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1、某单层工业厂房设计摘 要本工程为一门式钢结构厂房, 位于某高新技术开发区。设备安装生产线为新建， 设计中主要包括建筑设计、结构设计、PKPM设计三方面内容。建筑设计主要是确定建筑的平面、立面、剖面,以及对承重和维护结构进行布置。结构设计部分首先确定结构方案以及承重构件的选型。在此基础上完成厂房框架的内力分析及构件的设计，其内容包括门式刚架的内力计算和荷载组合,厂房柱的截面及节点设计,檩条设计,墙梁设计,吊车梁设计,钢筋混凝土基础设计和平台设计。PKPM设计主要是对刚架进行计算，熟悉掌握PKPM系列软件的运用。同时，对手算及机算的结果进行比较。最终完成设计的全部内容。关键词：钢结构 建筑设计 结
2、构设计 PKPM 钢筋混凝土基础AbstractThis project is a typical workshop of gate-like steel structure, which lies on rare earth high-tech development zone. the production-line of equipment-setup is new.The design mainly includes three factors: design of architecture; design of structure and designs base on the so
3、ftware of PKPM. The design of architecture contains the construction the plane, the vertical surface, the section plane as well as the arrangement of load-bearing and structure-maintenance.The design of structure first determine the design of constructure and carrier shaping. On this basis, analyze
4、the endogenic force and design members, which include: the calculation of the endogenic force of gate-like steel carrier, design of section and joint of column, roofing purlin design, wall beam design, crane beam design, Reinforced concrete foundation design and platform design. Designs based on the
5、 software of PKPM is mainly about the calculation of Steel frame; Then master the PKPM series software familiarly ;At the same time ,compare the result which is calculated by hand with the complete result; Finally finish all the contents of this design. Key word: Steel structure; Design of architect
6、ure; Design of structure; PKPM;Reinforced-concrete foundation目 录第一章 设计原始资料-161.1工程概况-161. 2设计原始资料-16 1.2.1气象-16 1.2.2地质，地震-16 1.2.3设计参数-161. 3其他设计资料-17第二章 建筑设计说明-1821工业建筑的特点及设计要求-1822平面设计-1923平台设计-2024剖面设计-2325单层厂房定位轴线的标定-2526立面设计-2627 单层厂房的室内设计-2928建筑构造做法-31第三章 结构设计部分-3331钢结构的特点-3332结构方案-3433构件选型-3
7、5 3.3.1屋面板与墙板-35 3.3.2檩条与拉条-36 3.3.3墙梁-38 3.3.4吊车梁及轨道-38 3.3.5梁、柱-39 3.3.6平台-40 3.3.7基础-41 3.3.8支撑及杆件-4134结构布置-41 3.4.1支撑的作用-41 3.4.2支撑布置-42 3.4.3柱间支撑的抗震构造措施-42 3.4.4支撑构件设计-43第四章 结构设计部分-4641基本设计规定-46 4.6.1刚架荷载计算-72 4.6.2屋面恒荷载作用下的刚架内力计算-73 4.6.3屋面活荷载作用下的刚架内力计算-73 4.6.4左风荷载作用下的刚架内力计算-79 4.6.5右风荷载作用下的刚
8、架内力计算-88 4.6.6吊车荷载作用下的刚架内力计算-894. 7刚架内力汇总及组合计算-1054. 8刚架侧移和截面验算-1084.8.1侧移计算-108 4.8.2刚架构件截面验算-1094. 9刚架连接节点设计-114 4.9.1刚架梁柱连接节点设计-114 4.9.2刚架跨中节点设计-116 4.9.3柱脚设计-117 4.9.4牛腿设计-1214. 10基础设计-123 4.11.1平台板-127 4.11.2次梁设计-128 4.11.3主梁设计-129 4.11.4平台柱设计-131第五章 PKPM设计部分-133第六章 外文翻译-1896. 1外文原稿-1896. 2中文翻
9、译-196设计参考书目-202第一章 设计原始资料1.1工程概况本工程为一门式刚架结构厂房,设备安装生产线为新建，厂方位于某高新技术开发区。1.2设计原始资料121气象 极端最高气温 40摄氏度 极端最低气温 -5摄氏度 日最大降水量 100.8mm 年主导风向 北 最大风速 25m/s 最大积雪深度 80mm冬季相对湿度 35%夏季相对湿度 70%122地质，地震 最高地下水位 -9.0m 标准冻结深度 -1.50m经勘查知地基承载力标准值为150kpa，无不良地基地震设防烈度 7度123设计参数 车间防火等级丁类级 冬季采暖室外计算温度 -5 厂房采暖按18设计 夏季通风室外计算温度 30
10、 不上人屋面活荷载 0.5 基本风压 0.55 基本雪压 0.25 积灰荷载 0.31.3其他设计资料车间长42米，宽12米，附属员工休息室建筑面积36，货物起重高度5m。车间采光面积比为1/6，车间地坪荷重10，均采用水磨石地面，全部地坪代设备基础完工后再施工。厂房设 3.33.6m及2.42.4m大门各一个，大门上设人行小门，门上有雨蓬，外挑900 mm。第轴线间有一标高为3m的操作平台，平台面积不小于15 ,用钢柱支撑，上部荷载标准值为2.0，设钢梯、平台护栏。车间内设桥式吊车一辆，软钩，吊车级别为3级(轻级工作制)。具体参数见表1.1所示：表1.1软钩吊车性能参数起重量Q（t）跨度（m
11、）基本尺寸（）起重机重（t）最大轮压（kN）大车宽B大车轮距K轨面至车顶面高度H轨中心至大车外边缘B1大车小车510.5465035001870230142.665第二章 建筑设计说明21 工业建筑的特点及设计要求工业建筑是指用于从事工业生产的各种厂房。他与民用建筑一样，要体现适用、安全、经济、美观的方针；在设计原则、建筑用料和建筑技术等方面，两者也有许多共同之处。但由于生产工艺复杂多样，在设计配合、使用要求、室内采光、屋面排水及建筑构造等方面工业建筑又有如下特点：（1） 厂房的建筑设计师在工艺设计人员提出的工艺设计图基础上进行的，建筑设计在适应生产工艺要求的前提下，应为工人创造良好的生产环境
12、并使厂房满足适用、安全、经济和美观的要求。 （2） 由于厂房中的生产设备多，体量大，各部生产联系密切，并有多种起重运输设备通行，致使厂房内部具有较大的生活空间。（3） 当厂房宽度较大时，为满足室内采光、通风的要求，多设有天窗；为了屋面排水放水的需要，还应设置屋面排水系统。这些设施均使屋顶构造复杂。（4） 在单层厂房中，由于跨度大，屋面及吊车荷载较重，且在地震烈度较高的地区，宜采用钢结构骨架。钢结构的主要承重构件全部用钢材做成。这种结构抗地震和震动性能好，构建较轻，施工速度快，除用于吊车荷载重、高温或震动大的车间以外，对于要求建设速度快、早投产早受益的工业厂房，也可采用钢结构。但钢结构易腐蚀，耐
13、火性能差，使用时应采取相应的防护措施。 在进行工业建筑设计时应考虑以下几点要求：（1）建筑设计应满足生产工艺的要求，生产工艺的需要体现了使用功能的要求，它对厂房的面积，柱距、跨度，高度、平剖面形式等都有着直接的影响。（2）厂房应具有良好的生产环境，对于保证工人健康，提高劳动生产有着积极的促进作用。（3）应满足有关技术要求。设计中要解决的技术问题很多。首先要对安全问题予以足够重视。即厂房应具有必要的坚固耐久性能，使在外力、温度变化、化学侵蚀等各种不利因素作用下可以确保安全。对于有火灾或爆炸危险的厂房，应具有可靠的防火防爆措施以及安全疏散措施。设计厂房时应遵守国家颁布的有关技术规范与规程。（4）要
14、有良好的综合效益。建筑设计中要注意提高建筑的经济、社会和环境的综合效益。三者之间不可偏废，不能片面强调其中的一个或两个而忽略其他。（5）应注意建筑美观。工业建筑在使用、安全、经济的前提下，把建筑美与环境美作为设计的重要内容，美化室内外环境，创造良好的工作条件。22平面设计在设计配合上，厂房建筑平面设计和民用建筑是有区别的，厂房的平面设计是先由工艺设计人员进行工艺平面设计，在生产工艺平面图的基础上进行厂房的建筑平面设计。厂房的平面设计除首先满足生产工艺要求外，在平面设计中应使厂房平面形式规整、合理、简单以及减小占地面积、节能和简化构造处理。厂房的建筑参数应符合厂房建筑模数协调标准，是构件的生产满
15、足工业化的要求。厂房的平面形式与生产工艺流程，生产特性有直接的关系。在建筑实践中常用的厂房平面形式有矩形、方形、L形和形等。该设计为小规模设备安装车间，吊车起重量为5t，各工段之间靠得较近，运输路线短截，工艺联系紧密，工程管线较短，形式规整，占地面积少，故该厂房平面形式采用矩形平面，且整个厂房柱及吊车轨顶标高相同，结构、构造简单，造价省，施工快；在宽度不大的情况下室内采光通风较容易解决。根据该厂房生产工艺特点，采用直线式的生产工艺流程，即原料由厂房一端进入，产品由另一端运出。在厂房中，为支撑屋顶和吊车设柱子，根据工艺流程和设备布置对跨度和柱距大小提出了要求。在选择柱网时应考虑以下要求：（1）满
16、足生产工艺要求。（2）遵守厂房建筑模数协调标准，跨度小于18m时，跨度的增减采用扩大模数3M数列。大于18m时，跨度的增减采用扩大模数6M数列。厂房山墙出抗风柱柱距宜采用扩大模数15M数列。（3）调整和统一柱网。（4）尽量扩大柱网，提高厂房的通用性和经济合理性。由于跨度根据设计资料已定为12m，因此采用3M数列的扩大模数。柱距在综合考虑以上因素的前提下，采用6m的柱距形式且不采用抽柱的形式，有利于提高结构的稳定性。本厂房设附属员工休息室，设附属跨，建筑面积36 m2。为了满足工人在生产过程前后的生产卫生及生活上的需要以保证产品质量并为工人创造良好的休息条件，所以应该在车间附近设置员工休息室。休
17、息室设计应本着“有利生产，方便生活”的要求进行。休息室应有良好的朝向及采光和通风的条件；休息室不应放在有粉尘、毒气和其他有害气体的下风向。23平台设计1、平台结构的组成和分类平台结构通常由铺板、主次梁、柱、柱间支撑，以及梯子、栏杆等组成。平台按使用要求可分为室内和室外平台，承受静力荷载和动力荷载平台、生产辅助平台，以及中、重型操作平台等；按支座处理方式的不同，普通结构还可分为：（1）直接搁在厂房柱的三角架或牛腿上的平台。（2）一侧支承于厂房柱或建筑物墙体，另一侧设独立柱的平台。（3）支承于设备上的平台。（4）全部为独立柱的平台。本设计为了便于制作与安装，采用了一侧支承于厂房柱或建筑物墙体，另一
18、侧设独立柱的平台结构。2、平台结构的布置（1）满足工艺生产操作的要求，保证通行和操作的净空。一般通行净空高度不应小于1.8m。宽度不宜小于0.9m,不应小于0.6m。平台四周一般均应设置防护栏杆，栏杆高度一般为1000。当平台高度2000时，尚应在防护栏杆下设置高度为100150的踢脚板。平台应设置供上下通行的梯子，梯子的宽度不宜小于600。 （2）确定平台结构的平面尺寸、标高、梁格及柱网布置时除满足使用要求外，梁、柱的布置尚应考虑平台上的设备荷载和其他较大集中荷载的位置以及大直径管道的吊挂等。（3）平台结构的布置，应力求做到经济合理，传力直接明确。梁格的布置应与其跨度和适应。当梁的跨度较大时
19、，其间距也宜增大。充分利用铺板的允许间距，合理布置梁格，以求较好的经济效果。（4）在可能条件下，平台的梁、板应直接支承在厂房柱、大型设备或其他结构上，以达到经济的目的。（5）为便于制造，使构件简单，平台结构的主梁、次梁和柱，一般应优先采用热扎型钢，对于梁构件，以采用热扎工字钢或H型钢最为经济。当梁的受力或跨度较大以致采用型钢梁不能满足构件的承载能力和刚度要求时，通常采用组合工字形截面焊接梁。3、平台结构的荷载（1）构件的自重（2）平台活荷载，对于一般工业平台可按2.0kN/m2计算，对于检修、安装时的堆料活荷载，可根据实际情况合理分区考虑；（3）设备荷载，按实际情况考虑；对于一般机械动力设备，
20、其动力影响可采用将设备荷载乘以动力系数1.11.2的方法来考虑； 本设计中为一般的单层平台，活荷载2.0kN/m2，为满足生产工艺的要求，保证操作、通行所需要的净空及安全。平台板采用花纹平钢板。主、次梁、柱均选用型钢。平台标高为3m。具体平面布置形式如图2. 1所示：图2.1 建筑平面图24剖面设计单层厂房的剖面设计是在平面设计的基础上进行的。在厂房的剖面设计中应该做到：在满足生产工艺要求的前提下，经济合理地确定厂房的高度及有效利用和节约空间；妥善地解决厂房采光、自然通风和屋面排水；合理地选择维护结构形式及其构造，使厂房具有随气候条件变化良好的维护功能。1、厂房高度的确定厂房高度是由地坪面到屋
21、顶承重结构下表面之间的距离。在一般情况，它与柱顶距地面的高度基本相等。所以常以柱顶标高来衡量厂房的高度；屋顶承重结构是倾斜的，则厂房高度是由地平面到屋顶承重结构最低点的垂直距离。柱子长度仍应满足模数协调标准的要求。对于有吊车厂房的柱顶标高由下式计算求得:H=H1+h+Ch式中 H 柱顶标高；H1 轨顶标高。由工艺人员提出，本设计暂定为7m；h 吊车梁轨顶至车上小车顶面的净空尺寸，由设计任务书中桥式软钩吊车性能参数已知1.87m；Ch 屋架下弦至小车顶面之间的安全间隙。此值应保证屋架产生最大挠度以及厂房地基可能产生的不均匀沉陷时，吊车能正常运行，国家标准通用乔式吊车起重机界限尺寸中根据吊车起重量
22、大小将定为400mm。 由吊车梁选用图集P14图集号为03SG520-1，吊车梁选用表（3）（大重新型）中选用序号1的吊车梁，其截面型号为GDL6-3，高度为450mm；由钢结构设计手册上P134选用38kg/m铁路重轨，其轨道高为134mm。则 牛腿标高为H1-轨道高-吊车梁高=7000-134-450=6400mm 取6600mm 轨顶标高H1最终定为牛腿标高+轨道高+吊车梁高=6600+134+450=7184mm 取7200mm 柱顶标高为H=H1+h+Ch=7200+400+1870=9470mm 取9600mm2、室内外地评标高的确定在一般情况下，单层厂房室内地坪于是外地面需设置高
23、差，以防止雨水侵入室内，但为了便于运输工具进出厂房和不佳厂门口坡道的长度，这个高差又不宜太大，一般取150mm。对于单层厂房室内地坪标高，由厂区总平面设计确定，其相对标高定为0.000。3、采光设计采光设计是根据室内生产对采光的要求来确定窗口的大小、形式及其布置。保证室内采光强度、均匀度及避免眩光。为使采光设计做到适用、经济，设计时应根据生产性质及其对采光的要求，按采光系数的标准值进行设计。在本厂房设计中采用的采光方式为双侧采光的方式，且依据实际任务书中采光面积比应大于1/61/8的要求，低侧窗采用3m3.6m，高侧窗采用3m0.9m。计算窗地面积比：12(33.6+30.9)+20.9/42
24、12=1/3.08 1/6 则满足采光要求。在设置中为方便工作和不使吊车梁遮挡光线，高侧窗的下沿距吊车梁顶面不应太高和过低，一般取600mm左右，综合考虑轨道的影响，本设计高侧窗下沿取距轨顶标高以上600mm。低侧窗台高度一般应略高于工作面高度。本设计取为1.2m （即窗台高为1.2m ）。4、通风设计在厂房设计中，良好的工作环境不仅要适宜的天然光线，还应有洁净的空气和正常的气候条件。厂房的通风方式有机械通风和自然通风，由于本厂房采用双侧窗、没有特殊要求，且包头地区风力较大，因此采用自然通风便可满足要求。5、屋面排水形式工业厂房的排水方式又有组织排水和无组织排水。为了防止檐口水在风的作用下湿墙
25、、进窗及立面美观要求，本设计屋面采用有组织排水，在有组织排水中要设天沟、女儿墙火檐口板、水斗、水落管和地下排水管网。据钢结构下册房屋建筑钢结构设计P14种所述：门式轻型刚架房屋的屋面坡度宜取1/81/20，在雨水较多的地区取其中的较大值。综合考虑本设计中的气象资料，屋面排水坡度取10。雨水斗要泄水率高，掺气量小。 图2.2目前采用较多的是65型铸铁雨水斗，由雨水斗和短插管组成如图2.4.1所示：工业厂房所用雨水管一般用铸铁管较多，水落管是用支架固定在墙上。水落管的截面一般选用100200的管径。排水管的选择据轻型房屋钢结构构造图集P138所示：6m36m屋面排水设置,排水面积=Cb。根据柱距大
26、小和吊车起重量大小由桥式软钩吊车性能参数表得h0=400mm B=230mm 图2.4 则750-（230+400）=12080说明安全缝隙宽度大于允许宽度，轴线与外墙内缘及柱外缘重合。2.6立面设计单层工业厂房立面设计是以厂房体形组合为前提的，在已有体形的基础上利用柱子勒脚、门窗、墙面、线脚、雨蓬等部件，结合建筑构图规律进行有机的组合与划分，使立面简洁大方，比例恰当，达到完整对称，节奏自然，色调质感协调统一的效果。厂房体形必然受到生产工艺、结构形式、基地环境、气候条件以及环保要求等因素的制约。因此，不同的生产工艺流程有着不同的平面布置和剖面处理，厂房体形也不同。一般中小型机械工业厂房的体形多
27、采用方形或长方形。在实践中，立面设计常采用垂直划分、水平划分、和混合划分等手法。影响立面设计的因素有：(1)、使用功能的影响。厂房是为生产服务的。不同的工艺流程、生产状况、运输设备有着不同的平面和剖面，对立面也有同样影响。厂房立面处理必须满足使用、安全、经济的要求，具有建筑形象能反映出建筑内容的效果。（2）、结构形式的影响。结构型式对厂房的体型影响较大，屋顶形式在很大程度上决定着厂房的体型。（3）、气候、环境的影响。太阳辐射强度、室外空气的温度与湿度等因素对立面设计均有影响。寒冷地区的厂房要求防寒保暖，窗口面积不宜过大，空间组合集中，给人以稳重、深厚的感觉；炎热地区的厂房，为满足通风散热，常采
28、用开敞式外墙，空间组合分散、狭长，反映出轻巧、明快的个性。 建筑物最显著的要素是它的正立面，它直接构成了建筑的外观。墙上的门窗、可见的装置和装潢系建构成了建筑外观的韵律，建筑材料的选择和着色在大面积墙面处理上有着重要的作用。同时，对于近处观看的效果和远处观看的效果应给于同样的重视。所有的建筑材料多具有自己的物理和美学特性，金属板面可以横向铺设也可以竖向铺设。建筑立面是建筑组成部分中的焦点，门户窗的设置可以用来调整立面的虚实对比，他们必须平衡已达到整体效果的和谐。门窗的尺寸与建筑的大小有关，当使用标准尺寸的门窗时，应当根据立面的大小进行选择。门窗有序的布置和按排才能给建筑带来协调，一个和谐的立面
29、需要对门窗进行调节。当门窗的位置不在同一高度时，可通过视觉效果增大门的尺寸来配合窗的排列。如有可能，应尽量避免使用孤立的单窗，因为窗是构成立面效果的最重要部分，同样，门也应该以同样的方式来构成立面效果。一栋建筑物的体型和立面，最总是以他的形状、材料之感和色彩等多方面的总和，给人们留下一个完整深刻的外观印象。在立面轮廓、门窗排列、构件组合以及墙面划分基本确定的基础上，材料质感和色彩的选择、配置、是使建筑立面进一步取得丰富和生动效果的又一重要方面颜色与材质是不可分离的，然而，在传统和古典的建筑中，人们选择材料时并不太考虑他们的颜色。现代建筑将色彩放在第一位，而现代的工业建筑也融入了大量的色彩及色彩
30、组合因素。预制轻钢建筑所能提供的丰富多彩的彩板颜色和多种可与彩板组合使用的建筑材料，使建筑的颜色得到非常多彩的和谐组合。有两种方法来确定工业建筑的色彩：（！）突出本建筑在环境中的位置，它的外观应表现为醒目的颜色，使建筑物作为标志性的形象出现。（2）将建筑物融入到环境中，用与环境相协调的颜色。在群体工业建筑中，人们希望自己的建筑物与众不同，那么，使用较为醒目的颜色可以轻而易举地达到这一目的，而在较为宽广的场地中，建筑物应当尽可能融入周围的环境，在某些地区的政府规定获取与法令中，就有这样的要求。在这样的情况下，可使用一些较暖色调的颜色，如：褐色、绿色、土黄色、来达到与环境颜色的融合。在选择建筑的颜
31、色时，也需要考虑不同的面，并且评价他们中的那一个面最为重要。墙面是大面积的可见立面，在本建筑中屋面板颜色均采用海蓝色，给人以清新、明快的感觉。其侧立面如图2.5所示，正立面如图2.6 所示：图2.5 侧立面图图2.6 正立面图27 单层厂房的室内设计厂房的内部设计是一项综合设计，即把组成厂房内部空间的建筑构件和其他内含成分作为一个统一体，全面综合地进行构图设计。厂房的承重结构、外墙、屋顶、地面和隔墙等构成了厂房内部空间形式，涉内部设计的重要内容；生产设备及其布置、管道组织、艺术装饰、色彩处理等也都直接影响厂房内部的面貌及其使用效果，也是车间内部设计的有机组成部分，也是为工人创造良好工作环境的重
32、要方面。1、厂房的生产设备布置可以有以下几种形式：（1）形状规格同一或接近，量大的设备应使其形成有规律成组的排列，尤其是在相同的大型而复杂的设备布置中，用其形成断续的节奏和轮廓线，一般能获得明显的组织性、规律性的视觉效果；（2）在很多情况下，一种形式的机床和辅助设备给人的印象是单调的，在这种情况下较好的处理手法是用颜色按区段分组，用颜色区别主要和扶助的设备；2、在厂房的管道组织中根据使用和内部构图要应按下列原则布置：（1）内部管道不应给人以孤立无组织的感觉，硬是他们成为内部整体构图中的有机组成部分；（2）各种类型的管道，应分别涂以色彩，管道标志色如下表2. 1所示：表2. 1管道名称 颜 色 管道名称颜 色过热蒸汽管 红 乙 炔 管 深 蓝 饱和蒸汽管 红 氢 气 关 白 煤 气 管 黄 给 水 管 蓝 液化石油管 黄 排 水 管 绿 压缩空气管 浅 蓝 油 管 棕 绿厂房的色彩处理应打破车间内部的单调感及改变人们的心理状态，内部的色彩起着重要的作用。厂房的内部色彩一般分环境色、机械色和标志色。环境色是指厂房内部的色彩。机械色一般是由石油设备制造厂选定。标志色又分为管道标志色和警戒标志色。管道标志色有利于识别复杂的管道系统，利于检修和防止事故。警戒标志色是为了生产安全，用于厂房内的一些易发生安全事故的设备或设备的某部分。3
