工業建筑結構設計中的防腐設計探析

胡登先 唐 昊

中機國際工程設計研究院有限責任公司 湖南 長沙 410007

近幾年，建筑企業在設計施工一體化實踐模式下，按照項目立項→投資決策→方案設計→招投標→施工建設→試運行→收尾→維保等流程實踐后，有效提高了此類建筑結構設計水平，增強了結構施工質量。但是，隨著工業建筑類型增多、建筑材料更新、建造工藝及技術發展，改變了其中的部分內容，在這種現狀下，建筑企業應遵循現行《工業建筑防腐蝕設計標準》（GB 50046-2018），提高了對防腐設計的重視程度，加強對其結構防腐設計相關問題的研討。

1 工業建筑結構腐蝕機理分析

腐蝕性分級形式較多，主要包括：（1）污染土；（2）腐蝕性水；（3）固態介質；（4）氣態介質；（5）酸堿鹽溶液等。對于工業建筑結構而言，容易受到大氣腐蝕、局部腐蝕、應力腐蝕的影響，進而導致結構損壞。下面僅對這三種腐蝕類型的機理做出具體分析。

1.1 大氣腐蝕機理

工業建筑長期暴露于自然環境之中，大氣環境中的空氣中含有水分、氧氣等化學成分，受到電化學作用或發生化學反應后，空氣中的水分會與其結構表面生成電解液，隨著電解液中氧氣的溶入生成陰極去極劑，相當于在工業建筑結構中設置了一個腐蝕原電池，此時會造成銹跡，并通過腐蝕作用的加劇對其結構的腐蝕[1]。

1.2 局部腐蝕機理

局部腐蝕比較常見，危害相對較大。從目前的研究成果看，發生局部腐蝕的工業建筑結構形態會受到一定程度的損壞。該腐蝕通常被分為電偶腐蝕、縫隙腐蝕兩種子類型。前一種腐蝕多發生在結構連接位置、組合結構部位，其中的正電位結構腐蝕速度小于負電位結構，二者與工業建筑結構結合可形成腐蝕原電池，進而對其結構造成破壞。后一種腐蝕發生在工業建筑結構表層縫隙、構件之間，當縫隙寬度容納足夠的液體懸流時會導致結構裂縫，通常的腐蝕敏感寬度范圍在0.025mm到0.1mm之間。

1.3 應力腐蝕機理

工業建筑結構不受應力影響的條件下，一般不會發生應力腐蝕問題。但是，在革種介質環境下出現應力后必然會導致腐蝕，甚至斷裂現象。從產生機理看，當工業建筑結構受到應力或腐蝕介質影響后，會破壞其表面的氧化膜并形成陰極與陽極，陽極金屬離子受到溶解以電流的形式流向陰極。由于陽極面積小電流密度大，此時可破壞工業建筑結構。實踐經驗表明，應力腐蝕缺乏顯著征兆，一旦發生便會造成較大危害，包括結構倒塌、管線泄漏等。

2 工業建筑結構防腐設計要求分析

工業建筑因其生產項目存在較大差別，并且在使用功能上具有一定的特殊性。例如，發電廠、儲物倉、水塔、醫藥廠房、化工廠房等用途不同，其結構所在的內部環境、外部環境存在差異。目前，工業企業雖然在生產過程中，根據實際的生產原料、加工工藝、半成品、成品等，設計了對強腐蝕性物質的回收處理工藝，但是由于此類物質具有揮發性，逃逸后仍會對建筑內部空間造成相應的影響，進而導致結構腐蝕問題。因而，在當前工業建筑結構防腐設計時，應對其設計要求做進一步分析。

2.1 安全性要求

工業建筑是工業生產的物質基礎與必要條件，當主體結構受到腐蝕后，可降低結構強度與承載力，隨著腐蝕問題的加劇與外力作用，不排除導致構件掉落、結構坍塌等安全事故。因而，對其進行防腐設計時的首要目標是確保其安全性。根據GB 50046-2018標準要求看，第1項總則中的1.0.3條便明確提出了“預防為主和防護結合的原則”，要求設計人員進行結構設計時根據生產過程中產生的介質腐蝕性等因素，選擇綜合性的防腐蝕措施，保障此類建筑承重結構及構件安全等[2]。

2.2 適用性要求

工業建筑類型不拘一格，評價其腐蝕性等級時，一般采用強腐蝕、中腐蝕、弱腐蝕、微腐蝕四個等級。按GB 50046-2018標準第3項中的基本規定看，應結合腐蝕性介質性質、類別、形式，以及存在的環境濕度、濕度等，選擇適配性較高的防腐措施。例如，氣態介質會對工業建筑材料造成腐蝕，此類介質包括氯、氯化氫、氮氧化物、硫化氫、氟化氫、二氧化硫等，當腐蝕介質濃度不同時，在環境相對濕度條件下，會對鋼筋混凝土、預應力混凝土中的鋼筋、水泥砂漿、素混凝土、木材、鋼材、鋁等造成不同等級的腐蝕。因此，設計人員進行防腐設計時必須遵循適用性要求，根據實際結構及應用材料分析其中的腐蝕性等級，進而選擇適用性較強的腐蝕設計方案。以設計使用年限為50年的結構混凝土材料為例，在腐蝕環境其耐久性基本要求應滿足表1中的要求。

表1 結構混凝土材料的基本要求

2.3 經濟性要求

工業建筑結構防腐設計時，要求設計人員對其用途、結構特點、環境特點、主要腐蝕介質等進行全面分析并選擇適合的設計方案。事實上，部分工業企業為了降低成本，往往會要求建設企業在防腐設計中選擇成本投入最低的方案。考慮到經濟性要求，設計人員應在防腐設計過程中，根據勘察報告、環境影響評價報告、初步設計方案等，利用BIM技術進一步優化結構設計，并在此基礎上設計至少3套防腐設計方案，這樣做有利于從成本、技術、可維護性等多個層面，比較不同方案的優勢與劣勢，最終選擇既能夠滿足防腐目的，又能夠被工業企業接受的經理合理型設計方案。

3 工業建筑結構設計中的防腐設計策略

3.1 結合新理念，選擇適配形式

自《裝配式建筑評價標準》（GB/T 51129-2017）、《綠色建筑評價標準》（GB/T 50378-2019）實施以來，工業建筑中的裝配率普遍提高到了50%以上，按照裝配式評價項中的100分評價分值計算主體結構占到了50分，按綠色建筑評價分值計算，控制項基礎分值要求達到至少400分。尤其在GB/T 50378標準第5項5.1條控制項中，明確了對污染物濃度的控制要求。在上述標準下，設計人員進行工業建筑結構防腐設計時，首先要樹立標準化防腐設計理念，并在該理念下依據GB 50046-2018標準按部就班完成其結構防腐設計[3]。

其次，結構防腐中利用結構形式設計提高防腐能力相對容易，除了常用的鋼筋混凝土框架結構外，對于鋼結構形式的選擇相對增多。建議在設計過程中區工業建筑的大跨度與中小跨度，盡量在前一種條件下選擇鋼筋混凝土結構，在后一種條件下應用鋼結構形式。需要說明的是，防腐設計受到市場因素、建筑類型、建造工藝、施工技術等因素影響，選擇鋼結構形式后應配套的開展市場調研，確保設計方案中對鋼結構的表面防護做出詳細規定。如表2：

表2 鋼結構表面防護要求

例如，在工業建筑防腐腐蝕設計過程中，由于建筑用途具有一定的特殊性，其中不排除侵蝕性氣體、粉塵等，在這種條件下，應在單體建筑造型設計時選擇簡約設計理念，盡可能按敞開式、半敞開式進行設計，為其保持良好的自然通風提供有效支持。尤其在確定其形式后，應根據《工業建筑防腐蝕設計標準》中的實際要求，對材料、外露構件、樓面、地面等進行綜合分析。從以往的設計經驗看，應從具體項目的構成要素著手，根據總項目、分部項目、子項目的系統性特點出發，進行系統性的防腐蝕設計，進而保障整體建筑的防腐性能。

3.2 運用新技術，優化結構布局

與常規建筑不同，工業建筑生產工藝系統與結構布局關系十分密切，設計人員進行防腐設計時要對二者進行相互協調，確保結構布局的合理性，降低腐蝕影響。首先，應選擇新時期已普遍推廣應用的BIM技術，先將初步設計CAD圖導入Revit軟件，利用其中的“族庫”功能，完成其各個方面的“族模型”設置，再通過可視化的拆分與組合設計優化其結構布局。

其次，具體操作過程中，一方面應針對主要生產設備進行集中布置，以此提高對腐蝕介質的回收處理效率。另一方面應進行場址方面的優化，如在下風向設置生產車間，并根據地下水流向調整生產車間與建筑結構布局，充分發揮自然環境引流作用，減少不同介質對其結構的腐蝕影響。尤其在空間結構設計過程中，設計人員應清晰明確的認識到線型結構方式的優勢所在，將其與風向進行協調。至于工業生產廢水方面的存在的腐蝕介質影響因素，可以采用室外排水坡度設計方法，提高排水流暢性，進而控制可能因積水造成的腐蝕現象。除以上優化外，設計人員應把Revit三維模型進一步導入Navisworks四維仿真軟件，利用其中的“4D動畫模擬”功能與“碰撞檢查”功能，對氣流界輸送管道的敷設方式與連接設計情況等進行仿真與檢查，提前做好對其泄漏風險的預測分析，并進行相應的調整等[4]。

需要說明的是，新時期我國建筑領域實施了《裝配式建筑評價標準》（GB/T 51129-2017）和《綠色建筑評價標準》（GB/T 50378-2019），在實際應用BIM技術優化結構布局時，設計人員應嚴格按設計施工一體化實踐模式，充分利用拆分設計、組合設計，在IFC標準下做好對BIM結構數據的設置，為后續PC構件預制時，選擇防腐蝕材料、運用節能技術、提高預制效率、科學開展裝配施工等奠定堅實基礎，全面發揮出設計環節的引領性作用。

3.3 融合新方法，保障防腐效果

在新一輪工業化改革浪潮推動下，建筑企業在工業建筑中擴大了對新材料、新技術、新工藝的應用。從目前保障防腐設計效果的方法看，仍然集中在防腐材料擇、結構表層處理、防腐涂層厚度設置等方面。

例如，在鋼結構中通常會選擇改性結構、陰極保護、熱浸鋅、涂層法。在鋼筋混凝土結構中，通常將重點放在原材料質量控制、混合料的配合比設計優化、配套養護等方面。建議在新時期的工業建筑結構設計中實施防腐設計時，梳理其相關流程，確保設計人員能夠在工業建筑類型→結構形式→腐蝕機理→防腐設計→防腐措施→防腐監測等環節，選擇適配性較高的方法提高防腐設計效果。如鋼結構中對于安得瓦產品的使用，有利于發揮其耐候性、耐腐蝕性、抗沖擊性、抗風性等優勢，進而在防腐的同時提高其對外部作用的抵抗能力等。

再如，新時期工業建筑設計中并沒有專門的防腐專業設計人員，一般將防腐設計工作分派給各個專業的設計人員。考慮到建筑材料、建筑類型、建造工藝方面的變化，導致了局部設計內容差異，常規培訓方法并不能達到預期設計目標。在這種前提下，建議設計單位于實際操作中，由設計總工把關，一方面加強與業主方的溝通交流，另一方面將建筑特征和安全性、適用性、經濟性要求全面關聯起來，編制一些防腐設計專題對相關設計人員開展專題培訓，使其在知識結構、專業技能、職業素養方面獲得全面提升，進而為其質量保駕護航[5]。

4 結束語

總之，工業建筑是企業從事生產經營工作的物質基礎，受到大氣腐蝕、局部腐蝕、應力腐蝕后，結構會發生問題。在新時期建筑行業、工業行業高質量發展之際，應結合工業建筑高質量設計與高水準運營目標，持續提升其結構防腐設計水平。結合上述分析可以看出，此類建筑結構腐蝕類型較多，產生機理復雜，在新時期進行防腐設計過程中，一方面應細致分析防腐設計要求，并選擇適配性較高的防腐方法開展設計工作，另一方面應加強選材、結構布局調整，盡量通過綜合化的設計策略，提高其防腐能力，為工業企業高效、安全生產保駕護航。