淺談鋼結構設計和深化建模

顏榮亮

摘 要：泰國作為產糖大國，近年來糖廠建設速度不斷加快，工業(yè)廠房越來越多。工業(yè)廠房的鋼結構設計既要滿足規(guī)范要求和安全性要求，又要便于生產制作和現(xiàn)場安裝，從而加快工程進度，使業(yè)主的投資能夠在最短時間內實現(xiàn)投資和收益。

本文以泰國叻武里項目的設計和深化建模工作為例，對糖廠的鋼結構設計進行了分析和研究，以期為相關課題的探索和實踐提供有益參考。

關鍵詞：泰國叻武里日榨12000噸糖廠項目;鋼結構設計;深化建模

一、工程概況分析

（一）泰國叻武里日榨12000噸糖廠項目，鋼建筑面積約為78000㎡，總用鋼量約9800噸，配套使用的摩擦型高強度螺栓連接副約25萬套。全廠鋼結構100%采用中國標準進行建設并全部在國內加工制造，項目定位為具有先進制糖技術的“中國制造”現(xiàn)代化糖廠。

（二） 泰國叻武里日榨12000噸糖廠項目，鋼結構設計由國內人員組織設計，經泰國設計公司蓋章確認進行施工。從設計開始到竣工驗收歷經14個月。本工程主要工業(yè)廠房有壓榨車間、蒸發(fā)車間、煮糖車間和原糖倉庫等鋼結構廠房約40個單體。根據(jù)《鋼結構設計規(guī)范》（GB 50017-2003）、《建筑結構荷載規(guī)范》（GB 50009-2012）、《建筑結構可靠度設計統(tǒng)一標準》（GB 50068-2001）、《鋼結構高強度螺栓連接技術規(guī)程》（JGJ 82-2011）等相關規(guī)范開展設計。

下面進行逐一論述和分析泰國叻武里日榨12000噸糖廠項目壓榨車間、蒸發(fā)車間、煮糖車間和原糖倉庫的鋼結構設計和深化建模。

二、設計

（一） 鋼結構設計選型，采用恰當?shù)倪x型能夠實現(xiàn)對材料用量的控制，從而控制材料成本，實現(xiàn)業(yè)主和承包商互利雙贏。

1、壓榨車間廠房采用類門式鋼架結構，長度162m，跨度26m，檐口高度+21.125m;廠房主要受沿廠房跨度方向上的風載作用，結構采用為類門式鋼架結構;鋼柱采用熱軋H型鋼，能夠減少車間的焊接工作，提高制作效率;屋面采用管桁架結構，減少鋼結構重量，同時控制桁架高度不大于2.1m，降低運輸成本;吊車梁置于柱頂，避免因吊車剎車的制動力對鋼柱產生的扭轉作用。

2、蒸發(fā)車間和煮糖車間在制糖工藝中，統(tǒng)稱為制煉車間，均為多層框架結構，同屬于重鋼結構;蒸發(fā)車間長度88m，跨度32m，檐口高度+30.000m;煮糖車間長度90m，跨度34m，檐口高度+30.000m;內部安裝大型設備，重量640t;設計時從以下幾個方面進行考慮：

2.1邊柱主要受廠房跨度方向的荷載較大，采用焊接H型鋼;內部鋼柱由于在x，y方向的受力是基本相同的，采用箱型柱，既有利于各項受力，又避免型鋼槽內積灰難清理。

2.2車間內部設備多、管道多，工藝復雜，需要分區(qū)域按層進行安裝。鋼柱最大長度為30m，需要分節(jié)處理，才能保證運輸和安裝;分節(jié)主要考慮兩項因素：一是控制運輸長度和寬度，一般長度控制在12m以內，寬度不大于2.4m。二是按樓層分節(jié)，在樓層上方1m的區(qū)域進行分節(jié)，以便進行拼裝焊接工作。

2.3屋架采用管桁架結構，減少鋼材用量。

2.4按6m的標準柱距選用檁條;對于柱距達9m的區(qū)域，采用副屋架和墻架柱的形式，縮短檁條的計算長度，從而保證標準檁條能夠適用。

2.5煮糖車間內部含振動設備分蜜機，鋼結構設計采用獨立支架的形式，與樓層不連接，從而避免分蜜機的振動對廠房產生影響。

2.6同一廠房中按需材質能夠減少鋼材成本，材料材質選用Q235和Q345;由于大型設備蒸發(fā)罐、煮糖罐、助精機的重量較重，廠房中鋼柱主要受正壓力作用，鋼梁受彎矩作用，因此材料材質選用Q345B，提高同等截面下鋼材的承載能力;屋架主要受風作用，材料材質選用Q235B。

3、原糖倉為混凝土剪力墻+金字式鋼桁架屋架結構，廠房長度180m，跨度42m，檐口高度+6.200m，屋面頂部高度+28.330m，+6.200m以下為混凝土擋墻結構，屋面坡度為40°。廠房混凝土剪力墻與屋架連接采用鉸接形式，能有效傳遞橫向剪力與軸心力，避免出現(xiàn)對墻體產生柱頂彎矩的影響;屋架用平行弦空間桁架結構，與單片平面桁架結構相比，平面外剛度較強，易于吊裝和運輸不變形。

（二）采用裝配式設計，減少現(xiàn)場施工作業(yè)量，提高安裝效率，加快施工進度，為項目節(jié)約人力成本。

1、鋼柱柱腳采用外露式地腳螺栓連接方式?；炷恋臐仓芷诤宛B(yǎng)護周期較長。采用外露式地腳螺栓連接方式可以將土建工作和鋼結構安裝工作進行分離，只需做好地腳螺栓預埋，就可以進行柱腳基礎澆筑，不會受鋼結構制作進度的影響。

2、所有廠房采用螺栓連接。梁柱節(jié)點、梁梁節(jié)點、支撐節(jié)點采用扭剪型高強螺栓連接;檁條、隅撐等外圍結構采用普通鍍鋅螺栓連接;由于現(xiàn)場焊接節(jié)點，需要花費的人力和起吊機具較多，會造成安裝成本增加，安裝速度慢;螺栓節(jié)點能夠大大節(jié)省安裝成本，提高安裝效率;在多層鋼結構中梁柱節(jié)點采用栓焊形式，減少柱間支撐的數(shù)量，可以使車間內部空間得到更充分的利用，此方案得到業(yè)主的一致好評。

3、壓榨車間、蒸發(fā)車間和煮糖車間的樓層面采用壓型鋼板的組合樓面，通過栓釘固定樓承板，在樓承板上鋪設鋼筋澆筑混凝土，減少支模和搭設腳手架的工作。

（三）通風、排水、采光和防漏設計

1、通風方面，壓榨車間、蒸發(fā)車間和煮糖車間以自由通風為主，在+5.200m以下采用鏤空的形式，不設置墻面;屋面頂部均采用10m跨度的氣樓進行排風;蒸發(fā)車間和煮糖車間在其第2、3樓層處設置百葉窗;有效的控制室內通風量和室溫。

2、排水方面，所有工業(yè)廠房采用天溝集中排水;有效的收集雨水資源，實現(xiàn)資源再利用;考慮到泰國的氣候，常規(guī)的PVC管在使用3～5年后會出現(xiàn)材料脆化易損，因此該項目排水管采用鍍鋅鋼管，通過管箍的進行進行連接。

3、采光和防滲漏方面，所有需要進行采光的廠房，采用采光板的形式。由常規(guī)的屋面采光板改為墻面采光板。由于泰國叻武里的晝夜溫差大，太陽直射強，屋面的密封膠經過長年累月容易出現(xiàn)開裂;且屋面坡度小，排水緩慢，采光板與屋面板搭接處會出現(xiàn)滲漏;而墻面雨水的排水速度遠遠大于屋面的排水速度，采用墻面采光板可以從構造上大大降低漏水的可能，同樣也能實現(xiàn)采光的效果。

三、深化建模

（一）按設計圖紙進行tekal建模，繪制車間加工和現(xiàn)場安裝圖。

Tekal建模前，統(tǒng)一編碼規(guī)則;每個單體廠房對應一個編碼;鋼梁、鋼柱、屋架、支撐、檁條等構件編制指定代碼;按照編碼規(guī)則進行出圖，使圖紙構件分明，易于歸整和查找;建模時，同時采用系統(tǒng)節(jié)點和自定義節(jié)點，提高建模效率，縮短在建模階段所耗費的時間。

運用Tekal軟件，實現(xiàn)材料統(tǒng)計、螺栓統(tǒng)計、零件開料圖、構件拼裝圖和安裝布置圖;在建模過程中及時發(fā)現(xiàn)設計中存在的節(jié)點缺漏和沖突，并與設計復核，進行調整和完善結構模型;材料預算時，快捷準確的進行材料統(tǒng)計和螺栓統(tǒng)計。建模完畢后，所出零件圖和構件圖能夠與模型中的構件一一對應。將生成的零件圖紙導入到數(shù)控設備中，實現(xiàn)數(shù)控加工，提高車間制作效率;同時根據(jù)tekal生成的構件清單進行發(fā)貨和安裝，能夠及時發(fā)現(xiàn)構件的缺漏，避免人為失誤造成的工程延誤。軟件中的安裝圖，隨著構件的變更，自動進行更新，為現(xiàn)場安裝給出準確的安裝布置圖。

（二）生成3D模型，運用BIM技術對項目進行指導和管控

Tekal建模完畢后，生成3D模型，與設備、管道和閥門的模型相結合;動態(tài)模擬鋼結構安裝的整個過程，同時檢查安裝過程中構件之間的干涉情況，從而制定出詳細、切實可行的吊裝方案，并合理的安裝順序。這為項目的整體管控提供有力的技術支持。

四、項目實施效果

實踐證明，糖廠鋼結構廠房的工藝雖然復雜，但是只要有科學合理的設計方案和精細化的深化建模，就能化繁為簡。泰國叻武里日榨12000噸糖廠項目實施以來，先后獲得了廣西壯族自治區(qū)優(yōu)秀工程設計水平（設計先進證明）、2018年度廣西建設工程“真武閣杯”獎（最高質量獎）、中國建設工程魯班獎（境外工程）及2019年廣西鋼結構金獎等榮譽。成為我公司實施“走出去”戰(zhàn)略和廣西參與“一帶一路”建設的新名片，受到中央主流媒體和社會各界的高度關注，成為行業(yè)標桿項目。