工业建筑设计中轻型钢结构的特点与设计探析

工业建筑设计中轻型钢结构的特点与设计探析

王孝强

中冶赛迪上海工程技术有限公司   上海 200940

摘要：工业建筑只是建筑行业两大类中的一种，通常指厂房，仓库等。凭借着轻型钢质轻高强的自身特性、造价低廉、施工方便等特点，被广泛用于轻载工业建筑物。利用这些钢可以推动建筑业的发展，探索其在建筑设计中的特性，有利于推动建筑业稳步发展。

关键词：工业建筑设计；轻型钢结构；特点

1轻型钢结构建筑的概念

随着时间的推移，轻钢结构在市场上的应用越来越广泛。根据不同的施工要求，可以采用不同的结构形式和形式。与其它结构相比，轻钢结构具有更轻的优点，并且可以在一定程度上改善工业建筑的质量。最初的轻钢建筑是由单层实心钢框架轻钢结构组成，后来随着有关部门对轻钢结构的研究不断深入，并逐步应用于厂房、车库、中小型厂房等行业，而且从应用情况来看，这种应用将会越来越广泛。

2钢结构和混凝土结构的比较

2.1材质

材料本身的性质会对建筑的各种性能产生影响，从而限制设计者对结构的各种功能需求。钢结构的主体是钢构件，具有较低的自重和良好的延性，但整体性能较差、密封性能差。混凝土结构采用钢筋混凝土，具有较高的自重和较高的刚性，在地震中的破坏较为显著；但是整体性能更好，不容易被外部腐蚀，密封性能好。材料决定了建筑的性能，也就是钢与混凝土的区别。所以，在进行设计时要充分认识到这些特点，相互取长补短，从而达到最大限度地利用其优点，从而达到经济、合理的设计目的。

2.2受力分析的模式

在基础上部，钢结构的主要受力部件是一种单一的钢材，因此，它的受力传递方式简单，路径清晰；该方法易于建立近似于真实应力状态的计算模型。而混凝土结构由于是由钢筋与混凝土结合而形成，因此其受力转移较为复杂，路径也不清晰；就算有人用这种假设建立了一个计算模型，但最终的结果和现实中的情况还是有很大区别的。如果说混凝土是钢筋混凝土的“复合体”，那么钢结构就是由不同的钢材组合而成的“组合体”。此外，钢筋混凝土结构的超静定次数一般较多，且各构件之间的节点刚度较钢结构大。

3轻型钢结构在工业建筑设计中的应用特点

对轻型钢结构的设计，进行了分析，由于H型钢采用了较轻的焊接方法，因此具有较高的截面利用率，可以大幅度降低钢用量。其次，由于建筑构件使用的材料单一，整体结构简单，因此工业化程度很高；相对于复杂的结构，自动化和批量化生产更加容易。而且其安装方便，更适合于工业和建筑行业的发展。最后，由于轻钢结构具有结构简单、施工经验丰富等优点，与其它结构相比具有较短的工期，因此在工程建设中可以有效地降低工程造价。另外，从性能上来说，它具有很好的质感，而且在使用中不会有太高的技术需求，它具有很好的实用性。

4工业建筑轻型钢结构设计的要点分析

4.1安全性

在实际使用中，由于外部环境的影响，很容易发生安全事故，影响工程进度。在建筑工程中，有关工作人员要注意防火、防爆、抗风、防腐、抗震等方面的工作。在实际工程中，火灾是一种较为普遍的灾害。工业厂房的火灾风险与其生产工艺、原料等因素有关。注意，并不是所有的工业建筑都要进行防火处理，例如戊级工厂、多层厂房，如果采用轻型钢结构，则不需要进行防火措施。

4.2经济性

在轻质钢结构工业级建筑的设计中，为了使建设项目最终获得经济利益，满足企业的期望，必须遵守经济原则。从目前的市场发展情况来看，企业的核心竞争力主要体现在生产效率和经济效益两方面。当前，随着我国经济的快速发展，各个产业在现实的发展进程中，为适应时代的发展而进行了相应的变革；人们更加关注经济。因此，确保公司的经济效益是企业实现可持续发展、现代化的重要途径。在进行施工方案设计时，应根据施工现场的实际情况，采用各种方法，既能使工程的总体质量符合市场需要，又能使经济投资最小化，又能增加经济效益。经济型轻钢结构工业建筑的设计，包括合理选址、科学规划施工总图、防火分区划分；建筑防火等级的确定和单体的大小的控制。

5轻型钢结构工业建筑的空间设计

5.1结构选型

由于不同行业和行业的具体要求，在进行轻钢结构的设计时，所采用的结构形式也不尽相同。目前比较常用的有门型钢架、箱型钢架和网架等。以门式钢结构工业大厦为例，根据设计方案，采用多种规格的轻钢进行拼装固定，形成了结构框架。在建筑后期的拆迁中，大约80%-90%的轻钢材料能被再利用。从结构的细节构成来看，它包括连续梁框架、边柱和角柱等，连接部分一般是通过焊接或螺栓进行固定。门型钢框架结构一般适合于中小型的工业建筑物，而在大型的工业建筑物中，也可以采用多个门型钢框架并联，但要在其连接处进行牢固的固定。

5.2设计要点

5.2.1形体错列

在进行轻钢结构设计时，产生错列式的主要原因在于进行受力分解，尤其是大型工业建筑，采用形体错列法可以使跨距变小；防止在中部的轻钢结构发生严重的弯曲和下沉。按错列方向的差异，可将其划分为纵向和横向两类。所谓竖向错位，就是通过调整不同的间距，来调整轻钢结构的高度。这样可以增加工业建筑的立体视觉效果，增加美感，同时也能确保轻钢结构在承受方面的平衡。在多层的箱型结构中，横向错列最常见。其最显著的特征是，建筑的横向空间可以按照要求无限扩展，个别的箱体具有自身的作用，或者在室内彼此连接形成一个大的空间。在工业建筑中，通常用于工业展览场所。

5.2.2结构悬挑

工业生产并不局限于内部，开放式的半露天空间使建筑的功能流线清晰，便于物料的运输、卸货。轻型钢结构具有很好的伸长能力，可以在屋顶上向外挑出更大的灰度。该产品在石油加工、销售一体化、矿产加工业、工厂提货区等行业中得到了广泛的应用，还可以单独用作大型的遮雨、集会设施。

5.3结构节点的空间造型

现代建筑注重结构的造型，裸露的节点能真实地反映出建筑与结构之间的联系，从而形成一种新的美学趣味。钢结构节点除了能解决节点处的应力问题外，还可以按照造型的需要，塑造出符合逻辑的空间意象，使结构间的力量传递艺术化和视觉化。所以，空间形式的精细程度常常反映在各个节点的精细程度，而准确、简洁的结构节点无疑是轻钢建筑空间设计的关键。

6轻型钢结构工业建筑的立面设计

6.1门窗设计

轻钢建筑的门、窗、雨篷等是建筑的重要组成部分。在门的设计上，工厂大门可按实际需要选择卷扎门、大型推拉门、平门等。装卸区的门上设有门套和防撞柱，可与雨篷组合，防止雨水冲刷。在门窗位置不一致的情况下，可以增加窗户的可视大小，使其与窗户的布置相匹配。在窗体的设计上，应根据实际的生产和运行需求，进行灵活的设计。比如像造纸企业这样的工厂，窗户不仅要有采光的作用，还要考虑通风和除臭的作用。在进行设计时，要尽可能使窗户的面积尽可能大。像食品厂、电子厂这样的工厂，都是在密闭的环境下工作的，所以窗户的尺寸要尽量小。

6.2色彩设计

轻钢结构自身有一定的美感，在工业建筑的设计中，可以用鲜艳的颜色来增加建筑的美感。此外，在轻质钢结构的建筑内部，还可以利用色彩的标识来提示员工的心理；创造一个舒适，高效的工作环境。在色彩方面，可选用彩色压型钢板，或与部分玻璃幕墙相配合，使工业建筑的结构面色彩更加丰富。根据工业楼宇内部的不同功能区域，进行色彩搭配。比如，工作区域以绿色和蓝色为主，绿色能减轻人们的视觉疲劳，蓝色能使人干净整洁；休息区、生活区以白色、米黄色为主，可以营造出一种温馨和谐的心理氛围。

6.3隔热设计

工业建筑由于其工作环境的特殊性，对其温度有一定的要求，一般都是在特定的温度范围内。所以，在进行轻质钢结构建筑的设计时，必须对其进行保温设计。从门窗部位、外墙部位等方面进行了优化。在轻钢框架的基础上，还可以根据不同的特殊要求，选用ALC加气混凝土板、彩色压型钢板等辅助材料。在建筑的外立面设计中，采用离心玻璃棉等新型材料，对轻型钢结构进行铺贴固定，从而达到设计、施工、使用的目的。

6.4钢结构防火设计方法 

《钢构防火规范》3.2.1条和条款中的“钢结构的耐火检验和防火设计，必须符合建筑的耐火极限。”另外，钢结构的火灾检验仅限于承载力，并未按照正常的使用极限状态进行检验。本条款是一项强制性的规定，它对结构的承载力有很大的影响，并与建筑物的结构安全有关。

《钢构防火规范》3.2.3条中，提出了一种以整体为基础的火灾检测方法和以构件为基础的火灾检测方法。基于整体结构的计算方法是科学、合理的，但操作过程和设计需要考虑的因素很多，目前缺少通用的结构设计软件，手工计算是不可行的。

7轻型钢结构工业建筑屋面设计

7.1钢结构的二次利用设计

首先，钢结构节点与混凝土节点的区别在于，它的节点数量和类型都很多；它的外形和受力都很复杂，同时还要考虑到工厂的加工、现场的施工、施工等方面的问题；相比于混凝土，它的难度要大得多。另外，钢结构工程中最突出的一项就是焊接工艺，它是钢结构设计中的一个重要环节。其次，经过数百年的发展，目前的施工技术已比较成熟，在结构设计图送到工地后；在工地上进行基础工作，如钢筋试样、梁板柱支撑等。但是，钢结构的不同之处在于，在进行现场构件的安装之前，需要进行二次钢结构的深化；二次深化设计非常重要，不能掉以轻心，特别是在某些大型钢结构项目中，二次深化设计的好坏将直接关系到项目的整体进度与质量。二次深化是一次设计思想的落实与落实，同时也是一次设计的补充与完善。当前，国内的一次钢结构设计方案，在深度和广度方面，各设计院表示的并不统一，有些大型设计院的做法较为规范；所出的施工图纸问题也较少，二次加深也较为顺畅。但近年来，由于钢构项目的不断发展，一些处于较低地位的节点设计常常按合同要求由施工单位来完成，而一期设计院只提供了结构图和主要节点图；剩余的节点则由中标单位进行二次设计，在经过最初的设计审查后才能进行深化。

7.2功能设计

由于工业建筑的屋顶面积比较大，一些连续、多跨的房屋又分成多个屋脊，并含有多个内部排水沟，这就给屋顶的设计提出了更高的要求。在屋顶结构的设计中，应充分发挥各种基本功能，以满足工业建筑正常、安全使用的需要。比如，要注意屋顶排水的设计，一般采用3%~5%的排水斜率。若斜坡太大，势必会占用工业建筑内部的空间；但如果坡度太低，就会对排水产生不利的影响。另外，房子的面板连接部位要注意防水，内天沟要注意排水，防止设计不当造成长期积水。除排水设计之外，屋面通风、屋面采光等也是轻钢结构的重要组成部分。

7.3造型设计

为保证轻钢结构的稳定，屋顶结构通常不做过多的形式设计，力求实用，保证稳定和安全。而现代的一些大型工业建筑，对美观要求更高，所以在屋顶的造型设计中，要做到既实用又美观。比如，设计师可以考虑采用整体式的墙体屋顶设计，使水平屋顶与竖向墙体自然过渡，没有任何棱角；这种排水方式很方便，造型也很别致，很符合人们的审美需求。另外，近几年轻钢结构房屋的屋顶造型，如入口强调式、结构组合式等。

结束语

随着我国工业建筑设计的发展，建筑结构的设计观念也随之发生了改变。同时，目前节能环保思想已经渗透到各行各业，为发展和应用轻钢结构创造了一个良好的机会，它具有节能性、抗风性和抗震性，符合节能和环境保护的要求。

参考文献

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