工业建筑轻钢结构优化设计探讨

一、引言

工业建筑对结构的承载能力、空间利用率、耐久性有特殊要求，轻钢结构凭借钢材强度高（抗拉强度 345MPa 以上）、构件截面小（较混凝土结构减少 50% 以上空间占用）、施工周期短（较传统结构缩短 30%-50% ）等特点，成为工业建筑的主流选择。数据显示，轻钢结构工业建筑的用钢量较重型钢结构降低 20%-30% ，综合造价节省10%-15% 。然而，当前设计中存在过度保守或盲目减重等问题，约 40% 的项目未实现力学性能与经济成本的平衡， 30% 的结构因功能适应性不足需后期改造。在工业生产智能化、绿色化转型背景下，研究轻钢结构优化设计方法，对提高工业建筑的安全性、经济性与适用性具有重要意义。

二、工业建筑轻钢结构优化设计的核心维度

（一）结构布局优化

结构布局需兼顾受力合理性与功能需求，柱网布置采用 “大跨度 + 模块化” 模式，跨度控制在 15-30 米时，空间利用率提升 20% 以上，同时减少柱体对生产设备布置的限制。抗侧力体系优化通过合理布置支撑，门式刚架结构采用交叉支撑与隅撑组合，使抗侧刚度提升 40% ；排架结构中设置减震支撑，地震作用下结构位移减少 30%-50% 。屋面坡度设计结合排水与荷载要求，单坡坡度控制在 1:10-1:20，既避免积水又降低屋面自重，较陡坡度设计减少用钢量 8%-10% 。

（二）构件选型与截面优化

构件选型需匹配工业荷载特性，吊车梁采用焊接 H 型钢，翼缘厚度根据吊车起重量（5-50 吨）动态调整，起重量每增加 10 吨，翼缘厚度增加 2⋅4mm ，确保挠度控制在 L/400（L 为跨度）以内。檩条与墙梁采用冷弯薄壁型钢，截面形式从 C 型钢向 Z型钢优化，相同荷载下 Z 型钢檩条的惯性矩增加 15%-20% ，可减少 20% 的材料消耗。截面优化采用 “等强度设计” 原则，通过有限元分析调整构件变截面位置，使应力分布均匀性提升 30% ，避免局部应力集中导致的早期破坏。

（三）节点连接优化

节点连接是轻钢结构的薄弱环节，优化设计需保证传力可靠与施工便捷。梁柱连接采用高强度螺栓（8.8 级以上）摩擦型连接，螺栓数量根据剪力计算确定，较承压型连接减少 20% 的螺栓用量，且拆卸方便。屋面与墙面檩条连接采用自攻螺钉与檩托组合节点，抗拔力提升 50% ，避免风荷载作用下的掀揭破坏。

三、轻钢结构优化设计中的突出问题

（一）安全性与经济性失衡

设计保守导致材料浪费，约 25% 的项目梁截面惯性矩超出计算需求 15%-20% ，柱截面尺寸偏大使基础造价增加 10% ；过度追求减重则引发安全隐患， 15% 的门式刚架因檩条间距过大（超过 1.5 米）导致屋面挠度超标（ ）。荷载取值不合理，永久荷载未考虑设备振动附加力（约增加 10%-15% 荷载效应），活荷载未区分生产区域与通道区域，导致局部构件承载力不足。

（二）功能适应性不足

结构设计与工业生产需求脱节， 50% 的厂房未预留吊车升级空间，后期增加吊车吨位时需加固结构，改造费用占原造价的 20% ；屋面承重未考虑光伏发电设备荷载（约0.2-0.3kN/m²) ），光伏改造时需额外加固，影响生产进度。温度适应性设计欠缺，大跨度结构（ _(>30 米）未设置足够伸缩缝，温差超过 30℃时产生的温度应力使节点变形达

5.10mm ，导致屋面漏水概率增加 40%

（三）设计与施工协同不足

构件加工与现场安装存在矛盾，约 30% 的节点设计未考虑施工可行性，如高强度螺栓连接的扳手操作空间不足，导致拧紧度偏差超过 10% ；构件尺寸偏差（如长度误差 >5mm ）使安装困难，现场切割打磨增加 20% 的施工成本。BIM 技术应用深度不够， 80% 的项目仅用于建模，未实现碰撞检测与施工模拟，构件碰撞率达 15% ，影响施工效率。

四、工业建筑轻钢结构优化设计的实施路径

（一）基于力学性能的参数化优化

采用有限元分析软件建立参数化模型，对构件截面尺寸（高度、翼缘厚度等）进行多目标优化，以 “最小用钢量” 与 “最大承载力” 为目标函数，约束条件包括挠度（≤L/250）、长细比（ ≤200 ）等，优化后用钢量降低 15% 的同时承载力提升 10% 。荷载计算引入动态修正系数，生产区域活荷载乘以 1.1-1.2 的振动系数，吊车荷载考虑冲击系数（1.1-1.3），确保结构在动态荷载下的安全性。

（二）融合功能需求的适应性设计

建立 “生产需求 - 结构参数” 映射关系，根据设备吨位、振动频率确定基础刚度，重型设备区域的基础沉降控制在 5mm 以内；预留 10%-20% 的荷载余量，满足后期设备升级需求。温度适应性优化采用分段设计，超过 30 米跨度的结构每 30-40 米设置伸缩缝，缝宽 ，同时采用滑动支座减少温度应力传递，温度变形控制在 3mm/m 以内。屋面设计整合光伏安装条件，檩条间距加密至 1.0-1.2 米，支座节点预留光伏支架连接孔，降低后期改造难度。

（三）设计与施工的全流程协同

推行 “设计 - 加工 - 安装” 一体化协同模式，采用 BIM 技术进行碰撞检测，提前发现构件冲突，碰撞率降低至 5% 以下；建立数字化加工模型，构件尺寸误差控制在 ±3mm ，螺栓孔位置偏差≤2mm，提升安装精度。节点设计考虑施工便利性，高强度螺栓连接预留≥ 100mm 的操作空间，焊接节点采用对称坡口设计减少焊接变形（控制在3mm 以内）。施工方案反向优化设计参数，如根据吊装设备能力调整构件分段长度（通常 6-12 米），降低吊装难度与成本。

五、结论

工业建筑轻钢结构优化设计需实现力学性能、经济成本与功能需求的协同平衡。通过参数化优化提升结构安全性与经济性，结合生产需求增强功能适应性，加强设计与施工协同提高实施效率，可显著提升轻钢结构工业建筑的综合效益。未来，随着数字化设计与绿色建材的发展，优化设计将向 “智能仿真 + 循环设计” 方向演进，为工业建筑的高质量发展提供技术支撑。

参考文献

[1] 王超,田玉昊. 工业建筑设计中轻型钢结构的特点与设计探析[J]. 城镇建设,2025(9):290-292. DOI:10.12254/j.issn.2096-6539.2025.09.097.

[2] 董玉竹,姜春宝. 轻型钢结构门式刚架的优化设计探讨[J]. 黑龙江科技信 息,2010(6):275. DOI:10.3969/j.issn.1673-1328.2010.06.272.

[3] 李红旗, 刘祥斌. 轻型门式刚架结构设计的若干问题探讨[J]. 山东建材,2007,28(5):58-60.