工業廠房地面設計淺談

張連杰

（林產工業規劃設計院，北京 100010）

0 引言

近年來，伴隨國民經濟的發展和“十四五”規劃的實施，工業行業的發展進程不斷加快，工業生產能力不斷提升，企業的生產規模持續擴大，工業生產的機械自動化水平不斷提高[1]，這就對工業廠房的建設提出了更高的要求。

工業生產的機械自動化水平不斷提高，預示著廠房內出現大面積密集堆料、無基礎的機床和無軌運輸車輛等產生的地面荷載的可能性將會不斷增多，這就對廠房地面的使用提出了更高的承載能力要求。下面，本文將從“地面的基本構造”和“地面墊層厚度取值”兩個方面，對工業廠房地面設計進行探究。

1 工業廠房地面的基本構造

工業廠房地面一般由面層、墊層和基層組成。當它們不能充分滿足適用要求或構造要求時，可增設其他構造層，如結合層、找平層、隔離層等[2]。

1.1 地面面層

工業廠房地面面層的選擇，應服從經濟性、實用性、美觀性的設計原則，根據建筑功能、使用要求、工程特征和技術經濟條件等因素進行設計。

當地面在使用過程中對防菌、潔凈等方面有使用要求時（如有無菌要求的實驗用房、生產精密儀器車間等），地面面層應根據使用功能需求選用防塵、潔凈或防菌地面；當地面在使用過程中對防靜電有要求時（如通信機房等），地面面層需選用表層靜電耗散性材料的防靜電地面，同時設置相關的防靜電措施；當地面在使用過程中經常通行車輛、從車輛上傾卸物品或堆放重物料時，地面面層應根據荷載作用形式選用耐磨或耐撞擊地面；當地面在使用過程中存在可能會受到腐蝕性介質（酸、堿性物質等）作用時，地面面層應采用防腐蝕地面，其面層材料應根據腐蝕性介質的酸性、堿性類別和作用情況等因素進行選擇；當地面在使用過程中存在受機油作用情況時，地面面層應采用防油滲地面。目前，我國普遍存在無特殊使用要求的大型工業廠房地面，通常采用聚氨酯耐磨地面涂料，具有既滿足耐磨性要求，又清潔美觀的特性。

1.2 地面墊層

地面墊層主要的作用是承受并將地面荷載傳至地面基層，墊層按照構造及材料性質不同可以分為剛性、半剛性和柔性3 種。

剛性墊層是指用混凝土、瀝青混凝土和鋼筋混凝土等材料做成的墊層[3]，其主要特點是整體性好、強度大、防滲透性能好，適用于主要荷載為大面積密集堆料、無機械支撐的設備安裝或無軌運輸車等對地面變形要求較高的情況，或對地面耐腐蝕性、防滲透性要求較高的情況。半剛性墊層是指由灰土、三合土、四合土等材料做成的墊層，其主要特征為在受力時出現的塑性變形現象，且由于其使用原料主要是建筑垃圾和工業廢物，因此材料成本相對較低；柔性墊層主要用于防凍脹層使用。

地面墊層的選擇應與面層材料相適應，同時需要考慮地面荷載的種類和作用特征，以及使用要求等因素。縱觀我國現代工業建筑，混凝土墊層是使用較為廣泛的地面墊層。按照目前國家標準《建筑地面設計規范》（GB 50037—2013）規定的有關要求，一般混凝土墊層的強度級別不應小于C15，在其需要兼顧面層時，混凝土強度級別不應小于C20。地面在實際使用過程中需要對裂縫加以嚴格控制，當作用在地面上的靜荷載或活荷載較大時，須在混凝土墊層中按負荷計算設置鋼筋或在墊層中加增鋼纖維，以此來控制地面開裂。

1.3 地面基層

地面基層是承受上部荷載的土壤層[4]。鋪設地面墊層的地基應均勻密實，如此才能保證地面設計和使用的安全性和穩定性，避免不均勻沉降造成如地面下沉、地面起鼓、地面開裂等工程問題的發生。

對于軟弱地基，如淤泥質土、雜填土、沖填土、高壓縮性土等，受力后會產生沉降變形。如果直接在軟弱地基上鋪設地面，設計時必須要考慮在使用過程中可能由地基變形造成的危害。軟弱地基需要按照目前國家標準《建筑地基基礎設計規范》（GB 50007—2011）規定的有關要求進行加固處理。當采取換填土措施時，填土應分層夯實，按照填土夯實的設計要求施工，并經驗收確認填土質量合格，方可鋪設地面。當遇到地基處理難度較大和費用交高的情況時，應在有關專業設計人員的技術支持下，通過結構計算的手段對各種地基處理方案的技術性和經濟性進行比較，選用技術成熟、使用安全、經濟合理的地基處理方法。

2 工業廠房地面墊層厚度取值

地面土墊層的厚度取值和材料選擇，要綜合考慮地基土的壓縮模量、地面的使用要求與作用荷載特征等多種因素。通常情況下，工業廠房地面墊層采用混凝土墊層，確定墊層的厚度的手段是計算。混凝土墊層厚度在計算時，需要考慮作用在地面上的主要荷載類型、荷載大小、間距等多方面因素。根據專家學者們多年來對正常使用條件下的地面荷載的調查與分析，主要有以下3 種類型：大面積密集堆料作用荷載、無機械支撐的設備安裝作用荷載和無軌運輸車荷載。

在既要滿足“承載力極限狀態”，又要滿足“正常使用極限狀態”的雙重要求下，對混凝土墊層的厚度進行取值。地面墊層厚度取值有“經計算確定地面墊層厚度取值”和“經查表確定地面墊層厚度取值”兩種確定方法。

2.1 經計算確定地面墊層厚度取值

混凝土地面墊層厚度計算與作用于地面的荷載類型、選用混凝土的強度等級和壓實填土的地基變形模量等因素息息相關。同時，需要注意當遇到“大面積密集堆料、無機械支撐的設備安裝或無軌運輸車”3 種可變荷載作用于地面時，地面墊層厚度應大于等于100mm，其他地面墊層厚度應大于等于80mm。

以地面使用可變荷載為130kN/m2、地面墊層混凝土強度等級取C20、回填土的變形模量取20N/mm2為例，按照現行國家標準《建筑地面設計規范》（GB 50037—2013）規定的有關計算方法，對工業廠房地面混凝土墊層厚度的計算過程下。

2.1.1 滿足承載能力極限狀態下的最小墊層厚度計算

（1）假設各支點與地坪接觸面積為300mm×300mm，即可得到各支點面積。

（2）當量半徑計算。

（3）支點荷載計算。

式中：S——荷載基本組合設計值，kN/m2；GK——永久荷載標準值，kN/m2，本示例中取值為0；QKi——可變荷載標準值，本示例中取值為130kN/m2；γG——永久荷載分項系數，取值為1.2；γQi——可變荷載分項系數，取值為1.4；CG——永久荷載效應系數，取值為1.0；CQi——可變荷載效應系數，取值為1.0；φCi——動力系數（搬運或裝卸以及車輪起、剎車產生的動力），取值區間為1.1～1.2，本示例中取值為1.1。

（4）墊層厚度計算。

式中：h——墊層厚度，mm；r0——重要性系數，按《建筑地面設計規范》（GB 50037—2013）表C.1.3 的要求確定，本示例中取值為1.0；kc——荷載區域系數，取值為kc＝2.0；ft——混凝土抗拉強度設計值，按照現行國家標準《建筑地面設計規范》（GB 50037—2013）表C.1.4 的規定確定，本示例中取值為1.1MPa；β——綜合剛度系數，按照現行國家標準《建筑地面設計規范》（GB 50037—2013）表C.1.6 的要求確定，本示例中取值為1.8×10-3mm。

2.1.2 滿足正常使用極限狀態下的最小墊層厚度計算

抗裂度要求是評價能否滿足正常使用極限狀態要求的指標。因此，混凝土墊層滿足抗裂度要求的厚度即為混凝土墊層正常使用極限狀態下的厚度。

（1）根據已知條件可知支點荷載取值。

（2）相對剛度半徑計算。

式中：L——相對剛度半徑，mm；h——混凝土墊層厚度，mm；Ec——混凝土彈性模量，按照現行國家標準《建筑地面設計規范》（GB 50037—2013）表C.1.4 的要求確定，本示例中取值為2.55×104N/mm2；E0——壓實填土地基的變形模量，按照現行國家標準《建筑地面設計規范》（GB 50037—2013）表C.1.5 的要求確定，本示例中取值為20N/mm2。

（3）墊層厚度計算。

式中：hf——混凝土墊層滿足抗裂度要求的厚度，mm；kc——荷載區域系數，取值為kc＝1.0。

2.1.3 計算結果

設計地坪混凝土墊層厚度建議取值為200mm。計算時值得注意的是：當圓形或當量圓形荷載計算半徑與相對剛度半徑比值≤0.2 時，應按照目前國家標準《混凝土結構設計規范》（GB 50010—2010）規定的有關要求進行附加沖切驗算。由于本示例中當量圓形荷載計算半徑與相對剛度半徑比值為0.25，故不需要進行附加沖切驗算。

2.2 經查表確定地面墊層厚度取值

為簡化設計流程、提高工作效率，通過多年的探索和經驗總結，國家標準《建筑地面設計規范》（GB 50037—2013）中總結出：當工業廠房地面遇到“大面積密集堆料、無機械支撐的設備安裝或無軌運輸車”3 種可變荷載作用，且地基回填土壓實系數≥0.94 時，地面混凝土墊層厚度確定如表1 所示[5]。

表1 混凝土墊層厚度

3 結語

隨著國民經濟的發展和“十四五”規劃的實施，我國工業發展進程仍會不斷的加快，工業生產技術不斷向科技化、機械自動化方向發展，使得工業廠房的建設規模越來越大，對工業建筑的設計和使用要求也會越來越高。我們在設計過程中，需要不斷探索、不斷創新，設計出更加具有適用性、經濟性和美觀性的現代化特色工業建筑，以適應新時代的發展需求。