對高層鋼結構工業廠房的設計研究

劉爽

陜西省寶雞市建筑設計院 陜西寶雞 721000

提起傳統的工業廠房，大眾的第一印象總是整齊劃一、規格統一、模式單一，站在廠房里，不管你在哪個位置，其承重結構都是一模一樣的，就像六七十年代的樓房，厚實的墻體，10米左右的高度，一眼看過去都是一個樣式。這不是人們不想蓋得更好，這是工業技術的制約，當各方面技術條件都不成熟的時候，安全才是市場的主流，其余需求只能將就現有的條件適應。改革開放這幾十年來，我國的科技水平突飛猛進，現有工業技術的提升，使建筑行業不僅在材料上有所突破，設計條件、施工技術更是日新月異，大量以前只能充斥在設計師想象里的建筑都已拔地而起。在滿足建筑物安全的前提下，建設方開始提出更多、更細節的設計要求，比如，以前因為尺寸過高過大、或者局部形狀不規則，當時的車間廠房因為高度、寬度的限制或者造價成本過高而只能讓設備露天或是挖坑下沉擺放，現在也都可以依據需求給它們專門建個廠房，其中，高層工業廠房也就如雨后春筍般應運而生[1]。

1 工程概況

某高層鋼結構工業廠房，平面尺寸為60×54米，縱向均為6米柱距，橫向三連跨，每跨18米，立面成山字形，兩個邊跨檐口高度20米，屋面為5%單坡，中間高跨檐口高度34.5米，屋面為5%雙坡，廠房內設2臺32t橋式吊車和1臺50t橋式吊車，工作級別A5。結構重要性系數為1.0，建筑結構的設計基準期為50年，設計使用年限為50年。抗震設防烈度是8度，設計基本地震加速度值為0.20g，Ⅱ類場地，抗震等級三級，標準設防類建筑。因現場開挖情況和建設方要求，持力層為卵石層，基礎采用獨立基礎+高杯口。

2 建筑物設計

2.1 建模方案選取

以往工業廠房在設計初期，最先考慮的就是門式剛架，該模式以加工簡單，批量生產，用鋼量低，施工速度快等優點頗受市場青睞，而且一旦建筑物需要轉移，可以很快拆除，在新地址重新安裝，投入使用，不用重復建設造成成本浪費。該工程雖然從立面上看中間每榀鋼架都一樣，可以按照傳統二維方式建模，但這樣就忽略了建筑物的整體性，這是二維模型計算的局限，它讓三維建筑只能滿足平面內計算，平面外僅依靠構造措施連接，不能經過整體抗震驗算。雖然計算軟件的升級換代實現了門式剛架的三維建模，發現平面外節點如果按照構造措施連接大部分根本不能滿足抗震驗算。不過，本工程在設計方案討論初期就摒棄門式剛架，因為《門式剛架輕型房屋鋼結構技術規范》GB51022-2015總則條文1.0.2條中明確門式剛架的范圍，“本規范適用于房屋高度不大于18m，房屋高寬比小于1，承重結構為單跨或多跨實腹門式剛架、具有輕型屋蓋、無橋式吊車或有起重量不大于20t的A1-A5工作級別橋式吊車或3t懸掛式起重機的單層鋼結構房屋。”本工程已經超出了這個范圍，明顯不適用。所以經過方案比較，最終決定該工程采用鋼框架結構形式。

2.2 結構專業設計

此廠房因為總高度已經超過24米為高層工業建筑，在設計時工程師會為建筑物安全增加更多的抗震措施。首先，結構設計上最先考慮的就是框架柱平面內外的穩定，本工程邊跨最低點也達到20米高，中跨框架柱更是34.5米高度，這需要建模時在鋼柱適當高度增加平面外構件來減小鋼柱長細比值，根據抗震規范條文9.2.12條、9.2.15條該廠房要設置剛性系桿、柱間支撐、屋面支撐等構造措施來加強結構的整體穩定性。另外，因為屋面采用輕型屋面，荷載的選取、導荷方向就必須一一核實是否與實際情況相符，例如，輕鋼屋面的保溫板是固定在檁條上的，檁條則安裝在主鋼梁上，所以屋面荷載是單方向導荷，而不是程序默認的四邊導荷，若忽略修改，主鋼梁的計算結果會比實際要小，與主鋼梁垂直相交于框架柱處的邊梁就會得出比實際計算大很多的應力值。單坡屋面鋼梁有18米長，在鋼框架建模時不能像二維設計門式剛架那樣可以在計算長度上按照側向支撐間距直接修改，這時為防止鋼梁平面外計算與實際不符，可把剛性系桿以兩端鉸接構件輸入，若忽視這一步驟，計算結果顯示鋼梁的平面外驗算會很難滿足。

本工程因為平面長寬尺寸相近，鋼柱布置齊整，X、Y兩個方向的剛度大小相近，這使建筑物在抗震計算時，地震作用的最不利方向一般出現在45度左右，這會讓整個建筑物很容易發生扭轉。為了解決這個問題，考慮到廠房里設備布置，設計時可以沿著縱向在廠房兩端和中間開間均勻布置柱間支撐，使地震作用最不利方向調整為0-15度。在建模時還應考慮，吊車梁高度位置選取，吊車起重量、吊車數量、工作級別、折減系數等一系列參數的填選，這些都是會影響最終驗算，須落實不可缺失。

該工程在幾種基礎方案中多有比較，從實際現場布局、地勘報告、施工難易程度以及施工成本等各方面出發，最終采用獨立基礎+高杯口方案，框架結構在受力簡單明確時，獨立基礎是施工難度不大，且成本較低的一種形式，因為這些基礎寬度大部分在3米左右，若做成錐形大放腳形式需要二次抹平，不利于控制質量，但做成臺階式則方便支模，成型后不用返工。基礎頂面設置高杯口則是對應上部鋼柱下端為插入式柱腳，這種形式既有利于滿足《鋼結構設計標準》第17.2.12條要求，又便于施工，混凝土施工后，直接吊裝鋼柱插入杯口，填充細石混凝土，利于操作，施工成果會與設計施工意圖更相符。

還有很多構造措施在設計階段是不可忽視的，例如，對于輕鋼屋面的水平支撐應在與柱間支撐同開間布置，而縱向支撐可按照抗規9.2.12.4-2條“對于高低跨廠房，在低跨屋蓋橫梁端部支承處，應沿屋蓋全長設置縱向水平支撐”；抗規9.2.12.4-4條“當設置沿結構單元全長的縱向水平支撐時，應與橫向水平支撐形成封閉的水平支撐體系。多跨廠房屋蓋縱向水平支撐的間距不宜超過兩跨，不得超過三跨；高跨和低跨宜按各自的標高組成相對獨立的封閉支撐體系”這兩條布置，讓整個屋面各自形成封閉體系，讓屋面的整體性更好。

2.2.1 配合建筑專業設計

高層工業廠房會比普通廠房增加許多安全檢修措施，一般工業廠房（不帶吊車）高度為6-8米，有吊車的多為10米以上，建筑在方案上就會增加檢修爬梯，有時建設方為了節省成本，把十字交叉雙角鋼+綴板形式的柱間支撐當臨時爬梯使用，不光違反國家制定的法規、規范，其工作人員的安全問題也得不到保證。工程師必須考慮設計是否能排除一些潛在的隱患，例如做成人字形單角鋼支撐等。在平時工作中，會影響結構安全使用年限的最大因素是圍護的防潮防水防火，建筑方案中有許多這方面的設計，怎樣合理利用現有條件來實現，是要在設計開始就要考慮的，一個設施就做一套承重體系會增加成本，結構可以調整一些構件的位置來配合建筑，例如可以把休息平處的梁與鋼柱弱軸方向的側向支撐合一，這可以減少鋼梁的數量；也可以利用吊車梁做室外爬梯平臺的落腳點，以此為支撐配重向墻外延伸挑梁設置外檢口平臺，詳例圖所示，這些細節都可以大大節省建造成本[2]。

2.2.2 配合水電暖專業設計

根據現有國家規范，對單層、多層、高層建筑的消防設計各有規定，眾所周知，越高的建筑物對消防需求越高，高鋼建筑更嚴，需要設置消防管道，尤其是給排水管道。排水管里的水一旦流動，能產生很大的動力，剛度小的鋼構件有很大概率會被此振動影響破壞，所以它所有的連接點必須都要在剛度大的承重構件上。工業廠房柱間跨度很大，并不能像鋼筋混凝土建筑那樣在墻柱上埋設預埋件，而消防排水管道需要在廠房里形成閉環，電氣管道需要抬高設置橋架，它們的安裝就會懸空，此時就必須與給排水、電氣專業協商溝通，三個專業把各自的條件和必須達到的要求放在一起后，集思廣益，重新排列，得出最佳方案，只要調整二者的標高，在鋼柱上焊牛腿，牛腿下方安裝一個“曰”字形型鋼焊成的鐵架，給排水水管排在上面，電氣管道放在下方，這樣一來，只需少量構件就能固定這兩套系統，既節省安裝成本，也讓管道安裝后整齊美觀，不顯凌亂，具體詳例如圖所示。這些都只是提供一種解決方式，工程設計師必須做到具體問題具體分析解決，不能拘泥于統一形式，要靈活多變開動腦筋。

設計時，暖通專業需要在墻面、屋面上設置風機，風機一般會長時間運轉，其工作時產生的振動和運轉力，一般規格的薄壁型鋼制成的檁條會隨之局部振蕩，影響使用安全。在過去的很多工業建筑正常生產時，安裝的大功率設備運轉起來會帶動整個建筑跟著顫動，雖然沒有造成建筑安全，但是工作人員卻不敢長時間站在樓面。本工程雖然沒有大功率運轉的風機設備，但是也不能忽視這個問題，可以用剛度更好的工字鋼替換原位置的檁條，也可以離開原檁條安裝位置一定距離，專門為風機設置支撐檁條，使風機運轉時不會對建筑物造成不利影響。

2.3 設計結果分析

此工程依據抗規9.2.7.2條，“平面規則、抗側剛度均勻的輕型屋蓋廠房，可按平面框架進行計算。等高廠房可采用底部剪力法，高低跨廠房應采用振型分解反應譜法。”進行抗震計算，框架柱最大強度應力比值為0.68，框架梁最大受拉應力比值為0.71，最大剪應力比值為0.13，從安全儲備上來說是比較合適的。設計人可以再單獨取標準跨，用“鋼結構二維設計”中框架選項進行二維建模計算，輸入同樣的參數數據，得出框架柱最大強度應力比值為0.92，框架梁最大受拉應力比值為0.96，最大剪應力比值為0.11，二者比較后不難發現二維計算的結果有些數據明顯偏大。這跟兩者的計算假定有關，也能看出三維整體計算考慮了所有受力構件之間的聯系，互相勾連，共同作用，使得單獨一根框架梁、柱的應力值小很多，這也是框架形式的優點所在。設計師可以綜合考慮，取其最不利因素對原設計進行調整，做到“強柱弱梁、強減弱彎、強節點弱構件”這一目標，滿足結構安全。

3 結語

高層鋼結構工業廠房的設計只是鋼結構體系這棵大樹上的一個分支，它看起來不大，但其中涉及到的細節卻覆蓋了高層建筑、工業設計、消防措施、檢修維護等方方面面的問題，工程師決不能單純的以一般廠房設計來定義它，要更加綜合系統的考慮，學會優化組合，化繁為簡，盡量充分利用已有的條件來達到設計目的，這才是一個合格的結構工程師最基本的要求。我國的建設速度世界矚目，建筑技術也達到了世界先進水平，最重要的建筑質量更不能馬虎大意，安全生產的同時，建造成本的節約是工程師們必須考慮的事情，當性價比過低時，建設方多數會放棄這個方案，必須能做到既要安全也要經濟，這才能讓這一建筑形式能夠更好地發展。