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關鍵詞:工業(yè)廠房;鋼混凝土;結構設計
鋼混凝土組合結構是由鋼梁和混凝土板通過栓釘組合起來的新型結構形式,是當前工業(yè)廠房建設所采取的主要結構形式之一。根據(jù)以往工作經(jīng)驗,鋼筋混凝土結構在使用的過程中容易受到環(huán)境等方面影響而出現(xiàn)鋼筋銹漲開裂而導致的耐久性下降,影響廠房的使用壽命,造成安全事故,因此優(yōu)化鋼與混凝土組合結構設計是提高廠房質量,提高其使用壽命的重要舉措。本文以某工業(yè)廠房建設為例,該工業(yè)廠房屬于水泥選粉機車間,車間框架結構上裝有多個電機,廠房噪音比較大,因此需要對鋼與混凝土組合結構進行優(yōu)化設計,以此保證廠房的整體質量。
1某廠房使用鋼與混凝土組合結構的優(yōu)勢
鋼與混凝土組合結構是當前我國建筑結構設計所采取的主要技術之一,由于該廠房框架上需要安裝多個電機,而且車間機械噪音比較大,形成的震動會對廠房的整體質量產(chǎn)生影響,根據(jù)以往的案例,此種作業(yè)模式對廠房的使用壽命會形成嚴重的影響,因此該廠房使用鋼與混凝土組合結構具有以下優(yōu)勢:(1)起到很好的抗震效果,鋼與混凝土結構具有很好的延伸性和吸收性,在外界震動負荷力的作用下,通過鋼與混凝土組合的性能可以緩解震動隊廠房的影響,從而起到良好的抗震效果,更為重要的是通過此種結構設計能夠提高廠房的穩(wěn)定性;(2)耐火性。工業(yè)廠房設計必須要考慮火災因素,由于鋼與混凝土結構中的混凝土具有較高的熱容量,因此一旦出現(xiàn)火災混凝土就能吸收這些熱量,從而降低因為火災而對廠房構成的影響;經(jīng)濟性強。經(jīng)濟性一方面體現(xiàn)在使用壽命上,另一方面體現(xiàn)在成本費用上。由于鋼與混凝土結構設計一定程度上減少了鋼筋的使用量,但是其整體質量卻沒有降低,反而增強了,因此準確的使用鋼與混凝土組合結構可以有效地為工業(yè)企業(yè)減少費用支出,延長了廠房的使用壽命。
2某廠房鋼與混凝土組合結構設計
該廠房鋼與混凝土組合結構主要包括:(1)橫向框架。橫向框架是整體廠房的主要承重結構體系,其需要承受各種外界負荷力的作用,保證廠房的整體結構穩(wěn)定性,一般由柱、和屋架以及屋蓋橫梁等構成;(2)屋蓋結構,屋蓋結構主要是承擔屋蓋所帶來的負載,例如橫梁、托架等等;(3)支撐體系。支撐體系也是廠房的主要組成部分,其主要是防止廠房出現(xiàn)傾斜、垮塌等現(xiàn)象。因此該廠房的設計:
①荷載計算設計。由于該廠房的車間頂蓋采取的是鋼網(wǎng)架結構,安裝通風的天窗,因此需要對荷載進行計算,以此確定具體的施工方案。荷載系數(shù)取用荷載風壓的1.0,基本的風壓為0.62kN/m2。荷載計算:屋頂蓋部分:靜載有彩鋼和網(wǎng)架,是1.40kN/m2,活載為0.9kN/m2;吊車:最上層的吊車荷載主要對作用于柱上,其荷載為Rmax=4289kN,Rmin=2699kN,水平剎車力在97.9kN。第二層吊車的荷載為Rmax=1360kN,Rmin=965kN,水平剎車力在29.5kN。最低下層吊車荷載為Rmax=989.5kN,Rmin=356.7kN,水平剎車力在12.9kN;風荷載:基本的風壓主要作用于柱的頂部,對其柱頂?shù)暮奢d力為375kN,基本風壓在0.62kN/m2,風荷載在兩邊的柱底壓力為17.2kN/m和9.98kN/m;
②設縫問題設計。按照相關規(guī)定規(guī)范,鋼筋混凝土現(xiàn)澆框架結構伸縮縫的最大間接為55m,鋼筋混凝土剪力墻結構伸縮縫的最大間距為45m,根據(jù)工程的實際情況考慮,本設計方案選擇不設縫的施工方案,但是由于混凝土存在收縮問題,因此在具體的結構設計時可以從廠房建筑的中部框架部位從基礎頂面至屋面設置10m寬的后澆帶。同時為了保證質量,還需要在鋼框架子結構和混凝土墻體之間進行連接構造,具體可以通過連梁采用剛性連接或鉸接。具體的施工策略為:調整結構施工順序,先澆筑混凝土簡體,然后安裝鋼框架;用剛性連接的鋼框架梁柱節(jié)點;調整鋼管柱的長度等方式進行;
③截面形式及計算。鋼管混凝土組合柱結構的截面形式有3種,一種是圓鋼管混凝土結構,一種是矩形鋼管混凝土姐歐股,還有一種是多邊形鋼管混凝土結構。在廠房建設中使用最廣泛的就是矩形和圓形鋼管混凝土組合柱。圓形鋼管混凝土組合柱的強度和抗壓性是最符合廠房建設的,所以在該廠房車間建設中使用的就是圓形鋼管混凝土組合柱。在對廠房的排架進行計算時,采用的設計福軟件是中國建筑學院編制的鋼結構STS軟件,這種軟件在計算鋼管混凝土組合柱的截面時是根據(jù)CECS28B90計算的;
④柱腳設計。柱腳的鋼管應該使用封板進行封閉,這樣能夠減少柱和接面的壓力。從本案例中來看,封板和柱腳相連接的地方有勁肋,這是為了更好地提高柱腳的受力。而且,廠房中鋼材混凝土組合柱的柱腳有兩個杯口插入,在杯口處灌入混凝土,這樣有利于提高整個柱的受力荷載;
⑤鋼與混凝土組合結構的防火設計。常用的防火措施種類比較多,一般就是將構件利用保護材料進行包裹,以此延續(xù)構建的升溫速度,為滅火提供時間?;诒竟S的工作環(huán)境,本次的設計具體選擇的是膨脹型防火涂料保護法,此種方法能夠消除傳統(tǒng)發(fā)生火災時產(chǎn)生的有毒氣體的弊端。具體的設計是選擇由有機樹脂、發(fā)泡劑以及碳化劑等構成的厚度在5mm左右的涂料,一旦發(fā)生火災時,該涂料就會膨脹,形成比原來還要厚幾十倍的多孔碳質層,阻擋外部對內包構件的傳熱,便構件的耐火極限可達(O.5~1.5)小時;
⑥剪力墻子結構體系延性設計。在鋼框架一混凝土剪力墻混合結掏體系中,由剪力墻和剪力墻組成的筒體承擔了85%以上的水平剪力,應保證混凝土墻體具有足夠的延性,因此在連接處設置型鋼柱,既能有效防止裂縫的出現(xiàn)或展開,又能方便鋼結構的安裝,減少鋼柱與混凝土墻體之間的豎向變形差異產(chǎn)生的不利影響。設計時應考慮框架具有一定的抗剪承載能力,其值不宜小于帶框墻總剪力的20%。同時剪力墻軸壓比應根據(jù)結構的抗震設防等級確定。該廠房設計剪力墻軸壓比控制值按規(guī)范要求應小于0.6,以保證其延性。
3工業(yè)廠房鋼與混凝土組合結構設計的保障
實現(xiàn)對工業(yè)廠房與混凝土組織結構設計的優(yōu)化必須要做好以下工作:一是要把握基本的鋼與混凝土組合設計原則,通過設計保證廠房使用壽命,強化對廠房的質量控制以及達到最優(yōu)化的經(jīng)濟目標,也就是在設計的過程中要綜合考慮建筑項目的全壽命期的成本和效益問題。只有把握上述的基本原則才能保證設計的方案具有價值;二是提高工業(yè)設計人員的綜合素質,提高他們的設計理念更新。鋼與混凝土結構設計是新型的設計方案,也是當前工業(yè)設計較為常見的一種技術,因此需要設計人員要把握設計的關鍵問題,強化質量管理意識和安全意識;三是加強施工管理。保證施工工序嚴格按照設計的要求進行,以此保證工業(yè)廠房的質量。通過對該廠房鋼與混凝土結構的性能檢測,通過設計提高了結構剛度,達到了良好的抗震效果,優(yōu)化了建筑布局和空間的使用,更為重要是將降低了造價,提高了工廠的經(jīng)濟效益,提升了工廠廠房的使用壽命。
參考文獻
[1]鄭友柴.管混凝土組合柱在重鋼結構工業(yè)廠房工程中的應用[J].中國建筑金屬結構,2013(22).
關鍵字:工業(yè)建筑設計輕鋼結構特點設計方法
中圖分類號:TU2文獻標識碼: A
輕型鋼結構指的是由鋼材所構成的結構,即由冷彎薄壁型鋼結構、焊接或者高頻焊接輕鋼結構、熱軋輕鋼結構、輕型鋼管結構以及板壁較薄的焊接組合梁焊接組合柱而構成的結構。在工業(yè)建筑中應用這一結構,能夠起到良好的效果。本文就在分析該結構特點的基礎上,對其具體的設計方法進行分析論述。
一 輕型鋼結構的特點分析
隨著技術的發(fā)展,輕型鋼結構在工業(yè)建筑設計中得到了廣泛的應用,其具有輕便、精巧且成型方便的優(yōu)勢,正是具有這些特點,才能夠使該結構得到廣闊的發(fā)展空間。下面本文就對其特點進行分析。
首先,輕型鋼結構具有輕巧的特點。一般來講,輕型鋼結構的截面較小,并且自重較輕,承重結構截面能夠根據(jù)受力的情況進行精確的設計,這樣一來會比普通的鋼結構使用的槽鋼和工字鋼截面的受力更為科學且合理。根據(jù)資料統(tǒng)計可知,輕型鋼結構主體結構的含鋼量基本上在25到80千克之間,彩色壓型鋼板的重量僅僅為10千克,因此說,輕型鋼結構的自重只有普通鋼結構的30%到50%左右,十分輕巧。
其次,輕型鋼結構的主體結構具有穩(wěn)定性和可靠性。和其他建筑材料相比較而言,鋼材料的容重和屈服點比重最小,并且其具有較好的延展性,材質均勻,能夠達到很好的抗震和抗壓效果,這樣就會進一步提升建筑結構的穩(wěn)定性和可靠性。通常輕型鋼結構的主要承重構件為鋼結構,采用的鋼材塑性、強度以及韌性都很好,能夠承受住較大的動力荷載。
最后,輕型鋼結構施工周期短。輕型鋼結構最大的優(yōu)勢特點就是其所有的構件都能夠由工廠制作,現(xiàn)場拼接安裝,這樣就會比混凝土結構的建筑施工工期縮短一半左右。施工周期短,就能夠使建筑提前投入使用,這樣能夠提前獲得投資的效益。
二 工業(yè)建筑設計中輕鋼結構的設計方法
在工業(yè)建筑中應用輕鋼結構,能夠縮短施工周期,提升建筑物的穩(wěn)定性能。在工業(yè)建筑設計的過程中,需要采取科學的設計方法,以便更好的發(fā)揮輕鋼結構的優(yōu)勢。下面本文就對具體的設計方法進行分析論述。
首先,從建筑屋面的選材和坡度的選擇角度進行分析。通過近幾年的發(fā)展,輕鋼結構的屋面材料有了很多類型,如壓型鋼板、太空鋼板等,但是當前應用的最為廣泛的還是金屬壓型板、夾芯板以及金屬壓型復合保溫板。但是需要注意的是,在設計的過程中,需要針對不同板材的特點進行科學的選擇,最大限度的發(fā)揮它們的用途。
對于坡度設計的問題,也需要具體問題具體分析。對于一般的工業(yè)建筑來講,其屋面的坡度越大越有利于排水的實現(xiàn),但是需要把握設計的度,如果坡度過大的話就會增加排水的流速,進而出現(xiàn)濺水的現(xiàn)象。反之,如果說工業(yè)建筑屋面的坡度較小,這樣排水的速度也會減小,水流的速度也會變慢,這樣如果雨量大的話很容易會在屋面形成積水,給壓型板帶來嚴重的腐蝕,影響其使用壽命。
由此可見,在對工業(yè)建筑的屋面進行設計的過程中,一定要根據(jù)地區(qū)氣候條件科學的選擇屋面的坡度,并且要以經(jīng)濟要求和施工要求作為參照的依據(jù),合理確定屋面坡度,既能夠有效避免屋面坡度過大而增加施工難度,影響施工質量的問題發(fā)生,又需要在設計中最大限度的降低材料的使用,節(jié)約設計和施工成本,達到最佳的經(jīng)濟效益。
其次,從金屬壓型鋼板屋面的構造設計角度進行分析。金屬壓型鋼板屋面的設計也是輕鋼結構屋面設計中關鍵的環(huán)節(jié),在設計的過程中,需要科學的選擇板型、壓型金屬板,并確定屋面開洞的方式和防水處理的措施。對于大部分輕型鋼結構來講,為了更好的實現(xiàn)采光和通風的效果,需要在屋面上部開鑿一定的孔洞或者是進行通風和防水設計,所以說,在金屬壓型鋼板屋面設計的過程中,也需要注重對屋面的開洞、防水以及通風的設計。
需要注意的是,在屋面開洞設計的過程中,對于一些孔直徑或者是邊長較小的孔洞,能夠直接在橫梁上面插入一根圓形鋼管,或者是其他工藝管對其進行處理,如果在這個過程中出現(xiàn)泛水的現(xiàn)象,則需要在開洞縫的位置涂上足夠的硅酮膠進行防水。而一些開孔尺寸較大的孔洞,則通常將泛水裙板和底座設計成一體進行處理,為了降低積水對屋面的影響,可以設計波槽蓋板進行防護。
在屋面防水結構的設計中,最需要解決的問題就是搭接縫的問題,需要防止因為搭接縫的存在導致的漏水現(xiàn)象,所以說在設計的過程中需要對搭接的結構設計作為防水結構設計的主要環(huán)節(jié)進行控制。
再次,從輕型鋼結構的夾層設計角度進行分析。對于輕型鋼結構夾層設計來講,其除了需要具備普通夾層的共性外,還需要具備輕型鋼結構的特點,所以說在設計的過程中既需要考慮到夾層的共性,還需要考慮到自身的個性特征,這樣才能夠更好的提升夾層設計的科學性和合理性,并不斷的優(yōu)化和完善設計。
輕型鋼結構夾層的主要方式是在原有的舊房主體結構上直接加高,并緊密的依托原來的主體結構,進而達到優(yōu)化和加固的目的。在實際設計的過程中,需要確定既安全可靠又具有經(jīng)濟價值的方案,并科學的選擇夾層的方式。但是由于輕型鋼結構夾層結構的側向剛度較小,因此說在設計的過程中需要設計出足夠的縱向和橫向支撐,這樣才能夠確保該結構的固有剛度,進一步保證其穩(wěn)定性。同時,在設計中還需要充分的考慮到輕型鋼結構中夾層結構的地震效應,使板塊的剛度能夠均勻的分布在結構之中。
最后,對工業(yè)建筑中輕型鋼結構的墻面設計問題進行分析。對于工業(yè)建筑來講,可以根據(jù)墻置的不同將其分為內墻和外墻兩種,根據(jù)受力特點的不同能夠將其分為非自承重式輕型墻體以及自承重式輕型墻體。在工業(yè)建筑中,較長應用的墻體材料一般以輕質材料為主,如PC板,涂彩金屬壓型板等,能夠根據(jù)建筑物的建設要求和設計標準科學的選擇各種墻體材料。
以金屬壓型板墻面的系統(tǒng)構造設計為例進行分析。該墻面在設計中主要對對壓型板具體的長度選取和鋼板墻面系統(tǒng)的細部構造設計為中心。在選擇金屬板的過程中,需要充分的考慮到板塊的承載水平力和板塊單位面積材料的有效覆蓋能力,科學的確定各種數(shù)據(jù),最大限度的降低壓型板長向搭接情況的出現(xiàn),并減少材料的浪費。對于其中夾心板墻板構造的設計,需要考慮到夾心板的結構布置和節(jié)點的設計防范,科學選擇板塊的放置方式,并重點對踢腳、墻轉角處等節(jié)點位置進行設計。
結束語:從目前情況來看,在工業(yè)建筑設計中廣泛的應用輕型鋼結構,不僅能夠縮短施工工期,使建筑更快的投入使用以獲得最佳的經(jīng)濟效益,還能夠提升建筑物的使用性能和穩(wěn)定性能。本文就在此基礎上,結合工作實際,對輕型鋼結構的特點進行分析,并指出了該結構在工業(yè)建筑設計中的具體應用,希望能夠對今后的設計工作起到一定的幫助作用。
參考文獻:
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[2] 宋祥 輕型鋼結構工業(yè)建筑設計研究 山東建筑大學,2012年
[3] 賈彪 工業(yè)建筑中輕型鋼結構的設計淺析 中國建筑金屬結構,2013年第20期
【關鍵詞】 工業(yè) 民用建筑 混合結構設計
隨著市場經(jīng)濟的不斷發(fā)展,我國工程建筑建設的進程也在不斷加快,近年來,工程建筑混合結構設計已經(jīng)滲透到了人們生活和生產(chǎn)的方方面面。為滿足現(xiàn)代熱門的生活需求,建筑工業(yè)科技的發(fā)展非常迅速,其設計理念也在不斷完善,在推動相關工程企業(yè)發(fā)展的同時,也促進了工程建筑設計師的工作積極性。
1 工業(yè)與民用建筑混合結構設計
1.1 建筑物結構布置
現(xiàn)代工業(yè)與民用建筑工程的設計理論已趨于完善,為了保證整體建筑的可靠性、穩(wěn)定性、安全性,建筑設計師在設計其混合結構時,通常采用簡單規(guī)則的建筑外形,如方形、矩形等,這種建筑物結構布置不但能提高建筑物的美觀性,還能有效的提高其安全使用壽命,使整體建筑物美觀大方。在建筑工程師設計建筑物的混合結構時,要著重考慮其結構的水平合力和側力重心,這兩個標準是維持混合結構平衡穩(wěn)定的重要因素。
通常情況下,建筑物的承載能力主要依賴于其混合結構的穩(wěn)定性,主要表現(xiàn)在以下幾個方面:①各部分混合結構的物理學參數(shù),如側向度、承載力等,這些物理學參數(shù)是評定建筑抗震性的重要依據(jù);②在混合結構中,要根據(jù)不同建筑層的受力特點,制定建筑轉換層、加強層、支持層、頂層等結構設計圖,通常情況下,結構構架要符合三角定理的數(shù)學模型;③在建筑工程施工過程中,其混合結構中的框架結構是維持建筑穩(wěn)定性的主要依據(jù),在相互垂直方向,要設計建筑連接結構,使建筑工程的斜向力和垂直水平力互相抵消,這個施工環(huán)節(jié)是奠定牢固建筑物的基礎性施工。
1.2 建筑物的混合結構設計
1.2.1 混合結構的抗震設計
建筑物的抗震性是建筑師在設計混合結構時要考慮的重要建筑性能,建筑工程施工過程中,為保證建筑物混合結構的穩(wěn)定性、承載性、延性,通常采用預應力混凝土。這種混凝土具有的結構特性很好,如韌性、承載力強,延展性好,可以有效提高建筑物的抗震能力。在設計抗震結構時,建筑施工人員會在建筑物的柱體結構上設置鋼類高粱,讓它與鋼筋混凝土筒體相連,同時為確保預應力混凝土在混合結構中發(fā)揮其延伸性,還要采用很多工程措施,具體如下:①在鋼筋混凝土的筒體結構中,設置防護裝置,保證混凝土結構的完整強,使用配筋筑造筒體結構的角部;②加強混凝土強的厚度,控制混合結構的剪應力,使之與其他作用力綜合;③在混合結構剪力墻的端部設置型鋼柱,由四個暗柱形成的型鋼柱結構圍繞在剪力墻周圍;④在混凝土結構中應修建多層鋼筋柱體,以保證結構暗梁的穩(wěn)定性;⑤采用型鋼預應力混凝土建筑豎縫剪力墻;⑥在混凝土筒體結構中,要盡量使其開洞位置與結構處于水平位置;⑦在筒體結構和混凝土結構中設置水平縫,以保證其混合結構相連的地方受力均勻,使整體結構具有較強的穩(wěn)定性。
1.2.2 設置混凝土結構加強層
在建筑使用過程中,經(jīng)常會受到外部環(huán)境或外力的影響,其建筑會發(fā)生一定程度的彎曲變形,甚至有時會出現(xiàn)倒塌現(xiàn)象,危害人們生命安全的同時,帶給人民和社會巨大的經(jīng)濟損失。所以建筑設計師在建筑工程混合結構時,通常會在其受力最大的結構層級設置加強層,顧名思義,加強層結構性能的抗干擾性、抗震力非常強,建筑物在受到外力沖擊的一瞬間,主要受力點承載的力量非常大,所以在其主要位置設置加強層,可以有效的避免其主力結構的脆性,以保證整體建筑物的安全。使用加強層可以將混合結構的筒體剪力墻的一部分彎曲變形,向外延伸,減小其混合結構的水平方向受力,這樣可以防止建筑錯位。
2 混合結構的體系設計
2.1 框架剪力墻結構設計
這種混合結構在工業(yè)與民用建筑施工中應用非常廣泛,其綜合結構性能非常好。結構中的雙向抗側力體系是其結構的核心系統(tǒng),在混合結構的框架剪力墻兩個主軸方向分別設置獨立的單元結構,這種單元機構要遵循對稱原則,并且其結構外形要簡約大方,同時要注意在施工過程中,要盡量避免框架剪力墻出現(xiàn)缺失部分或凹凸不平。
2.2 框架剪力墻的結構設計要求
在混合結構設計中,混合結構對框架剪力墻高度和寬度的要求很高,因為墻面水平的承載力較大,所以為了保證其具有一定的延展性,抗震性,其建筑工程材料通常采用預應力混凝土。建筑在遭受強烈外力沖擊時,使剪力墻不會裂縫、不會倒塌??蚣芗袅κ强蚣芙Y構和剪力墻結構的結合體系,它具備混合結構的各種結構優(yōu)點,一方面增大了房屋的使用空間,另一方面也增大了混合結構的抗震性能,在現(xiàn)代工業(yè)與民用建筑中應用較為廣泛。
3 工業(yè)與民用建筑混合結構的實施
多層建筑的樓板必須具有良好的剛度、穩(wěn)定性,在施工過程中為了盡可能的減小樓板的重力,必須提高施工進度,降低混合結構的水平受力?;旌辖Y構的樓面建筑形式主要有三種:①在樓面壓力過大時,要在混合結構強做吊頂,這種建筑結構可以增加樓面的抗震性,但是其建筑成本較高;②降低樓面高度,這種建筑方式使建筑空間大大減??;③框架剪力墻,這是一種新型的建筑混合結構,其結構性能非常好,具有良好的穩(wěn)定性、安全性、抗震性。
4 結語
綜上所述,我國工業(yè)與民用建筑應用新型混合結構設計技術的發(fā)展較晚,很多工程施工技能和工程技術仍不夠完善,存在很多問題。混合結構設計是推動工業(yè)與民用建筑發(fā)展的主要助力,同時也是建筑工程發(fā)展的必經(jīng)之路。在建筑工程應用混合結構時,必要要選用適當?shù)慕ㄖ牧希M量降低工程建筑成本,嚴格控制監(jiān)督建筑施工的每一道工序,為這種混合結構奠定了堅實的建筑施工基礎,從而有效的落實工業(yè)與民用建筑混合結構的設計理念和設計要求。
參考文獻:
[1]郭志娟,尚高峰.工業(yè)與民用建筑的混合結構設計施工辦法漫談[J].中華民居(下旬刊),2013(9).
[2]楊高明.工業(yè)與民用建筑的混合結構設計辦法[J].2012(12).
關鍵詞:鋼結構;工業(yè)廠房;設計
中圖分類號: S611 文獻標識碼: A
前言
目前,鋼結構技術作為建筑行業(yè)中的一項新型綠色環(huán)保技術,其應用前景寬闊,同時已經(jīng)逐漸滲透到了大型工業(yè)廠房以及公共技術等領域。下文主要結合某綜采設備庫的設計闡述了一些設計體會。該綜采設備庫為大跨度廠房,跨度為 24m,兩跨,柱距為6m,房屋內設50/10t中級(A5)橋式吊車,吊車軌頂標志標高為9.0m,柱頂標高為12.020m,輕型鋼屋面和夾芯板外墻。
一、鋼結構廠房設計的主要特點
現(xiàn)如今,隨著經(jīng)濟的不斷發(fā)展,工業(yè)發(fā)展取得不斷進步。鋼結構廠房在世界各地均得到普遍使用,尤其是在發(fā)達國家應用更為廣泛。鋼結構廠房通常適用于倉儲庫房、工業(yè)廠房、會館展廳、凈化車間以及超市,其設計的主要特點有以下幾個方面:①具有較大的空間和跨度,且建筑質量輕,強度極高;②設計一般選用最先進方法,可充分滿足鋼材對抗沖擊性、變形能力、抗震性以及剛性等多方面要求;③鋼結構建筑能夠反復利用,且搬動遷移十分便利,避免了大量鋼材的浪費,保護環(huán)境不受到污染;④鋼結構獨特且輕巧,實際占用面積小,應用面積廣,增加了建筑物內的使用空間;⑤組成零件標準,制作精良,安裝方便快速,有效縮短了施工工期,減少投資成本;⑥具有較高的防火性和較強的防腐蝕性。
二、方案選擇
廠房一般有以下幾種結構形式: 砌體結構、鋼筋混凝土結構、鋼結構。砌體結構跨度一般在12m以下;鋼筋混凝土結構自重大,地震力也大,施工工期長;而鋼結構廠房相比有以下優(yōu)點:1)自重輕,抗震性能好。采用高效輕型薄壁型材,構件截面特性優(yōu)良,相對承載力高,受力性能良好,整體剛度大,抗震性能好,減輕結構重量,降低基礎費用。2)供貨迅速,安裝方便,可以比混凝土結構至少縮短一半工期。在當前貸款利率高的金融形式下,早投產(chǎn),早回收投資,這對于降低工程總造價,增加投資效益幅度是十分重要的。3)干法施工,裝備化程度高,建設快速,高效,質量有保證。4)輕鋼結構在生產(chǎn)和使用的過程中能源與原材料消耗低,建筑垃圾少,粉塵少,噪音低,具有很高的可重復使用性和可循環(huán)性,因此是一種綠色環(huán)保結構。由于本廠房跨度較大,橋式中吊車噸位較高,考慮到鋼排架對地基沉降的敏感程度較小等特點,所以選用了鋼排架的結構形式。
三、概念設計和受力機理
在鋼結構設計的整個過程中都應該被強調的是 “概念設計”。結構的布置要根據(jù)體系特征、荷載分布情況及荷載類型等綜合考慮。盡量做到剛度均勻,力學模型清楚,盡可能讓荷載作用沿著最直接的線路傳遞到基礎,柱間抗側支撐的分布應均勻,其形心要盡量靠近側向力的作用線,否則應考慮結構的扭轉,結構的抗側體系應有多道防線。筆者通過規(guī)范規(guī)程的學習,在做了大量設計的基礎上,深刻體會到鋼結構支撐在結構體系中的重要作用,現(xiàn)總結如下:支撐的作用從整體而言主要是: 保證廠房結構的縱向及橫向水平剛度,并將平面結構聯(lián)結成整體空間結構,增強廠房的整體穩(wěn)定和空間剛度。傳遞某些局部水平荷載(如縱向風荷載、吊車縱向制動力等) 到主要承重結構構件。在施工和使用階段,保證結構構件的穩(wěn)定性。單層廠房支撐分屋蓋支撐和柱間支撐兩類,分述如下:
1.屋蓋支撐
屋蓋支撐包括上弦橫向水平支撐、下弦橫向水平支撐、縱向水平支撐、垂直支撐及系桿等。1)橫向水平支撐。上弦橫向水平支撐的作用是: 構成剛性框,增強屋蓋的整體剛度,保證屋架上弦的側向穩(wěn)定,同時將山墻抗風柱傳來的風力傳遞到排架柱。下弦橫向水平支撐的作用是: 當屋架下弦設有懸掛吊車或其他設備產(chǎn)生水平力時,或當抗風柱與屋架下弦連接,抗風柱風力傳至下弦時,能保證水平力或風力傳至排架柱。2)屋架間的垂直支撐及水平系桿。垂直支撐和下弦水平系桿的作用是保證屋架的整體穩(wěn)定(抗傾覆) 以及防止在吊車工作時(或有其他振動時)屋架下弦的側向顫動。上弦水平系桿則用以保證屋架上弦受壓翼緣的側向穩(wěn)定(防止局部失穩(wěn)) 。3)屋面梁(屋架)間的縱向水平支撐。下弦縱向水平支撐的作用是: 保證橫向水平力的縱向分布,增強排架的空間工作,提高廠房剛度。設計時應根據(jù)廠房跨度、跨數(shù)和高度,屋蓋承重結構方案,吊車起重量及工作制等因素考慮在下弦平面靠近支座端部節(jié)間中設置。如廠房設有橫向水平支撐時,則縱向水平支撐應盡可能同橫向水平支撐形成封閉的支撐體系。當廠房設有托架時必須設置縱向水平支撐。如果只在部分柱間設有托架,則必須在設有托架的柱間和兩端相鄰的一個柱間設置縱向水平支撐,以承受屋架傳來的橫向風力。
2.柱間支撐
柱間支撐的作用是: 提高廠房的縱向剛度和穩(wěn)定性;把吊車縱向制動力和山墻抗風柱經(jīng)屋蓋系統(tǒng)傳來的風力(或縱向地震力)再經(jīng)柱間支撐傳給基礎。對于有吊車的廠房,柱間支撐分上部和下部兩種,前者位于吊車梁上部,用以承受作用在山墻上的風力并保證廠房上部的縱向剛度;后者位于吊車梁下部,承受上部支撐傳來的力和吊車梁傳來的吊車縱向制動力,并把它們傳至基礎。
四、設計計算
按排架結構進行計算,有幾個設計要點需要注意:
1)基礎。除發(fā)生沖切、剪切破壞之外,還存在較大的彎矩作用,從而導致基礎產(chǎn)生傾覆和滑移破壞。在風荷載較大的情況下,特別對于一些敞開和半敞開的結構,輕鋼結構自重很輕,有可能不足于抵抗風荷載產(chǎn)生的上拔力,導致基礎上拔破壞。為了防止這些破壞的發(fā)生,最經(jīng)濟有效的辦法是增加基礎埋深,對于輕鋼結構基礎,還須預埋地腳螺栓,用于上部結構和基礎的連接,若錨栓離混凝土基礎邊緣太近,會產(chǎn)生基礎劈裂破壞,因此,錨栓離基礎邊緣的距離不得小于 150mm,若錨栓長度過短,會使錨栓從基礎中拔出,導致基礎破壞,所以規(guī)范也規(guī)定了錨栓埋入長度。
2)柱腳。柱腳為剛性固定連接,剛性固定連接分為三種形式: 露出式柱腳、埋入式柱腳、包腳式柱腳,本設計采用了露出式柱腳即靴式柱腳,在設計手冊中有詳細的計算過程,可以做到精確計算,對于跨度較大,吊車荷載噸位較高的情況,認為采用埋入式更為合適,對提高和確保鋼柱腳和鋼筋混凝土基礎或基礎梁的組合效應和整體剛度有利。
3)牛腿處設鋼系桿。下柱截面高度為1100mm,吊車梁與牛腿連接距下柱形心距離偏心太大,不能保證柱的側向穩(wěn)定,所以在牛腿標高處增設鋼系桿,以減小柱的計算長度,以防柱失穩(wěn),計算時考慮與吊車梁共同傳遞縱向水平力,同時作為排架柱的側向支撐點。
4)屋架。對于具體工程,屋架設計時應考慮到排架柱對屋架下弦產(chǎn)生的附加拉力或壓力,以及在吊車荷載設計值和永久荷載標準值組合下下弦桿是否受壓,如受壓時其長細比不宜超過200,根據(jù)具體情況對下弦桿進行強度和穩(wěn)定性驗算。當風荷載較大,屋架下弦桿在永久荷載標準值和風吸力荷載設計值共同作用下受壓時,為滿足λ≤200,可加密下弦系桿。
結語
綜上所述,,隨著鋼結構設計技術的日益成熟,加上鋼結構在現(xiàn)代建筑中由于用鋼量少,安裝設計時間短,工業(yè)化生產(chǎn)程度高等優(yōu)勢,使得在廠房、倉庫等大跨度結構中得到更廣泛的應用。設計師也要與時俱進,把握時代脈搏,掌握鋼結構設計的新理念,做出更經(jīng)濟、更合理、更低碳環(huán)保的鋼結構設計。
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關鍵詞:建筑設計,結構設計, 關系
Abstract: with the building the development of science and technology, professional degree more and more high, a good engineering design is architecture design and structure design of the organic integration. To design a should not only meet the building (the function requirement). Beautiful modelling, and will make the safety of the structure, economy, reasonable of the building is every architect and architects must pay much attention. So, architectural design and structure design, closely cooperate with each other is key.
Keywords: architectural design, structure design, relationship
中圖分類號:TU2文獻標識碼:A文章編號:
1建筑設計與結構設計的概念區(qū)別
1.1建筑設計的概念界定
建筑設計是指建筑物在建造之前,設計者按照設計仟務,把施工過程和使用過程中所存在的或可能發(fā)生的問題,事先作好通盤的設想,擬定好解決這些問題的辦法、方案,用圖紙和文件表達出來。作為備料、施工組織工作和各工種在制作、建造工作中互相配合協(xié)作的共同依據(jù)。使整個工程得以在預定的投資限額范圍內,按照周密考慮的預定方案統(tǒng)一步調順利進行。并使建成的建筑物充分滿足使用者和社會所期望的各種要求。建筑設計工作的全過程分為幾個工作階段:搜集資料、踏勘現(xiàn)場初步設計、施工圖設計等,循序進行,這就是基本的設計程序。
廣義的建筑設計是指設計一個建筑物或建筑群所要做的全部工作。由于科學技術的發(fā)展,在建筑上利用各種科學技術的成果越來越廣泛深入,設計工作涉及建筑學專業(yè)、結構專業(yè)以及給水、排水,采暖、空氣調節(jié)、電氣、煤氣、消防、防火、自動化控制管理、建筑聲學、建筑光學、建筑熱工學、工程估算,園林綠化等方面的知識,需要各種科學技術人員的密切協(xié)作。但通常所說的建筑設計,是指“建筑學”范圍內的工作。它所要解決的問題,包括建筑物內部各種使用功能和使用空間的合理安排,建筑物與周圍環(huán)境、與各種外部條件的協(xié)調配合,內部和外表的藝術效果,各個細部的構造方式,建筑與結構、建筑與各種設備等相關技術的綜合協(xié)調,以及如何以更少的材料、更少的勞動力、更少的投資、更少的時間來實現(xiàn)上述各種要求。其最終目的是使建筑物做到適用、經(jīng)濟、堅固、美觀。建筑師除了精通建筑學專業(yè),做好本專業(yè)工作之外,還要善于綜合各種有關專業(yè)提出的要求,正確地解決建筑設計與各個技術工種之間的矛盾。
1.2結構設計的概念界定
結構設計,即:建構筑物的結構設計。一般包括上部結構設計和基礎設計。
上部結構設計主要內容及步驟:(1)根據(jù)建筑設計來確定結構體系、確定結構主要材料:(2)結構平面布置:(3)初步選用材料類型、強度等級等,根據(jù)經(jīng)驗初步確定構件的截面尺寸:(4)結構荷載計算及各種荷載作用下結構的內力分析:(5)荷載效應組合:(6)構件的截面設計。此外還包括某些必要構造措施.需要依據(jù)結構專業(yè)相關規(guī)范、圖集等。
基礎設計:(1)根據(jù)工程地質勘察報告、上部結構類型及上部結構傳來的荷載效應和當?shù)氐氖┕ぜ夹g水平及材料供應情況確定基礎的形式,材料強度等級,一般有淺基礎(如:獨立基礎、條形基礎等)和深基礎(如:樁基);(2)基礎底面積的確定及地基承載力驗算:(3)基礎內力計算及配筋計算。(4)考慮必要的構造措施
結構設計的成果體現(xiàn)在繪制的結構施工圖上,該圖紙是結構工程師的語言,是直接面對施工現(xiàn)場及相關工程技術人員的,應該按照一定的規(guī)范繪制。
2建筑設計與結構設計的關系分析
建筑設計與結構設汁是整個建筑設計過程中的兩個最重要的環(huán)節(jié),對整個建筑物的外觀效果、結構穩(wěn)定起著至關重要的作用。而二者之間又存在著相互協(xié)調、互相制約的關系。
在建筑設計中,少數(shù)建筑師總是把結構放在從屬地位,并要求結構必須服從建筑,一切以建筑公司為先導,這一觀念分割了科學的完整性,忽略了基本的力學規(guī)律,片面地追求建筑與技術與建筑藝術的結合和最大滿足使用功能的要求,這樣往往給某些建筑工程質量帶來了質量隱患和不安全因素。任何一個建筑設計方案,都會對具體的結構設計產(chǎn)生影響,而有限的結構設計技術水平又制約著建筑設計層次。因此,在做建筑設計的過程中,建筑師應具備有一定的結構方面基礎,能與結構設計適當結合,相互調協(xié),使二者相統(tǒng)一,才能創(chuàng)作出真正優(yōu)秀的建筑設計作品。
在現(xiàn)實工程實踐中:(1)許多建筑設計師,強調創(chuàng)作的美觀、新穎、標新立異,強調創(chuàng)作的最大自由度,然而這樣的建筑設計將會給結構設計帶來很大的困難,作為建筑物本身必須承受起巨大的自重荷載和活載、水平風力、地震力、扭矩力等。如果建筑設計人員在進行平面設計和豎向設計構思時,不依據(jù)基本的結構技術原理和有關結構的受力特征,不征詢結構設計師的意見,往往會使結構工程師不能有效地選擇合理的結構體系,進行結構設計導致結構的不穩(wěn)定等問題。比如將建筑物截面設計成為三角形,其抗彎矩力和抗側能力比圓形截面、矩形、多邊形截面要小得多。(2)還有一些建筑師缺乏對結構力學方面的基本常識,在設計過程中,往往忽視力學的基本規(guī)律.
3.建筑設計與結構設計相結合的對策與建議
3.1系統(tǒng)全面規(guī)劃和科學設計、計算
通過上文的介紹,讓我們知道了建筑設計與結構設計的區(qū)別,以及各自的特點。對于一個具體的建筑工程項目而言,建筑設計就是設計建筑物的總體布局,內部功能.外在形象.細部構造等的設計。滿足人們修養(yǎng)生息、活動和審美需求的愿望而創(chuàng)造的一個空間環(huán)境。設計的成果主要有總平面圖,平面圖,立面圖,剖面圖,詳圖.還有必要輔助的效果圖等。結構是能夠承受荷載并且維持幾何不變的構件體系,那么結構設計就是設計能夠承受建筑荷載的結構。主要設計房屋建筑的承重構件的布置,構件形狀,大小,材料,構造等,其設計成果主要有基礎平面圖,基礎詳圖。結構平面圖和鋼筋混凝上構件詳圖,節(jié)點鋼筋構造詳圖等。在構思規(guī)劃、設計、施工過程中,應該系統(tǒng)、全面地了解各方面的工程數(shù)據(jù)、信息,科學地進行建筑設計,同時進行重點環(huán)節(jié)、重點部位的結構設計??紤]外觀造型對材料、承載力、剪力、延性、剛度、抗壓、平衡、抗震等的實現(xiàn)難度,整體構思結構總體方案,明確結構總體系與水平分體系、豎向分體系間的關系和設計要求。有必要通過概念性的近似計算進行探索優(yōu)化,確定結構分體系及其結構分體系及其構件的基本尺寸,確認建筑設計方案的可行性。確保建筑空間形式與結構受力特征的協(xié)調性和一致性。
3.2同步進行質量控制和監(jiān)控施工過程
在具體的建筑項目設計工作中建筑設計與結構設計是一項關鍵性的工作,兩者的設計都事關建筑安全性、穩(wěn)定性,又是一項創(chuàng)造性的工作,是一個集概念、經(jīng)驗、計算、表現(xiàn)等多方面因素于一體的綜合性創(chuàng)造。所以,在進行建筑設計、結構設計的同時,應該提前預測性地考慮施工開始后的質量控制和監(jiān)控跟蹤問題。
建筑設計的適用、安全、經(jīng)濟、美觀、便于施工是進行建筑結構設計的原則。這五個方面各有所重,又互為矛盾,一個優(yōu)秀的建筑結構設計往往是這五個方面的最佳結合。往往設計人員注意到適用、安全、經(jīng)濟、美觀,而忽略了便于施工的實現(xiàn)與質量監(jiān)控的難易。應該在建筑設計的同時就考慮結構設計的成本,以及考慮到以后施工中可以對進度控制、質量控制進行有效的監(jiān)控和跟蹤。
關鍵詞:工業(yè)建筑;民用建筑;混合結構;建筑材料;樁基處理技術
中圖分類號:TU24文獻標識碼: A
一、建筑結構設計
由于相應的建筑結構進行設計過程當中的要求必須擬定能夠提供采用的承重與非承重結構的形式,隨后對這些形式擇優(yōu)選用。通過研究發(fā)現(xiàn),在房屋的承重結構當中,其中所包含的主要是豎向與水平這兩種類型。在選擇結構體系的過程當中,不但要將出發(fā)點選取為對建筑的使用功能滿足,充分考慮節(jié)約投資,其中最為關鍵的主要是看建筑結構的高度,也就是說,要通過建筑層數(shù)的多少進行考慮。如果有著越多的建筑層數(shù),那么就會有著更高的高度,在這種情況下,受到地震力或者風力則會引發(fā)更大的側向力,有鑒于此,建筑物就應該具備相應的剛度來對相應的側向力的抵抗。針對這樣的情況,在持續(xù)不斷增加的建筑層數(shù)的基礎背景下,就應該不斷發(fā)展結構體系。當前我國在民用建筑結構形式當中,主要有排架結構、裝配式大板、框剪結構、磚混結構、大模板結構、剪力墻結構、框架結構等。
一是純框架結構體系。在地震地區(qū),往往這樣的結構規(guī)定在十五層以內??蚣芙Y構往往有著靈活的平面布置,這樣就可以將相對比較大的室內空間提供給建筑,與此同時,在整個結構的各個部分當中有著比較均勻的剛度分布,框架結構所具備的延性顯得比較大,而且有著比較長的自振周期,有鑒于此,這類結構針對地震作用顯得并不敏感,具備比較好的抗震性能??墒强蚣芙Y構擁有比較小的側向剛度,可是受到比較大的側向位移的影響,從而比較容易引發(fā)破壞非結構構件,這樣就可以了解到這種結構的建筑不應該建得過高。
二是框支結構體系。由于在受到地震與風的荷載作用下,純框架結構的建筑所發(fā)生的側移對相關要求并不符合的情況,那么就可以對帶支撐的框架采用,也就是說,基于相應的框架體系當中,將一定數(shù)量的支撐布置在沿著結構的縱向與橫向這兩個方向布置??蚣芑谶@種體系當中,基本上和框架體系擁有著相同的柱網(wǎng)尺寸與布置原則,絕大多數(shù)的支撐則是沿著樓面中心部位服務面積的周圍布置,沿著橫向布置的支撐相連接沿著縱向布置的支撐,這樣就會有著一個支撐芯筒形成。以往的那種通過抗彎桿件所形成的框架結構則會被使用由軸向受力桿件所形成的豎向支撐所取代,這樣就能夠獲得與純框架結構顯得大很多的抗側力剛度,從而可以對建筑物的層間位移起到比較明顯的減小。
三是框架剪力墻結構體系。通過將一定數(shù)量的剪力墻布置在框架結構當中,這樣的做法則能夠對框架剪力墻結構體系組成,往往在這樣的結構當中則是所選取的抗側力結構屬于剪力墻,而這就導致不僅僅擁有框架結構使用方便、靈活布置平面的優(yōu)點,與此同時所擁有的剛度也顯得比較大,能夠將這一體系在四十層至六十層的高層剛結構當中進行應用。如果出現(xiàn)鋼筋混凝土墻沿著諸如衛(wèi)生間、電梯間、樓梯間等這些服務性面積周圍實施設置,這樣就會導致框架多簡體結構體系形成。從各個方面上來看,這種結構體系往往都會具備比較大的抗側力剛度,這樣就會逐漸成為主要的抗側力構件,可是對絕大多數(shù)的水哦荷載進行承擔,豎向荷載則是鋼框架主要承擔的。從造價上來看,混合結構的造價則只是鋼筋混凝土框架結構的60%至70%,這種結構有著比較少的鋼筋混凝土用量,往往所適用的建筑物則是那種七層以下??墒腔旌辖Y構其承重是墻體,這樣就會有著一定要求在布置墻體上,相對來說并不會像框架結構那樣靈活,這樣也會限制其使用功能。框架結構則是適用于十二層以下至七層以上的建筑,將幾道抗震剪力墻設置在相應的合適位置,可以將梁與柱的配筋、截面尺寸減小,這樣做的目的就是可以對材料的節(jié)省,與此同時還可以做到對建筑物的抗震性能明顯的提高。框架結構往往比較適合二十層以下至十二層以上的建筑物,為做到對建筑物的整體剛度增強,還可以將剛性筒體布置在恰當?shù)奈恢?,這樣做的效果同樣也可以對材料節(jié)省。
二、選擇地基處理方案
由于建筑物的重要組成収就是地基基礎,從總投資來看,該部分所占用的資金達到三分之一以上。針對這樣的情況,設計人員要實現(xiàn)對地基造價的優(yōu)化,則必須全面認識地基處理技術的優(yōu)缺點,對于各種地基處理技術的造價熟悉。根據(jù)相關研究結果顯示,天然基礎其造價知識樁基造價的27%至67%。這就使得在對相關設計要求滿足的基礎上,為避免浪費則是使用天然基礎而并不是樁基。可是絕對并不是在所有的建筑物都是這種情況。如今,民用建筑物逐步發(fā)展為高層、超高層。這就有著比較高的地基要求,可是天然地基對于工程需要無法滿足。部分凈高偏高、底面積小的建筑,尤其是建在填海地段的高層建筑,以便對承載力與沉降量的要求滿足,還必須使用樁基。當前比較多采用的樁基處理技術其中包含著粉噴石灰樁、雙灰樁、粉噴水泥樁、預制鋼筋混凝土樁、現(xiàn)澆鋼筋混凝土灌注樁、高壓噴射水泥樁、碎石樁等。相應在樁基的選型過程當中,還必須對單樁承載力的范圍值、場地地質條件、環(huán)境條件充分考慮。設計高層、超高層以及部分特殊結構的地基基礎的過程當中,往往會有一個以上的適合方案,結構設計人員還應該與造價師密切配合控制工程造價,加強對比各種方案的技術經(jīng)濟,通過最優(yōu)的地基施工技術與處理技術,使得最終選定的地基處理方案滿足設計與使用要求。選用鋼筋在對結構設計承載力要求滿足的前提下,使得所選用的鋼筋方案相對比較低造價,從而實現(xiàn)工程造價降低的目的。相當一部分的設計人員往往將其重點方式計算配筋上,而對選擇鋼筋種類忽視。
三、工業(yè)和民用樓面結構
絕大多數(shù)的層輕鋼建筑模板往往必須有著足夠的整體穩(wěn)定性、強度、剛度,與此同時,還必須最大限度采用構造與技術措施還對樓板自重減輕。使得施工速度提高,常用的樓蓋之一就是組合式,從目前的情況來看,其主要有三種:第一種是壓型鋼板組合樓蓋,有著凹凸不平的表面,在民用建筑中需要做吊頂,有著比較高造價;第二種是現(xiàn)澆整體組合樓蓋,擁有比較好的整體性,還可以對吊頂與支模的費用節(jié)??;第三種是鋼筋混凝土疊合板組合樓蓋,由于有著比較好的整體性,這樣也可以對吊頂與支模的費用節(jié)省。在應用組合樓板當中,為最大限度減小樓層高度,從而有著更大無柱空間,如今的趨勢就是整合鋼梁與模板,形成組合扁梁樓蓋。
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關鍵詞:工業(yè)建筑;廠房;結構設計;優(yōu)化;基本方法
中圖分類號:TS958文獻標識碼: A
前言
一般而言,工業(yè)建筑是指用以從事工業(yè)生產(chǎn)的各種房屋,也叫廠房或廠房建筑。工業(yè)是我國國民經(jīng)濟支柱產(chǎn)業(yè),保證工業(yè)安全生產(chǎn),提高工業(yè)基礎設施建設水平是工業(yè)發(fā)展的必要條件,為此人們對工業(yè)廠房建筑的建設逐漸給予了更多的關注。在廠房建設過程中,結構設計是第一步關鍵工作環(huán)節(jié),其決定了廠房建設的施工質量和投資效益。工業(yè)建筑的設計風格根據(jù)設計人的經(jīng)驗和角度不同存在差異,我國目前普遍采用的形式為鋼筋混凝土結構和鋼結構。本文針對工業(yè)廠房建筑結構的設計優(yōu)化提出了一些個人觀點,僅供設計人員及施工人員參考。
一、解析結構設計優(yōu)化的基本方法
目前建筑工程的結構設計優(yōu)化技術的基本方法主要有兩種,即直覺優(yōu)化與概念設計處理。所謂直覺優(yōu)化,就是指建筑工程的結構設計中,可以采用多種設計方案時,設計人員一般會根據(jù)自己的經(jīng)驗和直覺來判斷出應當選擇哪種設計方案比較合適,尤其是在確定結構布置設計、荷載分析、細部處理的設計方案時,更是無法使用計算機來代替,必須要由設計人員靠自己的判斷來決定。但是在實際的建筑工程結構設計中,設計人員自己的判斷是需要根據(jù)設計規(guī)律和實踐經(jīng)驗來判斷,其在一定情況下,還是需要結合概念來進行設計處理。為此在結構設計優(yōu)化技術中,概念設計處理也是非常常見的優(yōu)化技術方法。
二、鋼結構廠房的結構設計優(yōu)化技術應用
本文以鋼結構廠房為例,來詳細探討結構設計優(yōu)化技術的具體應用。
1.廠房鋼結構設計優(yōu)化的基本原則
首先,要保證有足夠的工作空間。其次,在生產(chǎn)中機械設備的運行往往會帶來一定的震動,為保證廠房的安全性,在優(yōu)化廠房結構設計時,需要重點對結構的抗震性進行設計。再者,一些廠房在生產(chǎn)中會散發(fā)大量的熱量,而鋼本身具有很大的傳熱性能,若溫度過高時,鋼結構的強度也會減弱,為此設計中還注重對鋼結構的耐熱性進行優(yōu)化設計。最后,廠房的支撐體系設計、屋面設計和立面設計也都要充分結合實際需要,合理設計,提高廠房結構設計方案的經(jīng)濟性和合理性。
2.鋼結構廠房的抗震性設計優(yōu)化
首先,在進行總體布置的時候,廠房結構的質量和剛度分布應該具有均勻性,鋼架是廠房橫向結構選擇的最佳材料,通過這種形式,可以使鋼結構的受力性能得到充分地應用,并且橫向結構變形幾率也在一定程度上有所降低。其次,鋼結構廠房出現(xiàn)破壞,通常情況下,并不是因為桿件沒有足夠的強度,在很多時候是因為桿件沒有穩(wěn)定性而使其出現(xiàn)破壞現(xiàn)象,因此,布置支撐系統(tǒng)要具有一定的合理性。第三,在地震影響下,低周疲勞作用有所發(fā)揮,而在設計過程中,應該著重考慮它對廠房所產(chǎn)生的影響。在設計結構連接點的時候,節(jié)點的破壞要晚于結構構件的全截面屈服,結構構件應該加入到塑性工作中,將其中地震能量充分地吸收進來,從而發(fā)揮抗震能力。對工字型鋼的焊接截面的腹板采用加勁板加強,可以有效提高局部穩(wěn)定性,減小厚度,優(yōu)化截面. 柱間支撐形式的合理選擇,可有效提高廠房縱向抗震能力,減小鋼柱在縱向荷載作用下的用鋼量。
3.鋼結構工業(yè)廠房的耐熱性設計
鋼結構工業(yè)廠房防火能力很差,當鋼材受熱在100℃以上時,隨著溫度的升高,鋼材的抗拉強度降低,塑性增大;溫度在250℃左右時,鋼材抗拉強度略有提高,而塑性卻降低,出現(xiàn)藍脆現(xiàn)象;當溫度超過250℃時鋼材出現(xiàn)徐變現(xiàn)象;當溫度達500℃時,鋼材強度降至很低,以致鋼結構塌落。因此,當鋼結構表面溫度處于150℃以上時,必須做隔熱及防火設計。這樣可以增強建筑的耐熱能力,使建筑更加的安全。例如冶金鋼結構廠房中加熱爐附近的廠房鋼柱需要進行耐熱保護,但是對廠房柱的保護應適度,熱輻射范圍內的柱子適度保護,范圍外的柱子不進行熱保護,這樣達到優(yōu)化的目的.
4.屋面支撐系統(tǒng)及屋面結構的設計優(yōu)化
屋蓋支撐系統(tǒng)的布置應根據(jù)廠房跨度、高度、柱網(wǎng)布置、屋蓋結構形式、吊車噸位和所在地區(qū)的抗震設防烈度等條件來決定。一般情況下無論有檁或無檁體系的屋蓋結構均應設置垂直支撐;在無檁體系中,大型屋面板有三點和屋架焊接,可起到上弦支撐作用,但考慮到施工條件的限制和安裝需要,無論有檁或無檁體系屋蓋均應在屋架上弦和天窗架上弦設置上弦橫向支撐。對于屋架間距不小于12m 的廠房或廠房內設有特重級橋式吊車或廠房內有較大振動設備的均應設置縱向水平支撐。支撐系統(tǒng)的合理布置,能大幅降低支撐用鋼量;準確計算支撐桿件的內力,減小桿件的截面,對大型屋面板可以優(yōu)化成輕質混凝土板,減少荷載,
屋面的排水及防水設計在屋面設計中需重點考慮,根據(jù)《屋面工程技術規(guī)范》的規(guī)定,屋面坡度最小為5%,在積雪較大的地區(qū),坡度應適當加大。單坡屋面的長度主要取決于所在地區(qū)的溫差以及降雨所形成的最大水頭高度。根據(jù)工程設計經(jīng)驗,單坡屋面長度宜控制在70m以內。目前,市場上鋼結構屋面的做法常用的有兩種:1)剛性屋面:雙層彩色壓型鋼板內夾保溫棉;2)復合柔性屋面:由屋面彩鋼板內板、隔氣層、保溫層、卷材防水層組成。
屋面用鋼量的優(yōu)化,主要還在于對檁條這個用鋼量大戶的優(yōu)化,例如,在高鐵車站雨棚的設計優(yōu)化中,采用連續(xù)檁條比簡支檁條省15%~30%的用鋼量。
5.立面設計的優(yōu)化
在廠房輕鋼結構的設計中,除了要對力學性能進行優(yōu)化設計以外,還需要對其立面設計進行優(yōu)化。尤其是要對廠房輕鋼結構的規(guī)模、線條、色彩等方面進行優(yōu)化設計。由于廠房一般多用于生產(chǎn),因此在設計其立面的規(guī)模和線條時,可以考慮設計簡單統(tǒng)一的立面。在色彩選擇上,也可以盡量考慮彩色的鋼板,避免整個廠區(qū)都處于一種單調沉重的混凝土結構中。尤其是在廠房的出入口、外天溝已經(jīng)收邊泛水等部位進行合理優(yōu)化設計,在保證其基本功能的基礎上,實現(xiàn)良好的立面效果。使廠房給人一種親切的感覺,從而調節(jié)員工的心情,提高工作積極性。另外,線條是表現(xiàn)輕鋼結構建筑風格最獨特的特征,均勻的線條或橫或豎,使得輕鋼結構建筑富有流暢的金屬質感,體現(xiàn)了強烈的現(xiàn)代工業(yè)氣息。很多廠房在設計上往往考慮到采光問題而在墻面上挖較多的孔洞,破壞了立面效果,筆者建議可以大量使用屋面采光板,以此來解決采光和立面效果的矛盾,同時還能解決廠房的通風問題。
6.吊車梁系統(tǒng)優(yōu)化
對大型重載吊車梁系統(tǒng),建議采用連續(xù)梁系統(tǒng),不但可以減小吊車梁截面高度,
降低用鋼量,而且使廠房縱向剛度增加,可以使廠房柱系統(tǒng)更輕便。
結束語
隨著我國現(xiàn)代工業(yè)的不斷發(fā)展,行業(yè)領軍企業(yè)的規(guī)模不斷加大,新建工業(yè)園區(qū)過程中企業(yè)對工業(yè)建筑的要求也不斷提高。針對工業(yè)建筑的特殊性,工業(yè)企業(yè)加強了對建筑結構設計的關注。為了滿足現(xiàn)代工業(yè)的廠房建設需要,我們必須要不斷的改進設計理念,優(yōu)化廠房結構的設計方案。目前鋼結構逐漸成為廠房建筑的主要結構形式,在對其進行結構設計優(yōu)化時,需要結合鋼結構的特點,和實際的工業(yè)生產(chǎn)需要,對鋼結構的抗震性、耐熱性、吊車系統(tǒng)和支撐系統(tǒng)進行優(yōu)化設計,同時還要注重廠房結構設計的立面設計,在滿足廠房基本功能需求的基礎上,設計出優(yōu)美大方,更符合工業(yè)性質的廠房結構設計方案,從而提升我國廠房建筑結構設計水平。
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關鍵詞:多層鋼結構;工業(yè)廠房;設計;應用
在我國工業(yè)廠房的布局建設中,多層鋼結構已然占據(jù)了主導地位,并且已經(jīng)成為現(xiàn)如今頗受歡迎的建筑形態(tài)。多層鋼結構的特點相比于普通的鋼化結構而言更具特性,因此,多層鋼結構所構建出的廠房也就更加受到人們的歡迎。
1 多層鋼結構概述
多層鋼結構的工業(yè)廠房具有如下幾種特點。其一:在大眾的眼里,似乎鋼結構的材料都具有偏重特質,傳統(tǒng)的鋼化結構也具有重量較大特點。但是多層鋼結構打破了這一特性,它本身的重量負擔不大,不僅不會給工業(yè)廠房帶來影響,還會有效減輕多層鋼結構本身的重擔。其二:多層鋼結構主要用輕型的維護構造來保護自己,這方面的特性有利于建造工業(yè)廠房。其三:多層鋼結構在每一層建設過程中,都不會影響工業(yè)廠房本身的構造性能,它不僅不會縮小廠房的空間,相反,它還會在一定程度上擴大廠房本身的格局。除了這三點較為明顯的特點之外,它本身的操作難度、施工周期以及所承載的重量也比普通鋼結構更加優(yōu)質。
2 多層鋼結構工業(yè)廠房的設計及結構布置要點
2.1 多層鋼結構工業(yè)廠房的設計理念
多層鋼結構的工業(yè)廠房在設計完成之后,它所呈現(xiàn)給大眾的是結構建設和建筑構造相結合的整體表現(xiàn),這也是因為多層鋼結構融合了先進的設計理念以及特殊的建筑材料,通過這兩者的有效結合可以最大程度達到建筑結構的完整度。多層鋼結構主要有以下幾種設計方法與設計理念。
2.1.1 在主體布局以及系統(tǒng)的建設中對其進行分切設計。我國在進行多層鋼設計時,通常將工業(yè)廠房系統(tǒng)以及主體構造進行分切設計,但是,基于對多層鋼整體的建設理念來講,這種分切式設計是不符合規(guī)定的。也不利于工業(yè)廠房的系統(tǒng)維護。
2.1.2 結構設計的完整。將工業(yè)廠房進行整體打造,進行這一要點的設計時首先需要打破傳統(tǒng)建造理念“首先進行構造,隨后對結構進行劃分”。
2.1.3 工業(yè)廠房截面優(yōu)化特點。多層鋼廠房使用的角鋼材料是不宜過多的,種類控制在4種為最佳,這種對材料的控制也是為了相關工作人員更好準備材料。當我們使用的角鋼規(guī)格標準過于一致時,工作人員就需要將這幾種規(guī)格相同的材料統(tǒng)一應用。
2.2 多層鋼工業(yè)廠房結構布置要點
2.2.1 構造體系。多層鋼的層數(shù)較低,因此,我國在進行多層鋼廠房建設時通常都將純框架和框架支撐格局相統(tǒng)一。
圖1
2.2.2 純框架的構造?;谠谠O計之初的原因,可能是機器設備的放置位置,也有可能是線路布局設計的問題,導致廠房的支柱不能起到支撐作用。因此,在這種情況下一定要采用純框架體系。純框架體系的構造一般都是有兩個形狀構成,一種是箱子形狀的柱體,第二種則是H形狀。通常在設計時,經(jīng)常采用圖一的設計圖紙方法進行構造。
2.2.3 框架支撐構造。相比于第一種純框架構造來說,框架支撐構造的優(yōu)點更強大,它本身所用的鋼化材料較少,固定節(jié)點的方式也更為快捷。此構造主要呈工字型向外延伸,在支撐的過程中,逐漸變成X形狀,又或者是變?yōu)槿俗中我约捌倪M行節(jié)點重量的支撐。
2.3 工程實例
2.3.1 工程背景。此工程是為了裝置電子設備及產(chǎn)品所構造的多層輕鋼結構廠房,設置的圖紙平面呈矩狀圖形,總長度我們暫且設定為83.0m,寬度為27.89m,總面積達到10532.5m2。此屋面的樓面所應用的是壓型鋼板混凝土組合樓板,墻體外部位置采用的是外置夾板方法,而墻體的內部則是輕鋼龍骨的U型骨架并將其設置為隔體。
2.3.2 計算研究。如果此項工程在不考慮框架支撐構造的前提下,可以定為C套設計方案,而D套方案則是將框架支撐構造考慮到其中,并采用強度為C45的混凝土,樓板設置為厚達100mm。其中采用平均剛度的計算方法對組合梁進行換算統(tǒng)計。考慮到多層鋼的構造邊緣厚度較薄,所以將C套方案和D套方案進行比較,可得出表1。
通過表1的數(shù)據(jù)與兩套計算方案的比較,我們可以得出以下幾個結論,在支撐作用的壓力下,框架支撐結構的縱向主自振周期時具有很大的慣例,剛力越大,則位移的幅度就越小。
2.3.3 設計思路。設計多層鋼工業(yè)廠房時,首先要以構造它的整體性為核心,并把握廠房中的整體要點,注意多層鋼廠房的節(jié)點位置、支撐系統(tǒng)以及多層鋼所能承受的壓力荷載。另外,以整體布局的形態(tài)看,對支撐系統(tǒng)進行構造時,首先要對此系統(tǒng)進行優(yōu)化創(chuàng)新,避免位移的現(xiàn)象發(fā)生。比如說,在使用的過程上進一步提升多層鋼性能,優(yōu)化特點,做好防震、安全方面的設計,使多層鋼工業(yè)產(chǎn)房的未來發(fā)展更為良好。通過本文舉例的一個簡要工程分析來看,多層鋼樓蓋框架支撐體系的計算數(shù)值以及工藝更加符合當下發(fā)展狀況,值得建筑產(chǎn)業(yè)進一步應用。
3 結語
綜上所述,多層鋼這種新型建筑類型所擁有的特點適合當前我國經(jīng)濟發(fā)展,廣泛的對其應用有利于提升我國建筑總體水平。在時代飛速發(fā)展的當下,想要使多層鋼新型技術在建筑廠房發(fā)展中占據(jù)不敗陣地,就要對多層鋼結構化的工業(yè)廠房設計要點及相關案例進行分析,思考,從而提高此技術的性能。
參考文獻
[1] 杜沛,鄭偉.多層輕型房屋鋼結構建筑的發(fā)展與應用[J].河南建材,2013(3).
關鍵詞:工業(yè)建筑結構設計安全性復雜性
中圖分類號:[F287.2] 文獻標識碼:A 文章編號:
1、工業(yè)建筑的概述
1.1 工業(yè)建筑的定義
工業(yè)建筑是指人民從事各類生產(chǎn)活動的構筑物或者建筑物,比如煙囪、水塔和廠房等,其中工業(yè)廠房一般分為特殊工業(yè)廠房和通用工業(yè)廠房。
1.2 工業(yè)建筑的特點
工業(yè)建筑的特點主要有以下幾點:第一,必須要有足夠的空間和面積;第二,建筑技術的要求高;第三,應該符合生產(chǎn)工藝的需求;第四,針對生產(chǎn)工作的不同內容及其特點,工業(yè)建筑結構的形式也會有所不同,同時其構造處理、屋面排水、通風以及采光施工工藝比較復雜。
2、工業(yè)建筑結構設計的復雜性和安全性分析
2.1 工業(yè)建筑的選型
在工業(yè)建筑結構設計過程中,其建筑應該能夠靈活地應對生產(chǎn)的容量和設備的變化而發(fā)生改變,同時其建筑物和設備的使用壽命必須要長,其設計要和工業(yè)建筑的投資預算要求相一致。在工業(yè)建筑結構設計中,首先要做的一點就是合理選型,工業(yè)建筑結構選型的原則主要有以下幾點內容:
2.1.1 在工業(yè)建筑結構設計中,其受力構件一般選用Q345-B和Q235-B鋼,梯子、欄桿和平臺板應該采用Q235-A鋼,吊車梁一般采用Q345-C和Q235-C鋼,確保其所采用的材料的力學性能和化學成分應滿足國家標準的相應規(guī)定,若采用一些特殊鋼材,應該和工程業(yè)主、施工單位進行協(xié)商,協(xié)調好后方能使用。此外,在工業(yè)建筑結構設計過程中,如果工業(yè)廠房的跨度不超過15m,其柱距不超過4m,通常采用磚混結構。
2.1.2 鋼結構的應力和變形控制要求:鋼梁應力必須要達到強度設計值的90%左右,鋼柱應力應該達到強度設計值的95%,鋼構件的變形應達到變形容許值的100%。鋼梁、鋼柱通常一般使用焊接H型鋼。墻皮檁條一般采用的是組合檁條加槽鋼,其他檁條則采用的是卷邊槽形冷彎薄壁型鋼,在計算墻皮檁條時無需考慮陣風系數(shù),其中大荷載平臺鋼格板應選用WB405/2PT類型的,當活荷載為5kN/m2時其最大跨度是2.4m。樓梯踏步鋼格板和小荷載平臺應選用WA255/1PT,其活荷載在2.5kN/m2的時候,其最大跨度為1.8m。
2.1.3 目前我國最常用的結構形式為鋼筋混凝土結構和鋼結構。鋼筋混凝土結構的施工便利,其建筑材料比較容易獲取,不僅能進行預制同時還能在施工現(xiàn)場中進行澆筑,具有耐火耐腐蝕的特點,其建筑適應面比較廣。而鋼結構一般使用工業(yè)體的建筑,不僅能夠節(jié)約成本,同時還能有效地縮短工期,但是在使用的過程中,應該注意防腐蝕和防火方面的設計,目前鋼結構主要是用于大空間、振動較大或者大跨度生產(chǎn)車間的建造上。
2.2工業(yè)建筑結構設計的相關數(shù)據(jù)
在進行工業(yè)建筑結構設計的時候,應以經(jīng)濟合理、安全、保證工程質量為其原則,根據(jù)現(xiàn)行的國家相關規(guī)程和規(guī)范,嚴格按照此標準及工業(yè)建筑結構設計的要求來進行設計。工業(yè)建筑結構設計的相關數(shù)據(jù)主要包括以下幾個:地面粗糙度;地震設防烈度、設計地震分組、地下水位、場地土類別、最高溫度和最低溫度、基本雪壓、基本風壓等,尤其是在進行抗震設計的時候,必須要嚴格按照工程設計的相關規(guī)范要求來進行設計,確保工業(yè)建筑的抗震性符合工程要求。
2.3. 符合工程生產(chǎn)工藝需求
2.3.1建筑結構的類型應該符合建筑生產(chǎn)方式和運輸工具的要求,同時在設計過程中,還應進行防腐蝕設計,以此保證建筑物具有防腐蝕功效。針對生產(chǎn)流程,其結構設計不能對生產(chǎn)造成影響,注意生產(chǎn)工程和各工段次序之間的關系。
2.3.2 在工業(yè)建筑結構設計過程中,應注意建筑的排風通道,尤其是一些生產(chǎn)有粉塵的車間以及散發(fā)熱量的熱加工廠房,解決其通風問題。同時還應設置隔聲間或者采取降噪措施,以此保證生活和生產(chǎn)之間互不影響。在空間結構和建筑平面設計上,必須要考慮一些特殊工藝的車間,根據(jù)其是特點采取相應的措施,確保其能夠正常、順利的使用。綜合考慮建筑未來生產(chǎn)工作的壓力,在保證其舒適度的同時,應該注意綠化的點綴和色彩的運用。
2.4 基礎地基的處理
在處理一些重要建筑物和構筑物地基的時候,可針對場地的實際情況選用合適的處理方案,比如鉆孔灌注樁、地基處理樁、人工挖孔樁以及預應力混凝土管樁等。在設計樁基時,應將單樁承載力控制在單樁承載力的特征值80%范圍內,當新建筑物或者構筑物和原有建筑物的距離比較近時,應選擇適合的樁型,以此減少樁基施工過程中對原有建筑物的影響。
在處理一些次要建筑物或者構筑物地基的時候,直爬梯基礎、電纜溝、室外水溝或者鋼梯等可以選用比較淺的土層來作為建筑基礎持力層,其原土必須要夯實,同時在超挖分層的時候應換填相應厚度的砂夾石,并將其壓實。
2.5 合理布置空間
在工業(yè)建筑結構設計的過程中,首先要做好總平面布置。根據(jù)生產(chǎn)流程和生產(chǎn)工藝,明確建筑的選址、分區(qū)和布局,尤其是運輸?shù)览砗凸艿乐g的分布等,并配置相應的公用設施。在生產(chǎn)區(qū)應該劃分好行政管理用房、生產(chǎn)輔助用房以及經(jīng)營管理用房等,將這些用房設置在生產(chǎn)區(qū)內,便于工作的開展,但是對于一些比較特殊的生產(chǎn)行業(yè),如果含有不利于人體接受的元素或者帶有一定腐蝕性的元素等用房,不應將其劃分到生活區(qū)內。
在總平面布置的還應考慮環(huán)境污染問題和保護問題。在生活區(qū)內的生活用房應該包括保健用房、休息室、餐廳以及衛(wèi)生用房等,不管是生活區(qū)還是生產(chǎn)區(qū),布置的關鍵為聯(lián)系和分隔,從發(fā)展的角度出發(fā)綜合考慮各方面的因素,通過多方案的比較,或者利用計算機來進行輔助設計,以此來選取更為合理、科學的設計方案。
2.6 防腐蝕設計
2.6.1 在工業(yè)建筑結構設計中,集中設計帶有腐蝕性的生產(chǎn)房,將其垂直布置在水流的下游或者下風側,設置排水明溝,并確保其具有足夠的排隊坡度。同時在廠區(qū)內,一些氣體通道或者長期需要輸送侵蝕性液體的管道應該集中埋置在下層,防止其影響其他的正常管道。此外,在廠區(qū)外,排污口應該和建筑保持一定的距離,盡量遠離人群聚居地。
2.6.2 在工業(yè)建筑空間布置、選用材料和結構設計時,應采取相應的防腐蝕措施,可將建筑設計成為敞開式或者半敞開式,使其具有良好的通風,從源頭上減輕或者制止腐蝕的發(fā)生。除此之外,在圍護結構設計的時候,還應該考慮到濕度和溫度,門窗的材質可以選用玻璃鋼、塑料或者木質,同時在其他金屬構件表面涂上具有耐腐蝕的涂料。而在樓面或者地面,可以將其做成具有耐酸堿地坪,比如選取水玻璃混凝土、玻璃鋼、花崗巖、聚氯乙烯、陶瓷、瀝青混凝土等材料作為面層材料,其中隔離層的材料可以選用再生橡膠油氈或者石油瀝青油氈等,其他建筑部位也應該使用抗腐蝕材料,并采取相應的構造措施,以此減少建筑的腐蝕性。
2.6.3 防腐蝕建筑通常是以鋼筋混凝土結構為主,在處于高濕環(huán)境中的板、梁、柱、屋架且具有強腐蝕性氣體的鋼筋混凝土測承重構件中,除了要提高混凝土密實性和標號以外,同時還要加大鋼筋保護層,并在其表面涂上耐腐蝕的涂料。如果建筑物采用的是鋁、鋼等金屬結構,除了要加強表面防護和節(jié)點構造以外,還要適當?shù)靥嵘浒踩浴4送猓诮ㄖA部分,為了避免生產(chǎn)過程中的侵蝕性液體滲入到地下造成腐蝕,必須要設置相應的排水設施,選用適合的基礎材料,增強混凝土中的鋼筋保護層,做好基礎表面的防腐蝕措施。
結束語
綜上所述,在工業(yè)建筑結構設計中,必須要從建筑的復雜性和安全性出發(fā),按照工業(yè)建筑結構設計原則,不斷優(yōu)化其設計概念,促使其符合生產(chǎn)使用的需求,推動工業(yè)建筑的發(fā)展。
參考文獻
[1]胡中漢.關于工業(yè)建筑結構設計的復雜性與安全性概述[J].城市建設理論研究(電子版),2012.