制鹽工業(yè)項目建筑結(jié)構優(yōu)化設計淺談
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摘要:工業(yè)建筑作為建筑類型的一種，其結(jié)構布置具有較高的復雜性和重要性。特別是制鹽行業(yè)項目，除了滿足工藝布置的要求和工業(yè)建筑的基本特點外，同時還要對防腐蝕設計和經(jīng)濟性進行考慮。文章根據(jù)實際工程的經(jīng)驗，結(jié)合文獻資料進行綜合分析，從工業(yè)建筑的基本特點出發(fā)，基于工業(yè)建筑結(jié)構設計的復雜性與安全性，對工業(yè)建筑結(jié)構選型和設計內(nèi)容進行了探討，總結(jié)結(jié)構選型與工藝、經(jīng)濟性結(jié)合的重要性和設計思考的方法，以供廣大設計人員和項目團隊進行借鑒與參考。
關鍵詞:工業(yè)建筑;設計優(yōu)化;結(jié)構選型;經(jīng)濟性
對于工業(yè)建筑而言，其結(jié)構設計合理與否，不僅決定著工業(yè)建筑建設質(zhì)量，也影響著工業(yè)建筑建設資金投入。只有科學的設計，工業(yè)建筑結(jié)構才會合理，與生產(chǎn)活動和工藝要求等相適應。工業(yè)建筑與民用建筑不同，其結(jié)構設計更復雜，荷載分布不均勻、樓面墻面開孔大、安全性要求更高，更要適應生產(chǎn)活動和工藝要求。近幾十年來，隨著國家建筑行業(yè)的快速發(fā)展，新型建筑材料的生產(chǎn)及應用，建筑的結(jié)構選型也越來越豐富多樣。由于鹽化工自身特點，其原料和產(chǎn)品對項目中的建構筑物腐蝕性嚴重，兼顧工藝要求的同時還需考慮防腐蝕設計和耐久性要求。因此，項目設計時堅持切合實際、安全適用、技術先進、經(jīng)濟合理的設計原則，更多地應用新技術、新結(jié)構、新材料，視各地區(qū)不同情況不同對待，因地制宜的進行制鹽工業(yè)建筑結(jié)構設計，優(yōu)化建筑方案及結(jié)構形式是必要的，利于項目建設及使用。
1工業(yè)建筑概述
工業(yè)建筑是提供各類生產(chǎn)活動的建筑物或構筑物。按生產(chǎn)類型可分為冶金、機械制造、電子儀表、紡織印染、化工、造船、能源、醫(yī)藥、食品等建筑物以及煙囪、水塔、滑道、棧橋、料斗等構筑物;按層數(shù)分為單層廠房、多層廠房和工業(yè)大廈等。為適應發(fā)展生產(chǎn)和產(chǎn)品更新?lián)Q代迅速的需要，各種聯(lián)合廠房、靈活通用廠房、密閉廠房、潔凈廠房、恒溫恒濕廠房、工業(yè)大廈等新型廠房相繼出現(xiàn)、迅速發(fā)展，對促進發(fā)展生產(chǎn)起著愈來愈大的作用。工業(yè)建筑為滿足工藝需要，往往需要較大的面積及空間，同時符合生產(chǎn)工藝，安全性要求很高。工業(yè)建筑根據(jù)具體的生產(chǎn)活動不同，建筑的結(jié)構形式及布置形式不同，要根據(jù)生產(chǎn)活動及其特點進行相應的建筑和結(jié)構設計。工業(yè)建構筑設計時復雜程度較高，屋面排水組織、室內(nèi)通風和采光需要及局部構造做法處理等方面相對復雜。
2制鹽項目主要建構筑及特點
制鹽工程建設項目的建構筑類型從功能上可分為辦公生活設施、制鹽生產(chǎn)設施、倉儲設施、生產(chǎn)輔助設施。辦公生活設施包括辦公建筑、餐飲建筑、宿舍、門衛(wèi)等，有時還根據(jù)項目需要設置禮堂及停車庫。辦公生活設施使用時往往人員比較集中，有時根據(jù)使用的需要布置大跨度柱間距以滿足大空間使用要求。但辦公生活設施相對生產(chǎn)設施，其軸網(wǎng)及層高變化不大，空間布局規(guī)整，開孔少，平面及立面較規(guī)整。制鹽生產(chǎn)設施包括用于原料制備的建構筑物、鹽產(chǎn)品生產(chǎn)用建構筑物、產(chǎn)品包裝建構筑物、皮帶或管道輸送建筑。制鹽生產(chǎn)這類功能的建筑往往承載大型生產(chǎn)設備，而且輔助設備較多，均布置在同一建筑物中，為滿足生產(chǎn)需要，配套的建構筑物常需要大開孔和大柱距。從近些年制鹽項目來看，部分制鹽車間蒸發(fā)罐開孔均在10m以上，蒸發(fā)罐運行荷載超千噸，并且設備貫穿多個樓層，建筑高度超過24m，屬高層建筑。產(chǎn)品包裝建筑往往連續(xù)布置數(shù)個存料、給料和包裝設備，樓面開孔多且連續(xù)，并且由于工藝需要，給料包裝設備要在垂直方向上連續(xù)布置，這使得包裝建筑高度也超過15m。皮帶輸送建筑是配合生產(chǎn)建筑和包裝建筑來使用的，由于生產(chǎn)和包裝建筑給料和進料位置的要求，皮帶和管道輸送建筑高度也相對較高。而制鹽生產(chǎn)設施由于其原料和產(chǎn)品對鋼筋混凝土具有強腐蝕性，因此，制鹽生產(chǎn)建筑在滿足基本要求的同時，還要做好防腐蝕處理，以滿足其耐久性的要求。倉儲設施包括原材料倉儲建筑、產(chǎn)品倉儲建筑、露天堆場。制鹽項目倉儲設施物料廢渣存放分為容器存放和散料堆放兩種形式，而其倒運手段通常是使用機械，因此，在設置大空間以滿足存放需求下，柱間距通常也要求很大。有時倉儲設施根據(jù)需求要設置吊車、碼垛機及其皮帶機。制鹽項目的倉儲建筑通常為單層建筑，但也有部分項目使用多層立體庫，這類庫房一般需要使用電梯來滿足豎向交通的需要。生產(chǎn)輔助設施包括管道支架、煙囪水塔、水池、各類泵房及動力站等等。生產(chǎn)輔助設施通常建筑體量較小，多數(shù)為單層建筑或者構筑物，操作人員少。但由于生產(chǎn)輔助設施是為配合產(chǎn)品生產(chǎn)而使用，并且其存放或者運輸?shù)奈锪匣驗閺姼g性、或為易燃易爆品，其重要性也很大。
3制鹽工業(yè)項目建筑結(jié)構的優(yōu)化設計分析
3．1結(jié)構主材及選型
由于制鹽工業(yè)項目的廠房建成后的用途不同，其生產(chǎn)工藝等方面要求也不同。所以，進行廠房結(jié)構選型時，要充分考慮工業(yè)廠房的使用用途、施工條件等因素，不僅要使用材質(zhì)好、壽命長的材料，還要確保建成后的廠房結(jié)構能夠靈活的適應各種生產(chǎn)容量等方面的變化。制鹽項目建筑常用的結(jié)構形式分析如下:第一，鋼筋混凝土結(jié)構。其具有建材采購方便、施工便利、耐火耐蝕、成本低等優(yōu)勢。而且，按照這種結(jié)構建造出來的建筑，有著很廣的適用性。鋼筋混凝土結(jié)構作為常用的結(jié)構形式，能滿足柱間距大、荷載重，層高高等多種條件，其耐火性能優(yōu)于鋼材，因此，制鹽生產(chǎn)車間和包裝車間由于其設備大且重等特點，常選用鋼筋混凝土框架結(jié)構。但其施工周期相對較長，施工時需進行養(yǎng)護，在達到一定強度時方可進行下一層施工。第二，鋼結(jié)構。鋼結(jié)構建構筑物一般采用工業(yè)化體系建設，工期短、成本低、施工方便，且適用于大跨度、大空間的工業(yè)廠房。但是受材質(zhì)限制，這種結(jié)構防火、防腐蝕性能較差，如果工業(yè)建筑采用這種結(jié)構類型，必須注重防火、防腐蝕方面設計。制鹽項目中的倉儲建筑因其特點的要求，選用鋼結(jié)構形式往往能較好的滿足工藝和使用要求。同時項目建設時間緊，施工進度要求快的項目也常選用鋼材質(zhì)的各種結(jié)構形式。第三，砌體結(jié)構。砌體結(jié)構在我國應用很廣泛，這是因為它可以就地取材，用粘土燒制或以石材為原料，砌塊還可以用工業(yè)廢料、礦渣來制作，來源方便，價格低廉。具有很好的耐久性及較好的化學穩(wěn)定性和大氣穩(wěn)定性，有較好的保溫隔熱性能，磚、石或砌塊砌體具有良好的耐火性和較好的耐久性。較鋼筋混凝土結(jié)構節(jié)約水泥和鋼材，砌筑時不需模板及特殊的技術設備，可節(jié)約木材。新砌筑的砌體上即可承受一定荷載，因而可以連續(xù)施工。在寒冷地區(qū)，冬季可用凍結(jié)法砌筑，不需特殊的保溫措施。但砌體結(jié)構自身強度較低，整體性差，無法滿足大跨度需要，砌體抗拉和抗剪強度很低，抗震性能差。而且其材料用量大，自重大，無法實現(xiàn)機械化施工，基本采用手工方式，施工中勞動量大。現(xiàn)在在我國多數(shù)省份為保護土地資源，嚴格限制粘土磚生產(chǎn)和使用，而其他砌體材料在當?shù)夭少彶环奖?，外運成本過高。一般情況下，制鹽項目的建筑結(jié)構建議采用鋼筋混凝土結(jié)構，因為這種建筑結(jié)構優(yōu)勢明顯，防火、防腐蝕方面的性能好，安全性較高，對于體量大、荷載重、層高高的建筑具有較好適用性，比如制鹽主車間、包裝車間、輸鹽棧橋等等，也常用在生活區(qū)中的辦公建筑、餐飲建筑、宿舍、禮堂中。但是如果是大跨度、大空間、振動較大、施工進度快的工業(yè)建筑，適宜采用鋼結(jié)構，比如各種倉儲車間，但須做好防火和防腐措施。磚混結(jié)構常用小型輔助單層建筑，但對于某些地區(qū)材料限制或者采購困難以及抗震要求嚴格應考慮選擇其他材料和結(jié)構形式。
3．2抗震設計
抗震設計是關鍵的，它在建筑結(jié)構設計上占據(jù)首要位置，因為它直接決定著結(jié)構的安全性。根據(jù)我國相關規(guī)定，工業(yè)建筑抗震設計要求比較高，如果不能達到安全性要求，一旦遭受地震意外，所造成的后果是嚴重的，特別是生產(chǎn)活動具有易燃易爆特點的，危及工業(yè)建筑區(qū)內(nèi)及周圍范圍內(nèi)的人員生命安全。因此，進行工業(yè)建筑結(jié)構設計時，必須合理進行抗震設計，符合抗震要求。當結(jié)構規(guī)則、對稱，整體性比較好時，按照工業(yè)建筑結(jié)構及其抗側(cè)力結(jié)構進行抗震設計;當結(jié)構整體性比較差時，要按照工業(yè)建筑結(jié)構抗震設計要求采用相應的加強措施，增強工業(yè)建筑結(jié)構的抗震性;當工業(yè)建筑廠房的結(jié)構高差比較大時，必須將生產(chǎn)用房與生活用房、管理用房等分開來布置，并分開相鄰的抗震縫，便于提高結(jié)構的抗震性。此外，抗震縫兩側(cè)要布置墻等構件，并按照設計要求合理控制抗震縫寬度。在選用項目方案時與相關專業(yè)協(xié)調(diào)，保證建筑物平面及立面的規(guī)則性，優(yōu)化抗震性能。
3．3防腐蝕設計
制鹽工業(yè)建筑建成投入使用后，受生產(chǎn)工藝和生產(chǎn)活動影響，生產(chǎn)過程中經(jīng)常使用或產(chǎn)生鹽堿類物質(zhì)，容易腐蝕建筑物。所以，進行工業(yè)建筑結(jié)構設計時，要特別注重防腐蝕設計。第一，選用防腐性能好的材料或?qū)ú牟捎梅栏胧?。如門窗使用木質(zhì)、塑料、玻璃鋼等防腐性能好的材料;金屬構件涂抹耐腐蝕的涂料或采用預涂裝耐腐蝕面層材料，在金屬表面形成防腐層，地面采用瀝青混凝土、花崗巖等材料。第二，結(jié)構構件采用鋼筋混凝土材質(zhì)，同時是混凝土表面涂抹耐腐蝕的涂料。如果結(jié)構構件使用鋼材，務必要做好防腐蝕措施，必須在鋼表面涂抹環(huán)氧樹脂漆等材質(zhì)的防腐蝕涂料。第三，帶有腐蝕性的生產(chǎn)活動要集中布置在下風側(cè)或水流的下游，減少酸堿鹽類物質(zhì)對工業(yè)建筑結(jié)構構件的腐蝕，并做好建筑防腐措施，注重跑冒滴漏的回收，避免人為因素的腐蝕源出現(xiàn)。
3．4經(jīng)濟性
根據(jù)建筑物的功能要求進行結(jié)構的選型。影響建筑結(jié)構選型的因素很多，從建筑設計的角度來看。結(jié)構選型應首先滿足建筑使用功能的要求，其次應滿足建筑造型藝術的要求，最后還要適應未來發(fā)展與靈活改造的需要;從結(jié)構設計的角度來看，結(jié)構型式要符合現(xiàn)行有關規(guī)范，要有正確的結(jié)構概念設計、先進的結(jié)構理論概念、合理的傳力途徑、合理的應力分布、合理的破壞機制、抗風的有效性與合理性、抗震的可靠性與安全性等;從建筑施工的角度來看，結(jié)構選型要有利于建筑工業(yè)化、有利于施工操作、有利于控制質(zhì)量、有利于縮短工期、有利于節(jié)約造價;從建筑設備的角度來看，結(jié)構要便于設備的安裝與檢修、便于管道、線路的布設與檢修，并能保證設備的正常運行;從建筑材料的角度，結(jié)構型式應便于輕質(zhì)高強材料、新型建筑材料和組合結(jié)構體系的應用;從經(jīng)濟角度看，結(jié)構選型應能減少和降低單位面積的自重、單位面積的材料用量、單位面積的造價、單位面積的用工量。對于大多數(shù)建筑物，工程造價中約有50%～70%用于結(jié)構工程，而且結(jié)構工程的施工工期也約占建筑物施工總工期的2/3左右。因此，抓好結(jié)構工程對于建筑工程建設的質(zhì)量控制、投資控制和進度控制有十分重要的作用。而結(jié)構工程的關鍵在于結(jié)構選型，選型不當，即使結(jié)構計算很精確，也有可能給結(jié)構的安全使用及耐久性帶來無法彌補的缺陷，以致延誤工期，提高工程造價。所以，結(jié)構選型對于結(jié)構的全壽命優(yōu)化有著舉足輕重的作用。建筑結(jié)構體系的選型通常要遵循一定的原則。它不僅考慮到建筑設計、結(jié)構設計、建筑施工的要求，而且要從建筑設備安裝，結(jié)構選材方面進行考慮。最后還需考慮各種結(jié)構體系的綜合經(jīng)濟指標。只有在結(jié)構選型階段綜合考慮了以上各方面因素之后，才能為以后單體結(jié)構的優(yōu)化設計打下一個良好的基礎，才有可能使結(jié)構全壽命設計達到一個相對最優(yōu)的狀態(tài)。
4結(jié)論
綜上所述，制鹽工業(yè)建筑不同于其他工業(yè)建筑，更不同于民用建筑，它有著自身的特點，其建筑結(jié)構設計具有其相對的復雜性與特殊性。為滿足制鹽項目的建設要求，要認真的進行建筑結(jié)構選型、建筑做法選用、總平面布置、防腐蝕設計、防震設計、經(jīng)濟性考慮等工作，使設計符合生產(chǎn)工藝要求同時，滿足建造后的使用用途和耐久性，達到相關設計標準。
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作者:左彤 夏俊超 單位:中鹽工程技術研究院有限公司