鋼結構廠棚的裝配式構件化設計

馬騰，王亞東，李峰，耿天普

（中建七局交通建設有限公司，河南 鄭州 450003）

0 引言

在新時代對于環境保護，資源節約顯得尤為重要，目前建筑工程所使用廠棚普遍存在安拆速度慢，只能一次性使用，造成資源浪費嚴重，針對廠棚不同需求大小的項目不可構件化拼裝，導致適應性降低，不可周轉，不方便運輸，而裝配式廠棚可以解決以上建筑施工廠棚的痛點，可以實現廠棚多次周轉使用，廠棚長寬尺寸可調，適應性更強，縮短廠棚安拆周期，然而對裝配式廠棚建設研究較少而且構件化標準還不夠完善。

隨著建筑工業化的發展，裝配式建筑廠棚也逐漸發展起來，所謂的裝配式結鋼結構建筑，就是所有的構件都在工廠中首先進行 加工的，從而使工程現場的施工量大大減少，嚴重降低了對環節所 造成的污染，也使施工工期大大加快，通過標準化的設計施工，從而使 建筑工程的安全和質量得到充分保證，和當前的綠色、創新開發以及協調的發展理念相互適應。因此，加強對裝配式鋼結構建筑體系的研究探索是非常的有意義[1]。針對目前建筑工地使用的鋼筋加工棚、料倉棚等多跨式裝配鋼結構廠棚結構，綠色環保構件式已經成為當前建筑工地解決多跨式廠棚結構的主要方案，然而對于該結構的設計思路和標準化方案尚不完備，亟待研究與補充。綠色環保構件式廠棚對國家“十四五”規劃綱要中“發展智能建造，推廣綠色建材、裝配式建筑和鋼結構住宅，建設低碳城市”新時代環保鋼結構的發展與設計具有重要意義。

在環保節能的前提下，如何提高結構受力性能、減少耗鋼量、降低工程造價，成為越來越多的學者關注和研究的問題。滿足結構使用要求并結合現場環境等諸多條件，設計出受力合理、抗震性好、經濟耐用、周轉次數高、快速運輸的結構形式，對實際設計意義頗深。隨著空間結構的深入研究，針對鋼結構廠棚出現的周轉率低、運輸不便等各類問題，設計一款裝配簡易、綠色環保、安全可靠、方便運輸的鋼結構廠棚，在工程中大力推廣應用。

1 裝配式廠棚介紹

鋼結構裝配式住宅建筑屬于一種新型建筑模式，該模式在我國的出現時間較晚，但是其價值得到了業內外的廣泛認知，應用頻率不斷增加?，F階段，我國的建筑行業正處于轉型關鍵期，在這種形勢下，鋼結構裝配式住宅的價值得到了進一步的體現，特別是在工程建設流程方面，應用前景廣闊[2]。裝配式廠棚是一種新型裝配式鋼結構，通過構件化和模數化設計，可適應不同長寬場地。通過工廠化生產、法蘭連接，實現快速拆裝，快速運輸，如圖1 所示。該廠房具有良好的物理、力學性能，承載力大，不易變形；周轉次數多，使用壽命長；損耗率低，具有良好的經濟、社會效益。

圖1 新型裝配式鋼結構

2 廠棚設計

在鋼結構設計過程中，良好的穩定性設計是保障鋼結構應用性能，提升整體工程質量與安全的關鍵。因此，設計人員一定要對鋼結構的設計做到足夠重視，并根據建筑工程需求，結合實際情況，采取科學合理的策略進行鋼結構設計，顯著提升鋼結構的穩定性，滿足建筑工程的實際應用需求[3]。通過對工程案例展開分析與現場調研，對廠棚現狀進行歸納總結并結合存在的問題，提出綠色環保構件式廠棚結構構造方案和建筑總體結構方案，主要包括結構形式、桁架高度、桁架間距等，并結合總體設計方案對結構進行細化設計，包括檁條間距、隔斷墻形式、通風照明等。然后PKPM 軟件通過建模計算得出可靠性數據，并進行優化，提高模型的準確度。計算過程包括結構模型的確立、荷載的施加、荷載的組合、組合系數的取值、支座形式的確定等，并由計算結果分析得出結構受力合理、經濟適用的廠棚形式，最終通過軟件中相關參數設置完成施工圖設計。模型如圖2 所示。

圖2 新型裝配式鋼結構模型

3 廠棚構造形式

依照施工現場備料數量和鋼筋使用量，首先設計廠棚長寬，然后根據河南地區20 年一遇最大風荷載、雪荷載取值，設計結構強度、剛度，確定廠棚各部件尺寸。按照用途分為鋼筋加工棚和料倉兩種構造形式。為增加廠棚的適應性，鋼梁設計有調節塊，調節廠棚跨度，盡最大可能覆蓋廠棚所有長寬。

3.1 鋼筋加工棚

鋼筋加工棚分為帶桁車和無桁車兩種設計形式，并根據實際應用場景不同設置有調節塊，以增加廠棚的適應性。

3.1.1 無桁車鋼筋棚

無桁車鋼筋棚分為單層單跨和單層雙跨，跨距可根據施工場地大小和工程特點選擇，鋼架縱深標準間距6m，所有構件均為標準化設計，包括鋼架、檁條、系桿、水平撐、隅撐。檐口高度12m，屋面坡比0.1，項目可根據跨度自配龍門吊，兩端各1 道自動卷簾門出入。通過頂部通風器和側面排風扇進行排煙，另有滅火系統和燈帶檢驗指示標（有禁止、警示檢測指示標等）。設計雪災、大風等應急措施，如提前融雪、拉纜風繩等。

（1）標準跨度

水平跨度以2.5m、5m 為模數。標準跨度為：2m×30m、2m×25m、2m×20m、2m×15m、30m、20m 以及15m，各鋼架組合形式如圖3 所示：

圖3 無桁車鋼筋棚標準跨度

（2）調節塊

調節塊水平跨度為1.5m，在標準跨度基礎上進行跨度調節。調節后的跨度為：2m×33m、2m×28m、2m×23m、2m×18m、33m、28m、23m、18m，調節后的鋼架跨度組合形式如圖4 所示。

圖4 無桁車鋼筋棚調節塊跨度

3.1.2 桁車鋼筋棚

帶桁車鋼筋棚只設置標準跨度，無調節塊設計。鋼架縱深標準間距6m，桁車高度8.5m，每跨2 個，單車承載10t。標準跨度為：2m×30m、2m×25m、2m×20m、2m×15m、30m、20m、15m，各鋼架跨度組合形式如圖5 所示。

圖5 桁車鋼筋棚標準跨度

3.2 料倉棚

單層多跨，跨距可根據施工場地大小選擇。檐口高度10m，屋面坡比0.1。四周無窗，端頭設4 道自動卷簾門出入，外覆單層藍色彩鋼板和透明光板。擋料墻高3.5m，采用型鋼+鋼板組合。內部設有噴淋系統，降低粒料粉塵。料倉棚只設置標準跨度料倉棚，無調節塊設計。鋼架縱深標準間距6m，端頭設有（12+6）m 寬封頭空間。水平2.5m 和4m 為跨度模數。標準跨度為：4m×23m、4m×18m、4m×15m 以及4m×10m。各鋼架組合形式如圖6 所示。

圖6 料倉棚標準跨度

4 廠棚特點

（1）低成本優勢明顯。與鋼筋砼比用鋼量小，該類型廠房相比傳統的一次性廠房成本低，裝配式鋼筋棚周轉兩次后每次為公司約創效83 元/m2，裝配式料倉周轉兩次后每次為公司約創效65 元/m2。（2）構件化設計。采用構件化設計，由工廠統一制作，確保其結構可靠性，加工精度高，現場組裝，運輸快捷方便，施工優越性明顯，周轉利用高，損耗低，該廠房根據不同地區環境進行相應的設計，所有構件均獨立成型，可以適應不同的場地尺寸需求，通用性更強。（3）安全性、抗震性好。已廣泛應用于多個項目，有規范作依據，有成熟的技術和豐富的經驗，指導運用多年，結構安全性和抗震效果顯著。（4）結構輕巧、緊湊。結構設計輕巧、輕便、新穎，具有很強的先進性。在國際上，現代化工廠多為鋼結構。（5）綠色環保。鋼結構廠棚是一個綠色環保型產品，設計智能化，是一個綠色產品，可重復利用并且施工過程無噪聲、無污染。

5 廠棚的社會、公司和經濟效益

社會效益。隨著我國土建建筑業的飛速發展，在傳統的發展模式下，存在建設周期長、能耗大、兼容性低等問題，明顯不符合行業發展趨勢。本技術主要特點是，采用構件化設計、工廠化生產，構件均獨立成型，可周轉使用，運輸快捷方便，降低能源損耗，節約成本，解決行業發展的資源損耗大的問題，為土建工程建設向綠色節能方向轉型提供經驗。

公司效益。通過對綠色環保構件式廠棚研究與應用，為建立中建七局交通公司非標物資標準化體系添磚加瓦。通過對構件式廠棚的研究，增加其周轉利用率，為公司節省大量成本，也為后續構件式廠棚的推廣提供堅實支撐。

經濟效益。構件式綠色鋼結構廠棚，安裝、拆除速度快，強度高，適用性強，可重復利用，綜合成本最低，節約資源和工期。一次性廠棚與構件式廠棚經濟對比分析如表1 所示。

表1 一次性廠棚與構件式廠棚經濟對比分析

構件式綠色鋼結構廠棚主要材質為鋼構件，為全回收綠色環保材料。其結構簡單通用，易于組裝拆卸，可實現高周轉，強適應。安裝、拆除過程中無有害物和垃圾，符合國家綠色建筑理念。

6 廠棚的應用

隨著社會經濟的不斷發展，社會經濟的發展推動著建筑行業的進步。建筑行業中的建筑材料得到了不斷的更新換代，輕型鋼就是一種新型的建筑材料，具備質量輕、使用年限長和施工簡單等優勢，是一種減少成本的重要手段。同時輕型鋼這種材料是綠色環保的，它的出現符合國家的發展方向，有利于推動整個建筑行業綠色可持續發展[4]。采用構件式綠色鋼結構廠棚施工技術，工廠化加工，施工速度快，材料均可回收利用，美觀大方，節約資源，具有明顯的經濟和社會效益，所實施的鋼結構廠棚工程完全滿足要求。目前已經應用于鄭州市軌道交通6 號線一期工程，其中第四標段博覽中心站-小營站由中國建筑第七工程局有限公司承建，本工程項目于2020 年4 月5日開始建設，2020 年5 月15 日完成。另外應用于許昌至信陽高速公路項目，其中漯河市郾城區至源匯區由中國建筑第七工程局有限公司承建，位于漯河境內。本工程項目于2020 年9 月3 日開始建設，2020 年10 月7 日完成。最后應用于南陽至鎮平快速通道改建工程項目，其中第一標段由中國建筑第七工程局有限公司承建，位于漯河境內。本工程項目于2021 年3月16 日開始建設，2021 年5 月2 日完成。

7 結論

在建筑工程行業裝配式建筑產業不斷發展的過程中，裝配式、綠色環保構件式鋼結構廠棚已經成為當前建筑工地解決多跨式廠棚結構的主要方案。針對鋼結構廠棚需求不同的項目，通過構件化拼裝，安拆方便，并且速度快，可以多次周轉、重復使用，適應性更強，縮短施工周期，方便運輸，節約資源，為公司和社會節約成本，提高效率。推廣綠色建材、裝配式廠棚，對建設低碳城市以及新時代環保鋼結構的發展與設計具有重要意義。