摘要：在工业厂房设计中应用多层轻钢结构具有自重轻、抗震性能好、用钢量少、施工工期短等优点。本文以多层轻钢结构厂房的特点与设计理念为基础，进一步探讨了多层轻钢结构工业厂房设计方法。
关键词：多层轻钢结构；工业厂房；设计理念；设计方法
多层轻钢结构工业厂房与常规混凝土厂房相比较，具有自重轻、抗震性能好的优点，并且用钢量少、施工工期短。在设计、制造和施工方面趋于一体化，有利于提高施工速度、加快资金流通。因钢材属绿色环保型材料，多层轻钢结构工业厂房施工阶段噪音小、污染低，并且实现了无湿作业。上述优势使多层轻钢结构工业厂房受到越来越多的关注，成为极具竞争力的新型工业建筑类型。
一、工业厂房结构设计中多层轻钢结构的应用
1、多层轻钢结构厂房特点分析
多层轻钢结构工业厂房使用的材料是轻钢，也就是我们常说的钢材，不仅具有普通钢材的稳定性和安全性，也有着质量轻、运输方便等独特优势。对于多层钢结构厂房而言，使用轻钢材料减轻了工业厂房自身的重量，并且保证了建筑物的稳定性。
多层轻钢结构工业厂房使用的轻钢围护结构，材料为夹芯金属板，在施工时不用像混凝土建筑那样打地基，能够实现快速安装，提升了施工效率，节约了施工时间，从而提高了工业厂房项目的建设效率。此外，轻钢围护结构良好的保温隔热性能、外表美观等优势也使其逐渐取代传统多层工业厂房的砌体围护墙体，不仅大幅减轻了工业厂房结构自重还降低了对建筑物基础的要求。
多层轻钢结构工业厂房可根据厂房用途拼装成厂房所需结构，实现“个性化设计及施工”，在保证工业厂房自身稳定性的基础上，还能使层与层之间的空间变得更大。根据工艺要求，多层轻钢结构工业厂房层高一般为4—8m，以一个4层厂房为例，其高度可相当于8层高的民用建筑。因多层轻钢结构工业厂房内部空间较大，柱距可达到6—12m，特殊情况下可达到18m。
因多层轻钢结构工业厂房原料堆放和生产工艺要求，导致多层轻钢结构工业厂房活荷载远大于多层民用建筑，通常为2.5~20kN/m2。多层轻钢结构工业厂房悬挂荷载主要为安装荷载、吊车荷载、工艺流水线荷载等，集中荷载主要为设备自重及设备振动荷载。
2、多层轻钢结构厂房设计理念
多层轻钢结构工业厂房的设计需要考虑全局，既要考虑工业厂房的安全性能也要考虑整体美观性。在设计时需要对重点部位进行反复的计算和论证，科学分析多层轻钢结构工业厂房的稳定性。并遵循结构整体化、截面具体化的理念。
结构整体化理念是国外普遍应用的建筑设计理念，是指将围护结构和整体结构组合在一起进行设计，保证多层轻钢结构工业厂房的完整性。因多层轻钢结构工业厂房使用的钢材种类不宜超过5种，在钢材准备充分的基础上，确保钢材尽量统一规格使用。在C级别螺栓与厂房支撑杆相连接的位置，需要使用螺栓最大直径，以提升多层轻钢结构工业厂房的合理性。在截面厚度的要求上，要充分考虑多层轻钢结构的承受系数，钢板厚度＜4mm、钢管厚度＜3mm都不适合应用于钢结构中，需要应用相同钢量级别下截面较大的钢材。
此外，多层轻钢结构工业厂房的设计还要结合厂房特点及实际需求，根据结构布置、各种参数和各种影响因素，提高厂房的安全稳定性和施工效率。在绿色建筑标准的指导下，实现节省材料、节省资源、保护环境的目的。在结构方案确定方面需要根据多层轻钢结构工业厂房的尺寸、高度、层数、荷载率等选择合适的框架结构方案。如层数较多框架—剪力墙结构方案就是是很好的选择。设计多层轻钢结构工业厂房时，厂房长宽方向等参数均需进行合理设计，并注意厂房抗震能力的提升。基于厂房质量考虑，应设计收缩缝、防震缝，实现多层轻钢结构工业厂房配筋率的提升。
二、多层轻钢结构工业厂房设计要点分析
1、设计方法
（1）结构选材：在刚架选择方面多层轻钢结构工业厂房采用H型钢刚架具有工业化程度高、拆装简单、维护方便的优点，刚架梁柱的钢材按照设计要求选择。维护钢材的选择以彩色镀锌钢板作为基材，厚度一般为0.5—1.2mm，外侧有彩色聚酯涂层，内侧喷涂聚氨酯或粘附复合硅酸盐，满足了多层轻钢结构工业厂房结构的保温隔热和耐久性需求。夹芯板包括上下内外皮和夹芯层，热工性能好。EPS夹芯板厚度50—300mm，是以彩板作为表材，将阻燃性聚苯乙烯作为芯材，经热固化胶加热加压复合而成。还有，当前已经广泛使用的岩棉夹芯板，这种墙板比EPS夹芯板具有更好的防火性能。如采用彩板或夹芯板做多层轻钢结构工业厂房的墙面，在窗台以下宜选择砖墙，有效防止雨水浸渗。屋面檩条、墙梁的实腹冷弯薄壁型钢截面形式包括卷边C形钢、Z形钢，根据受力、经济性等因素选择即可。多层轻钢结构工业厂房檩条和墙面截面高度通常为150—250mm。墙梁可以增加建筑物纵向深度、传递纵向水平力、提供主刚架平面外约束，墙梁尺寸根据跨度和墙距设定，如间距＞9m，应设置墙架柱实现墙梁跨度的减小。
（2）结构体系：多层轻钢结构工业厂房选择工形或箱形桩柱加和工形梁组成的空间框架体系较为适宜，构件一般为钢板焊接。这种结构体系刚度小，应设置侧向支撑确保实现结构水平位移的良好控制。围护结构设计方面采用轻质材料可减轻多层轻钢结构工业厂房的自重，外墙体选用非自承重式轻型墙体，底层墙体选择空心粘土砖砌体，内隔墙选择轻质填充墙或轻钢龙骨石膏板。因受到机械设备布置、管线布置等因素的影响，多层轻钢结构工业厂房柱间不能设置支撑，必须采用纯框架体系。如选择纯框架结构则通常由箱型柱、H型柱、工字型梁构成。纯框架结构的平面布置较为灵活，厂房室内空间较大，且结构刚度较为均匀，框架结构延性大，自振周期长，抗震性能良好。与纯框架结构相比较，框架——支撑结构节点形式简单、用钢量少，多由工字型梁柱构成，支撑一般为X型，或采用偏心支撑、人字型支撑等。结构通常为横向承重体系，纵向联系量梁与柱选择铰接方式，楼板是起到空间联系作用的主体，结构纵向等于排架，高度较小，应设纵向支撑，抵抗地震和水平风荷载。在8度地震区，多层轻钢结构工业厂房纵向、横向均应布置支撑。
（3）支撑设计。多层轻钢结构工业厂房因结构侧向刚度小，在充分考虑地震、水平风荷载等因素的基础上，需设置柱间支撑开间、屋盖横向支撑，以减少层间侧移情况。
（4）柱设计。多层轻钢结构工业厂房柱网平面布局时，钢架间距以6m为宜，或采用4.5、7.5、9、12m，刚架跨度可根据厂房需要设定。（5）节点设计。因多层轻钢结构工业厂房采用焊接工形或箱型截面，工形截面腹板较薄，弱轴和梁连接处应用铰接为宜，强轴方向应用刚接为宜。多层轻钢结构工业厂房板件宽厚比较大，设计时需要避免尽量减少工地现场焊缝连接。
（6）屋面设计。多层轻钢结构工业厂房屋面楼板（见图1）设计要对整体性、承载力、刚度进行综合考虑。钢——混凝土组合楼盖梁是在钢梁上翼缘表面焊接抗剪连接件并与混凝土楼板形成一体化组合梁。在抗剪界面可靠连接的作用下，钢——混凝土组合楼盖梁性能较好，可以充分发挥钢材和混凝土的优势，大大提升多层轻钢结构工业厂房的刚度、强度。现阶段主要采用压型钢板组合屋面、预制板叠合层组合屋面两种形式。压型钢板组合屋面在设计时如考虑钢梁与楼板的组合作用，则次梁设计用钢量将节省25%—35%之间。预制板叠合层组合屋面设计省去压型钢板会大大降低多层轻钢结构工业厂房工程的总造价。
图1 多层轻钢结构工业厂房结构平面图
（7）其他设计问题
多层轻钢结构工业厂房通常采用玻璃钢采光平窗、通风换气装置实现屋面蒙皮的作用，省略了屋面纵横向水平支撑。但厂房墙面大面积开窗难以形成蒙皮作用，需在设计时设置纵向连系构件、柱间支撑，确保厂房结构的纵向稳定与水平力传递。基于应力蒙皮结构进行设计，需要提高边缘构件强度与构件之间的连接。一般在板缝处设置连接件能够使屋面刚度提高1.5倍以上，如蒙皮抗剪刚度大，在竖向荷载作用下，厂房梁的屈服荷载能够提升1.8倍左右。与此同时，通过在檩条间设置抗剪连接件能够形成有效的蒙皮作用。
（8）设计要求及计算方法。多层轻钢结构工业厂房的框架梁柱要同时满足承载力要求和刚架柱构架稳定性、钢框架整体稳定性要求，对于主刚架整体横向刚度的检验也十分必要。侧向位移具体要求风荷载作用下顶点水平位移和总高度的比值要不大于1/500；常遇地震作用下，层间侧移在楼层高度1/250以下；层间相对位移与层高的比值不超过1/400，。如多层轻钢结构工业厂房采用顶层门式钢刚架，层间位移为1/50（真有这么大吗？麻烦再查一下有关资料，这比门刚无吊车时且墙面用彩板时的刚架柱顶位移限值的1/60都大了），想要与下层刚架柱一致，可选择1/200。结合《建筑钢结构设计手册》在充分考虑荷载组合工况的基础上进行多层轻钢结构工业厂房设计，采用钢结构结构设计专用程序，如地震烈度在6度以上，应考虑水平地震作用下的厂房设计。对于结构布置均匀的多层轻钢结构工业厂房可选择底部剪力法进行计算。
2、经济指标
多层轻钢结构工业厂房施工速度是综合效益的重要影响因素之一，重视多层轻钢结构工业厂房设计及制作安装阶段的标准化，能够缩短施工周期，最大限度的发挥投资效益和钢结构厂房优势。以地上部分材料用量约为50.4kg/m2（不含压型钢板）的多层轻钢结构工业厂房为例，基价核算与传统钢筋混凝土结构方案持平，如果再在此基础上考虑压型钢板组合楼盖、预制板叠合层组合楼盖的组合，那么次梁用钢量将大大减少，约为25%。从上述分析中可以看出，多层轻钢结构工业厂房能够大大降低材料用量，进一步减少工程总造价投入。在满足工艺要求的前提下，充分考虑楼盖组合作用的框架——支撑体系，一方面增强侧向刚度，一方面增加净空，并降低了工程造价。多层轻钢结构工业厂房成本造价多数情况下低于传统钢筋混凝土结构的多层工业厂房建筑，表现出良好的综合经济效益。
结束语
现阶段，多层轻钢结构工业厂房已成为建筑行业的典型代表，但是考虑到一些设计单位对钢结构建筑的认识还不够深入，为了确保多层轻钢结构工业厂房的安全性、可靠性、利用率。在进行多层轻钢结构工业厂房设计时需要充分考虑钢结构特性与优势，综合考虑各种因素，最大限度的发挥钢结构厂房优势，减少工业厂房项目投入，提高经济效益。
参考文献
[1]工业厂房钢结构设计的现状及改造措施[J].汪正奇. 建材与装饰.2017（17）.
[2]工业厂房钢结构设计现状及改进措施[J].王新超. 住宅与房地产.2017（05）.
论文作者:沈伟国
论文发表刊物:《建筑学研究前沿》2018年第12期
论文发表时间:2018/9/17
标签：厂房论文; 多层论文; 结构论文; 工业论文; 轻钢论文; 荷载论文; 组合论文; 《建筑学研究前沿》2018年第12期论文;