐蚀的条件等进行年限、施工条件等多方面的配套设计工作，也就在良好的保护过程中实现了更加稳定的应用工作。
3.5防火设计
(1）正确定义建筑物的火灾危险性类别。火灾危险性分为甲、乙、丙、丁、戊5类。设计师应对工业建筑内生产和使用的物质特性有充分的了解，具体操作过程中不应人为压低火灾危险性分类。
(2）正确定义建筑物各构件的耐火等级。耐火等级共分为一级、二级、三级、四级4个等级。一般钢结构工业建筑按二级耐火等级设计的居多，实际操作时往往会人为提高建筑物的耐火等级，以获得较大防火分区面积，此时应注意对钢柱、钢梁、支撑等承重构件采取防火措施，使其达到建筑物相应的耐火等级要求。
(3）合理划分建筑物的防火分区，对每个防火分区的面积进行严格控制。注意建筑物安全出口数量、疏散宽度、疏散距离需要满足规范要求。
结论
综上所述，在建筑物的施工中，钢结构的设计工作是十分关键的，在日常工作过程中需要进行有效的设计分析，也将可能发生的问题进行及时和有效的控制工作，减少不必要的问题。
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