文／王彥哲 遼寧本鋼集團(tuán)有限公司 遼寧本溪 117000

引言：

工業(yè)廠房的建設(shè)是當(dāng)代建筑行業(yè)最重要的工程項目之一，但是由于人們對各方面的要求都增加，對設(shè)計單位的方案的技術(shù)性及經(jīng)濟(jì)性都有極大的挑戰(zhàn)，要求設(shè)計人員能夠加強各方工作，要求建設(shè)單位管理人員提供安全和經(jīng)濟(jì)意識，設(shè)計端和用戶端一同對鋼結(jié)構(gòu)工業(yè)廠房的應(yīng)用和發(fā)展做出跟多貢獻(xiàn)。

1、鋼結(jié)構(gòu)工業(yè)廠房建筑設(shè)計的特點

1.1 經(jīng)濟(jì)性

由于鋼結(jié)構(gòu)的穩(wěn)固性較好，使用鋼結(jié)構(gòu)工業(yè)廠房在設(shè)計時就可以節(jié)省很多環(huán)節(jié)，和傳統(tǒng)的廠房建設(shè)相比，在施工時可以節(jié)省很多材料和技術(shù)的應(yīng)用，不僅能夠為企業(yè)節(jié)省大量的材料成本，而且還降低了人工成本的消耗，有利于企業(yè)實現(xiàn)經(jīng)濟(jì)效益。鋼結(jié)構(gòu)產(chǎn)品的工業(yè)化程度較高，施工單位借助專業(yè)的生產(chǎn)線讓鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件實現(xiàn)機械化生產(chǎn)，不僅能夠提高構(gòu)件的整體質(zhì)量，還有效節(jié)約了制造構(gòu)件的材料，減少施工材料的消耗，為企業(yè)節(jié)省成本，提高經(jīng)濟(jì)效益。

1.2 便捷性

鋼結(jié)構(gòu)廠房在現(xiàn)代工業(yè)廠房中被廣泛應(yīng)用，主要由于其有突出的優(yōu)勢和特點。鋼結(jié)構(gòu)廠房與其他結(jié)構(gòu)的廠房相比，更具有便捷性的特點，在進(jìn)行廠房設(shè)計時，將整個廠房的設(shè)計進(jìn)行簡化，可以有效減少施工時的步驟，不僅能夠使設(shè)計更為簡單，而且還可以提高企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益，對企業(yè)的整體發(fā)展有重要的意義。

1.3 環(huán)保性

鋼結(jié)構(gòu)工業(yè)廠房在建造時會有很多金屬網(wǎng)架形成的閑置空間，在這些閑置空間內(nèi)設(shè)置各種管道，不僅可以有效利用空間資源，還能夠增加其他工程施工的便利性，極大地降低了建筑施工的成本。而且，鋼結(jié)構(gòu)的使用壽命很長，可以進(jìn)行回收再利用，將來廠房改建、擴建等都不需要再重復(fù)進(jìn)行鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件的購置，制造的建筑垃圾較少，有利于環(huán)境保護(hù)。同時，鋼結(jié)構(gòu)工業(yè)廠房在施工建設(shè)中產(chǎn)生的噪聲污染和粉塵污染較少，對生態(tài)環(huán)境的保護(hù)具有重要意義。

1.4 空間利用率高

鋼結(jié)構(gòu)工業(yè)廠房是由鋼結(jié)構(gòu)進(jìn)行拼裝組接而建造的，不需要進(jìn)行大面積的鋼筋混凝土澆筑和墻面的建造，對空間的占用較少，而且鋼結(jié)構(gòu)廠房的建造更加靈活，只要保持整體結(jié)構(gòu)的穩(wěn)固，工廠可以根據(jù)生產(chǎn)的實際要求，對內(nèi)部結(jié)構(gòu)進(jìn)行調(diào)整，使空間利用更加多樣化，內(nèi)部結(jié)構(gòu)更加科學(xué)合理，提高空間的利用率。鋼結(jié)構(gòu)工業(yè)廠房的設(shè)計者應(yīng)在保證整體結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的基礎(chǔ)上，結(jié)合工廠使用的具體情況，對閑置空間進(jìn)行充分地利用，合理利用空間。

2、鋼結(jié)構(gòu)工業(yè)廠房設(shè)計的要點

2.1 抗震設(shè)計的要點

我國是地震多發(fā)的國家，地震不僅頻次高， 而且強度大，給我國的經(jīng)濟(jì)發(fā)展和人民生活帶來了巨大的災(zāi)難。因此在進(jìn)行鋼結(jié)構(gòu)工業(yè)廠房的設(shè)計時應(yīng)注意防震措施的設(shè)計。鋼結(jié)構(gòu)的穩(wěn)固性較好，所以鋼結(jié)構(gòu)廠房的整體抗震性相較于傳統(tǒng)的廠房更佳，設(shè)計人員應(yīng)在此基礎(chǔ)上將廠房的抗震性進(jìn)一步提升，尤其是地震多發(fā)地區(qū)，如果沒有有效的抗震措施，單憑鋼結(jié)構(gòu)的穩(wěn)固性難以對抗較為強烈的地震晃動。因此，設(shè)計人員應(yīng)加強鋼結(jié)構(gòu)廠房抗震措施的設(shè)計，提高這個結(jié)構(gòu)的抗震性能，通過對鋼結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計，提高廠房在地震中的抗災(zāi)能力，盡可能減少工廠的損失，確保鋼結(jié)構(gòu)廠房的安全。在實際的廠房設(shè)計中，設(shè)計人員應(yīng)將鋼結(jié)構(gòu)整體設(shè)計成左右對稱的結(jié)構(gòu)，使鋼結(jié)構(gòu)的受力和傳力有明確的方式，減少地震對廠房的影響和破壞。廠房的屋頂、四周的柱子、墻板等都應(yīng)進(jìn)行科學(xué)的布置，并利用有效的方法進(jìn)行合理連接，確保在地震發(fā)生時鋼結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性和完整性。對于廠房的關(guān)鍵支撐環(huán)節(jié)，設(shè)計人員應(yīng)進(jìn)行重點設(shè)計，必要時應(yīng)對關(guān)鍵點進(jìn)行加固處理或者防震設(shè)計，確保地震發(fā)生時整個廠房的安全。在具體的施工過程中，設(shè)計人員應(yīng)根據(jù)實際情況對高寬比進(jìn)行適當(dāng)?shù)恼{(diào)整，優(yōu)化設(shè)計的內(nèi)容，進(jìn)行科學(xué)的防震方案的設(shè)計，提高廠房的安全性。

2.2 荷載設(shè)計的要點

鋼結(jié)構(gòu)荷載包括豎向荷載和水平荷載，豎向荷載包括鋼結(jié)構(gòu)本身的重量、施工和裝修中的荷載、廠房屋頂雪荷載、積灰荷載等，鋼結(jié)構(gòu)自身的重量是永久荷載；水平荷載包括風(fēng)荷載和地震作用，由于鋼結(jié)構(gòu)建筑物荷載采用的是極限狀態(tài)設(shè)計法，根據(jù)荷載出現(xiàn)和共同作用的概率差異，應(yīng)合理進(jìn)行荷載組合，核心是找到荷載的最不利組合。在進(jìn)行荷載計算時，由于工作量較大，而且計算過程較為復(fù)雜，設(shè)計人員應(yīng)利用多種結(jié)構(gòu)設(shè)計軟件進(jìn)行計算，再將計算結(jié)果進(jìn)行比對，結(jié)合具體的分析情況，選擇恰當(dāng)?shù)暮奢d值，確保荷載值能夠滿足廠房建造以后的各項生產(chǎn)需求，提高廠房的具體應(yīng)用價值。

2.3 防腐設(shè)計的要點

由于鋼材容易因為氧化而出現(xiàn)腐蝕的特點，所以對鋼結(jié)構(gòu)廠房進(jìn)行防腐設(shè)計是很有必要的。在自然的環(huán)境中，如果空氣中水分含量較高，廠房內(nèi)部較為潮濕，就會使鋼結(jié)構(gòu)的腐蝕速度加快，造成廠房的安全隱患。鋼結(jié)構(gòu)廠房的鋼材一旦出現(xiàn)腐蝕現(xiàn)象，就會導(dǎo)致承重能力下降，必然會影響整體結(jié)構(gòu)的穩(wěn)固性，不僅會導(dǎo)致鋼結(jié)構(gòu)的壽命降低，還會對廠房的安全造成威脅。因此，設(shè)計人員應(yīng)加強對鋼結(jié)構(gòu)的處理，提高鋼材的抗腐蝕性。在設(shè)計之初，設(shè)計人員應(yīng)對廠房的使用環(huán)境有詳細(xì)的了解，針對廠房的使用進(jìn)行防腐設(shè)計，有針對性地解決鋼結(jié)構(gòu)腐蝕問題，提高廠房的使用壽命。例如，大部分鋼結(jié)構(gòu)廠房選擇涂抹防腐蝕涂料進(jìn)行防腐處理，確保鋼材全部被防腐蝕涂料覆蓋住，隔絕鋼材和空氣中容易引起鋼材腐蝕的因子，防止鋼材被腐蝕，確保防腐效果。在具體的工作中，設(shè)計人員還應(yīng)考慮到不同部位的鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件對防腐性能的要求，對于不同防腐要求的構(gòu)件應(yīng)進(jìn)行不同的防腐涂料涂抹，有效提高整體構(gòu)件的防腐能力。在具體的施工過程中，如果鋼結(jié)構(gòu)表面有硬傷，應(yīng)在施工之前進(jìn)行打磨處理，使鋼結(jié)構(gòu)的表面平滑，可采用噴射或拋射除銹的方式進(jìn)行。在涂料選擇時，施工單位可以選擇熱噴鋁鋅復(fù)合涂料，再用環(huán)氧樹脂或者是氯丁橡膠等涂料進(jìn)行密封，確保防腐涂料發(fā)揮出最大的作用。

2.4 防火設(shè)計的要點

鋼結(jié)構(gòu)沒有可燃性，但是鋼材的導(dǎo)熱性非常強，當(dāng)溫度升高時，鋼結(jié)構(gòu)框架的穩(wěn)定性會受到一定的影響，進(jìn)而對整個廠房的安全造成威脅，所以在鋼結(jié)構(gòu)廠房的設(shè)計中，防火措施的設(shè)計是非常重要的，以下鋼鐵企業(yè)鋼結(jié)構(gòu)廠房為例，談下鋼結(jié)構(gòu)廠房防火設(shè)計要點。

2.4.1 防火設(shè)計的影響因素及設(shè)計思路

常用的鋼結(jié)構(gòu)防火設(shè)計規(guī)范有《鋼鐵冶金企業(yè)設(shè)計防火標(biāo)準(zhǔn)》GB50414-2018、《建筑設(shè)計防火規(guī)范》GB5 0016-2014（2018年版）及《建筑鋼結(jié)構(gòu)防火技術(shù)規(guī)范》GB51249-2017。

（1）火災(zāi)危險性分類

廠房的火災(zāi)危險性分類是根據(jù)使用或產(chǎn)生的物質(zhì)性質(zhì)及數(shù)量等因素劃分，可分為甲、乙、丙、丁、戊類，針對我們鋼鐵冶金企業(yè)可參照GB50414-2018 中表3.0.1 劃分，選礦、球團(tuán)、煉鐵、煉鋼、軋鋼等廠房（除焙燒、燃料庫、煤粉制備室、除塵風(fēng)機房、彩涂涂油間等）主要為丁戊類廠房。

（2）耐火等級、耐火極限和防火分區(qū)

廠房的耐火等級可分為一級、二級、三級、四級，要達(dá)到相應(yīng)耐火等級，規(guī)范規(guī)定了其相應(yīng)建筑構(gòu)件的燃燒性能和耐火極限的最低要求：

規(guī)范同時對不同的火災(zāi)危險性類別及耐火等級的廠房允許層數(shù)和每個防火分區(qū)的最大允許建筑面積進(jìn)行了規(guī)定，這里只介紹鋼鐵企業(yè)常見的丁戊類廠房：

鋼鐵企業(yè)的特點是工藝設(shè)備多、流程較長，主廠房建筑面積大，例如煉鋼主廠房、軋鋼主廠房等丁戊類廠房，每跨建筑面積往往超過5000m且一般都是多跨廠房，總建筑面積要幾萬平米，同時具有工藝連續(xù)的特點，一般不允許中間進(jìn)行防火分區(qū)處理，由表2 來看，必然要求廠房耐火等級達(dá)到二級及以上，由本文表1 可知各種承重構(gòu)件耐火等級要求1.0 ～2.5h。從結(jié)構(gòu)和受力角度看，鋼鐵企業(yè)大型廠房多為排架結(jié)構(gòu)，跨度大，荷載大，需要采用鋼結(jié)構(gòu)這種自重輕、承載力大的建筑材料，廠房柱、梁、屋頂承重構(gòu)件多為鋼結(jié)構(gòu)，而我們知道，鋼結(jié)構(gòu)的耐火極限公認(rèn)的僅有0.25h，不能滿足二級耐火等及對構(gòu)件的要求，規(guī)范若無其他說明，必然需要對鋼結(jié)構(gòu)進(jìn)行防護(hù)以提高鋼結(jié)構(gòu)的耐火極限。

表2 廠房的層數(shù)和每個防火分區(qū)的最大允許建筑面積

鋼鐵冶金企業(yè)設(shè)計防火標(biāo)準(zhǔn)GB50414-2018 中的3.0.2 條規(guī)定“下列二級耐火等級建筑在生產(chǎn)中或火災(zāi)發(fā)生時，其表面熱輻射溫度低于200℃的金屬承重構(gòu)件，可不采用防火保護(hù)隔熱措施，火焰直接影響的部位或熱輻射溫度高于200℃的部位，應(yīng)采用外包覆不燃材料或其他防火隔熱保護(hù)措施：1）設(shè)置自動滅火系統(tǒng)的單層丙類廠房；2）丁、戊類廠房”。依據(jù)此條，鋼鐵冶金企業(yè)大多數(shù)丁、戊類廠房均可采用無防火保護(hù)的金屬承重構(gòu)件。據(jù)了解，目前冶金行業(yè)多數(shù)設(shè)計單位均按此條執(zhí)行，為工程建設(shè)單位節(jié)省了大量投資。

此條款歷年經(jīng)歷了過反復(fù)，詳見后面的介紹。據(jù)筆者與規(guī)范編制參與人員了解，目前規(guī)范的設(shè)置也綜合考慮經(jīng)濟(jì)發(fā)展程度及行業(yè)的特點，比如目前大空間鋼結(jié)構(gòu)廠房已在冶金企業(yè)中大量采用。同時筆者認(rèn)為冶金廠房大多層高高，空間大，堆放易燃物品較少，火災(zāi)發(fā)生或蔓延速度較慢，構(gòu)件升溫速度慢，鋼結(jié)構(gòu)的強度衰減的慢等特點也是此條制定的參考因素。

（3）如何定義建筑適合的耐火等級

建筑選擇不同的耐火等級，對建筑結(jié)構(gòu)、安全疏散、消防給水及消火栓系統(tǒng)、自動噴水滅火系統(tǒng)、火災(zāi)自動報警系統(tǒng)等的要求和設(shè)計都有很大關(guān)系。從表1 可以看出耐火等級的提高，建筑結(jié)構(gòu)的投入增大，但消防給水及消火栓系統(tǒng)（例如：三級耐火等級的丁戊類廠房建筑體積≥50000m室外消火栓設(shè)計流量35L/S,一二級耐火等級設(shè)計流量20L/S），其他滅火系統(tǒng)的要求相應(yīng)降低，投入減少，這種情況我們應(yīng)要求設(shè)計單位綜合考慮最經(jīng)濟(jì)合理且較安全的方式。再舉個例子來說明：某210m 礦石通廊，若定義為三級耐火等級，其疏散方面無法滿足廠房內(nèi)任意一點至最近安全出口最遠(yuǎn)100m 的疏散要求，若定義為二級耐火等級，疏散距離無限制，且在電氣等其他消防要求和設(shè)計改變很小，在建筑結(jié)構(gòu)方面可根據(jù)GB50414-2018 中的3.0.2 條采用無防護(hù)的金屬構(gòu)件。這樣投資可以得到降低，可見合理定義耐火等級的重要性。

表1 不同耐火等級廠房和倉庫建筑構(gòu)建的燃燒性能和耐火極限

（4）建筑防火設(shè)計思路

綜上，建筑防火設(shè)計，設(shè)計首先根據(jù)工藝布置要求，結(jié)合火災(zāi)危險性類別，合理設(shè)置建筑面積及防火分區(qū)；同時考慮建筑、疏散、水消防、自動消防等各方面設(shè)置的難易程度、投資額大小等因素，合理定義耐火等級；根據(jù)耐火等級選擇合適結(jié)構(gòu)類型及材料類型。最終在滿足消防要求的前提下，盡量減少投資，形成最優(yōu)的設(shè)計方案。

2.4.2 鋼結(jié)構(gòu)防火保護(hù)措施

鋼結(jié)構(gòu)的防火保護(hù)常見以下四種方式：

噴涂（抹涂）防火涂料；

包覆防火板；

包覆柔性氈狀隔熱材料；

外包混凝土、金屬網(wǎng)抹砂漿或砌筑砌體。

目前常用的噴涂防火涂料方式，防火涂料按防火機理分為膨脹型及非膨脹型，其分類及選型可參考《鋼結(jié)構(gòu)防火涂料 GB14907-2018》，據(jù)了解，防火涂料增加的造價在700-2000 元/噸鋼，煉鋼廠房鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件截面尺寸大，噸鋼表面積相對較小，造價增加少；軋鋼構(gòu)件截面尺寸小，噸鋼表面積相對較大，造價增加多。對于建設(shè)單位，我們既要考慮安全又必須考慮經(jīng)濟(jì)型，對于必須進(jìn)行防火保護(hù)的建筑，我們應(yīng)綜合考慮采用混凝土結(jié)構(gòu)與鋼結(jié)構(gòu)+防火保護(hù)進(jìn)行對比，選用經(jīng)濟(jì)合理的建筑結(jié)構(gòu)方案。

2.4.3 規(guī)范相關(guān)條款演變過程

本文第二節(jié)中提到二級耐火等級丁戊廠房可采用無防護(hù)的金屬構(gòu)件的規(guī)定，對于冶金企業(yè)控制建設(shè)成本非常重要，其在規(guī)范中的說明也經(jīng)歷過變化，在《建筑設(shè)計防火規(guī)范》GB50016-2006 版中第3.2.4 條“下列二級耐火等級建筑的梁、柱可采用無防火保護(hù)的金屬結(jié)構(gòu)，其中能受到甲、乙、丙類液體或可燃?xì)怏w火焰影響的部位，應(yīng)采取外包敷不燃材料或其它防火隔熱保護(hù)措施：（1）設(shè)置自動滅火系統(tǒng)的單層丙類廠房；（2） 丁、戊類廠房（倉庫）?！蓖瑯釉阡撹F冶金企業(yè)設(shè)計防火標(biāo)準(zhǔn)GB50414-2007 第3.0.3 條也有類似規(guī)定。

《建筑設(shè)計防火規(guī)范》GB50016-2014 版中，不含此條類似規(guī)定。這條改變使得2014年至2019年間，為保證金屬構(gòu)件達(dá)到耐火極限要求，冶金企業(yè)鋼結(jié)構(gòu)廠房大多設(shè)計噴涂防火涂料，建設(shè)單位增加了大量投資。

鋼鐵冶金企業(yè)設(shè)計防火標(biāo)準(zhǔn)GB50414-2018 在2019年4月1日正式實施，在3.0.2 條規(guī)定“下列二級耐火等級建筑在生產(chǎn)中或火災(zāi)發(fā)生時，其表面熱輻射溫度低于200℃的金屬承重構(gòu)件，可不采用防火保護(hù)隔熱措施，火焰直接影響的部位或熱輻射溫度高于200℃的部位，應(yīng)采用外包覆不然材料或其他防火隔熱保護(hù)措施：1）設(shè)置自動滅火系統(tǒng)的單層丙類廠房；2）丁、戊類廠房”，目前幾大冶金綜合甲級設(shè)計單位已按此設(shè)計。

筆者在住建部網(wǎng)站查到，2019年11月29日，住建部組織應(yīng)急管理部天津消防研究所等單位起草了國家標(biāo)準(zhǔn)《建筑設(shè)計防火規(guī)范局部修訂條文（征求意見稿）》中3.2.10A 規(guī)定“二級耐火等級的丁、戊類廠房（倉庫）的梁、柱（包括斜撐）可采用無防火保護(hù)的金屬構(gòu)件，其中能受到甲、乙、丙類液體或可燃?xì)怏w火焰影響的部位或熱輻射溫度高于200℃的部位，應(yīng)采取防火隔熱保護(hù)措施。”可以預(yù)見，未來2 本規(guī)范均明確此條，二級耐火等級鋼結(jié)構(gòu)廠房可采用無保護(hù)金屬構(gòu)件，目前在單規(guī)范明確的情況下，可能有些設(shè)計單位意見不一，建議建設(shè)單位據(jù)此向設(shè)計單位提出建議，也建議設(shè)計單位與規(guī)范編制單位及消防主管部門溝通后確定。防火規(guī)范的制定會考慮經(jīng)濟(jì)及技術(shù)的發(fā)展水平，這也是目前規(guī)范考慮的因素。但可以預(yù)見隨著中國經(jīng)濟(jì)進(jìn)一步發(fā)展，特別是鋼鐵企業(yè)供給側(cè)改革完畢，行業(yè)發(fā)展向好，同時防火涂料產(chǎn)品性能更加成熟穩(wěn)定后，國家勢必會加大對冶金企業(yè)的防火要求，提高防火安全儲備。為此，鋼鐵企業(yè)及其他行業(yè)相關(guān)管理者應(yīng)緊跟政策趨勢，提早研判，做好鋼結(jié)構(gòu)廠房的建設(shè)投資分析和維護(hù)準(zhǔn)備。

結(jié)語：

鋼結(jié)構(gòu)廠房的設(shè)計應(yīng)從安全性與經(jīng)濟(jì)性兩方面入手，根據(jù)鋼結(jié)構(gòu)本身的特點，特別是防火特點，對設(shè)計要點進(jìn)行分析，進(jìn)而采取有效的措施進(jìn)行技術(shù)方案優(yōu)化，確保廠房的穩(wěn)固性和安全性及經(jīng)濟(jì)性。建設(shè)單位及設(shè)計單位應(yīng)加強員工的培訓(xùn)和先進(jìn)技術(shù)的引進(jìn)，不斷加強設(shè)計方案，提高整體的經(jīng)濟(jì)效益，為鋼結(jié)構(gòu)在工業(yè)廠房的應(yīng)用和發(fā)展做出貢獻(xiàn)。