隨著國家經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，鋼結(jié)構(gòu)在建筑領(lǐng)域起到了舉足輕重的作用，扮演著越來越重要的角色，無論在工業(yè)還是民用建筑中，鋼結(jié)構(gòu)以其突出的特點(diǎn)迅速地占領(lǐng)著越來越廣的市場。其特點(diǎn)有：其整體剛度和抗震性能好、施工速度快、自重輕、承載力高，在大跨度及超高層建筑中代替了鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，但也存在著防火性能差、易腐蝕等缺點(diǎn)，在設(shè)計(jì)中根據(jù)其特點(diǎn)揚(yáng)長避短才能更好地發(fā)揮鋼結(jié)構(gòu)的作用，現(xiàn)在就鋼結(jié)構(gòu)廠房設(shè)計(jì)的現(xiàn)狀與優(yōu)化對策來進(jìn)行分析。
1、鋼結(jié)構(gòu)工業(yè)廠房的概述
1.1、鋼結(jié)構(gòu)工業(yè)廠房的優(yōu)越性
目前，在我國工程廠房設(shè)計(jì)施工的過程中，人們主要是將鋼結(jié)構(gòu)材料作為其主要的施工材料，其優(yōu)點(diǎn)主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：
(1)在工業(yè)廠房現(xiàn)場施工的過程中，由于鋼結(jié)構(gòu)材料可以進(jìn)行工業(yè)化的批量生產(chǎn)，而且采用的機(jī)械設(shè)備在施工的過程中可以進(jìn)行現(xiàn)場拼裝。因此這就大幅度的縮短了工程施工的工期，降低了總工程投資成本。
(2)將鋼結(jié)構(gòu)材料和混凝土結(jié)構(gòu)材料相比，鋼結(jié)構(gòu)材料有著質(zhì)量輕，強(qiáng)度高等方面的特點(diǎn)，因此在實(shí)際應(yīng)用的過程中，不僅可以大幅度的降低建筑結(jié)構(gòu)在使用中所產(chǎn)生的荷載，還有效的提高了廠房結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性和可靠性。而且在采取可靠的防腐蝕措施后鋼結(jié)構(gòu)在使用時(shí)也有著較強(qiáng)的耐腐蝕性能，這也使得工業(yè)廠房結(jié)構(gòu)在使用時(shí)不會(huì)受到外界環(huán)境因素的影響，使其結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性和耐久性出現(xiàn)問題。
(3)鋼結(jié)構(gòu)材料在使用的過程中強(qiáng)度比較高，投資成本也比較低，而且還可以多次的回收利用，這就使得鋼結(jié)構(gòu)工業(yè)廠房有著良好的環(huán)保節(jié)能功能，為我國社會(huì)經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展打下了扎實(shí)的基礎(chǔ)。
1.2、鋼結(jié)構(gòu)工業(yè)廠房的設(shè)計(jì)原則
設(shè)計(jì)鋼結(jié)構(gòu)工業(yè)廠房時(shí)應(yīng)從工程實(shí)際情況出發(fā)，合理選擇材料、結(jié)構(gòu)方案和構(gòu)造措施，滿足結(jié)構(gòu)構(gòu)件在運(yùn)輸、安裝和使用過程中的強(qiáng)度、穩(wěn)定性和剛度的要求,符合防火、防腐蝕的要求，并宜優(yōu)先采用通用和標(biāo)準(zhǔn)化的構(gòu)件，減少制作、安裝工作量。鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)文件中，應(yīng)注明建筑結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)使用年限、采用的鋼材牌號(hào)、連接材料的型號(hào)(或鋼號(hào))。
2、鋼結(jié)構(gòu)工業(yè)廠房結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的主要特點(diǎn)
鋼結(jié)構(gòu)廠房在世界各地均得到普遍使用,尤其是在發(fā)達(dá)國家應(yīng)用更為廣泛。鋼結(jié)構(gòu)廠房通常適用于倉儲(chǔ)庫房、工業(yè)廠房、會(huì)館展廳、凈化車間以及超市，其設(shè)計(jì)的主要特點(diǎn)有以下幾個(gè)方面：①具有較大的空間和跨度，且建筑質(zhì)量輕，強(qiáng)度極高；②設(shè)計(jì)一般選用最先進(jìn)方法，可充分滿足鋼材對抗沖擊性、變形能力、抗震性以及剛性等多方面要求；③鋼結(jié)構(gòu)建筑能夠反復(fù)利用，且搬動(dòng)遷移十分便利，避免了大量鋼材的浪費(fèi)，保護(hù)環(huán)境不受到污染；④鋼結(jié)構(gòu)獨(dú)特且輕巧，實(shí)際占用面積小，應(yīng)用面積廣，增加了建筑物內(nèi)的使用空間；⑤組成零件標(biāo)準(zhǔn)，制作精良，安裝方便快速，有效縮短了施工工期，減少投資成本；⑥在采取可靠的防火和防腐蝕措施后具有較高的防火性和較強(qiáng)的防腐蝕性。
3、鋼結(jié)構(gòu)工業(yè)廠房設(shè)計(jì)現(xiàn)狀及優(yōu)化對策
在鋼結(jié)構(gòu)廠房穩(wěn)定性研究過程中，最為關(guān)鍵的內(nèi)容是軸力與彎矩耦合效應(yīng)，進(jìn)而是整體穩(wěn)定整體與局部穩(wěn)定之間的相互關(guān)系。目前，鋼結(jié)構(gòu)廠房設(shè)計(jì)中的安全系數(shù)不能反映整體與局部之間的關(guān)聯(lián)性。結(jié)構(gòu)參數(shù)不確定，結(jié)構(gòu)響應(yīng)差異顯著，隨機(jī)參數(shù)結(jié)構(gòu)極值處于失穩(wěn)狀態(tài)。因此，要不斷優(yōu)化鋼結(jié)構(gòu)廠房設(shè)計(jì)，提高其使用性能以及安全性能。
3.1、優(yōu)化鋼材的保溫隔熱與防火
鋼材具有很高的導(dǎo)熱性能，其導(dǎo)熱系數(shù)為 50 w(m.℃)，當(dāng)受熱達(dá)到 100 ℃以上時(shí)，其抗拉強(qiáng)度就會(huì)降低，塑性增大；溫度達(dá)到 250 ℃時(shí)，鋼材抗拉強(qiáng)度會(huì)稍提高，但塑性卻降低，出現(xiàn)藍(lán)脆現(xiàn)象；溫度達(dá)到 500 ℃時(shí)，鋼材強(qiáng)度降至很低，會(huì)致使鋼結(jié)構(gòu)塌落。所以當(dāng)鋼結(jié)構(gòu)所處環(huán)境溫度達(dá)到 150 ℃以上時(shí)，就必須做隔熱防火設(shè)計(jì)。其做法一般為：鋼結(jié)構(gòu)外側(cè)包耐火磚、混凝土或硬質(zhì)防火板材。或者鋼結(jié)構(gòu)刷厚涂型防火涂料，厚度按《鋼結(jié)構(gòu)防火涂料技術(shù)規(guī)程》計(jì)算。
3.2、優(yōu)化鋼結(jié)構(gòu)工業(yè)廠房立面設(shè)計(jì)
輕鋼結(jié)構(gòu)的建筑主要有把握以下 4 個(gè)方面的特征：規(guī)模、線條、色彩、變化。
鋼結(jié)構(gòu)工業(yè)廠房的立面主要由工藝布置來決定，在滿足工藝的要求下力求立面簡潔恢宏同時(shí)使節(jié)點(diǎn)盡量簡單統(tǒng)一。彩色壓型鋼板使得輕鋼廠房的建筑表現(xiàn)得體形輕盈色彩豐富，明顯優(yōu)于傳統(tǒng)鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的沉重單一。在輕鋼廠房的設(shè)計(jì)中常采用跳躍性色彩和冷色調(diào)，重點(diǎn)突出主要出入口、外天溝、收邊泛水等地方，既體現(xiàn)了現(xiàn)代化廠房的恢宏氣勢，又豐富了立面效果。
傳統(tǒng)的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)工業(yè)廠房，外墻維護(hù)為磚砌體，外裝修為涂料或面磚，輔以色帶，由于混凝土屋面設(shè)置采光窗效果不理想，設(shè)計(jì)時(shí)通常在墻面設(shè)置大量的采光窗。但對于維護(hù)墻為彩色壓型鋼板的鋼結(jié)構(gòu)廠房來說則不然。線條是表現(xiàn)輕鋼結(jié)構(gòu)建筑風(fēng)格最獨(dú)特的特征，均勻的線條或橫或豎，使得輕鋼結(jié)構(gòu)建筑富有流暢的金屬質(zhì)感，體現(xiàn)了強(qiáng)烈的現(xiàn)代工業(yè)氣息。
3.3、優(yōu)化鋼結(jié)構(gòu)工業(yè)廠房支撐系統(tǒng)
在鋼結(jié)構(gòu)工業(yè)廠房柱間支撐系統(tǒng)和屋蓋支撐系統(tǒng)布置過程中，要按照廠房的實(shí)際振動(dòng)設(shè)備、噸位、跨度、結(jié)構(gòu)形式、柱網(wǎng)設(shè)置以及高度與吊車設(shè)置等狀況來決定。一般而言，不考慮屋蓋結(jié)構(gòu)的檁條，主要設(shè)定在垂直支撐上。在無檁系統(tǒng)中，屋面板要和屋架進(jìn)行焊接，從而達(dá)到上弦支撐目的。但在實(shí)際設(shè)計(jì)過程中，由于施工條件的束縛。考慮到安裝要求，要將上弦橫向支撐系統(tǒng)設(shè)置在屋架上弦位置以及天窗架上弦部位。同時(shí)，當(dāng)廠房屋架間距處在12m以上時(shí)，或者設(shè)置有特重級的振動(dòng)設(shè)備與橋式吊車時(shí)，要設(shè)定縱向的水平支撐系統(tǒng)。
3.4、優(yōu)化鋼結(jié)構(gòu)工業(yè)廠房屋面設(shè)計(jì)
在鋼結(jié)構(gòu)廠房的屋面設(shè)計(jì)中，主要內(nèi)容是防水。屋面防水設(shè)計(jì)主要考慮三個(gè)方面的因素：一是屋面坡度；二是天溝形式；三是單坡屋面長度。執(zhí)行相關(guān)的屋面工程技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，在實(shí)際工程中，諸多廠房屋面坡度處在(2％~3％)之間，符合實(shí)際要求。考慮到材料性能、節(jié)點(diǎn)處理與技術(shù)等因素，要將坡度設(shè)置為5%。在積雪地區(qū)，坡度要增大，而鋼結(jié)構(gòu)廠房的單坡屋面長度設(shè)計(jì)要注意所在區(qū)域的溫差與降雨變化。根據(jù)相關(guān)工程設(shè)計(jì)資料顯示，單坡屋面長度要把控在70m以下，才能保證廠房的使用性能。當(dāng)超過這個(gè)標(biāo)準(zhǔn)值時(shí)，要進(jìn)行特殊處理。當(dāng)前應(yīng)用較為普遍的鋼結(jié)構(gòu)屋面設(shè)計(jì)方案主要有兩種：第一，采用雙層彩色壓型鋼板，其保溫棉有助于防水，但溫變化較大，難以解決熱脹冷縮問題；第二，采用由保溫層、隔汽層、卷材防水層等組合而成的復(fù)合柔性鋼屋面系統(tǒng)，外鋪柔性卷材，有助于改善熱脹冷縮狀況。
3.5、防銹處理
鋼結(jié)構(gòu)表面直接暴露在大氣中就會(huì)銹蝕，當(dāng)鋼結(jié)構(gòu)廠房空氣中有侵蝕性介質(zhì)或鋼結(jié)構(gòu)處在潮濕環(huán)境中時(shí)，鋼結(jié)構(gòu)廠房銹蝕就會(huì)更加明顯和嚴(yán)重。鋼結(jié)構(gòu)的銹蝕不僅會(huì)使構(gòu)件截面減小，還會(huì)使鋼構(gòu)件表層局部產(chǎn)生銹坑，當(dāng)構(gòu)件受力時(shí)將引起應(yīng)力集中現(xiàn)象，使結(jié)構(gòu)過早破壞。因此，對鋼結(jié)構(gòu)廠房構(gòu)件的防銹蝕問題應(yīng)予以足夠的重視，并應(yīng)根據(jù)廠房侵蝕介質(zhì)情況和環(huán)境條件在總圖布置、工藝布置、材料選擇等方面采取相應(yīng)對策和措施，以確保廠房結(jié)構(gòu)的安全。一般鋼結(jié)構(gòu)的防腐常采用防銹底漆和面漆，涂裝層數(shù)及厚度常根據(jù)其使用環(huán)境和涂層性質(zhì)來決定。一般室內(nèi)鋼結(jié)構(gòu)在自然大氣介質(zhì)作用下，要求涂層厚度 100 μm，即底漆兩道，面漆兩道。
由此可見，在鋼結(jié)構(gòu)工業(yè)廠房設(shè)計(jì)的過程中，我們不僅要對鋼結(jié)構(gòu)廠房強(qiáng)度、穩(wěn)定、抗震性能、耐久性等方面性能進(jìn)行嚴(yán)格的要求，還要著重重視采取可靠的防火和防腐蝕措施，從而有效的提高工業(yè)廠房結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性和可靠性。
