多層鋼結構工業廠房結構設計要點概論

曹宇星

（江蘇中建工程設計研究院有限公司南通分公司，江蘇 南通 226000）

0 引言

最近幾年，鋼結構因其工廠預制率高、施工周期短、抗震性能好和受荷能力強等特性，在各行業領域均得到廣泛應用。在設計多層鋼結構工業廠房時，設計人員應當在前期設計環節就建立完整的設計理念，將鋼結構的優勢特性充分發揮，滿足工業廠房的各項需求。另外，在多層鋼結構工業廠房結構設計中，要遵循設計的理念，同時結合以往成功工程設計經驗，尤其是要做好設計過程中的要點把控。

1 鋼結構多層廠房的特點

和普通的民用鋼結構相比較，多層鋼結構廠房有很大的優勢，其中有：第一，針對多層鋼結構廠房，可以滿足生產設備的布置和原材料的堆放以及其他生產功能的基本要求，荷載承受能力一般可以達到2.5～20kN/m2的范圍，相比普通的多層民用鋼結構承受能力提高很大。第二，在鋼結構廠房中，經常會有集中荷載和懸掛荷載的使用要求，相比普通的多層民用鋼結構受荷情況更復雜。其中集中荷載主要是設備在生產過程中的滿載重量以及生產過程中出現的震動荷載；懸掛荷載主要是室內運輸設備、及水、電、風、工藝管線等。第三，多層民用鋼結構的結構平面布置多規整和對稱，樓板具有平面連續性。而多層鋼結構廠房因為生產工藝的要求，經常會出現結構平面不規則、樓面錯層、樓面開洞等現象。因此，樓面完整性較差，如果有地震的發生，更容易出現扭轉的情況。與此同時，由于樓面錯層導致短柱組效應的發生，會讓水平方向的剪力向著局部柱段作用。第四，和多層民用鋼結構進行比較，多層鋼結構廠房因為生產工藝上的特殊要求，層高一般也會較高，較常見的層高范圍是4～8m，同時由于鋼結構廠房的內部空間很大，所以柱網一般也較大，以6～18m 的柱網較為常見。

以上是多層鋼結構廠房的特點，在設計過程中需要采取多種方法綜合分析才能達到正常生產和安全可靠的使用要求。

2 多層鋼結構工業廠房結構設計實例

2.1 工程概述

以 A 工程為例，該工程為多層鋼結構服裝廠，建筑面積是5684.64m2，其中建筑最高的高度是23.30m，一層的層高是5.85m（標高為-1.850m），二～五層的層高均是3.75m，一層在0.97m 標高設有局部夾層，將局部一層層高分為2.82m 和3.03m。根據業主生產工藝的要求，以及工程經濟性和施工周期的比較，該多層鋼結構廠房縱橫兩個方向的柱距均確定為6.70m，鋼柱采用方鋼管，鋼梁采用成品H型鋼，樓面采用壓型鋼板混凝土樓面，墻面采用成品NALC 外墻豎板。為了合理的承受整個廠房的荷載，該工程共設置了30 根鋼柱，基礎也采用柱下樁基承臺，采用直徑0.6m 長度16.0m 的鉆孔灌注樁。

2.2 設計分析和計算

該工程抗震設防烈度為6 度，基本地震加速度為0.05g（第二組），場地類別為Ⅲ類，場地特種周期為0.45s。樓面荷載計算方式如下：第一，縫紉機。每臺縫紉機加工作臺的荷載是2kN，根據實際設備布置情況可等效為面荷載，作用的位置二～四層樓面。第二，熨燙等設備參照縫紉機的受荷情況也可等效為面荷載，作用位置也是在二～四層樓面。第三，空調風管、電纜橋架及消防管線等重量約0.5kN/m，根據懸掛位置計算實際集中荷載大小，屬于懸掛荷載，作用位置各層中平面均有。針對荷載的布置情況和業主實際使用要求，該工程采用STS 鋼框架三維建模，采用SATWE 計算分析。

3 多層鋼結構工業廠房結構設計要點

3.1 抗震性能的重點關注

無論是單層還是多層鋼結構廠房，在進行設計時，結構安全始終是要放在第一位的。工業廠房的安全性方面，最大的威脅因素就是地震。發生地震時，廠房如果設計不合理，會更容易造成損壞甚至坍塌。因此，抗震設計是結構設計的重中之重。尤其是位于地震頻發地區的建筑，在設計時要多參考并結合以往的成功案例，適當提高建筑的抗震性能。

3.2 把控結構計算環節

多層鋼結構工業廠房在進行結構設計時，應根據不同的結構形式和結構布置采取最合理的計算方法，廠房的各項結構設計計算參數才能由此獲得。從安全和經濟的角度進行科學分析，要確保原始荷載數據的準確性，從而使得設計的成果得到保障。為此，在結構計算前，結構設計人員要和業主做好充分溝通交流并達成共識，防止在設計理念上出現偏差，導致設計結果出現矛盾，要確保設計成果的質量。同時，在進行結構計算時，應當采用先進的科技方法，遇到復雜結構，更要采用不同的結構計算軟件進行復核，確保設計結果的準確性和可靠性。

3.3 合理把控設計“四性原則”

“四性原則”在多層鋼結構工業廠房的結構設計過程中需要我們設計人員始終堅持，并合理平衡。“四性原則”主要是指：可靠性、安全性、實用性和經濟性。許多工業企業在多層鋼結構工業廠房設計過程中，往往只看中經濟效益，忽視實用性和安全性。這就需要我們結構設計人員，通過設計過程中的合理把控，在符合國家現行規范的前提下，將可靠性、安全性、實用性和經濟性針對每個具體項目做好差異和綜合分析，從中尋找出各方都能接受的合理平衡點。

3.4 技術處理要簡化

在結構設計過程中，結構設計人員需要從建筑材料的選用以及結構體系的確定方面進行把控，才能最大程度確保多層鋼結構工業廠房可靠性，并讓其充分發揮自身的設計使用功能。一方面，設計成果要能充分發揮多層鋼結構的性能優勢；另一方面，針對建筑材料的用量情況要做到科學、合理。利用全面的分析，讓鋼結構不僅要有支撐的作用，同時還需要有維持工作的作用。就給多層鋼結構廠房在結構上提出了更高的標準和要求。為此，設計人員就需要針對設計參數、使用環境條件以及使用功能合理分析和選取，同時要熟練掌握理論知識，對多層鋼結構工業廠房的設計方案作出綜合的選擇，確保施工能夠正常的開展。

3.5 橫向和縱向設計的把關

橫向和縱向的分析在進行多層鋼結構工業廠房結構設計之前就應當提前做好。橫向設計過程中，要重點將多層鋼結構工業廠房使用功能進行分析，確保多層鋼結構工業廠房能夠符合企業生產的多樣性變化。多層鋼結構工業廠房結構的縱向設計，主要需要設計人員從安全性和穩定性角度出發，把控設計過程中的重點。另外，在進行多層鋼結構工業廠房的節點和構件設計時，除了要考慮抗震性能和相關構造要求外，更應當考慮到施工因素的影響，根據構件是在工廠制作還是現場制作，采用不同的設計方法，從而確保節點和構件的設計性能正常發揮。

3.6 合理設置變形縫

雖然鋼結構建筑的變形縫設置限值與混凝土結構相比要寬松很多，但是在設計過程中，設計人員仍應將變形縫的合理設置重點把關，防止建筑應變形縫的設置不當，而導致質量問題的發生。工業廠房的規模一般都比較大，變形縫的設置不當或是施工不當，會對建筑的內、外部使用環境帶來很大影響，比如：濕度、溫度、變形等問題，嚴重的會導致生產設備受損甚至工廠停產。因此，設計環節中就應對對變形縫的設置合理分析，才能確保工業廠房的質量、安全和正常使用。

4 結束語

通過以上分析可以看出，多層鋼結構工業廠房在結構設計時，對設計要點應當進行重點把控。尤其是建筑物的抗震性能尤為重要，做為結構設計人員，我們應當合理堅持四性原則，確保廠房結構的安全性和可靠性。