大空間工業廠房鋼結構設計及優化措施

夏正新

摘要：就工業生產企業而言，工業廠房發揮著不可取代的作用，其性能的優劣直接影響到企業的生產效率。為此，在建造工業廠房過程中，為了降低給環境產生的不利影響，將工業廠房建筑施工費用降至最低，增加建筑的美觀度，一般建設主體會選擇以鋼結構為施工原材料。大空間鋼結構工業廠房是一種集自重輕、抗震性能強、可供企業進行生產的重要場地，其結構性能會對化工企業的生產活動產生顯著影響。鑒于此，迫切需要優化大空間工業廠房鋼結構的設計，本文將重點探討大空間工業廠房鋼結構設計及優化措施。

關鍵詞：鋼結構;工業廠房;優化設計

大空間工業廠房作為化工企業的關鍵生產場所，其施工質量與工作人員的人身安全以及工業生產效率息息相關，因此要重視其建筑的結構設計。進入二十一世紀后，憑借著自身特有的優勢，鋼結構工程的運用范圍愈來愈廣，且逐步取代了傳統廠房磚混結構的位置。眾所周知，鋼結構工業廠房有自重輕、抗震性能突出等特征，對企業各項生產活動的開展具有重大影響，為此有必要深層次研究如何優化大空間工業廠房鋼結構的設計。

1 大空間工業廠房鋼結構設計的主要問題

1.1 精確度不高

在鋼結構設計中，計算設計結果的可靠程度主要由荷載取值的精準性所決定，然而部分設計人員在設計鋼結構中無法有效確保荷載取值的精準性，造成由于墻體布置影響結構整體剛度、支撐物安裝位置不科學等，導致結構總體的穩定程度受到不良影響。

1.2 整體布局存在問題

在大空間工業廠房鋼結構設計過程中，要重視整體的布局，堅持用整體觀念著眼于方案的設計。鋼結構廠房是企業布局中的重要構成，是企業進行生產的關鍵場地之一。在大空間工業廠房鋼結構設計過程中，必須綜合考慮企業特征、廠房要求、氣候以及面積等諸多因素，促進廠房和企業其他建筑之間能夠維持協調。然而，部分設計人員在設計大空間工業廠房過程中沒有站在大局角度進行考慮，導致工業廠房和其他建筑的位置出現矛盾;比如居住區和工業廠房相距太近，廠房形成的有害氣體或者噪聲，會影響周圍居民的工作效率與身體健康等問題。

1.3 建筑結構不科學

項目造價和企業效益存在密切聯系，實際上設計大空間工業廠房鋼結構費用的高低關乎到整個廠房的施工成本，然而部分設計人員在設計大空間工業廠房鋼結構時沒有重視成本控制問題。比如設計大空間工業廠房鋼結構的方案不合理，未將承重結構的安裝工作做到位，導致資源浪費問題出現，有的甚至使廠房安全質量達不到設計要求，此時就需要重建拆除，導致項目成本與返工頻率的增加。

1.4 溫度影響產生伸縮縫

由于溫度應力過大導致建筑物開裂，在一定長度范圍內根據建筑物的結構體系不同而設置伸縮縫，是規范所規定的內容，一般情況均應遵照執行。但是在鋼筋混凝土結構的建筑物中由于設置了伸縮縫卻帶來很多問題，尤其在地震區更是問題多多。

2 大空間工業廠房鋼結構設計的優化措施

2.1 抗震性設計

在設計大空間工業廠房鋼結構過程中，要重視工業廠房的抗震性能。為強化抗震效果，設計人員需要采用合理的設計方案，一方面要精準掌握與之對應的抗震等級，另一方面要嚴格控制鋼結構的整體效果，將相關預防工作做到位，有效確保廠房建筑的可靠性與穩定性。在場地的選擇上要優先選用對廠房結構有利的地段，在廠房的結構平面布置上要突出整體性，要合理做好整體穩定、整體與局部穩定之間的關系;在平面布置時宜采用穩定性能較強的矩形，立面宜簡單對稱，同時在平面布置過程中要注意鋼架、柱間支撐的布置堅持簡單對稱的原則，這樣的設計可提高廠房整體構造的荷載力和穩定性能，使廠房抵御地震災害的能力顯著增強。

2.2 防火、隔熱設計

現階段，在大空間工業廠房建筑結構領域內鋼結構取得了大范圍運用。與混凝土結構相比，鋼結構有塑性強、強度高等特征，然而鋼材易受溫度影響，鋼材導熱性強，當溫度超過100℃時，鋼材的抗拉強度會變差，可塑性增強。但在溫度超過250℃的情況下，其可塑性會變差。在相關應力作用下，碳素鋼（大于420度）合金鋼（大于420～500度）時發生蠕變，其隔熱、防火能力往往會劣于混凝土結構，導致鋼結構的工業廠房存在顯著安全隱患。鑒于此，在設計大空間工業廠房結構過程中，如果鋼結構表面溫度超過了150℃，為保證工業廠房的可靠性與安全性，要重視隔熱性能與防火性能^[1]。為提升防火設計的合理性，首先要考慮其生產類別、施工工藝圖、工業廠房對隔熱、防火的需求等影響因素，將防火等級確定下來后，以國家防火規范為依據進行設計，結合防火等級要求和質量要求選用合適的材料，并將防火涂料涂抹于鋼材表面。同時，在進行防火設計過程中需優化大空間工業廠房的平面布局，合理設計安全疏散通道、防火隔熱設施、消防樓梯等，以有效保證火災事件突發的情況下可安全撤離在場生產的工作人員，減少人員傷亡數量，降低火災引發的負面影響。而在進行隔熱設計過程中，要做好耐熱保護工作，比如對于化學工業廠房，應做好對其內部的加熱爐周圍輻射區域中鋼材的相關保護工作。

2.3 屋蓋支撐體系設計

屋蓋支撐體系的設計和屋蓋架構形式、生產車間的跨度與高度、吊車的噸位及其設置等諸多因素息息相關。一般而言，不管是否存在鑲條，都應將縱向支撐設立于屋蓋架構內。如果大空間工業廠房屋架中或是其20米范圍內設置了大規模振動裝置或是大噸位吊車，就要將垂直方向的支撐安設于廠房內部。此外，在設計此支撐過程中，應采取天溝方式將屋面坡度設置到位，這樣才能有效確保工業廠房建筑具有較為優越的防水性能。

2.4 鋼結構截面設計

承重柱的高度、間距以及跨度對鋼結構的截面大小具有決定性影響，為此要采取合理方式將設計工作做到位。首先，要把所有會對承重柱的間距、高度、跨度形成影響的數據進行精準地計算，保證這些數據的精準度，否則容易出現設計誤差^[2]。只要能保證截面設計合理、科學，就能增加建筑物的美觀度。

2.5 立面設計

立面設計指的是以形狀設計、顏色布局、規模等為著眼點，使工業廠房的外觀發生變化，對其予以美化加工。為此，在設計工業廠房過程中，一方面要高度重視顏色的搭配，顏色處理得當，對工作人員工作的積極性具有顯著的調動作用。比如入口處宜選用跳躍性顏色，增加入口的清晰度與立體感，讓員工能提早進入工作狀態;以鮮艷的顏色標注于危險位置，警示工作人員切勿接觸;用采光板裝飾廠房，以其頂替窗戶，防止建筑的整體性與線條遭到破壞。

2.6 伸縮縫設置設計

2.6.1 在設計大空間工業廠房過程中，框架梁多數采用預應力混凝土結構，可以減少柱數量、增強梁板剛度。在梁中所施加的預壓應力可抵消由于混凝土溫度變化和收縮產生的軸向拉應力，從而達到擴大溫度伸縮縫間距的目的。

2.6.2 在設計大空間工業廠房過程中，帶設置的寬度和間距，在規范中規定間距約為每 30～40m 設置一道后澆帶，帶寬 0.8～1.0m。如果在施工條件許可的情況下，還可以將后澆帶的寬度適當放大。

2.6.3 對于單層高低兩跨現澆鋼筋混凝土框架結構，在高低跨處容易產生的應力集中，導致裂縫產生，為此對此部位采取有效了構造措施。

3 結語：

綜上所述，大空間鋼結構工業廠房憑借著自身具有建造費用低、外觀美、建造時間短的優勢被大范圍地應用。近些年來，我國出現了許多化工企業，其對工業設施提出了相當高的要求，對空間的要求也愈來愈高，導致大空間鋼結構工業廠房的設計面臨著巨大挑戰。為此，相關設計人員要優化和創新大空間工業廠房鋼結構設計及相關技術，推動我國工業廠房施工技術實現跨越式發展。

參考文獻：

[1]陳貴敏.關于鋼結構廠房施工與安裝質量控制要點淺談[J].四川水泥，2019（10）：236.

[2]劉世品.鋼結構在工業廠房結構設計中的應用[J].工程技術研究，2019，4（14）：140～141.