結構設計優(yōu)化技術在廠房結構設計中的應用

方振

【摘 要】伴隨著工程建設的快速發(fā)展，工業(yè)廠房越來越多，當前比較普遍推廣的就是鋼結構廠房，鋼結構工業(yè)廠房因其施工速度快、自重輕、抗震性能好、環(huán)保等特點在建筑工程中已被廣泛認可。通過對建筑結構的優(yōu)化設計，采用現(xiàn)代化的科學技術手段，能在保證建筑質量的前提下，實現(xiàn)降低建筑工程成本的目的，能夠節(jié)約造價，并提升建筑的經濟效益。本文主要對結構設計優(yōu)化技術在鋼結構廠房結構設計中的應用進行分析。

【關鍵詞】結構設計優(yōu)化技術；廠房結構設計；應用

前 言：工業(yè)是我國國民經濟支柱產業(yè)。保證工業(yè)安全生產，提高工業(yè)基礎設施建設水平是工業(yè)發(fā)展的必要條件，因此，在建筑工程中，建設的設計單位在進行結構設計的時候，在滿足建筑需求的前提下，通過結構優(yōu)化技術對建筑結構進行優(yōu)化，對整個建筑工程非常有利。

一、對鋼結構工業(yè)廠房支撐系統(tǒng)的設計原則

為了保證鋼結構廠房的空間工作，提高其整體剛度，承受和傳遞縱向水平力，防止桿件產生過大的變形，避免壓桿失穩(wěn)，以及保證結構的整體穩(wěn)定性，應根據(jù)廠房結構的形式，車間吊車的設置，振動設備以及廠房的跨度、高度，溫度區(qū)段的長度等情況布置可靠的支撐系統(tǒng)。廠房每一溫度區(qū)段應設置穩(wěn)定的柱間支撐系統(tǒng)，并與屋蓋橫向水平支撐的布置相協(xié)調。下柱支撐的位置是決定廠房縱向結構變形方向的重要因素，并影響溫度應力的大小，下柱支撐應盡可能設在溫度區(qū)段的中部，使吊車梁等縱向構件能隨著溫度變化比較自由地向區(qū)段兩端伸縮。當溫度區(qū)段的長度不大時，一般在溫度區(qū)段的中部設置一道下段柱支撐，但溫度區(qū)段的長度大于150 米時，為了保證廠房的縱向剛度，應在溫度區(qū)段內設置兩道下段柱支撐，其位置應盡可能布置在溫度區(qū)段中間三分之一的范圍內，為了避免過大的溫度應力，兩道支撐的中心距離不宜大于72 米。

二、結構設計優(yōu)化的基本方法

目前建筑工程的結構設計優(yōu)化技術的基本方法主要有兩種，即直覺優(yōu)化與概念設計處理。所謂直覺優(yōu)化，就是指建筑工程的結構設計中，可以采用多種設計方案時，設計人員一般會根據(jù)自己的經驗和直覺來判斷出應當選擇哪種設計方案比較合適，尤其是在確定結構布置設計、荷載分析、細部處理的設計方案時，更是無法使用計算機來代替，必須要由設計人員靠自己的判斷來決定。但是在實際的建筑工程結構設計中，設計人員自己的判斷是需要根據(jù)設計規(guī)律和實踐經驗來判斷，其在一定情況下，還是需要結合概念來進行設計處理。為此在結構設計優(yōu)化技術中，概念設計處理也是非常常見的優(yōu)化技術方法。

三、鋼結構廠房的結構設計優(yōu)化技術應用

1、廠房鋼結構設計優(yōu)化的基本原則

（1）要保證有足夠的工作空間。

（2）在生產中機械設備的運行往往會帶來一定的震動，為保證廠房的安全性，在優(yōu)化廠房結構設計時，需要重點對結構的抗震性進行設計。

（3）一些廠房在生產中會散發(fā)大量的熱量，而鋼本身具有很大的傳熱性能，若溫度過高時，鋼結構的強度也會減弱，為此設計中還注重對鋼結構的耐熱性進行優(yōu)化設計。

（4）廠房的支撐體系設計、屋面設計和立面設計也都要充分結合實際需要，合理設計，提高廠房結構設計方案的經濟性和合理性。

2、鋼結構廠房的抗震性設計優(yōu)化

（1）在進行總體布置的時候，廠房結構的質量和剛度分布應該具有均勻性，鋼架是廠房橫向結構選擇的最佳材料，通過這種形式，可以使鋼結構的受力性能得到充分地應用，并且橫向結構變形幾率也在一定程度上有所降低。

（2）鋼結構廠房出現(xiàn)破壞，通常情況下，并不是因為桿件沒有足夠的強度，在很多時候是因為桿件沒有穩(wěn)定性而使其出現(xiàn)破壞現(xiàn)象，因此，布置支撐系統(tǒng)要具有一定的合理性。

（3）在地震影響下，低周疲勞作用有所發(fā)揮，而在設計過程中，應該著重考慮它對廠房所產生的影響。在設計結構連接點的時候，節(jié)點的破壞要晚于結構構件的全截面屈服，結構構件應該加入到塑性工作中，將其中地震能量充分地吸收進來，從而發(fā)揮抗震能力。

3、鋼結構工業(yè)廠房的耐熱性設計

鋼結構工業(yè)廠房防火能力很差，當鋼材受熱在100℃以上時，隨著溫度的升高，鋼材的抗拉強度降低，塑性增大；溫度在250℃左右時，鋼材抗拉強度略有提高，而塑性卻降低，出現(xiàn)藍脆現(xiàn)象；當溫度超過250℃時鋼材出現(xiàn)徐變現(xiàn)象；當溫度達500℃時，鋼材強度降至很低，以致鋼結構塌落。因此，當鋼結構表面溫度處于150℃以上時，必須做隔熱及防火設計。這樣可以增強建筑的耐熱能力，使建筑更加的安全。

4、屋面支撐系統(tǒng)及屋面結構的設計優(yōu)化

屋蓋支撐系統(tǒng)的布置應根據(jù)廠房跨度、高度、柱網布置、屋蓋結構形式、吊車噸位和所在地區(qū)的抗震設防烈度等條件來決定。一般情況下無論有檁或無檁體系的屋蓋結構均應設置垂直支撐；在無檁體系中，大型屋面板有三點和屋架焊接，可起到上弦支撐作用，但考慮到施工條件的限制和安裝需要。無論有檁或無檁體系屋蓋均應在屋架上弦和天窗架上弦設置上弦橫向支撐。對于屋架間距不小于12m的廠房或廠房內設有特重級橋式吊車或廠房內有較大振動設備的均應設置縱向水平支撐。屋面的排水及防水設計在屋面設計中需重點考慮，根據(jù)《屋面工程技術規(guī)范》的規(guī)定，屋面坡度最小為5%，在積雪較大的地區(qū)，坡度應適當加大。單坡屋面的長度主要取決于所在地區(qū)的溫差以及降雨所形成的最大水頭高度。根據(jù)工程設計經驗，單坡屋面長度宜控制在70m以內。目前，市場上鋼結構屋面的做法常用的有兩種：

①剛性屋面：雙層彩色壓型鋼板內夾保溫棉；

②復合柔性屋面：由屋面彩鋼板內板、隔氣層、保溫層、卷材防水層組成。

5、立面設計的優(yōu)化

在廠房輕鋼結構的設計中，除了要對力學性能進行優(yōu)化設計以外，還需要對其立面設計進行優(yōu)化。尤其是要對廠房輕鋼結構的規(guī)模、線條、色彩等方面進行優(yōu)化設計。由于廠房一般多用于生產，因此在設計其立面的規(guī)模和線條時，可以考慮設計簡單統(tǒng)一的立面。

在色彩選擇上，也可以盡量考慮彩色的鋼板，避免整個廠區(qū)都處于一種單調沉重的混凝土結構中。尤其是在廠房的出入口、外天溝已經收邊泛水等部位進行合理優(yōu)化設計，在保證其基本功能的基礎上，實現(xiàn)良好的立面效果。使廠房給人一種親切的感覺，從而調節(jié)員工的心情，提高工作積極性。

另外，線條是表現(xiàn)輕鋼結構建筑風格最獨特的特征，均勻的線條或橫或豎，使得輕鋼結構建筑富有流暢的金屬質感，體現(xiàn)了強烈的現(xiàn)代工業(yè)氣息。很多廠房在設計上往往考慮到采光問題而在墻面上挖較多的孔洞，破壞了立面效果，筆者建議可以大量使用屋面采光板，以此來解決采光和立面效果的矛盾，同時還能解決廠房的通風問題。

結束語：在廠房結構設計中應用結構設計優(yōu)化技術，使廠房設計安全可靠，經濟合理且美觀大方，應用現(xiàn)代化科技手段，選擇合理的建筑結構設計方案，實現(xiàn)降低建筑工程造價并取得最大經濟效益的目的。

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