小型輕鋼結構在冶金廠房中的應用

馬曉文

山西太鋼工程技術有限公司（030009）

輕鋼結構建筑的施工工藝與當前制造業產品生產方式極為類似，并且契合國家當前的綠色建筑理念，因此在各種工業、商業建筑中都具有極為廣泛的應用前景。將輕鋼結構應用到冶金廠房工程中，要重點考慮輕鋼結構廠房的防火設計，避免長期處于高溫環境下影響建筑物的承重體系或改變內部應力，從而縮短建筑使用壽命。

1 工程概況

本工程為山西某公司的一處加工車間，位于XZ 市某村附近。該項目為小型建筑，所用主體材料為輕型鋼結構，建筑規模長度66 m，屋面采用100 mm 巖棉隔熱板材料，坡度設計為1∶15，屋架截面為梯形結構，跨度18 m，柱距為3 m。該建筑所在地基本風壓為0.55 kN/m2，抗震設防烈度7 度，基本雪壓為0.25 kN/m2，同時建筑附帶一臺雙梁吊車，載重為20 t。

2 建筑耐火設計

2.1 高溫條件下輕鋼結構荷載極限狀態

輕鋼結構冶金廠房中，由于長時間處于高溫作業環境，鋼材的力學性能與熱工性能會在很大程度上受到影響，進而降低自身的承載能力。這一變化通常表現為建筑結構處于極限受火狀態下時，鋼構件的軸心受拉、受壓平衡遭到破壞，進而造成材料的彈性模量及屈服強度迅速改變，變形速率逐漸大于材料的塑性區域，此時建筑整體結構便會遭到破壞[1]。正常狀態下，可使用下面公式表示:

式中:L——鋼構件長度，mm；δ——構件極限撓度變形值，mm；h——構件的截面高度，mm；t——持續受熱時間，h。

2.2 高溫狀態下輕鋼結構承載力變化情況

為了更好地體現出輕鋼結構支架在臨近冶金作業區高溫條件下的承載力變化，本節擬定屋架編號模型。建筑材料擬用H 型鋼，屋架上下弦截面S1為9 218 mm2，豎、斜桿件截面S2為2 190 mm2，材料彈性模量均為2.06×105MPa，荷載參數設定為25 kN。

假設構件彼此連接拉力為X1，常溫狀態下屋架超靜定狀態可用公式Δ1p+δ1X1=0 來表示。

其中，Δ1p經計算為，δ1為，則由此可計算X1=3.5P。利用X1可通過結構整體平衡公式即可求出超靜定狀態下，下弦桿1、4、8構件的內力數值分別為-35、10、25。

在臨近冶金作業區高溫狀態下，屋架結構的內力情況需要考慮鋼材受熱后的膨脹系數αs與受熱時長Ts（溫度與時間關系）。本工程選用的建筑鋼材αs值為1.4×10-5，了解到該工廠臨近冶金作業區溫度與時間關系為TS=345l g（8t+1）+20。此時屋架超靜定狀態結構變化為:

經計算結果顯示，當溫度攀升后，屋架構件的內力狀態將快速增大，并在膨脹系數的作用下使構件接觸部分的拉力轉變為壓力[2]。此時下弦桿的作用力變化更加明顯，并且由于受力方向的改變，上弦桿與其他腹桿的作用力集中在下弦桿上，因此極易導致超靜定狀態受到破壞，從而造成建筑結構的損壞。

2.3 輕鋼結構的耐火措施

通常而言，輕鋼結構建筑的耐火設計主要有粘貼法、吊頂法、現澆法以及噴涂法等四種措施。本項目為小型建筑結構，現澆法由于會增加建筑自重，需要延長工期對地基進行處理。吊頂法是采用鋼絞索來吊裝防火材料，并提高屋架的承載能力。由于本工程涉及安裝大型雙梁吊車，采用此種工藝會影響設備的正常運行。因此排除吊頂法、現澆法，擬用粘貼法與噴涂法來共同增強建筑的耐火性能。

2.3.1 噴涂法

噴涂法的作用原理為將隔熱涂料均勻噴涂在鋼結構表面，一旦涂料吸熱之后便會產生化學反應，自動釋放水汽與不可燃氣體來驅散周圍熱量，從而對鋼構件形成一定的降溫作用。在金屬表面溫度達到臨界值的情況下，會自動在鋼結構表面產生一層泡沫隔熱層，避免熱源直接侵蝕金屬表面，產生熱橋效應，阻止熱量進一步向鋼構件內部傳遞，以此延長鋼構件的極限狀態。但這一技術的缺陷在于需要定期進行噴涂維護。對一些主要承重構件進行噴涂時，要在金屬結構表面裝訂鋼絲網結構，以確保涂層厚度在4 cm 以上[3]。

2.3.2 粘貼法

粘貼法在輕鋼結構廠房隔熱設計中較為普遍，并且有著極為卓越的防火效果。本工程結合企業生產條件，設計隔熱面板規格為100 mm×100 mm，厚度達25 mm 以上。同時輕鋼構件用巖棉材料緊密包裹，利用射釘與鋼釘將面板固定在鋼構件表面，材料接縫處采用25 mm×25 mm 的角鋼材質進行覆蓋。

3 BIM 輕鋼龍骨自動化排布技術

BIM 技術目前在輕鋼結構建筑領域中擁有極為廣泛的應用途徑，其主要功能在于改善輕鋼構件的排布效果，根據建筑承載極限，選擇最為科學的結構排布方式，能夠提高輕鋼結構建筑建材加工、設計、安裝的準確性，可以促進建筑施工質量的提升。本工程中采用的BIM 建模軟件為Autodesk Revit，以此替代傳統的CAD 平面設計圖形來輔助人工進行施工。

3.1 墻面龍骨排布設計

Autodesk Revit 軟件的技術優勢在于根據施工圖紙對建筑布局、墻面參數設定之后，系統會自動以標準數值對后續的建筑結構進行創建，并采用智能排布算法保證龍骨排布的合理性。本工程設置的施工參數如下。

常規墻面尺寸:L（寬）×H（高）=3 000 mm×3 000 mm。豎向間距——400 mm，橫向間距——1 200 mm，底部間距——1 225 mm。

由此可計算墻面豎向龍骨排列為:墻面寬度（L）÷豎向間距=3 000÷400=7 根龍骨，并空余出200 mm 距離。按照墻體兩側各空置100 mm 間距，補加2 根龍骨進行劃分，此時墻體最外側龍骨開口方向朝向墻體內側。橫向龍骨排列為:（墻面高度H- 底側間距）÷橫向間距=（3 000-1 225）÷1 200=1，空余575 mm，則補加1 根龍骨。

3.2 垂直相交墻龍骨排布設計

在處理垂直相交墻結構時，系統軟件會自動對兩面墻的相連處進行處理，主要流程為:

根據建筑結構特點，判斷兩面墻中哪一面為剪力墻，另一面則判定為主墻。

所有墻體的龍骨排布方式均按照豎向排列參數進行設置。

墻體的相交點，需要在主墻原有結構基礎上多設置2 個豎向龍骨。例如在A、B 兩面墻體中，B 墻為剪力墻，那么可以認定A 為主墻構造。系統在創建墻體模型的過程中，會自動在兩面墻的相交點處為A 墻多設置2 根龍骨，隨后沿B 墻端點開始正常排布。

3.3 門窗孔洞處龍骨排布設計

墻體門窗孔洞處設計時，Autodesk Revit 軟件會自動根據以下運算流程設計，同時采取局部強化處理技術，以避免對建筑物的承載能力造成損傷。

首先，門窗處建筑龍骨采用豎向排布設計，根據設計圖紙中設置的門窗建造參數，預留出相應大小的孔洞，從門、窗框上沿繼續進行向上排布。窗洞位置則需要將龍骨分為上下兩個部分，分別在窗框下沿與上沿處進行排布。

其次，門、窗洞位置需要設置相應的偏移量，為施工過程中置留出足夠的容錯空間。

最后，門窗洞口兩側需要設置補強龍骨，并與洞口上下兩端的連接梁進行固定，以此增強墻體結構的承載力[4]。

在設計過程中，需要先確定門窗洞口相鄰位置的豎向龍骨排列，然后將補強龍骨與其進行搭接，并且其最終位置需要向兩側各自移動3 mm，以保證盒子梁或過梁能夠順利鑲嵌至門框內部。

4 施工成效

經對比研究，采用Autodesk Revit 軟件自動構圖設計的建筑圖紙，相較于CAD 設計出圖效率提升了42.7%，并且施工過程中由于有更為直觀的三維立體圖紙指導，使施工周期相較于以往建設周期縮短了24%[5-7]。另外，在完成三維建模之后，采用算量功能即可精確導出輕鋼構件的尺寸規格與工程料單,因此可以直接與預制廠家聯系定制生產。

4.1 設計完成后的協調處理

完成初步設計后，工作人員還需要根據業主意見、現場作業環境等對輕鋼結構廠房進行調試。工作人員可以依托兩點來糾正設計環節中存在的誤差。

首先，BIM三維碰撞檢測技術在系統自動構建生成的立體施工圖形中，輸入使用鋼材在高溫狀態下的各項物理性能極限值，檢測建筑結構是否穩定。

其次，BIM技術可依托于互聯網平臺，實現完整的數據信息共享。這一過程中設計人員可以將完整的建筑模型與系統中的同等規模建筑模型進行合并對比，并對差異（承載力、建筑結構、材料用量）進行對比，結合使用需求作相應的結構調整，提升設計方案速度，結合系統的模擬測試反饋來綜合調整設計結構[8-9]。

4.2 施工吊裝管理

BIM 施工技術可以借助有限元受力分析的方式，對建筑吊裝施工過程中各個單元構件的力學強度、結構搭配、受力極限進行分析，避免吊裝施工由于操作失誤而引發安全問題。在此基礎上，BIM技術還能夠實現與現場機械設備對接，通過實時監測設備的作業參數，設置更為合理的分段式吊裝工序。例如，通過模擬塔式起重機的作用范圍以及回旋半徑，BIM技術可以設定作業安全區域，并通過現場感應探頭等裝置，共同組成物聯網系統。一旦作業人員或設備超過安全作業區域，BIM系統即會立即發出警告，從而控制其與高壓線、附近建筑的安全距離[10-12]。

5 結語

文章采用輕鋼結構荷載極限公式對輕鋼結構冶金廠房的耐火措施進行設計，滿足其功能使用需求，并提出了基于BIM技術的輕鋼結構龍骨排布計算方式，確保有效提高施工質量，減少施工過程中的誤差現象，希望能夠促進我國輕鋼結構建筑施工水平的提升。