第20章单层工业建筑设计

第20章单层工业建筑设计【教学目的】通过本章学习，使学生对了解单层厂房的类型与构件组成，学习如何选择单层厂房的柱网，掌握单层厂房的剖面设计，熟悉单层厂房的屋面排水设计，理解和掌握单层厂房的定位轴线设计。最终达到理解和掌握单层工业建筑设计的基本原则和方法。【教学要求】：通过本章学习，学生能够1、了解单层厂房的类型与构件组成；2、单层厂房柱网的确定原则；3、掌握单层厂房的剖面设计依据和方法；4、熟悉单层厂房的屋面排水设计；5、理解和掌握单层厂房的定位轴线设计方法。【学习重点与难点】本章重点：单层厂房的柱网选择、剖面设计。本章难点：单层厂房的定位轴线设计。【重要知识点】柱网的定义、厂房高度的定义、柱顶标高的确定、横向定位轴线、纵向定位轴线20.1单层工业建筑的结构类型与构件组成单层工业建筑的结构支承方式可以分为承重墙支承与骨架支承两类。只有当工业建筑的跨度、高度、吊车荷载较小时才用承重墙承重结构，而当工业建筑的跨度、高度和吊车荷载较大时，则多采用骨架承重结构。骨架结构系由柱子、屋架或屋面大梁（或柱梁结合或其他空间结构）等承重构件组成。其结构体系可以分为刚架、排架及空间结构。其中以排架最为多见，因为梁柱间为铰接，可以适应较大的吊车荷载。在骨架结构中，内外墙一般不承重，只起到围护或分隔作用。骨架结构在内部可提供宽大通畅的空间，有利于生产工艺及其设备的布置、工段的划分，也有利于生产工艺的更新和改善。20.1.1排架结构体系排架结构按材料可分为砌体结构、钢筋混凝土结构和钢结构。1.砌体结构它由砖石等砌块砌筑成柱子，钢筋混凝土屋架(或屋面大梁)、钢屋架等组成，如图20-1-1所示为砖柱、组合屋架的工业建筑。图20-1-1砖砌体结构工业建筑2.钢筋混凝土结构这种骨架结构多采取预制装配的施工方式。结构构成主要由横向骨架、纵向连系构件以及支撑构件组成，如图20-1-2所示。横向骨架主要包括屋面大梁(或屋架)、柱子、柱基础。纵向构件包括屋面板、连系梁、吊车梁、基础梁等。此外，垂直和水平方向的支撑构件用以提高建筑的整体稳定件。图20-1-2装配式钢筋混凝土排架及主要构件1-边列柱；2-中列柱；3-屋面大梁；4-天窗架；5-吊车梁；7-基础梁；8-基础9-外墙；10-横梁；11-屋面板；12-地面；13-天窗扇；14散水；15-风荷载这种结构建设周期短，坚固耐久，与钢结构相比可节省钢材，造价较低，故在国内外工业建筑中应用十分广泛。但是其自重大，抗震性能比钢结构工业建筑差。图20-1-3所示为这种骨架结构几种常见的预制钢筋混凝土拄的形式。图20-1-3几种常见预制钢筋混凝土柱（a）矩形柱；（b）工子型柱；（c）（d）双肢柱；（e）管柱3.钢结构钢结构工业建筑的主要承重构件全部采用钢材制作，如图20-1-4所示。这种骨架结构自重轻，抗震性能好，施工速度快，主要用于跨度巨大、空间高、吊车荷载重、高温或振动荷载大的工业建筑。对于那些要求建设速度快，早投产、早受益的工业建筑也采用钢结构。但钢结构易锈蚀，保护维修费用高，耐久性能较差，防火性能差，使用对应采取必要的防护措施。设计中究竟选择哪种骨架结构，应当根据工业建筑的用途、规模、生产工艺和起重运输设备、投资、施工条件、材料供应情况等因素综合分析而定。图20-1-4钢结构工业建筑20.1.2其他结构体系单层工业建筑的承重结构除上述排架结构外，还有其他形式结构。其中一类是屋顶部分并非像排架那样采用屋架及连系构件系统，而是改用轻型屋盖，如v型折板结构、单面或双面曲壳结构、或者网架结构，如图20-1-5所示。这类结构均属空间结构，其共同特点是受力合理，能充分地发挥材料的力学性能，空间刚度大，抗震性能较强。缺陷在于施工复杂，大跨及连跨工业建筑使用时受限制较大。另一类是如门式刚架(图20-1-6)、T形板等特殊结构。门式刚架(简称门架)，是一种梁柱合一的结构形式，可用期筋混凝土制作，也可用钢结构制作；而T形板用作竖向承重构件时相当于墙柱结合的构件。但刚架属于平面结构体系，不能够承受较大的吊车荷载。图20-1-5薄壳式屋顶结构图20-1-6门式刚架结构20.2单层工业建筑的柱网选择柱子在工业建筑平面上排列所形成的网格称为柱网。如图20-2-1所示，柱子纵向定位轴线之间的距离称为跨度，核向定位轴线之间的距离称作柱距。柱网尺寸是由跨度和柱距确定的，柱网的选择实际上就是选择工业建筑的跨度和柱距。工艺设计人员根招工艺流程和设备布置状况，对跨度和柱距提出初始的要求，建筑设计人员在此基础上、依照建筑及结构的设计标准，最终确定工业建筑的跨度和柱距。柱网确定的原则是：图20-2-1柱网布置示意1-柱子；2-机床；3-柱基础轮廓1.满足生产工艺要求跨度和柱距要满足设备的大小和布置方式、材料和加工件的运输、生产操作和维修等生产工艺所需的空间要求。2.平面利用和结构方案经济合理跨度和柱距的选择要使平面的利用和结构方案达到经济合理。工业建筑由于工艺的要求，常将个别大型设备越跨布置，采用抽柱方案，上部用托架粱承托屋架(图20-2-2)。根据生产工艺实际情况，适当调整跨度和柱距，达到结构统一，充分利用面积，达到较好的经济效益。图20-2-2跨越布置设备示意3.符合《厂房建筑建筑模数协调标准》(GBJ6-86)的要求。满足《厂房建筑建筑模数协调标准(GBJ6-86)的要求。该标准规定，当工业建筑跨度l8m时，应采用扩大模数30M的尺寸系列，即跨度可取9m、12m、15m。当跨度尺寸≥18m时，按60M模数递增，即跨度可取18m、24m、30m和36m。柱距采用60M系列，即6m、12m、18m等。4.扩大柱网及其优越性现代工业生产的生产工艺、生产设备和运输设备在不断更新变化、且其周期越来越短。为适应这种变化、工业建筑应具有相应的灵活性与通用性，在设计中还应考虑可持续性使用，扩大挂网是途径之一。将柱距由6m扩大至12m、18m乃至24m，如采用柱网(跨度×柱距)为12m×12m、15m×12m、18m×12m、24m×l2m、18m×18m、24m×34m等。采用钢结构工业建筑，大柱网更易于实现。有研究成果证明扩大柱网的主要优点是：①可以有效提高工业建筑面积的利用率；②有利于大型设备的布置及产品的运输；③能提高工业建筑的通用性，适应生产工艺的变更及生产设备的更新；④有利于提高吊车的服务范围；⑤能减少建筑结构构件的数量，并能加快建设速度。20.3单层工业建筑剖面与屋面排水方式剖面设计是厂房建筑设计的一个组成部分。在厂房剖面设计时主要是从厂房建筑空间处理上使它满足生产对厂房提出的各种要求。厂房剖面设计的具体任务是：确定厂房高度，选择厂房承重结构及围护结构方案，处理车间采光、通风等问题。剖面设计应满足以下要求：⑴厂房剖面设计要适应工业生产所需要的足够空间；⑵具备良好的采光和通风条件；(3)屋面排水和满足室内保温隔热的围护结构；(4)经济合理的结构方案；(5)为提高建筑工业化创造条件。20.3.1工业建筑高度的确定1.生产工艺对工业建筑剖面设计的影响单层工业建筑剖面设计是在平面设计的基础上进行的，剖面设计着重解决建筑在垂直空间方面如何满足生产的各项要求。生产工艺对工业建筑剖面设计影响很大，生产设备的体形大小，工艺流程的特点，生产状况，加工件的体量与重量，起重运输设备的类型和起重量等都直接影响工业建筑的剖面形式。2.单层工业建筑的高度单层工业建筑的高度是指由室内地坪到屋顶承重结构最低点的距离。在一般情况下，它与柱顶距离地面的高度基本相等，因此经常用柱顶标高来代表和衡量工业建筑的高度。屋顶承重结构是倾斜的，其计算点应算到屋顶承重结构的最低点。同时，柱子的长度应满足模数协调标准的要求。图20-3-1工业建筑高度的确定(1)柱顶标高的确定1)无吊车工业建筑在无吊车工业建筑中，柱顶标高是按最大生产设备高度及安装检修所需要的净空高度来确定的，且应符合《工业企业设计卫生标准》(TJ36—79)的要求，同时柱顶标高还必须符合扩大模数3M(300mm)数列规定。无吊车工业建筑柱顶标高一般不得低于3.9m，以保证室内最小空间，同时满足采光、通风的要求。2)有吊车工业建筑柱顶标高关系(如图20-3-1)在有吊车的厂房中，不同的吊车对厂房高度的影响各不相同。对于采用梁式或桥式吊车的厂房来说：其柱顶标高可按下式来计算：柱顶标高H＝H1十H2轨顶标高H1＝h1十h2十h3十h4十h5轨顶标高至柱顶高度H2＝h6十h7式中：h1——需要跨越的最大设备高度；h2——起吊物与跨越物之间的安全距离，一般为400-500mm；h3——起吊的最大物件高度；h4——吊索最小高度，根据起吊物件的大小和起吊方式决定，一般大于1m；h5——吊钩至轨顶面的距离，由吊车规格表中查的；h6——轨顶至吊车小车顶面的距离，由吊车规格表中查得；h7——小车顶面至屋架下弦底面之间的安全距离，应考虑到屋架的扰度、厂房可能不均匀沉陷等因素，最小尺寸为220mm，湿陷黄土地区一般不小于300mm。如果屋架下弦悬挂有管线等其他设施时，还需要加必要的尺寸。根据《厂房建筑模数协调标准》的规定，柱顶标高H应为300mm的倍数。轨顶的标高H1应为600mm的倍数。由于吊车梁的高度、吊车轨道及其固定方案的不同，计算得出的轨顶标高(H1)可能与工艺设计人员所提出的轨顶标高有差异。最后轨顶标高应等于或大于工艺设计人员提出的轨顶标高。H1值重新确定后，再进行H值的计算。工业建筑高度对造价有直接影响，因此在确定工业建筑高度时，注意有效地利用和节约空间，对降低建筑造价具有重要意义。如图20-3-2和图20-3-3所示的处理方法，避免了提高整个工业建筑高度，减少空间浪费。图20-3-2利用降低设备地坪降低图20-3-3利用屋顶空间布置设备降工业建筑高度低工业建筑高度为了简化结构、构造和施工，当相邻两跨间的高差不大时，可采用等高跨，虽然增加了用料，但总体还是经济的。基于这种考虑，我国《工业建筑统一化基本规则》规定：在多跨工业建筑中，当高差值等于或小于1.2m时不设高差；在不采暖的多跨工业建筑中，高跨一侧仅有一个低跨，且高差值等于或小于1.8m时，也不设置高差。另外，有关建筑抗震的技术文件还建议，当有地震设防要求时，上述高差小于2.4m．宜做等高跨处理。(2)室内地坪标高的确定厂房室内地坪的绝对标高是在总平面时确定的。室内地坪的相对标高实质上就是室内地坪相对于室外地面的高差，定为±0.000。确设这样一个高差的目的是防止雨水浸入室内，同时考虑到单层工业建筑运输工具进出频繁，若室内外高差值过大则出入不便，故一般取150-200mm，且一般用坡道相连接。如果在地形平坦的地段建造厂房，考虑到厂房的使用性质，通常室内只有一个标高；若地形情况比较复杂，在建设地段出现不同标高时，设计中，为减少土方量、减低造价，应因地制宜地结合地形等各方面情况进行考虑。可将车间跨度顺着等高线布置，以适应生产工艺流程及运输的需要。在工艺允许的条件下，也可将车间各跨分别布置在不同的标高上（如图20-3-4），工艺流程由高跨处向低跨流动，利用物体的自重进行运输，以减少运输费和动力消耗。若跨度垂直等高线，地形坡度较陡时，可采用“天平地不平”的处理方法。即在同一跨内将地坪分段布置在不同标高的台阶上，内部承重构件及屋顶高度不受影响（如图20-3-5）。当厂房内有两个以上不同的地坪面时，主要地坪面的标高为±0.000。图20-3-4厂房的室内地坪标高（a）铸工车间；（b）利用地形较低一端设置底下室1-大件造型；2-熔化；3-炉料；4-小件造型图20-3-5厂房垂直于等高线布置20.3.2天然采光白天，室内通过窗口取得天然光进行照明的方式称为天然采光。由于厂房采光的效果之间关系到生产效率、产品质量以及工人的劳动卫生条件，它是衡量厂房建筑质量标准的一个重要因素。因此，厂房采光设计就是根据室内生产对采光的安求来确定窗口大小、形式及其布置、保证室内采光强度、均匀度及避免眩光。采光面积的多少是根据采光的要求。按采光系数的标准值进行计算的。⑴天然采光的基本要求①满足采光系数最低值的要求室内工作面上