工業(yè)建筑結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計分析

周昌富

(銅陵有色設(shè)計研究院,安徽 銅陵 244000)

0 引 言

工業(yè)建筑的建設(shè)主要是以滿足工業(yè)生產(chǎn)使用功能的角度入手進行設(shè)計的，通常大規(guī)模的工業(yè)生產(chǎn)都需要配套的工業(yè)建筑支持，故而工業(yè)廠房建設(shè)已經(jīng)成了建筑行業(yè)的重要構(gòu)成部分，科學(xué)完善的工業(yè)廠房建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計更有利于提高工業(yè)生產(chǎn)的質(zhì)量和效率，而工業(yè)建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計是工業(yè)廠房建設(shè)過程中最為核心的環(huán)節(jié)，然而從當(dāng)前工業(yè)廠房建設(shè)現(xiàn)狀來看，仍然存在諸多問題，在很大程度上影響了工業(yè)建筑質(zhì)量，本文從這些問題入手，從優(yōu)化工業(yè)建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計的角度提出一些結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計建議。

1 工業(yè)建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計過程中存在的問題

傳統(tǒng)的建筑結(jié)構(gòu)優(yōu)化主要涉及結(jié)構(gòu)形式分析、結(jié)構(gòu)模型計算和結(jié)構(gòu)構(gòu)件優(yōu)化，隨著建筑行業(yè)的發(fā)展和工業(yè)的發(fā)展，工業(yè)結(jié)構(gòu)設(shè)計優(yōu)化逐漸開始發(fā)生轉(zhuǎn)變，如今的工業(yè)建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計優(yōu)化主要是從工業(yè)生產(chǎn)工藝、生產(chǎn)流程、生產(chǎn)設(shè)備安置等角度入手，來完善結(jié)構(gòu)設(shè)計，更加注重工業(yè)廠房建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計的科學(xué)性。同時通過工業(yè)結(jié)構(gòu)設(shè)計優(yōu)化來為企業(yè)工業(yè)生產(chǎn)提供更好的支持，間接提升企業(yè)的生產(chǎn)效率。然而從當(dāng)前工業(yè)建筑工程整體現(xiàn)狀來看，由于受到土地、環(huán)保、成本、投資控制等方面的影響，工業(yè)建筑難以達到預(yù)期效果，而工業(yè)結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計便顯得越來越重要，以下從幾個方面來探討工業(yè)建筑結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計。

1.1 建筑結(jié)構(gòu)選材問題

工業(yè)建筑結(jié)構(gòu)中使用較多的是鋼結(jié)構(gòu)，甚至一些工業(yè)建筑全部都使用鋼結(jié)構(gòu)，畢竟鋼結(jié)構(gòu)相較大多數(shù)建筑結(jié)構(gòu)來講有著得天獨厚的強度和制作優(yōu)勢，然而與傳統(tǒng)的建筑材料相比，如混凝土構(gòu)件、混合材料構(gòu)件等，鋼結(jié)構(gòu)的建造成本過于高，并且這種結(jié)構(gòu)在后續(xù)的使用過程中，隨著時間的推移會因為局部構(gòu)件疲勞而存在一定的風(fēng)險。

另一方面，鋼結(jié)構(gòu)作為最常見的工業(yè)廠房建造材料，其雖具有一定耐熱性，但是卻不耐火。尤其是在高溫持續(xù)燃燒的情況下，鋼結(jié)構(gòu)的抗壓強度、抗拉強度都會收到嚴(yán)重影響，進而很容易出現(xiàn)結(jié)構(gòu)變形、損壞，嚴(yán)重的情況下還會引起工業(yè)廠房倒塌。當(dāng)然導(dǎo)致這種威脅既與選材有直接關(guān)系，同時也與鋼結(jié)構(gòu)廠房防火設(shè)計不達標(biāo)有較大的關(guān)系，工業(yè)建筑設(shè)計單位在結(jié)構(gòu)設(shè)計階段注意建筑的防火效果提升，但是往往會忽視防火設(shè)計的重要性，例如在選材的時候，選用的鋼結(jié)構(gòu)材料防火水平不達標(biāo)，所以一旦發(fā)生火災(zāi)威脅，工業(yè)廠房建筑很容易因為鋼結(jié)構(gòu)變形而倒塌。這不僅會給企業(yè)造成較大的經(jīng)濟損失，還會威脅到作業(yè)人員的生命。同時相較于混凝土結(jié)構(gòu)來講，鋼結(jié)構(gòu)材料的防腐蝕性相對較差。因此，盡管從強度等方面來講，鋼結(jié)構(gòu)有一定的優(yōu)勢，但是從結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性和抗疲勞性方面來講，鋼結(jié)構(gòu)材料并不是最合適的選擇，具體材料的選用還需要根據(jù)工業(yè)建筑實際需求來確定。

1.2 特殊需求設(shè)計的不足

工業(yè)建筑相較于其他的民用建筑來講，通常建造需求更為復(fù)雜且特殊，例如工業(yè)建筑設(shè)計過程中需要考慮企業(yè)生產(chǎn)過程、產(chǎn)品等因素，所以可能會有防火、防爆等特殊需求，甚至一些工業(yè)建筑可能會對污染物排放有較高的要求，這都會對建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計提出更高的要求。在一些特殊情況下，如果工業(yè)建筑功能性特殊需求與建筑安全性、環(huán)保性等需求出現(xiàn)沖突的時候，對結(jié)構(gòu)設(shè)計就會有更高的要求，通常這種情況下很容易出現(xiàn)建筑特殊需求設(shè)計上的局部缺失。在建筑工程項目建設(shè)階段，工程建設(shè)方、設(shè)計方、施工方、設(shè)備供應(yīng)方等都會進行多次的技術(shù)溝通，但是即便如此，隨著工業(yè)建筑綜合化的發(fā)展，建筑結(jié)構(gòu)特殊需求設(shè)計不足等問題仍然存在。

2 工業(yè)建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計優(yōu)化措施

2.1 合理選用建筑材料，重視建筑防火設(shè)計優(yōu)化

防火設(shè)計是工業(yè)建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計中關(guān)鍵的環(huán)節(jié)。現(xiàn)階段工業(yè)建筑中較多使用鋼結(jié)構(gòu)廠房，和混凝土廠房存在著明顯的差異。鋼結(jié)構(gòu)廠房結(jié)構(gòu)強度較高，同時還具備高塑性和質(zhì)量輕的優(yōu)勢，而混凝土結(jié)構(gòu)則有耐久性優(yōu)勢。從材料的角度來講，鋼結(jié)構(gòu)廠房受溫度的影響明顯大于混凝土結(jié)構(gòu)廠房，防火能力一直被詬病，如果鋼結(jié)構(gòu)工業(yè)廠房沒有完善的防火設(shè)計處理，廠房必然面臨巨大的安全隱患。故而在建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計階段，必須針對鋼結(jié)構(gòu)廠房防火性能進行優(yōu)化。如果使用鋼結(jié)構(gòu)材料，必須結(jié)合使用防火涂料，在鋼結(jié)構(gòu)表面噴刷防火涂料，提高廠房結(jié)構(gòu)防火性能；另一方面也可以增加鋼結(jié)構(gòu)絕熱設(shè)計，保證廠房結(jié)構(gòu)安全性和防火性能，同時絕熱設(shè)計在鋼結(jié)構(gòu)防腐蝕方面也有明顯的作用。

2.2 借助計算機軟件技術(shù)進行結(jié)構(gòu)方案優(yōu)化設(shè)計

從整體上來講，工業(yè)建筑結(jié)構(gòu)優(yōu)化主要涉及基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)、屋蓋結(jié)構(gòu)、承重主體結(jié)構(gòu)和圍護結(jié)構(gòu)四個方面的優(yōu)化，在設(shè)計階段可以借助計算機軟件來完善結(jié)構(gòu)設(shè)計。在借助CAD、PKPM等工程設(shè)計軟件對工程結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化設(shè)計時，首先必須重視結(jié)構(gòu)選型及整體概念設(shè)計，其次要對建筑結(jié)構(gòu)受力和成本進行分析，然后根據(jù)工業(yè)建筑結(jié)構(gòu)相關(guān)規(guī)范要求，反復(fù)進行關(guān)聯(lián)性修改，最終確定結(jié)構(gòu)設(shè)計方案。

利用計算機軟件來優(yōu)化建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計方案的時候，必須重視建筑結(jié)構(gòu)受力分析，確保建筑結(jié)構(gòu)剛度、強度使用需求，同時還需充分考慮力學(xué)余量，最大限度的借鑒相對成熟的工業(yè)廠房、工業(yè)建筑結(jié)構(gòu)，如果工業(yè)建筑在美學(xué)設(shè)計方面有所要求，必須在保證結(jié)構(gòu)可靠性的前提下進行設(shè)計。

2.3 從建筑環(huán)境和建筑功能入手優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計

工業(yè)建筑在設(shè)計階段要考慮到施工的可行性和經(jīng)濟性，所以建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計之前必須對工程周邊地質(zhì)、氣候、經(jīng)濟發(fā)展等環(huán)境條件做充分的調(diào)研；對于一些特殊的工業(yè)建筑，必須考慮其特殊需求，從細(xì)節(jié)上入手，借助計算機軟件和工程結(jié)構(gòu)設(shè)計經(jīng)驗，在充分考慮結(jié)構(gòu)安全性和人性化設(shè)計的基礎(chǔ)上，完善建筑結(jié)構(gòu)。例如借助計算機軟件現(xiàn)將工業(yè)廠房建筑進行功能分區(qū)，明確劃分生產(chǎn)設(shè)備區(qū)、輔助生產(chǎn)設(shè)備區(qū)、生產(chǎn)材料安置區(qū)、成品安置區(qū)、作業(yè)人員通道、交通通道、公用設(shè)備用房等區(qū)域，根據(jù)工藝流水線來合理布置場地，既節(jié)省建筑用地，提高結(jié)構(gòu)空間利用率，同時還可以降低成本。

2.4 構(gòu)建工業(yè)建筑結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計模型

為避免工業(yè)建筑施工過程中出現(xiàn)不必要的設(shè)計變更，在設(shè)計之初可以構(gòu)建設(shè)計模型，全面考量可能存在的變量，從這些變量中選擇重點的參數(shù)變量，然后借助計算機軟件構(gòu)建函數(shù)模型，然后從建筑實際需求著手，將可能影響建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計的因素納入其中優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計方案。在此過程中，最關(guān)鍵的是確定一個重點變量，所以要求設(shè)計人員全面考量工業(yè)建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計重點，從而選擇和確定函數(shù)模型的參數(shù)內(nèi)容，然后確定函數(shù)模型和結(jié)構(gòu)優(yōu)化方向，并以此為依據(jù)使各種約束性條件都按照既定的標(biāo)準(zhǔn)來確定。

同時要善于通過新技術(shù)的應(yīng)用來優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計模型，例如借助BIM技術(shù)，運用GIS地理信息系統(tǒng)合理選擇工業(yè)建筑場地，在建筑場地規(guī)劃建設(shè)階段理性分析施工現(xiàn)場布局。同時利用BIM技術(shù)的三維可視化設(shè)計功能，全方位的展示建筑規(guī)劃，當(dāng)然這一過程還要充分的考慮工業(yè)建筑使用者的需求。

3 結(jié) 論

總的來講，工業(yè)建筑結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計不僅關(guān)系到工業(yè)生產(chǎn)效率的提升，同時還關(guān)系到企業(yè)生產(chǎn)和作業(yè)人員的生命安全，所以在工程設(shè)計階段必須重視建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計的優(yōu)化完善，從企業(yè)生產(chǎn)實際需求出發(fā)，在滿足工業(yè)生產(chǎn)的基礎(chǔ)上，從結(jié)構(gòu)選材、防火設(shè)計、建筑環(huán)境以及BIM技術(shù)應(yīng)用等角度入手，優(yōu)化工業(yè)建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計，最大限度地為工業(yè)生產(chǎn)服務(wù)。