周 安 樓

(攀枝花攀鋼集團(tuán)設(shè)計(jì)研究院有限公司，四川 攀枝花　617000)

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工業(yè)廠房鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的現(xiàn)狀及改進(jìn)對(duì)策

周 安 樓

(攀枝花攀鋼集團(tuán)設(shè)計(jì)研究院有限公司，四川 攀枝花617000)

介紹了鋼結(jié)構(gòu)的特性，分析了目前鋼結(jié)構(gòu)廠房設(shè)計(jì)中存在的問(wèn)題，從結(jié)構(gòu)布局、截面設(shè)計(jì)、節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)、支撐體系等方面，闡述了鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的改良措施，為鋼結(jié)構(gòu)的推廣應(yīng)用提供了條件。

鋼結(jié)構(gòu)，工業(yè)廠房，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

0　引言

在這個(gè)以鋼筋混凝土為主宰的時(shí)代，鋼結(jié)構(gòu)在建筑業(yè)中的重要作用是無(wú)法替代的。經(jīng)濟(jì)的發(fā)展促使大批的工業(yè)廠房建立，這對(duì)鋼結(jié)構(gòu)技術(shù)的應(yīng)用也提出了更高的要求。鋼結(jié)構(gòu)的承重能力強(qiáng)，這為工業(yè)廠房的安全性提供了保障；另外，鋼結(jié)構(gòu)的安裝機(jī)械化程度高，這在一定程度上加快了工業(yè)廠房的建設(shè)速度，縮短了施工期限，節(jié)省了大量成本。當(dāng)然，鋼結(jié)構(gòu)技術(shù)并不是完美無(wú)缺的，它也存在一些問(wèn)題，這就需要我們的技術(shù)人員在設(shè)計(jì)鋼結(jié)構(gòu)的過(guò)程中注意避免這些問(wèn)題的發(fā)生，以便建設(shè)出安全高質(zhì)量的工業(yè)廠房。

1　鋼結(jié)構(gòu)的特性

1.1鋼結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)

如今鋼結(jié)構(gòu)的零部件都是批量生產(chǎn)，鋼結(jié)構(gòu)的安裝機(jī)械化水平極高，事先設(shè)計(jì)好的鋼結(jié)構(gòu)模型能很快地拼接好，這大大減少了施工時(shí)間；鋼結(jié)構(gòu)自重較輕，這方便了施工人員的運(yùn)輸和安裝；此外，它的承重能力和抗震能力極強(qiáng)，地震發(fā)生時(shí)它相對(duì)于混凝土更具可靠性，不會(huì)輕易倒塌；從經(jīng)濟(jì)因素考慮，鋼結(jié)構(gòu)強(qiáng)度高，可塑性強(qiáng)，可循環(huán)利用，這大大降低了工業(yè)廠房的建設(shè)成本。同時(shí)鋼結(jié)構(gòu)廠房是廠房中比較普遍的一種，這種廠房具有很多的優(yōu)點(diǎn)，造型非常美觀、色彩較為鮮艷、建筑體型多樣化、工程造價(jià)較低、建設(shè)周期較短、機(jī)械化程度較高、安裝施工較為簡(jiǎn)便、平面布局靈活易改造。并且鋼材本身材質(zhì)重量輕，材質(zhì)密度均勻，實(shí)際受力比與力學(xué)計(jì)算模型較近似，易于計(jì)算處理。

1.2鋼結(jié)構(gòu)廠房的特點(diǎn)

1)廠房?jī)?nèi)部一般都比較寬敞，高度都會(huì)高于普通住房，而鋼結(jié)構(gòu)跨度大的特點(diǎn)剛好滿足了這一方面的需求；另外其自身重量比較輕，體積適中，施工人員可隨意拼接出各種不同的造型，能建設(shè)出不同形狀的建筑，比如北京鳥(niǎo)巢，如今它已經(jīng)是我國(guó)的標(biāo)志性建筑。

2)目前我國(guó)的重工業(yè)廠房大部分都是鋼結(jié)構(gòu)建成的，這主要是由廠房特殊的需要所決定的。廠房多用于機(jī)械制造設(shè)備的放置，加工器械組裝，這通常要求無(wú)障礙的寬廣空間，縱向的鋼鐵柱狀結(jié)構(gòu)往往可以保證相當(dāng)長(zhǎng)的間距，這一點(diǎn)對(duì)于創(chuàng)建廠房空間是十分必要的。在合理的結(jié)構(gòu)規(guī)劃下，縱向柱狀鋼結(jié)構(gòu)間距可以達(dá)到20 m的范圍。

3)吊車(chē)作業(yè)通常是鋼結(jié)構(gòu)廠房中最基本的操作，大量的吊車(chē)使用量和較高的吊車(chē)使用頻率對(duì)吊車(chē)的質(zhì)量提出了嚴(yán)苛的要求。為了使廠房達(dá)到較好的使用情況，盡可能的選擇承載能力較大的吊車(chē)類(lèi)型，一般情況下，重級(jí)工作制即可滿足絕大部分廠房需要。

4)鋼結(jié)構(gòu)，具有很強(qiáng)的承載能力，一般在廠房的設(shè)計(jì)建造時(shí)通常會(huì)使承重構(gòu)件具有較大的橫截面積，這進(jìn)一步提高了鋼結(jié)構(gòu)的承載能力。較強(qiáng)的可塑性使鋼結(jié)構(gòu)承重在幾何學(xué)方面有很大的提升，最為基本的三角鋼結(jié)構(gòu)已隨處可見(jiàn)。

5)雖然鋼結(jié)構(gòu)有很多優(yōu)點(diǎn)，但是也不能忽略一個(gè)致命的潛在問(wèn)題，那就是鋼材不耐火。很多人都認(rèn)為鋼材既不是易燃材料怎么會(huì)不抗火。鋼材雖然屬于不可燃材料，但是在高溫的環(huán)境中，其力學(xué)性能就會(huì)發(fā)生變化，比如屈服強(qiáng)度，彈性模量等都會(huì)隨著溫度的升高而降低。當(dāng)溫度達(dá)到500 ℃以上時(shí)，降低幅度更為明顯，一般在15 min左右就會(huì)喪失承重能力而發(fā)生垮塌。

圖1為鋼結(jié)構(gòu)廠房的實(shí)例圖。

2　我國(guó)當(dāng)前鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)問(wèn)題分析

2.1鋼結(jié)構(gòu)廠房的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

由于工藝布置等方面的要求，為了拓展廠房的空間，鋼結(jié)構(gòu)廠房一般會(huì)采用框架結(jié)構(gòu)，此外，如果廠房的層數(shù)比較多且能達(dá)到一定的工藝條件時(shí)也能采用框剪結(jié)構(gòu)。鋼結(jié)構(gòu)廠房設(shè)計(jì)對(duì)其結(jié)構(gòu)布置的要求是要對(duì)稱均勻地布置柱網(wǎng)，并使廠房的質(zhì)量中心與剛度中心接近，達(dá)到降低廠房空間的扭轉(zhuǎn)作用的目的。鋼結(jié)構(gòu)廠房的結(jié)構(gòu)體系需要具備規(guī)則、簡(jiǎn)捷以及傳力明確的特點(diǎn)，防止凹角、收縮以及現(xiàn)應(yīng)力集中或者由于豎向過(guò)多而導(dǎo)致的內(nèi)收或外挑等現(xiàn)象的出現(xiàn)，提高豎向剛度的穩(wěn)定性。而在多層廠房中，由于其柱距方向尺寸小，柱子多、跨度方向尺寸大，柱子少的特點(diǎn)，所以一般對(duì)其采用橫向控制的方式，實(shí)現(xiàn)縱橫向的抗震能力的一致，提高鋼結(jié)構(gòu)廠房的抗震性能，促進(jìn)鋼結(jié)構(gòu)廠房設(shè)計(jì)的經(jīng)濟(jì)性和合理性。

2.2理念的缺失

我國(guó)的鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)一般分為兩級(jí)，首先一般設(shè)計(jì)部門(mén)根據(jù)建設(shè)需要進(jìn)行工圖的設(shè)計(jì)，在工圖設(shè)計(jì)滿足規(guī)范后移交專業(yè)的鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)單位，由具有資質(zhì)的專業(yè)機(jī)構(gòu)進(jìn)行二次詳圖設(shè)計(jì)。這為數(shù)不多的環(huán)節(jié)中存在著諸多問(wèn)題，設(shè)計(jì)院的初步結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)往往只有一些較為簡(jiǎn)單的結(jié)構(gòu)布局，設(shè)計(jì)人員缺乏對(duì)鋼結(jié)構(gòu)的基本認(rèn)識(shí)，單從設(shè)計(jì)方面出發(fā)而未融合鋼結(jié)構(gòu)的一些特有屬性導(dǎo)致鋼結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)無(wú)法充分發(fā)揮。許多工程設(shè)計(jì)人員存在理論知識(shí)基礎(chǔ)不牢、缺乏實(shí)戰(zhàn)經(jīng)驗(yàn)、缺乏嚴(yán)謹(jǐn)求實(shí)的精神，甚至有許多應(yīng)屆的大學(xué)生也參與到設(shè)計(jì)項(xiàng)目中來(lái)，這往往會(huì)導(dǎo)致鋼結(jié)構(gòu)項(xiàng)目在設(shè)計(jì)的時(shí)候就存在很大隱患。在工圖設(shè)計(jì)與二次詳圖設(shè)計(jì)交接的過(guò)程中同樣存在著諸多問(wèn)題，設(shè)計(jì)院設(shè)計(jì)圖紙不規(guī)范現(xiàn)象普遍存在，設(shè)計(jì)人員經(jīng)常用一些簡(jiǎn)單的線條，結(jié)點(diǎn)進(jìn)行設(shè)計(jì)表達(dá)，這為二次的詳圖設(shè)計(jì)帶來(lái)很大麻煩。國(guó)內(nèi)施工單位的水平同樣參差不齊，某些規(guī)模較小的施工單位甚至還缺乏信息化的基本條件，不具備整套的計(jì)算機(jī)軟硬件設(shè)備。由于施工單位偷工減料而產(chǎn)生的“豆腐渣”工程也廣泛的存在于鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的施工中。鋼結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)對(duì)工程質(zhì)量是否合格有著潛移默化的影響，我們必須以高標(biāo)準(zhǔn)來(lái)要求鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，以免工程質(zhì)量不合格造成經(jīng)濟(jì)損失和人員傷亡。

2.3鋼結(jié)構(gòu)的耐火性和抗腐蝕性有待提高

通?？磥?lái)，我們都認(rèn)為鋼結(jié)構(gòu)抗火性強(qiáng)，其實(shí)不然，在廠房建設(shè)中它的抗火性卻成為為數(shù)不多的缺點(diǎn)。沸水的溫度一般為100 ℃，在我們看來(lái)這個(gè)溫度極高，會(huì)嚴(yán)重燙傷我們的皮膚。然而，對(duì)于鋼鐵，這是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的。一般情況下，鋼結(jié)構(gòu)的溫度達(dá)到400 ℃以上，那么它的強(qiáng)度只是常溫下強(qiáng)度的一半；當(dāng)溫度高于600 ℃或甚至更高時(shí)，鋼結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度就會(huì)為零?；馂?zāi)對(duì)建筑物具有毀滅性打擊，一旦建筑物著火，不僅會(huì)造成經(jīng)濟(jì)損失，還會(huì)造成許多人員傷亡，所以在廠房建設(shè)中耐火因素必須考慮到。在大型建筑物中，我們要做到未雨綢繆，提前準(zhǔn)備好可以對(duì)鋼材料表層涂隔熱的特殊材料，這樣即使溫度達(dá)到一定的高度，對(duì)鋼材性能的影響也會(huì)大幅減弱，不會(huì)造成鋼材料強(qiáng)度的降低。

另外，鋼材料具有一定的腐蝕性。一般建筑物都是暴露在空氣中，鋼材料在空氣中會(huì)氧化；遇到雨季，鋼結(jié)構(gòu)就會(huì)出現(xiàn)大面積的銹漬。這就要求我們對(duì)鋼材料采取一定抗腐蝕措施，以免鋼材料的嚴(yán)重腐蝕影響它的載重能力，造成建筑物坍塌的情況。鋼材料生銹還影響建筑物整體的美觀性。目前，我國(guó)最普遍的方式就是對(duì)鋼結(jié)構(gòu)添加保護(hù)層來(lái)使其減慢腐蝕，避免快速氧化。一般的保護(hù)層分為金屬保護(hù)層和非金屬保護(hù)層，此外還有化學(xué)保護(hù)層，保護(hù)層的選用要根據(jù)建筑物具體情況來(lái)決定。我們要知道，并不是對(duì)建筑物添加了保護(hù)層，它就不會(huì)被腐蝕，這只是減慢了腐蝕的時(shí)間，我們要對(duì)建筑物進(jìn)行基層除銹，合理保護(hù)建筑物。

2.4鋼材料的傳導(dǎo)性

我們都知道在空曠的鋼結(jié)構(gòu)建筑物里面，大聲說(shuō)話可以聽(tīng)到回音，這就是由鋼材料良好的傳導(dǎo)性決定的。另外，溫度也可以通過(guò)鋼材料進(jìn)行傳遞，我們可以合理利用這一原理。比如在寒冷的冬季，我們可以將鋼材料外部的熱量傳遞到內(nèi)部，從而增加室內(nèi)溫度。一般在大型公共場(chǎng)合，其空間相對(duì)較大，這就為聲音的傳遞創(chuàng)造了條件，通常我們會(huì)利用反射板來(lái)解決回音的問(wèn)題。

3　鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的合理改良

3.1結(jié)構(gòu)與布局的改進(jìn)

鋼結(jié)構(gòu)在形式方面的選擇具有一定的科學(xué)依據(jù)，不同的形式具有不同的作用。鋼結(jié)構(gòu)一般可分為網(wǎng)架、框架和平面架，我們要根據(jù)廠房的實(shí)際情況選用科學(xué)合理的鋼結(jié)構(gòu)形式。荷載的大小是在進(jìn)行鋼結(jié)構(gòu)形式選擇時(shí)首要考慮的問(wèn)題，鋼結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)一定要均勻，一般荷載較大的情況下選用網(wǎng)架最為合適，其能使鋼結(jié)構(gòu)充分發(fā)揮最佳作用。

3.2鋼結(jié)構(gòu)截面設(shè)計(jì)

鋼結(jié)構(gòu)截面的合理設(shè)計(jì)極為關(guān)鍵，它必須根據(jù)各個(gè)支柱間的距離、跨度以及支柱的高度來(lái)決定。為了確保截面設(shè)計(jì)的精確性，必須對(duì)支柱各方面的測(cè)量更加細(xì)心，決不能出現(xiàn)誤差。測(cè)量時(shí)幾毫米的誤差反映在建筑物上就會(huì)被放大，會(huì)使這個(gè)建筑物處于危險(xiǎn)狀態(tài)。所以，我們?cè)趯?duì)截面的設(shè)計(jì)中要格外的細(xì)心，以免因小的誤差引起大的事故。另外，合理的截面設(shè)計(jì)會(huì)使整個(gè)建筑物看起來(lái)更加美觀。

3.3整體結(jié)構(gòu)的改進(jìn)

建筑物主要框架是由鋼結(jié)構(gòu)支撐起來(lái)的，可見(jiàn)鋼結(jié)構(gòu)的整體設(shè)計(jì)對(duì)整個(gè)建筑物尤為關(guān)鍵。鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)問(wèn)題極為嚴(yán)肅，一定要聘請(qǐng)資深的設(shè)計(jì)人員進(jìn)行設(shè)計(jì)，決不能為節(jié)約成本，聘請(qǐng)非專業(yè)人士，以免對(duì)整個(gè)建筑物產(chǎn)生不利影響。目前鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)一般以線性彈性分析為主，部分設(shè)計(jì)軟件同時(shí)也考慮到幾何非線性分析，這大大提高了鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的精確性。為設(shè)計(jì)出最佳方案，我們可先用不同的設(shè)計(jì)軟件進(jìn)行建模，然后請(qǐng)資深的專業(yè)人員再對(duì)其建模完成的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，從而選擇出最適合廠房實(shí)際需求的方案。

鋼結(jié)構(gòu)本身可以循環(huán)利用，是一種環(huán)保的建筑物料，也是我國(guó)使用最多的建筑材料。建筑物的安全性不容小視，一個(gè)建筑可以在外形上不美觀，但一定要安全可靠。在多層建筑鋼結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)時(shí)，可以采用純框架和支撐框架二者合一，以加強(qiáng)鋼結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。北京鳥(niǎo)巢是鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)最為完美的代表，它不僅外觀漂亮，抗震性也極高。

3.4節(jié)點(diǎn)方面設(shè)計(jì)的改進(jìn)

鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)要考慮到節(jié)點(diǎn)這個(gè)因素，如果鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)分析不準(zhǔn)確，就會(huì)使實(shí)際設(shè)計(jì)出來(lái)的節(jié)點(diǎn)與事先設(shè)計(jì)的節(jié)點(diǎn)不一致。節(jié)點(diǎn)的連接方式對(duì)整個(gè)建筑的安全性有著不可忽視的影響，所以一定要根據(jù)結(jié)構(gòu)傳力特點(diǎn)的不同選擇合適的連接方式，一般可以選擇剛接、半剛接和鉸接三種連接方式其中的一種。節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)要考慮到施工人員的施工條件和施工環(huán)境，以便施工人員進(jìn)行合理施工。

3.5鋼材的保溫隔熱與防火及有關(guān)舉措

鋼材的導(dǎo)熱性能優(yōu)良，當(dāng)其處于溫度不一樣的情況下時(shí)，鋼架構(gòu)的抗拉性與塑性均會(huì)產(chǎn)生很大的變化，大致包括4個(gè)層級(jí)：第一，受熱溫度高于100 ℃；第二，受熱溫度在100 ℃～250 ℃區(qū)間內(nèi)；第三，受熱溫度在250 ℃～500 ℃區(qū)間內(nèi)；第四，受熱溫度高于500 ℃，而且在這4個(gè)溫度等級(jí)內(nèi)鋼架構(gòu)的抗拉性與塑性均會(huì)產(chǎn)生不同的變化，相應(yīng)的對(duì)鋼架構(gòu)造成程度不一的影響。其中當(dāng)鋼架構(gòu)所受溫度在2～4區(qū)間時(shí)鋼架構(gòu)會(huì)分別產(chǎn)生藍(lán)脆反應(yīng)、漸變反應(yīng)、鋼材節(jié)后塌落反應(yīng)。從這可以知道，當(dāng)鋼架構(gòu)所處環(huán)境的溫度在100 ℃以上的時(shí)候便一定要采用科學(xué)的隔熱舉措，來(lái)提升鋼材的抗熱性，防止鋼架構(gòu)受熱產(chǎn)生較大變化。

鋼架構(gòu)的防火一般有下述幾種方式：構(gòu)建自動(dòng)噴水滅火體系、設(shè)立防火帶、設(shè)立防火墻、防火門(mén)、單獨(dú)水幕。其中設(shè)立防火墻是最簡(jiǎn)便、高效、最經(jīng)濟(jì)的方式。通常在廠房高度低于8 m亦或僅需要?jiǎng)澐謨蓚€(gè)區(qū)的狀況下，可設(shè)立智能?chē)娝w系，讓防火面積增大1倍，以達(dá)到有關(guān)規(guī)定。

3.6屋蓋支撐體系設(shè)計(jì)

在屋蓋支撐機(jī)制設(shè)計(jì)過(guò)程中，對(duì)支撐體系的選取與屋面防水問(wèn)題應(yīng)當(dāng)謹(jǐn)慎考慮。通常來(lái)說(shuō)，屋蓋支撐體系的設(shè)計(jì)和生產(chǎn)車(chē)間高度及跨度、屋蓋架構(gòu)方式、吊車(chē)設(shè)立和噸位等要素相關(guān)，并且在大部分狀況下，不管有無(wú)檁條的屋蓋架構(gòu)均應(yīng)當(dāng)設(shè)計(jì)為縱向支撐機(jī)制。在沒(méi)有檁條支撐的機(jī)制中，盡管大規(guī)模屋面板有3點(diǎn)與屋架焊在一起，發(fā)揮了上弦支撐的功能，可是因?yàn)樽鳂I(yè)條件的制約與裝設(shè)的需要，不管有無(wú)檁條的屋蓋均應(yīng)當(dāng)在屋架上弦與天窗架上弦設(shè)立上弦水平方向支撐。此外，如果廠房屋架距離在20 m以上亦或內(nèi)部設(shè)立有大噸位吊車(chē)亦或大規(guī)模震動(dòng)設(shè)施，這種狀況下均應(yīng)當(dāng)在廠房?jī)?nèi)設(shè)立垂直方向的支撐。在屋蓋支撐設(shè)計(jì)過(guò)程中一定要設(shè)置好屋面坡度，天溝方式、單坡屋面長(zhǎng)度，這是由于此些要素對(duì)于房屋防水功能的優(yōu)劣有很大程度的影響。依據(jù)相關(guān)要求，屋面坡度最小為5%，但是實(shí)際狀況應(yīng)當(dāng)依據(jù)各個(gè)區(qū)域的特點(diǎn)進(jìn)行有關(guān)調(diào)整。廠房所在地方的最大氣溫差與降水量的多少是生產(chǎn)車(chē)間單坡屋面長(zhǎng)度的主要影響要素，可是整體而言單坡屋面長(zhǎng)度應(yīng)當(dāng)管控在70 cm以內(nèi)，比70 cm長(zhǎng)的應(yīng)當(dāng)特別處置。

4　結(jié)語(yǔ)

鋼材料相對(duì)于混凝土具有許多優(yōu)勢(shì)，它的強(qiáng)度高，載重能力極強(qiáng)，可塑性高，而且它是環(huán)保建筑材料，這使得它在我國(guó)建筑業(yè)中應(yīng)用廣泛。另外，鋼結(jié)構(gòu)可以循環(huán)利用，其順應(yīng)了可持續(xù)發(fā)展道路的發(fā)展方向。隨著人們生活水平的提高，人們對(duì)建筑物的觀賞性提出了更高的要求，鋼結(jié)構(gòu)可以滿足建筑物美觀方面的要求。雖然鋼結(jié)構(gòu)也存在一些問(wèn)題，但是專業(yè)人員可采取一定的措施來(lái)改變現(xiàn)狀，由此看來(lái)，鋼結(jié)構(gòu)在建筑業(yè)的應(yīng)用前景相當(dāng)樂(lè)觀。

[1]陳飛.淺談鋼結(jié)構(gòu)廠房設(shè)計(jì)現(xiàn)狀及優(yōu)化對(duì)策[J].城市建筑，2014(2)：67-68.

[2]彭偉宣.小議鋼結(jié)構(gòu)建筑構(gòu)件的防火措施[J].中國(guó)新技術(shù)新產(chǎn)品，2010(19)：107.

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The present situation and improvement countermeasures of industrial plant steel structure design

Zhou Anlou

(PanzhihuaPangangGroupDesignandResearchInstituteLimitedCompany,Panzhihua617000,China)

This paper introduced the characteristics of steel structure, analyzed the existing problems in current steel structure workshop design, from the structure layout, interface design, node design, support system and other aspects, elaborated the improvement measures of steel structure design, provided conditions for the promotion and application of steel structure.

steel structure, industrial plant, structure design

1009-6825(2016)08-0063-03

2016-01-08

周安樓(1963- )，男，工程師

TU391

A