工業(yè)廠房建筑結構設計中的問題及對策

潘承霞 商嬡君

（1.山東力諾電力設計咨詢有限公司 山東濟南 250000；2.山東省能源建筑設計院山東濟南 250013）

工業(yè)廠房的設計既要滿足其安全、耐用的要求，又要滿足工業(yè)技術的要求。在不同的行業(yè)中，工廠的設計是非常多元化的。要建立一個符合現(xiàn)代化標準的工業(yè)廠房，不但要吸取相關的經(jīng)驗，還要優(yōu)化設計的規(guī)范，還要在此基礎上創(chuàng)新先進的工業(yè)廠房的設計思想和方法，以降低材料的消耗，保證廠房的結構設計的經(jīng)濟性。此外，在工業(yè)廠房的設計中，應以抗震、防火為主要目標，或以工廠的環(huán)境建設為基本要求。要想有效地改善工廠的生產(chǎn)環(huán)境，就必須完善工廠的結構設計，因此，在工業(yè)廠房的結構設計中，應根據(jù)其自身的特點和生產(chǎn)需求，把握設計的最佳趨勢，主動改造現(xiàn)有的工業(yè)廠房。

1 工業(yè)廠房的結構設計概況

為了提高土地利用率，充分利用廠房面積，滿足工業(yè)生產(chǎn)效益要求，應重視廠房結構的設計。在設計規(guī)范、標準、風格、技術和功能需求上，工業(yè)廠房與居住建筑有著明顯的不同。要求工廠設計人員對工廠生產(chǎn)進行實時的調研，了解生產(chǎn)工藝、原料供應、周邊建筑及周邊環(huán)境特點，從而使工廠的設計結構更加合理。針對工業(yè)廠房的建筑項目，提出多種設計方案，通過對廠房抗震、防火、結構穩(wěn)定性等多個方面的對比探討，得出更加經(jīng)濟、可行的工業(yè)廠房設計方案。

2 總體結構的設計問題

結構的總體設計無疑是結構設計中的重中之重。結構設計應以合理、經(jīng)濟、安全為主要目的，同時還要兼顧結構設計的工程、力學分析、技術經(jīng)濟、參數(shù)優(yōu)化理論、設計方法、設備和工藝。在結構設計時，應滿足承載力、穩(wěn)定、變形等方面的要求，并對受力條件、受力方式等進行合理地優(yōu)化，以確保結構的設計有充分的余量，以提高工程的經(jīng)濟效益，方便日后的操作（增加設備、位置等），從而增加了靈活性。

以往的結構設計中，常常會將基礎放大、乘以系數(shù)、增大等問題，導致了工業(yè)結構的“粗、笨、大”。在某些基礎工程中，為了節(jié)省計算和提高經(jīng)濟效益，沒有采用大面積的厚板筏基。在一些工業(yè)中，經(jīng)常采用垂直電梯，一般采用鋼筋混凝土結構，而修補墻體采用磚砌。由于塔架垂直荷載較低，其結構的受力主要為水平風荷載和地震荷載，通過減小塔身的自重，可以減小側向風的影響，故在設計時應去掉頂層外部的各種維修墻，以滿足生產(chǎn)需要，減輕自身的重量，節(jié)省費用［1］。結果表明，只要采取正確的施工方法，就能有效地避免結構的破壞。所以，總體結構的規(guī)劃與優(yōu)化非常重要，但設計人員必須具備相當?shù)膶I(yè)知識。

總而言之，該結構在各種外力作用下不僅要滿足結構剛度要求、強度要求、裂縫要求、受力路徑和傳遞路線等要求，還應盡可能地使其結構合理，進行合理的經(jīng)濟設計，最大限度地發(fā)揮工料和結構的機械性能，以適應工業(yè)生產(chǎn)和使用的要求。

3 工業(yè)建筑特點

工業(yè)建筑在進行設計時，首先要進行工藝設計，然后根據(jù)設計人員的要求來進行設計。在選擇工業(yè)建筑的形狀和結構時，會受到很多因素的影響，包括工藝、設備、生產(chǎn)操作、生產(chǎn)要求等。在進行建筑設計時，要和行業(yè)專家進行細致的溝通，針對不同的需求，給出不同的設計。工廠是為了生產(chǎn)而設計的，在工廠的設計中，技術是必不可少的。在工藝設計者進行部署的情況下，會與結構的設計產(chǎn)生沖突，因此，在進行結構設計時要進行協(xié)調，避免造成不必要的麻煩。與一般的建筑物不同，在使用過程中，一定要確保工廠設備的安全和運行，工廠內(nèi)的設備各不相同，因此，要針對不同的設備進行結構設計。在工業(yè)建筑中，既要滿足各種設備的需求，又要確保其運行良好。

在進行荷載計算時，應注意既要考慮靜載荷的影響，又要考慮動載荷的影響。此外，為適應項目施工，設備擺放、維修、更新等多項需求對樓面的要求也比較高。眾所周知，工業(yè)廠房的抗震能力差，主要是因為其本身的結構不合理，導致了建筑物的重心偏離了原本的軌跡，許多樓層都出現(xiàn)了錯層，在地震的情況下，整棟樓都會出現(xiàn)扭曲，因此，在進行加載時，必須要做好抗震和構造的準備。在工業(yè)建筑物中，通常會有許多空隙以滿足工藝和生產(chǎn)的需求。眾所周知，工業(yè)廠房是為了滿足生產(chǎn)的需求而設計的，它的主要功能是確保設備的安全，確保生產(chǎn)的順利進行。工業(yè)建筑是一個便利的生產(chǎn)場所，也是一個人集中居住的地方，一般來說，工業(yè)建筑需要具備制造、運輸、儲存等功能，而且還需要給工人們一個舒適的工作環(huán)境。

4 成本問題

4.1 項目成本及物料成本

工業(yè)結構的優(yōu)化是不可避免的，但其整體經(jīng)濟和整體結構的優(yōu)化過程十分復雜，難度較大。所以，在實際工程中，應從最優(yōu)的角度出發(fā)，循序漸進，在合理利用有限的材料時，可以最大限度地利用其優(yōu)點，并取得良好的經(jīng)濟效益。

4.2 成本估算和規(guī)劃

目前，工程造價管理主要采用預結算、事后反饋和返工調整等傳統(tǒng)的工程管理方法，工程造價估算不準確，造成了大量的資源浪費。盡管近年來設計階段的成本控制日益受到重視，但由于控制策略與方法過于簡單，控制手段不同步，設計費用與設計工作量、項目設計所需要的功能與工程造價不匹配等，使得工程項目的管理效果不佳。由于工程建設的飛速發(fā)展，大量的工程造價估算方法應運而生，能夠對工料、費用進行快速的估算。但是，在進行預測和估算時，常常依靠經(jīng)驗來確定設計變量及其所占的比例，其說服力和可信度都很低，在實踐中缺少理論依據(jù)，數(shù)據(jù)處理量大，在設計階段沒有充分考慮到設計過程中的諸多設計參數(shù)，對工料、費用的影響也不是很大［2］。然而，運用計算機軟件及其他技術方法對工業(yè)建筑進行經(jīng)濟評估，并運用數(shù)學方法進行資源分配，從而避免了傳統(tǒng)人工計算造成的被動局面，大大加快了設計進度，為新的工業(yè)建筑的發(fā)展提供了方便，節(jié)省了投資。

5 工業(yè)廠房的結構設計的有關準則

5.1 確定結構參數(shù)的精確度

在進行工廠設計時，結構參數(shù)的精確性是建筑設計的前提，同時也是設計質量的依據(jù)。針對工廠的復雜結構，需要學習如何運用專門的軟件大規(guī)模地收集工廠的相關參數(shù)，進行精確地計算，從而加快工廠的結構數(shù)據(jù)的處理，確保設計的精度，避免人工因素對工業(yè)廠房設計的影響，同時，對廠房的結構進行了可行性分析。在一個工程中，對于相同的工廠，可以有許多不同的設計，在工程投資、工期、地點等前提下，進行最經(jīng)濟、合理的設計。另外，在確定了設計方案后，建筑設計師要對建筑的結構進行準確的計算，然后對其進行審核，以消除設計中的安全隱患，提高設計的合理性。

5.2 建筑布局要與工業(yè)生產(chǎn)特征相適應

在工業(yè)廠房的建筑物中，它的構成是較為靈活的，要從工業(yè)生產(chǎn)的需求出發(fā)，在保證設備的品質和性能的前提下，盡可能地優(yōu)化車間的布局，降低設備的建設投資。在不同的工藝條件下，對廠房布局的需求也是不同的，工廠的建造工程師應該對制造工藝有足夠的了解；同時，企業(yè)還要積極參與廠房的設計，加強企業(yè)間的溝通，優(yōu)化車間的布局，以避免生產(chǎn)流程與規(guī)劃設計的沖突，提高廠房的結構設計。此外，在進行廠房結構設計時，一定要考慮到廠房的規(guī)模，根據(jù)企業(yè)發(fā)展規(guī)劃及設備更新需要，對廠房進行結構設計，以達到最大限度地利用工業(yè)土地。

6 工業(yè)廠房結構優(yōu)化設計的相關措施

6.1 廠房建材的優(yōu)選

材料的選用和結構的設計密切相關。在工業(yè)廠房建設中，最好的材料是設備的結構設計，不同的建材具有顯著的不同特性，要實現(xiàn)廠房結構的最佳化，就需要從原料的源頭入手。在確定廠房的結構設計方案時，應按設計規(guī)范的要求進行；同時，還應與工業(yè)廠房項目的價格底線、工期和功能設計條件相結合，確定更為適宜的建材。由于工業(yè)廠房的建材種類繁多，可以滿足各種用途，在成本上也有顯著差異，可以作為工廠設計方案的參考。在明確方案后，要采取控制措施，保證工廠的建材質量。在眾多的建材中，鋼材是最常用的工業(yè)廠房，在鋼結構廠房的設計中，應著重考慮其結構強度、耐火性、耐腐蝕性等特性，選用較適宜的材料［3］。對于一般的鋼混結構廠房，結合材質的軟性和硬度，降低了材料的不確定性，保證了工廠的工程質量。

6.2 改善工業(yè)建筑的防震設計

首先，設計時，工業(yè)廠房的設計者要對廠房進行總體規(guī)劃，明確其具體要求，確保廠房的結構布置合理、科學，提高設計質量。在選擇橫梁結構時，一般要選擇鋼結構，設計人員應充分利用鋼結構的機械特性，盡量降低受力和荷載的不利影響。

其次，在設計時，要充分考慮橫向結構改變的原則，并對不利因素進行合理的控制。在實際應用中，由于建筑內(nèi)部結構的不合理，不能有效地確保結構的穩(wěn)定與質量，因而很容易被外界干擾。

最后，在對地震要素進行討論時，重點關注外部環(huán)境的影響，并對現(xiàn)存結構節(jié)點的不當之處進行修正，選擇合適的確定標準。在采用結構框架時，要充分考慮鋼結構的特點，合理選用，以增強結構在地震中的可靠度，從而有效地提高其抗震能力［4］。

6.3 廠房建筑防火設計的優(yōu)化

在工業(yè)生產(chǎn)中，消防安全的要求是非常高的，而在工業(yè)廠房的建筑結構設計中，防火性能的提高是必不可少的。以普通鋼結構工業(yè)廠房為例，其防火性能取決于其材質，當鋼材在100℃以上時，其強度明顯下降，塑性增加，工廠結構穩(wěn)定性下降；在250℃的高溫下，材料的可塑性降低，有可能出現(xiàn)斷裂。如果溫度再升高，就會有很大的變化。針對鋼材自身的特性，設計人員應針對各種溫度的變化進行科學的研究與分析，制訂合理的防火設計方案，嚴格選擇高強度鋼材，以減少廠房的熱損失，延長其使用壽命，從而有效地保證工業(yè)廠房的安全運行，防止火災對工業(yè)廠房的影響［5］。

6.4 屋頂支承與屋頂構造的最佳化

屋頂支承體系的設計要考慮到工廠的高度及其他環(huán)境因素，才能保證結構形式的實用性和可靠性，同時，對廠房結構的抗震性能也有一定的認識。在屋面結構的設計中，建筑單位應根據(jù)已有的技術與能力提前進行調研，確定基礎的安裝條件，以達到較好的防護效果。在屋頂框架上設計弦式天窗時，應把握各支架間的間距，確定水平間距，使其在水平方向與縱向方向的銜接，提高布局的合理性，提高鋼筋的使用率，既能節(jié)省施工費用，又能防止因荷載太大引起的層間摩擦，避免對屋面結構造成不良影響。設計人員應全面考慮，在了解一般屋頂使用鋼材的情況下，再進行合理的優(yōu)化以降低鋼材用量，增加各個工序的連續(xù)銜接。在結構初步優(yōu)化設計的前提下，實現(xiàn)了連續(xù)運轉，以達到最小化鋼材用量、最小化鋼鐵用量、合理配置資源、改善工廠結構設計質量、創(chuàng)造安全和合理的工作環(huán)境、提高廠房利用率等目的［6］。

6.5 其他的優(yōu)化設計

目前，在工業(yè)廠房中，鋼鐵建筑是最常見的一種，這樣一來，雖然有很大的優(yōu)勢，但是也有一些弊端。例如，鋼結構長期暴露于自然環(huán)境中，其腐蝕問題就難以避免，這與環(huán)境有直接的關系。在工業(yè)廠房的結構設計中，防銹劑的設計與工廠的結構壽命密切相關，因此，應加強對廠房結構設計人員的關注，采取合理的防銹和防腐蝕措施。例如，可以利用不同的涂料，防止水蒸氣和氧氣進入鋼材的表面。為了深入理解鋼結構的腐蝕機制，要對廠房的溫度、濕度、環(huán)境介質的敏感性進行深入的分析和討論，進而從設計的角度來提高其抗腐蝕能力，以保證工廠的結構安全。

7 結語

綜上所述，在進行工業(yè)生產(chǎn)時，廠房的結構設計是否合理關系到生產(chǎn)效率和安全性。然而，目前的廠房結構設計仍存在著結構同質化、空間布局不合理等問題，這既需要廠房的結構設計人員在設計時要確保參數(shù)的精確，又要結合實際的工業(yè)生產(chǎn)需要，對廠房的空間布置進行合理的規(guī)劃，從整體上兼顧抗震、消防，從經(jīng)濟、結構穩(wěn)定等方面提出了改善工業(yè)廠房結構的措施。此外，建筑設計人員應重視設計創(chuàng)新，借鑒先進的設計經(jīng)驗與觀念，改善現(xiàn)有的工廠環(huán)境，以達到建筑設計的經(jīng)濟效益與空間利用率。