工业建筑钢结构的应用与设计研究

关海洲

中机第一设计研究院有限公司（030009）

0 前言

近年来，随着建筑行业的稳步发展，钢铁技术也在进步，钢结构在工业建筑业中的地位开始日益重要。与传统的钢筋混凝土相比，钢结构不仅自重轻、承载力大，而且可以在不受季节变化影响的情况下进行建造，减少了建筑垃圾的排放。钢结构在施工过程中的优势也十分明显，可以极大加快施工进程。为了更好地发展钢结构工业建筑，应针对实际设计进行分析，并严格遵守相关规定，使钢结构工业建筑推动绿色建筑的发展。

1 工业建筑钢结构的应用优势分析

1.1 材质轻盈，抗震能力强

与传统的砖混结构相比，钢结构的总重量明显要小，主要是由于钢结构的密度小。在外载相同的条件下，钢结构构件截面小，易于运输和安装。此外，钢结构具有良好的抗震性能，这与钢材的可延性有关。在地震灾害发生时，钢结构会消耗大量的地震能量[1]。

1.2 安装便捷，施工周期短

钢结构的大部分组件都在工厂预加工，因此在施工过程中，施工人员只需要安装、吊装和焊接组件。相较于钢筋混凝土结构，钢结构施工可以节省30%以上的作业时间，大大提高了施工效率，降低了施工成本[2]。

1.3 材料环保，整体造价低

近年来，我国在建筑工程领域提出了节能降耗、绿色环保的要求。传统的钢筋混凝土施工产生的固体废物易污染环境。为了避免或减少施工出现的污染问题，施工单位往往需要投入大量资金处理污染问题，增加了企业的经济负担。但钢结构在安装过程中不会产生粉尘，节约了大量的污染治理成本。此外，钢结构施工技术逐渐显示出节能、防水、隔热等方面的优势，在大型公共建筑中成为首选技术类型[3]。

1.4 形式美观，具有功能化

在钢结构建筑中，钢结构的形状、构件和节点决定着建筑物的形象。工业建筑结构设计和功能应该实现一体化，这样建筑将更具功能性，形成艺术和技术共存的建筑。钢结构建筑可以突破结构、斜线、曲线的约束，创造出更加新颖、美观的建筑形象。钢结构建筑强大的造型潜力在砖混结构和混凝土结构建筑中难以实现，其中点支式玻璃幕墙形式多样、变化无穷，具有良好的艺术性，使工业建筑更加美观。

1.5 用途广泛，可塑性极强

钢结构重量轻、韧性好、抗压强度高，适用于各种建筑物的建设。尤其是传统建筑工程中难以完成的大跨度工业建筑，使用钢结构可以实现室内没有柱子的大空间[4]。钢材能够抵抗挤压，这使得结构可以用来建造新型的钢结构，已成为工业建筑的新趋势。

2 工业建筑钢结构应用存在的问题

目前，钢结构工业建筑的应用研究还不够，主要是由于钢筋混凝土结构的应用较为广泛，在技术人员的心目中地位很高。技术人员认为，钢结构更具备安全稳定性。我国钢结构工业建筑应用在许多方面落后于西方发达国家，特别是在技术水平和设计理念上。此外，我国对钢结构建筑投入不足，在专业人才培养、新产品研发、设备更新等方面缺乏积极性，极大地阻碍了钢结构工业建筑的发展。钢结构工业建筑设计人员对于新材料缺乏研究和改进，只是凭借工作经验进行项目设计，工业建筑钢结构的设计价值没有体现出来[5]。因此，这就要求相关人员加大研究力度，使钢结构技术水平能够满足工业建筑的使用需求。

3 工业建筑钢结构设计应遵守的原则

隔热系统、支撑系统和防火系统是钢结构工业建筑的重要组成部分，直接影响到工业建筑的实际使用效果。支撑系统是钢结构的主体框架，只有对主支撑结构进行科学的设计，才能确保工业建筑的安全性和稳定性。设计时应考虑整体结构的刚度和柱的承载能力，避免发散结构倾斜和变形。此外，根据工业建筑总体布置空间、厂房高度、深度等因素，还应合理布置支撑系统，满足横向支撑系系统的要求[6]。钢结构比传统建筑材料具有更好的热导率，因此应充分重视保温系统，根据工业建筑的实际功能，科学应用保温材料，并采取防火措施，以提高钢结构的安全系数。

4 工业建筑钢结构设计的要点

4.1 荷载设计

在工业建筑钢结构设计中，应以钢结构的实际承载状态为标准，确保荷载值的准确性，从而为建筑的安全性和可靠性提供有力保证。此外，钢结构荷载设计还应考虑风荷载、温度荷载等外部因素。《建筑结构荷载规范》规定，永久荷载分项系数为1.2或1.35，可变负荷为1.3或1.4，设计值应大于标准值[7]。

4.2 保温隔热与防火

钢结构具有优良的热导率，对温度非常敏感。因此，在设计过程中应注意钢结构的隔热处理。如果设计的保温措施不科学，不仅不能保证工业建筑室内的实际温度，而且会在后续使用过程中造成较大的经济负担。此外，一些工业生产过程需要在高温条件下进行，钢结构热绝缘系统必须采取防火措施。一般来说，防火处理主要有两种措施，一种是在钢结构表面涂抹耐火材料，另一种是直接使用耐火材料。钢结构设计期间，首先，要做好防火区的处理，确定各区的面积。其次，车间内应设置疏散口，以满足国家标准的消防要求。为了使工业建筑达到防火标准，必须确保安全出口的合理性。最后，根据人口密度确定疏散距离和疏散路线，有助于及时将人员疏散到安全区，从而避免财产损失和人员伤亡。

4.3 立面设计

工业建筑的轻钢结构，其尺寸、颜色、变化和线条都有明显的特点。虽然彩色压型钢板可以突出丰富的色彩，但立面的设计在追求外观的同时会增加项目成本。为了避免这些问题，设计人员在钢结构立面设计时应尽量选用冷色调，这样不仅可以提高工业建筑的整体氛围，而且可以使整个结构更加立体[8]。

4.4 温度伸缩缝设计

由于钢结构工业建筑材料的独特性，其对温度变化的敏感性比混凝土结构更低，在温度变化下钢结构相对不易发生变形。钢结构工业建筑一般平面尺寸较大，温度伸缩节点应设计在结构中间部分，通常采用双柱设计。钢框架结构的温度区段规范没有明确规定，一般取值为混凝土的1.2到1.5倍。

4.5 屋盖支撑系统及屋面设计

钢结构工业建筑屋面支撑体系的布置应考虑高度、跨度、柱网布置、起重机吨位、屋面结构等因素。一般来说，梯形钢屋架结构设计宜采用垂直支承结构，屋架上弦杆采用上弦支承结构。如果屋架间距大于12m，或是厂房内部使用大型振动设备作业，应设置纵向水平支撑。屋面由保温层、防水层、隔汽层和屋面彩钢板内板组成，这种结构受温度因素影响较小[9]。此外，可以采用双层钢板加保温棉，这种形式比较常见，但受温度影响容易发生膨胀和收缩。在选择垫板、引出板和引弧板时，质量应与母材的质量一致。目前，在轻型屋面和檩条体系墙体的设计实践中，设计人员需要考虑美观、造价和后期使用安全等因素。单层压型钢板的自重为0.10～0.18kN/m2。在工业建筑有保温要求的情况下，可采用双层钢板夹超细玻璃纤维棉或岩棉。屋顶荷载一般不超过1.0kN/m2。在墙体材料设计中，应根据建筑的实际情况确定铺设方式，并注意墙体材料的美观性。

4.6 抗震性能设计

在钢结构工业建筑的抗震设计中，需要注意三点:一是结构的刚度必须均匀分布，否则会降低结构的抗震性能；二是有效设计承载力，避免结构发生倾斜；三是考虑地震对钢结构的影响，确保结构处于塑性工作状态。

在钢结构设计中，应确保构件布置的均匀性，合理布置工业建筑的竖向和水平结构。温差较大时产生的温度应力对钢结构的稳定性有严重影响，在设计过程中可以增加温度伸缩缝，或者采用双柱或单柱的方式进行设置。要做好结构支撑体系的设计，确保其合理性和科学性。钢结构的抗拉强度应根据厂房高度、振动设备、厂房吊车进行设计，顶板支护和柱间支护是两种常用的支护方式，需要进行协调。下柱支护通常设置在温度区的中间，保证车梁等构件能够实现自由伸缩[10]。

4.7 防腐设计

腐蚀会对钢结构造成严重损伤，可能导致钢结构表面腐蚀、构件截面减小等不良现象，缩短钢结构的使用寿命。因此，在设计过程中应加强钢结构的防腐防锈设计，在钢结构的表面涂上防锈漆，以便隔离外界环境的影响因素。对于外露的钢结构构件，应采取有效措施，防止钢结构构件出现腐蚀。

4.8 合理设置隅撑

在单层钢结构厂房设计中，应合理设置隅撑，避免柱内翼缘和梁下翼缘失稳。钢结构厂房的斜梁受力不固定，无法保证厂房的稳定性，下翼缘可能失去平面外支承力，因此可以在下翼缘位置设计支承。如果下翼缘承受较高的压力，有必要强化斜梁下翼缘支承结构。

5 工业建筑钢结构设计的步骤

5.1 选择钢材种类

在工业建筑钢结构设计中，选择合适的钢材种类非常必要。目前，我国生产的合金钢有300多种，碳钢有100多种。但是，由于钢结构受钢材的强度和变形能力的影响，在工业建筑钢结构设计中，要根据工业建筑的类型选择合适的钢材。

5.2 钢结构选型和布置分析

在钢结构设计过程中应注重整个结构体系与子系统的力学关系，通过工程经验、试验现象、破坏机理等方面明确设计思路，从建筑物的整体角度确定结构布局。工业建筑钢结构通常包括桁架、门式钢架、轻钢、框钢、排架等结构形式，因此应根据结构的性质、荷载分布和体系特点进行设计，以保证钢结构具有多道防护，防止钢结构受到移动荷载发散倾斜。

5.3 截面预估分析

在钢结构设计中，应对钢结构截面进行估算，考虑支座截面形状、尺寸以及柱梁截面。不同钢结构对支撑和柱梁截面的构造要求不同，柱截面考虑地震作用，长细比通常控制在50～100，工业建筑选用100左右。钢梁通常焊接或轧制H型钢，根据支承和荷载情况，截面高度通常在跨度的1/20～1/50。

5.4 节点构造设计分析

节点结构设计是钢结构设计中的重要内容之一。钢结构工业建筑柱梁结构一般采用热轧H型钢或焊接工字形节点，强轴向钢梁与钢柱节点通常采用刚性连接，弱轴向钢柱节点与钢柱节点通常采用铰接连接，大吨位钢柱底座与基础节点通常采用刚性连接，无吊车或吊车小型钢柱底座通常采用铰接。

5.5 编制钢结构图纸

工业建筑钢结构图由钢结构设计单位提供，包括设计图和施工详图，钢结构施工详图由钢结构制造公司根据钢结构详图编制。在钢结构图纸的编制过程中，设计依据、结构布置、设计要求、材料要求、技术数据、荷载数据、构件截面等，应在设计图纸中清楚标注，主要施工材料应编制详细清单，以便体现设计意图。

6 结语

钢结构在工业建筑方面应用广泛，具有材质轻盈、安装便捷、材料环保、抗震能力强、整体造价低等优势，适合可持续发展战略。工业建筑结构设计是否科学合理，将严重影响工业建筑的安全稳定。目前工业建筑钢结构设计中存在易腐蚀、耐热性差等问题，应制订有效的解决对策，加强工业建筑钢结构设计，确保工业建筑的安全性。