第十章工业建筑设计

1第十章工业建筑设计第一节工业建筑概述工业建筑是为满足工业生产需要而建造的各种不同用途的建筑物和构筑物的总称，包括进行各种工业生产活动的生产用房（工业厂房）及必需的辅助用房。工业建筑与民用建筑一样，具有建筑的共性，要体现适用、安全、经济、美观的建筑方针。但由于工业建筑是产品生产和工人操作的场所，所以生产工艺将直接影响到建筑平面布局、建筑结构、建筑构造、施工工艺等，这与民用建筑又有很大的差别。一、工业建筑的特点1．生产工艺决定厂房的结构形式和平面布置每一种工业产品的生产都有一定的生产程序，即生产工艺流程。为了保证生产的顺利进行，保证产品质量和提高劳动生产率，厂房设计必须满足生产工艺要求。不同生产工艺的厂房有不同的特征。2．内部空间大由于厂房中的生产设备多，体积大，各部分生产联系密切，并有多种起重运输设备通行，致使厂房内部具有较大的敞通空间，工业厂房对结构要求较高。例如，有桥式吊车的厂房，室内净高一般均在8m以上；厂房长度一般均在数十米，有些大型轧钢厂，其长度可达数百米甚至超过千米。3．厂房屋顶面积大，构造复杂当厂房宽度较大时，特别是多跨厂房，为满足室内采光、通风的需要，屋顶上往往设有天窗；为了屋面防水、排水的需要，还应设置屋面排水系统（天沟及落水管），这些设施均使屋顶构造复杂。4．荷载大工业厂房由于跨度大，屋顶自重大，并且一般都设置一台或数台起重量为数十吨的吊车，同时还要承受较大的振动荷载，因此多数工业厂房采用钢筋混凝土骨架承重。对于特别高大的厂房，或有重型吊车的厂房，或高温厂房，或地震烈度较高地区的厂房需要采用钢骨架承重。5．需满足生产工艺的某些特殊要求对于一些有特殊要求的厂房，为保证产品质量和产量、保护工人身体健康及生产安全，厂房在设计时常采取一些技术措施解决这些特殊要求。如热加工厂房所产生大量余热及有害2烟尘的通风；精密仪器、生物制剂、制药等厂房要求车间内空气保持一定的温度、湿度、洁净度；有的厂房还需防振、防辐射等要求。二、工业建筑的分类由于现代工业生产类别繁多，生产工艺的多样化和复杂化，工业建筑类型很多。在建筑设计中通常按厂房的用途、层数、生产状况等方面进行分类。（一）按用途分1、主要生产厂房用于完成从原料到成品的整个加工、装配等整个生产过程的厂房。例如机械制造的铸造车间、热处理车间、机械加工车间和机械装配车间等。这类厂房的建筑面积较大，职工人数较多，在全厂生产中占重要地位，是工厂的主要部分。2、辅助生产车间为主要生产车间服务的各类厂房。如机械制造厂的机械修理车间、电机修理车间、工具车间等。3、动力厂房为全厂提供能源的各类厂房。如发电站、变电所、锅炉房、煤气站、乙炔站、氧气站和压缩空气站等。动力设备的正常运行对全厂生产特别重要，故这类厂房必须有足够的坚固耐久性、妥善的安全措施和良好的使用质量。4、储藏用建筑储存各种原料、半成品、成品的仓库。如机械厂的金属材料库、油料库、辅助材料库、半成品库及成品库。由于所储藏物品性质的不同，在防火、防潮、防爆、防腐蚀、防质变等方面将有不同的要求，在设计时应根据不同要求按有关规范、标准采取妥善措施。5、运输用建筑用于停放、检修各种交通运输工具的房屋。如机车库、汽车库、起重车库、电瓶车库、消防车库和站场用房等。6、其他不属于上述类型用途的建筑，如水泵房、污水处理建筑等。（二）按层数分1、单层厂房指层数仅为一层的工业厂房，适用于生产工艺流程以水平运输为主，有大型起重运输设备及较大动荷载的厂房。如机械制造工业、冶金工业和其他重工业等，如图10-1所示。3图10-1单层厂房2、多层厂房指层数在二层以上，一般为二～五层。多层厂房对于垂直方向组织生产及工艺流程的生产企业（如面粉厂）和设备及产品较轻的企业具有较大的适用性，多用于精密仪器、电子、轻工、食品、服装加工工业等，如图10-2所示。图10-2多层厂房3、混合层数厂房指同一厂房内既有单层又有多层的厂房，多用于化学工业、热电站等，如图10-3所示。图10-3混合层数厂房（三）按生产状况分1、热加工车间指在高温状态下进行生产，生产过程中散发出大量热量、烟尘等有害物的车间。如铸造、炼钢、轧钢、锻压等车间等。2、冷加工车间指在正常温、湿度条件下进行生产的车间。如机械加工、机械装配、工具、机修等车4间等。3、恒温、恒湿车间指在温度、湿度相对恒定条件下进行生产的车间。这类车间室内除装有空调设备外，厂房也要采取相应的措施，以减少室外气象条件对室内温、湿度的影响。如纺织车间、精密仪器车间、酿造车间等。4、有侵蚀性介质作用的车间指在含有酸、碱、盐等具有侵蚀性介质的生产环境中进行生产的车间。由于侵蚀性介质的作用，会对厂房耐久性有侵害作用，在车间建筑材料选择及构造处理上应有可靠的防腐蚀措施。如化工厂、化肥厂的某些车间，冶金工厂中的酸洗车间等。5、洁净车间指产品的生产对室内环境的洁净程度要求很高的车间。这类车间通常表现在无尘、无菌、无污染，如集成电路车间、医药工业中的粉针车间、精密仪表的微型零件加工车间等。第二节单层厂房的结构组成与类型单层厂房的骨架结构，由支撑各种竖向的与水平的荷载作用的构件所组成。厂房依靠各种结构构件合理地连接为一整体，组成一个完整的结构空间以保证厂房的坚固、耐久。我国广泛采用钢筋混凝土排架结构和刚架结构，通常由横向排架、纵向联系构件、支撑系统构件和围护结构等几部分组成，如图10-4所示。图10-4单层厂房构件部位示意图5一、横向排架由基础、柱、屋架组成。厂房结构承受的纵向荷载（结构自重、屋面荷载、雪载和吊车竖向荷载等）及横向水平荷载（风载和吊车横向制动力、地震力）主要通过横向排架传至基础和地基，如图10-5所示。图10-5横向排架示意图（一）基础基础支撑厂房上部的全部荷载，并将荷载传递到地基中去，因此，基础起着承上传下的作用，是厂房结构中的重要构件之一。基础的类型主要取决于上部荷载的大小、性质及工程地质条件等。见图10-6、10-7、10-8所示。1、当上部结构荷载不大，地基土质较均匀，承载力较大时，柱下多采用独立的杯形基础。若荷载轴向力大而弯矩小，且施工技术好，可采用薄壳基础和板肋基础。2、当上部荷载较大，而地基承载力较小，柱下如采用上述独立基础，由于底面积过大使相邻基础之间的距离过小，此时可采用条形基础。这种基础刚度大，能调整纵向柱列的不均匀沉降。3、当地基的持力层较深，地基表层土松软或为冻土，且上部荷载又较大，对地基的变形限制较严时，可考虑采用桩基础。6图10-6独立基础图10-7条形基础图10-8桩基础（二）柱排架柱是厂房结构中的主要承重构件之一，它不仅承受屋盖、吊车梁等传来的竖向荷载，，还承受吊车刹车时产生的纵向和横向荷载、风荷载等，这些荷载连同自重一起传递给基础。1、厂房中的柱由柱身（又分为上柱和下柱）、牛腿及柱上预埋件组成。在柱顶上支承屋架，在牛腿上支承吊车梁。2、柱的类型很多，按材料可分为钢筋混凝土柱、钢柱、砖柱等。按截面形式可分为单肢柱、双肢柱等。单肢柱的截面形式有矩形、工字形及空心管柱等；双肢柱的截面形式有平腹杆柱、斜腹杆柱、双肢管柱等。如图10-9所示。目前单层工业厂房多采用钢筋混凝土矩形柱和工字形柱。矩形柱外形简单，施工方便，两个方向受力性能均较好，但不能充分发挥混凝土的承载能力且用量多，体重大，主要适用于截面尺寸在400mm×600mm以内及吊车较小的中小型厂房。工字形柱是将矩形柱受力较小的横截面中部的混凝土省去，一般可以节约30%～50%的混凝土和15%～20%的钢材，其特点是受力合理、质量轻、较经济，但生产制作较复杂，主要适用于截面及受力较大的厂房。双肢柱是由两根承受轴向力的肢柱和联系两根肢柱的腹杆组成，它比工字形柱受力更合理，也更经济，但施工也更复杂，主要适用于大型及重型厂房。3、柱的预埋件是指预先埋设在柱身上与其它构件连接用的各种铁件（如钢板、螺栓及锚拉钢筋等），这些铁件的设置与柱的位置及柱与其它构件的连接方式有关，在进行柱的设7计及施工时，应根据具体情况将这些铁件准确无误地埋在柱上。预埋件的位置及作用如图10-10所示。图10-9柱子的类型图10-10柱的预埋件注：1．M—1与屋架连接用埋件2．M—2、M—3与吊车梁连接用埋件83．M—4、M—5与柱间支撑连接用埋件（三）屋架（或屋面梁）屋架或屋面梁是单层厂房排架结构中的主要结构构件之一，它直接承受屋面荷载和安装在屋架上的悬挂吊车、管道及其它工艺设备的重量，以及天窗架等荷载。屋架和柱、屋面构件连接起来，使厂房组成一个整体的空间结构，对于保证厂房的整体刚度起着重要作用。1、屋架的类型按材料分为混凝土屋架和钢屋架两类；按钢筋的受力情况分为预应力和非预应力两种。其中钢筋混凝土屋架在单层工业厂房中采用较多。当厂房跨度较大时采用桁架式屋架较经济，其外形有三角形、梯形、折线形和拱形四种形式。（1）三角形屋架屋架的外形如等腰三角形，屋面坡度为1/2～1/5，适用于跨度9m、12m、15m的中、轻型厂房，如图10-11所示。图10-11三角形屋架（2）梯形屋架屋架的上弦杆件坡度一致，屋面坡度一般为1/10~1/12，适用于跨度为18m、24m、30m的中型厂房，如图10-12所示。图10-12梯形屋架（3）折型屋架屋架上的弦杆件是由若干段折线形杆件组成。屋面坡度一般为1/5~1/15，适用于15m、18m、24m、36m的中型和重型工业厂房，如图10-13所示。9图10-13折型屋架（4）拱形屋架屋架上的弦杆件是由若干段曲线形杆件组成。屋面坡度一般为1/3~1/30，适用于18m、24m、36m的中、重型工业厂房，如图10-14所示。图10-14拱形屋架2、屋架与柱的连接屋架与柱的连接方法有焊接和螺栓连接两种。焊接，就是将屋架（或屋面梁）端部支撑部位预埋铁件，吊装前先焊上一块垫板，就位后与柱顶预埋钢板通过焊接连接在一起，如图10-15（a）所示。螺丝连接是在柱顶伸出预埋螺栓，在屋架（或屋面梁）下弦端部预埋铁件，就位前焊上带有缺口的支撑钢板，吊装就位后，用螺母将屋架拧牢，为防止螺母松动，常将螺母与支撑钢板焊牢，如图10-15（b）所示。图10-15屋架与柱的连接103、屋架与屋面板的连接每块屋面板的肋部底面均有预埋铁件与屋架（或屋面梁）上弦相应处预埋铁件相互焊接，其焊接点不少于三点，板与板缝隙均用不低于C15细石混凝土填实，如图10-16所示。图10-16屋面板与屋架的连接4、屋架与天沟板的连接天沟板端底部的预埋铁件与屋架上弦的预埋铁件四点焊接，与屋面板间的缝隙加通长钢筋，再用不低于C15混凝土填实，如图10-17所示。图10-17天沟板与屋架的连接5、屋架与檩条的连接檩条与屋架上弦的连接有焊接和螺栓连接两种，如图10-18所示。图10-18檩条与屋架的连接a)檩条b)焊接连接c)螺栓连接6、钢筋混凝土屋面梁11主要用于跨度较小的厂房，有单坡和双坡之分，单坡仅用于边跨；截面有T形和工字形两种，因腹板较薄故称其为薄腹梁。屋面梁的特点是形状相对简单，制作和安装较方便，重心低，稳定性好，但自重较大。二、纵向联系构件纵向联系构件是由吊车梁、基础梁、连系梁、圈梁等组成，与横向排架构成骨架，保证厂房的整体性和稳定性；纵向构件主要承受作用在山墙和天窗端壁并通过屋盖结构传来的纵向风载、吊车纵向水平荷载、纵向地震力，并将这些力传递给柱子。（一）吊车梁根据生产工艺要求需布置吊车作为内部起重的运输设备时，沿厂房纵向布置吊车梁，以便安装吊车运行轨道。吊车梁搁置在牛腿柱上，承受吊车荷载（包括吊车起吊重物的荷载及启动或制动时产生的纵、横向水平荷载），并把它们传给柱子，同时也可增加厂房的纵向刚度。吊车梁的类型很多，按截面形式分，有等截面的T形、I字形、元宝式吊车梁、等截面鱼腹梁、空腹鱼腹式吊车梁等；按生产制作方式分有非预应力钢筋混凝土与预应力钢筋混凝土；按材料分有钢筋混凝土吊车梁和钢吊车梁等，如图10-19所示。a）钢筋混凝土吊车梁b）预应力钢筋混凝土吊车梁c）钢吊车梁图10-19吊车梁吊车梁与柱的连接多采用焊接连接的方法。安装前先在吊车梁底焊一块垫板，安装就位后再将垫板与柱子牛腿顶面的预埋件焊