第12章  工业建筑设计原理（10学时）

基本要求：掌握单层厂房设计要求和构件的组成；掌握单层厂房平面设计与生产工艺的关系及柱网选择；掌握单层厂房剖面设计中如何组织自然通风和天然采光；掌握单层厂房定位轴线的标注；掌握单层厂房立面处理的方法。

重    点：掌握单层厂房平面设计与生产工艺的关系及柱网选择；掌握单层厂房剖面设计中如何组织自然通风和天然采光；掌握单层厂房定位轴线的标注；

难    点：单层厂房平面设计与生产工艺的关系及柱网选择；单层厂房剖面设计中如何组织自然通风和天然采光；单层厂房定位轴线的标注；

12.1概论

工业建筑的特点

1、厂房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，各部分生产联系密切，并有多种起重运输设备通行，致使厂房内部具有较大的敞通空间。

3、当厂房宽度较大时，特别是多跨厂房，为满足室内采光、通风的需要，屋顶上往往设有天窗；为了屋面防水、排水的需要，还应设置屋面排水系统(天沟及水落管)。这些设施均使屋顶构造复杂。由于设有天窗，室内大都无天棚，屋顶承重结构袒露于室内。

4、在单层厂房中，由于跨度大，屋顶及吊车荷载较重，多采用钢筋混凝土排架结构承重；在多层厂房中，由于楼面荷载较大，广泛采用钢筋混凝土骨架承重。对于特别高大的厂房，或有重型吊车的厂房，或高温厂房，或地震烈度较高地区的厂房，宜采用钢骨架承重。

工业建筑的分类

1、按厂房的用途分

（1）主要生产厂房：指进行产品加工的主要工序的厂房。例如，机械制造厂中的铸工车间、机械加工车间及装配车间等。

（2）辅助生产厂房：为主要生产厂房服务的厂房。例如，机械制造厂中的机修车间、工具车间等。

（3）动力类厂房：为全厂提供能源和动力的厂房。如发电站、锅炉房、变电站、煤气发生站、压缩空气站等。

（4）贮藏类建筑：用于贮存各种原材料、成品或半成品的仓库。

（5）运输类建筑：用于停放各种交通运输设备的房屋。如汽车库、电瓶车库等。

2、按车间内部生产状况分

（1）热加工车间：在生产过程中散发出大量热量、烟尘等有害物的车间。如炼钢、轧钢、铸工、锻压车间等。

（2）冷加工车间：在正常温、湿度条件下进行生产的车间。如机械加工车间、装配车间等。

（3）有侵蚀性介质作用的车间：在生产过程中会受到酸、碱、盐等侵蚀性介质的作用，对厂房耐久性有影响的车间。如化工厂和化肥厂中的某些生产车间，冶金工厂中的酸洗车间等。

（4）恒温恒湿车间：在温、湿度波动很小的范围内进行生产的车间。如纺织车间、精密仪表车间等。

（5）洁净车间：产品的生产对室内空气的洁净程度要求很高的车间。如集成电路车间、精密仪表的微型零件加工车间等。

3、按厂房层数分：

（1）单层厂房：多用于冶金、机械制造等重型及中型工业部门。 

（2）多层厂房：多层厂房对于垂直方向组织生产及工艺流程的生产企业（如面粉厂和设备及产品较轻的企业具有较大的适应性，多用于轻工、食品、电子、仪表等工业部门。

（3）混合层次厂房：既有单层跨又有多层跨的厂房（图1）。

图1 混合层次厂房

单层厂房的结构组成（图2）

图2单层厂房构件部位示意

1、承重结构 

（1）横向排架：由基础、柱、屋架组成，主要是承受厂房的各种荷载。

（2）纵向连系构件：由吊车梁、圈梁、连系梁、基础梁等组成，与横向排架构成骨架，保证厂房的整体性和稳定性；纵向构件主要承受作用在山墙上的风荷载及吊车纵向制动力，并将这些力传递给柱子。

（3）支撑系统构件：支撑构件设置在屋架之间的称为屋架支撑；设置在纵向柱列之间的称为柱间支撑系统，支撑构件主要传递水平风荷载及吊车产生的水平荷载，起保证厂房空间刚度和稳定性的作用。

2、围护结构：包括外墙、屋顶、地面、门窗、天窗、地沟、散水、坡道、消防梯、吊车梯等。

3、厂房内部的起重运输设备 

（1）单轨悬挂式吊车 

按操纵方法有手动及电动两种。吊车由运行部分和起升部分组成。单轨悬挂式吊车适用于小型起重量的车间，一般起重量为1～2t。

（2）梁式吊车 
梁式吊车亦分手动及电动的两种。梁式吊车由起重行车和支承行车的横梁组成。吊车轨道可悬挂在屋架下弦上或支承在吊车梁上，后者通过牛腿等支承在柱子上。确定厂房高度时，应考虑该吊车净空高度的影响，结构设计时应考虑吊车荷载的影响。

（3）桥式吊车（图3） 

(a)桥式吊车立面图                  (b)桥式吊车平面图

图3桥式吊车

由桥架和起重小车两大部分组成。桥架由两榀钢桁架或钢梁制作，支
承在吊车梁的轨道上，沿厂房纵向运行；起重小车支承在桥架上，沿厂房横向运行。
桥式吊车跨度用LK表示(即桥架车轮间距离)，厂房跨度用L表示，LK＝L-2e，e表示吊车轨道中心线与纵向定位轴线之间的距离，常采用750mm。
吊车有单钩、双(或主、副)钩之分，Q＝5t，表示单钩吊车；Q＝20t／5t，表示主钩起重量为20t，副钩起重量为5t。还有软钩、硬钩之分，软钩为钢丝绳栓挂钩；硬钩为铁臂支承的钳、槽等。

（4）其它运输设备：电动平板车、电瓶车、载重汽车、火车等。

12.2单层厂房设计

单层厂房平面设计 

1、厂房平面形式和生产工艺的关系 

厂房的平面设计是先由工艺设计人员进行工艺平面设计，建筑设计人员在生产工艺平面图的基础上进行厂房的建筑平面设计。

厂房平面形式与工艺流程、生产特征、生产规模等有直接的关系。常用的平面形式有矩形、方形、L形、II形和山形等（图4）。 

图4厂房平面形式

2、柱网的选择和尺寸的确定（图5）

图5单层厂房平面柱网布置示意

柱网：厂房中，承重结构的柱子在平面上排列时所形成的网格。柱网的选择，其实质是选择厂房的跨度与柱距。

厂房的跨度：屋架或屋面梁的跨度。

柱距：相邻两柱之间的距离。

柱距和跨度尺寸必须符合国家规范《厂房建筑模数协调标准》（GBT6—86）的有关规定。当屋架跨度≤18m时，采用扩大模数30M的数列，即跨度尺寸是18m、15m、12m、10m及6m当屋架跨度>18m时，采用扩大模数60M的数列，即跨度尺寸是18m、24m、30m、36m、42m等。当工艺布置有明显优越性时，跨度尺寸可采用21m、27m、33m。单层厂房的柱距应采用扩大模数60M的数列，采用钢筋混凝土或钢结构时，常采用6m柱距，有时也可采用12m柱距。单层厂房山墙处的抗风柱柱距宜采用扩大模数15M的数列，即4.5m、6m、7.5m。

生产工艺对剖面设计的影响

单层厂房的剖面设汁是在平面设计的基础上进行的。生产设备体形、工艺流程、生产特点、加工件的大小和重量以及垂直起重运输工具的种类和起重量等都直接影响厂房的剖面形式。 

为保证生产的正常进行及为工人创造良好、舒适的生产环境，在厂房剖面的建筑设计中要做到：在满足生产工艺要求的前提下，经济合理地确定厂房高度及有效利用和节约空间；妥善地解决厂房的天然采光、自然通风和屋面排水；合理地选择围护结构形式及其构造，使厂房具有随气候条件变化的良好的围护功能（保温、隔热、防水）。

厂房高度的确定

厂房的高度：厂房室内地坪到屋顶承重结构下表面之间的距离。在一般情况下，常以柱顶标高来衡量厂房的高度，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。

1、无吊车厂房的柱顶标高

通常指最大生产设备及其使用、安装、检修时所需的净空高度。一般不低于3.10m，以保证室内最小空间，以及满足采光、通风的要求，柱顶高度应符合300mm的整倍数，若为砖石结构承重，柱顶高度应为100mm的倍数。

2、有吊车厂房的柱顶标高

（1）组成：（图10-6）：

图6

室内外地坪标高

单层厂房室内地坪的标高，由厂区总平面设计确定，其相对标高定为±0.000。一般单层厂房室内外需设置一定的高差，以防止雨水浸入室内，同时为便于汽车等运输工具通行，室内外高差宜小，一般取100~150mm。应在大门处设置坡道，其坡度不宜过大。

当厂房内地坪有两个以上不同的地坪面时，主要地坪面的标高为±0.000（图7）。

图7厂房的室内外地坪标高

采光方式 

1、侧面采光：分单侧采光和双侧采光两种。当房间很窄（如毗连于厂房的生活及辅助用房）时，可利用单侧采光。单侧采光的有效进深（当生产为中等精细程度）约为侧窗口上沿至工作面高度H的2.0倍，即B=2.0H。如房间进深更大，超越单侧采光所能解决的范围时，就要辅以人工照明或用双侧采光。

在有桥式吊车的厂房中，在一定高度处有吊车梁通过，常将侧窗分上下两段布置，下段高度大一些，上段高度小一些，上段称之为高侧窗，下段称之为低侧窗（图8）。高侧窗投光远，光线均匀，能提高远窗点的采光效果；低侧窗投光近，对近窗点采光有利。

1-高侧窗；2-低侧窗

图8 高低侧窗示意

为方便工作（如检修吊车轨等）和不使吊车粱遮挡光线，高侧窗下沿距吊车梁顶面不应太高和过低，一般取600mm左右为宜。低侧窗下沿（窗台）般应略高于工作面的高度，工作面高一般取1.0m左右。

2、顶部采光：在屋顶处设置天窗。顶部采光容易使室内获得较均匀的照度，采光率比侧窗高，但其构造复杂、造价较高。

3、混合采光：其特点是可以充分发挥侧窗采光和天窗采光的优点，采光效率高。

采光天窗的选择

1、矩形天窗：沿厂房纵向升起局部屋面，在高、低屋面的垂直面上开设采光窗而形成。

特点：当窗扇朝向南北时，室内光线均匀，直射光较少。受污染程度小，易于防水。窗可开启，有一定的通风作用。目前在实际工作中采用的较多。矩形天窗的缺点是增加了厂房的体积和屋顶承重结构的集中荷载，屋顶结构复杂，造价高，抗震性能不好。

构造尺寸：合适的天窗宽度为1/2～1/3厂房跨度。两天窗的边缘距离 l 应大于相邻天窗高度和的1.5倍，即，（图9）。

图9矩形天窗宽度与跨度的关系

2、锯齿形天窗：将厂房屋盖做成锯齿形，在两齿之间的垂直面上设采光窗而形成（图10）。

特点：可利用倾斜的天棚反射光线以增加室内的照度，采光效率比矩形天窗高。窗开启时，能兼起通风的作用。天窗窗口常采用北向或接近北向，阳光不会直射入室内，室内光线均匀稳定。锯齿形天窗多适用于要求光线稳定和需要调节温湿度的厂房，如纺织厂、印染厂、精密仪器制造车间等。

图10锯齿形天窗厂房剖面

3、横向下沉式天窗：将相邻柱距的屋面板上下交错布置在屋架的上下弦上，通过屋面板位置的高差作采光口形成（图11）。

特点：可根据使用要求每隔一个或几个柱距灵活布置，采光效率与纵向矩形天窗相近，但造价较矩形天窗低；当厂房为东西向时，横向下沉式天窗为南北向，朝向好，有利于采光和通风，多适用于朝向为东西向的冷加工车间；还有它的排气路线短捷，可开设较大面积的通风口，因此图，也适用于要求通风量大的热加工车间。但是窗扇形式受屋架限制，构造复杂，厂房纵向刚度差。

图11 横向下沉式天窗厂房部分

4、平天窗：在屋面板上直接设置采光口而形成（图12）。

特点：采光效率最高，而且构造简单，布置灵活（可以成点、成块或成带、片布置），施工方便，造价低（约为矩形天窗的1/3~1/4）。但直射光多易产生眩光，窗户一般不开启，起不到通风作用；在寒冷地区玻璃由于热阻小而易结露，形成水滴下落，影响使用；玻璃表面易积尘、积雪，且玻璃破碎易伤人，所以平天窗在工业建筑中未得到广泛采用。为便于排水，减少积尘，在实践中还出现了三角形天窗（图13） 即将玻璃面抬高（一般与水平面夹角30°～45°），宽为3～6m，需要设天窗架，其优缺点接近平天窗。

图12 平天窗厂房剖面                     图13 三角形天窗厂房剖面

5、折板屋顶（图14）和壳体屋顶（图15）采光天窗：用于单跨或宽度不大的厂房中，其采光可利用侧窗解决。当厂房较宽时，其采光方式，除采用平天窗外，还可采用如图所示的办法解决,即每组连续壳体之间设一定宽度的水平条带作采光和排水之用。

图14 折板屋顶采光天窗布置

图15 壳体屋顶采光及排水处理示意

厂房通风

机械通风：依靠通风机的力量作为空气流动的动力来实现通风换气的。它要耗费大量电能，设备投资及维修费也很高，但其通风稳定、可靠、有效。

自然通风：利用室内外温差造成的热压和风吹向建筑物而在不同表面上造成的压差来实现通风换气的。

通风天窗

1、矩形通风天窗

在剖面设计中，距迎风面L≤5h处的风口设置挡风板，则可使排风口处在负压区而稳定排气。设有挡风板的矩形天窗称为矩形通风天窗或避风天窗（图16）。挡风板至矩形天窗的距离等于排风口高度的1.1～1.5倍为宜。 

图16矩形通风天窗

2、下沉式通风天窗

在屋顶结构中，部分屋面板铺在屋架上、下弦上，利用屋架上下弦之间的高差空间构成在任何风向下均处于负压区的排风口，这样的天窗称为下沉式通风天窗。根据其下沉部位的不同有井式通风天窗（图17）、纵向下沉式通风天窗（图18）、横向下沉式天窗几种形式。以上三种下沉通风天窗的共同特点是：布置灵活，通风效果好。

图17 井式天窗布置方法

(a)中间下沉天窗          (b)两侧下沉天窗               (c)中间双下沉天窗 

图18 纵向下沉式天窗

屋面排水对剖面的影响

多脊双坡形式：（图19a），其坡度在1/5～1/12之间。但由于水斗及水落管易堵塞，导致天沟积水，屋面渗漏。这对有特殊生产工艺要求的厂房带来不便，如炼钢车间、铸工车间和面粉加工厂等。

长坡屋面：（图19b），它避免了有组织的天沟排水，减少了排水设施，更重要的是能保证生产的正常运行。

图19 屋面排水方案比较

长坡屋面采用新型的屋面防水材料（长尺压型钢板）和油毡屋面可使其坡度小于5％。此时屋面平缓，水流速慢，绿豆砂保护层稳定，施工质量易保证。

12.3 单层厂房定位轴线的划分

单层厂房定位轴线的作用和基本概念

作用：是确定厂房主要承重构件标志尺寸及相互位置的基准线，同时也是厂房设备安装及施工放线的依据。

柱距：垂直厂房长度方向（即平行于横向排架）的定位轴线称为横向定位轴线，其轴线间的距离称为柱距；

跨度：平行厂房长度方向(即垂直于横向排架)的定位轴线称为纵向定位轴线，其轴线间的距离称为跨度（图20）。

图10-20单层厂房平面柱网布置及定位轴线划分

横向定位轴线的设置

作用：单层厂房的横向定位轴线主要用来标注厂房纵向构件如屋面板、吊车梁的长度（标志尺寸）。

中间柱与横向定位轴线的联系（图21a）：除山墙端部排架柱以及横向变形缝两侧柱以外，横向定位轴线一般与柱截面宽度的中心线重合，每根柱轴线都通过柱基础、屋架中心线及上部两块屋面板横向搭接缝隙中心。

横向变形缝处柱与定位轴线的联系（图21b）：横向温度伸缩缝和防震缝处的柱子采用双柱双屋架，可以使结构与建筑构造简化。根据伸缩缝与防震缝宽度的要求，此处应设两条横向定位轴线，两柱的中心线应从定位轴线向缝的两侧各移600mm。两条定位轴线间设插入距ai值，即伸缩缝或防震缝的缝宽ae。该处两横向定位轴线与相邻横向定位轴线之间的距离与其他轴线间的柱距相等。

（a）中间柱与横向定位轴线的关系　　（b）横向变形缝两侧柱子与横向定位轴线的关系 

图10-21柱与横向定位轴线之间的关系

山墙与横向定位轴线的关系

1、山墙为非承重墙（图22）： 横向定位轴线与山墙内缘重合，并且与屋面板的端部形成“封闭”式联系，端部柱的中心线应从横向定位轴线内移600mm，即端部柱距实际减少600mm，也便于山墙处设置抗风柱。抗风柱需通至屋架上弦处，与屋架用弹簧板铰接，以便传递风荷载，因此为避免与端部屋架发生冲突，需在端部让出抗风柱上柱的位置（图23）。

图22 非承重山墙与横向定位轴线的关系

(a)一般情况下采用采用         (b)厂房沉降较大时 

图23 抗风柱与屋架的连接

图24 承重山墙横向定位轴线

2、山墙为承重墙（图24）：山墙与横向定位轴线的距离为λ,λ根据砌体的块材类别决定，为半砖或半砖的倍数，或墙体厚度的一半。屋面板直接伸入墙内，并与墙上的钢筋混凝土粱垫连接。

纵向定位轴线

作用：单层厂房的纵向定位轴线主要用来标注厂房横向构件，如屋架的长度（标志尺寸）。

(a)带承重壁柱的外墙(壁柱较大)     (b)带承重壁柱的外墙(壁柱较小)

图25 承重墙与纵向定位轴线的联系

外墙、边柱与纵向定位轴线的关系

边柱外缘与纵向定位轴线的联系有两种情况：

（1）封闭式结合的纵向定位轴线

封闭式结合：当边柱外缘、墙内缘与定位轴线三者相重合时，称封闭式结合的纵向定位轴线（图26a）。这时屋架上的屋面板与外墙内缘紧紧相靠，可全部采用标准板，不需设非标准的补充构件。

此时Q≤20t，查吊车规格，知B≥260mm，K≥80mm

柱距小、吊车轻，h≤400mm

如不设安全走道板e=750mm

则：e-(A+B)≥100mm，满足K≥80mm的要求。

从上式得出，当Q≤20t，h+K+B≤e=750mm时，可以采用封闭结合，可满足吊车安全运行的净空要求，简化屋面构造，施工方便。

（2）非封闭式结合的纵向定位轴线

非封闭结合：当边柱外缘与纵向定位轴线之间有一定的距离，屋架上的屋面板与墙内缘之间有一段空隙时称为非封闭结合（图26b）。

(a)封团结合    (b)非封闭组合 
图26有吊车厂房外墙、边柱纵向定位轴线的联系

吊车起重量Q≥30t B≥300mm，K≥80mm

柱距大、吊车重，h≥400mm

如不设安全走道板e=750mm

则：e-(A+B)≤50mm，不能满足K≥80mm的要求。

为保证吊车安全运行所需净空，同时又不增加构件的规格，设计时需将边柱外缘从定位轴线向外扩移一定距离，（即加设联系尺寸D），其值为150mm、250mm、500mm三种。

此时墙内缘与标准屋面板之间的空隙，需作构造处理．如墙挑砖封平或增设屋面板补充构件。因此非封闭结合构造复杂，施工不便，吊车荷载对柱的偏心距也较大，同时增加了厂房占地面积，成本相应提高。

中柱与纵向定位轴线的关系

1、平行等高跨中柱：其上柱中心线与纵向定位轴线重合，通常设单柱单轴线处理（图10-27）。其截面宽度h一般为600mm，以满足两侧屋架的支承长度为300mm的要求。

图10-27平行等高跨中柱 与纵向定位轴线的联系

2、不等高跨中柱：当两邻跨都采用封闭结合时，高跨上柱外缘、封墙内缘和低跨屋架标志尺寸端部应与纵向定位轴线相重合（图28a）。

当高跨为非封闭结合时，上柱外缘与纵向定位轴线不重合，应采用两条定位轴线，其间的插入距A值等于联系尺寸D（图28b）。

如封墙处采用墙板结构时，可按图28c、d处理。

(a)单轴线封闭结合  (b)双轴线非封闭结合  (c)双轴线封闭结合 (d)双轴线非封闭结合 

图10-28无变形缝平行高低跨处单柱与纵向定位轴线的联系

纵向伸缩缝处柱与纵向定位轴线的联系

1、等高跨中柱纵向伸缩缝处：一般采用单柱单轴线处理，缝一侧的屋架放在柱头上，另一侧屋架搁置在活动支座上，上柱中心线仍与纵向定位轴线重合（图29a）。若伸缩缝兼作防震缝时，原伸缩缝按防震缝加宽。若仍按单柱处理，应设两条纵向定位轴线，其间的插入距为A（A=C）（图29b）。

(a)无变形缝        (b)有变形缝  (a)未设联系尺寸D     (b)设联系尺寸D

图29平行等高跨中柱与纵向定位轴线的关系     图30高低跨纵向仲缩缝处单柱与纵向定位轴线的关系

2、不等高跨中柱纵向伸缩缝：一般设在高低跨处，若采用单柱，需设两条定位轴线，两轴线间设插入距A。当两相邻跨都为封闭结合时，A=C（图30a）；当高跨为非封闭结合时，A=C+D（图30b）。C为伸缩缝宽，D为联系尺寸。当不等高跨高差悬殊或者吊车起重量差异较大时，再采用单柱处理往往不甚适宜，且不利于防震。故常在高低跨处结合伸缩缝，防震缝采用双柱及双轴线。两轴间设插入距A。当两相邻跨都为封闭结合时，A=B+C（图31a）；当高跨采用非封闭结合时，A=B+C+D（图31b）。B为封墙宽度。

纵横跨相交处柱与定位轴线的联系

在纵横跨的厂房中，常在纵横跨相交处设有变形缝，使纵横跨在结构上各自独立。所以纵横跨应有各自的柱列和定位轴线，两轴线问设插入距A。当横跨采用封闭结合时，A=B+C（图32a）；当横跨采用非封闭结合时，A=B+C+D（图32b）。有纵横跨相交的厂房，其定位轴线编号常以跨数较多为标准来统一编排。

(a)未设联系尺寸    (b)设联系尺寸    (a)未设联系尺寸D     (b)设联系尺寸D

图10-31 低跨纵向伸缩缝处双柱与纵向定位轴线的关系    图10-32纵横跨相交处柱与纵向定位轴线的关系