工业设计与结构设计例1

中图分类号：TU2文献标识码： A

轻型钢结构指的是由钢材所构成的结构，即由冷弯薄壁型钢结构、焊接或者高频焊接轻钢结构、热轧轻钢结构、轻型钢管结构以及板壁较薄的焊接组合梁焊接组合柱而构成的结构。在工业建筑中应用这一结构，能够起到良好的效果。本文就在分析该结构特点的基础上，对其具体的设计方法进行分析论述。

一 轻型钢结构的特点分析

随着技术的发展，轻型钢结构在工业建筑设计中得到了广泛的应用，其具有轻便、精巧且成型方便的优势，正是具有这些特点，才能够使该结构得到广阔的发展空间。下面本文就对其特点进行分析。

首先，轻型钢结构具有轻巧的特点。一般来讲，轻型钢结构的截面较小，并且自重较轻，承重结构截面能够根据受力的情况进行精确的设计，这样一来会比普通的钢结构使用的槽钢和工字钢截面的受力更为科学且合理。根据资料统计可知，轻型钢结构主体结构的含钢量基本上在25到80千克之间，彩色压型钢板的重量仅仅为10千克，因此说，轻型钢结构的自重只有普通钢结构的30%到50%左右，十分轻巧。

其次，轻型钢结构的主体结构具有稳定性和可靠性。和其他建筑材料相比较而言，钢材料的容重和屈服点比重最小，并且其具有较好的延展性，材质均匀，能够达到很好的抗震和抗压效果，这样就会进一步提升建筑结构的稳定性和可靠性。通常轻型钢结构的主要承重构件为钢结构，采用的钢材塑性、强度以及韧性都很好，能够承受住较大的动力荷载。

最后，轻型钢结构施工周期短。轻型钢结构最大的优势特点就是其所有的构件都能够由工厂制作，现场拼接安装，这样就会比混凝土结构的建筑施工工期缩短一半左右。施工周期短，就能够使建筑提前投入使用，这样能够提前获得投资的效益。

二 工业建筑设计中轻钢结构的设计方法

在工业建筑中应用轻钢结构，能够缩短施工周期，提升建筑物的稳定性能。在工业建筑设计的过程中，需要采取科学的设计方法，以便更好的发挥轻钢结构的优势。下面本文就对具体的设计方法进行分析论述。

首先，从建筑屋面的选材和坡度的选择角度进行分析。通过近几年的发展，轻钢结构的屋面材料有了很多类型，如压型钢板、太空钢板等，但是当前应用的最为广泛的还是金属压型板、夹芯板以及金属压型复合保温板。但是需要注意的是，在设计的过程中，需要针对不同板材的特点进行科学的选择，最大限度的发挥它们的用途。

对于坡度设计的问题，也需要具体问题具体分析。对于一般的工业建筑来讲，其屋面的坡度越大越有利于排水的实现，但是需要把握设计的度，如果坡度过大的话就会增加排水的流速，进而出现溅水的现象。反之，如果说工业建筑屋面的坡度较小，这样排水的速度也会减小，水流的速度也会变慢，这样如果雨量大的话很容易会在屋面形成积水，给压型板带来严重的腐蚀，影响其使用寿命。

由此可见，在对工业建筑的屋面进行设计的过程中，一定要根据地区气候条件科学的选择屋面的坡度，并且要以经济要求和施工要求作为参照的依据，合理确定屋面坡度，既能够有效避免屋面坡度过大而增加施工难度，影响施工质量的问题发生，又需要在设计中最大限度的降低材料的使用，节约设计和施工成本，达到最佳的经济效益。

其次，从金属压型钢板屋面的构造设计角度进行分析。金属压型钢板屋面的设计也是轻钢结构屋面设计中关键的环节，在设计的过程中，需要科学的选择板型、压型金属板，并确定屋面开洞的方式和防水处理的措施。对于大部分轻型钢结构来讲，为了更好的实现采光和通风的效果，需要在屋面上部开凿一定的孔洞或者是进行通风和防水设计，所以说，在金属压型钢板屋面设计的过程中，也需要注重对屋面的开洞、防水以及通风的设计。

需要注意的是，在屋面开洞设计的过程中，对于一些孔直径或者是边长较小的孔洞，能够直接在横梁上面插入一根圆形钢管，或者是其他工艺管对其进行处理，如果在这个过程中出现泛水的现象，则需要在开洞缝的位置涂上足够的硅酮胶进行防水。而一些开孔尺寸较大的孔洞，则通常将泛水裙板和底座设计成一体进行处理，为了降低积水对屋面的影响，可以设计波槽盖板进行防护。

在屋面防水结构的设计中，最需要解决的问题就是搭接缝的问题，需要防止因为搭接缝的存在导致的漏水现象，所以说在设计的过程中需要对搭接的结构设计作为防水结构设计的主要环节进行控制。

再次，从轻型钢结构的夹层设计角度进行分析。对于轻型钢结构夹层设计来讲，其除了需要具备普通夹层的共性外，还需要具备轻型钢结构的特点，所以说在设计的过程中既需要考虑到夹层的共性，还需要考虑到自身的个性特征，这样才能够更好的提升夹层设计的科学性和合理性，并不断的优化和完善设计。

轻型钢结构夹层的主要方式是在原有的旧房主体结构上直接加高，并紧密的依托原来的主体结构，进而达到优化和加固的目的。在实际设计的过程中，需要确定既安全可靠又具有经济价值的方案，并科学的选择夹层的方式。但是由于轻型钢结构夹层结构的侧向刚度较小，因此说在设计的过程中需要设计出足够的纵向和横向支撑，这样才能够确保该结构的固有刚度，进一步保证其稳定性。同时，在设计中还需要充分的考虑到轻型钢结构中夹层结构的地震效应，使板块的刚度能够均匀的分布在结构之中。

最后，对工业建筑中轻型钢结构的墙面设计问题进行分析。对于工业建筑来讲，可以根据墙置的不同将其分为内墙和外墙两种，根据受力特点的不同能够将其分为非自承重式轻型墙体以及自承重式轻型墙体。在工业建筑中，较长应用的墙体材料一般以轻质材料为主，如PC板，涂彩金属压型板等，能够根据建筑物的建设要求和设计标准科学的选择各种墙体材料。

以金属压型板墙面的系统构造设计为例进行分析。该墙面在设计中主要对对压型板具体的长度选取和钢板墙面系统的细部构造设计为中心。在选择金属板的过程中，需要充分的考虑到板块的承载水平力和板块单位面积材料的有效覆盖能力，科学的确定各种数据，最大限度的降低压型板长向搭接情况的出现，并减少材料的浪费。对于其中夹心板墙板构造的设计，需要考虑到夹心板的结构布置和节点的设计防范，科学选择板块的放置方式，并重点对踢脚、墙转角处等节点位置进行设计。

结束语：从目前情况来看，在工业建筑设计中广泛的应用轻型钢结构，不仅能够缩短施工工期，使建筑更快的投入使用以获得最佳的经济效益，还能够提升建筑物的使用性能和稳定性能。本文就在此基础上，结合工作实际，对轻型钢结构的特点进行分析，并指出了该结构在工业建筑设计中的具体应用，希望能够对今后的设计工作起到一定的帮助作用。

参考文献：

[1] 马守芳 工业建筑设计中轻型钢结构的特点与设计方法 建材发展导向：下，2014年第5期

[2] 宋祥 轻型钢结构工业建筑设计研究 山东建筑大学，2012年

工业设计与结构设计例2

中图分类号：TU24文献标识码：A文章编号：

引言：

20 世纪 70 年代以来，人们在总结历次地震灾害的经验中逐渐认识到，对建筑抗震设计而言，结构概念设计比结构计算设计更为重要。单凭微观的数学力学计算还很难确保建筑物在遭遇地震时具有良好的抗震性能。概念设计在实际工程设计中，尤其是提高结构抗震能力方面发挥了重要作用。

1. 概念设计

概念设计就是从结构总体方案设计开始，运用人们对建筑结构抗震已有的正确认识去处理结构设计中将要遇到的问题，诸如建筑体型、结构体系、刚度分布、构件延性等。从宏观原则上进行评价、鉴别、选择等处理，再辅以必要的计算和构造措施，以消除建筑物抗震的薄弱环节，达到合理抗震设计的目的。也就是说概念设计是在特定的建筑空间及地理条件下，用整体概念来考虑结构的总体方案，依据结构总体系与分体系之间的力学关系、结构破坏机理、震害、试验现象和工程经验所获得的基本设计原则和设计思想，从整体的角度来确定建筑结构的总体布置和抗震细部构造措施的宏观控制。概念设计受到国内外工程界的普遍重视，并将发挥更大的作用。

2.结构抗震设计理论

2.1“多级”设防

GBJ11-89《建筑抗震设计规范》采用多级设防的思想，提出了“三水准”的抗震设防目标，即“小震不坏，中震可修，大震不倒”，以保障人们生命安全为一级设防目标，但无法避免大震中巨大的经济损失。基于性能的抗震设计理论提出了多级目标设计理念，既要保证生命安全，又要避免经济损失超过业主和社会的承受能力，更加注重非结构构件和内部设施的保护，因此根据投资---效益准则，引入经济决策机制，它通过进行费效分析，在可靠和经济之间选择一种合理的平衡，以确定最佳抗震设计方案，达到优化设计的目的。

2.2 强调“个性”

现行抗震设计需要依照规范按部就班，缺乏灵活性，结构设计人员处于被动状态。基于性能的抗震设计除了满足“共性”外，更加注重“个性”设计，增加了业主与设计人员的交流，根据结构的用途及业主的要求确定结构性能目标后,设计人员可以选择实现该性能目标的设计方法，采用相应的构造措施，既调动了设计人员的积极性，又有利于新材料的推广应用和新技术的开发。同时，结构的抗震能力是按选定的抗震功能目标进行设计，具有可预见性。

2.3 立足“性能”

目前还没有统一的设计方法，很多学者提出采用结构层间变形或顶点位移作为性能指标，它是从传统的以力为基础设计转变成以变形为基础的设计，是从弹性设计方法转变为弹塑性的设计方法，解决了传统设计理论上的不足，尽可能使结构的预期功能与实际地震作用下的功能相符合。

3.概念设计的重要性和必要性

随着经济的快速发展，人们的生活水平得到不断的提高，对建筑结构的质量和性能也提出了新的更高的要求。采用先进的计算方法，加快新型建材的设计和开发，加强建筑结构的安全性、适用性、经济性已逐渐成为当前的首要工作。面对当前建筑结构设计的状况，通过概念设计的理念来加强结构工程的创造性设计，促进结构设计的发展，是一项非常必要而且重要的事情。加强概念设计思想的推广就是一种高效而实用的方法，具体分析如下:

3.1建筑结构的抗震设计规范是建立在可靠度理论的基础上的，对延性设计思想有所借鉴和吸纳。然而，其对于某些实际问题，例如“中震能修”的设计目标方面的规定表现的非常模糊。因而我们切勿墨守陈规，要将规范当成一种指导和参考，在实际运用过程中做出正确的抉择。所以，这就要求在整体体系与分体系的力学关系上有清晰而深刻的了解，在实际工作中充分运用概念设计。传统观念影响下，人们都不够重视结构设计，认为只要遵循设计规范，在建筑设计完成后，凭借计算机就能完成结构设计。然而，这种方式不但难以充分地利用好设计者的设计技能，而且会跟建筑设计方案格格不入，造成分歧和矛盾的产生。因此，我们要认真思考如何在结构设计中做好对概念设计的运用。

3.2概念设计是非常重要的，这在方案的设计阶段也有很好的体现。开始时的设计是不允许通过计算机来完成的，这也就要求结构工程师充分运用好结构概念，设计出可靠而经济的结构方案。鉴于此点，就要求工程师加强设计理念上的思考和创新，潜心探索各种结构的特点性能，并能灵活运用。通过对概念性估算的方式的运用，就能够在方案的设计阶段快速高效地构思结构体系，并对其进行比较与选择。这样设计出来的方案，概念清楚、定性精确，消除了后期设计阶段的不必要运算，因而可靠性很强。与此同时，这也能够判断计算机分析出的数据的可靠性。

3.3新抗震规范提出了在建筑物内设置地震反应观测系统的要求，并提出了结构两个主轴方向的动力特性（周期和振型）相近的抗震概念。所以在结构概念设计中还应该注意结构与场地的共振问题。例如在唐山地震时，天津塘沽地区的 7~10 层框架结构房屋破坏严重，而 3~5层的砖混结构住宅却只有轻微损坏。后来经调查发现，框架房屋的自振周期和场地的卓越周期一致导致共振，而 3~5 层砖混住宅的自振周期远低于场地的卓越周期，因此破坏较轻。

3.4建筑结构的抗震设计，存在着许多模糊而且不确定的因素。例如地震作用是一种随机性很强而且循环往复的荷载，建筑物的地震破坏机理又十分复杂，要准确计算或预测建筑物所遭遇的地震特性和参数，还难以做到。风荷载的脉动性与涡流作用情况也是如此。因为建筑物受到的地震作用难以确定，所以适用、安全、经济的结构体系必须注重概念设计。

4.概念设计的理解与应用

加强结构抗震设计是为了使结构在强度、刚度、延性以及节能等各方面都能获得优化组合，进而达到在地震中增强稳定性的要求。为了增强结构的抗震性能，概念设计要涉及到以下因素:场地的稳定性，结构模型的计算，抗震结构的选择，材料的效能，结构的空间作用等。

4.1对现行抗震计算模型的理解和应用。

新抗震规范中有规定:通常情况下，可以允许在建筑结构的两个主轴方向对地震作用进行验算，各方向的水平地震作用要由该方向的抗侧力来承担。然而实际情况下，结构无法实现强化的根本原因是计算模型问题。因此，运用概念设计的基本原理，联系到地震灾害与试验研究的结果，可以得到这样的结论：建筑的最不利受力状态会根据建筑与地震相互作用的方向而发生变化。

4.2对建筑结构的薄弱部位抗震构造措施的理解和应用

对建筑薄弱部位的改造，比如建筑平面内转角处的转角窗，对角部竖向抗侧力结构的设置有很大的限制，但按照概念设计的思想，解决这一问题的方法是在竖向构件之间设置厚板和梁柱等可靠构造。

4.3 建筑结构抗震设计的展望

如今，结构抗震体系已经从之前的以“硬抗”理念为主的抗震体系，逐渐发展成以“柔抗”理念为主的减震控制系统。结构减震体系运用的“以柔克刚”的全新理念，通过对结构进行隔震、减能或者控制方式来达到抗震效果，在未来的工业与民用建筑中结构抗震的思路将向着减轻危害的方向发展。

5.结语

经过工业与民用建筑中多年的抗震探索和研究，总结设计经验引入了概念设计的设计新理念。这种设计理念从宏观角度对建筑抗震结构进行设计，在某些方面弥补了以往设计思路对抗震结构思考的不足之处，为今后的工业与民用建筑结构抗震设计开辟了新路。

参考文献：

工业设计与结构设计例3

中图分类号： TU391文献标识码： A

由于在我国应用钢结构工业厂房的时间相对比较短，相应的具体施工技巧与设计只是处于探索阶段。虽然钢结构工业厂房拥有的优点比较多，可是其属于一种材料还是存在着比较多的缺点，比如易锈蚀、防火性能差等，这些因素必须在施工与设计过程考虑。本文则将其划分为两大部分进行讨论。

一、归纳钢结构工业厂房的优越性

钢结构工业厂房的主要优点在摘要部分有所涉及，具体来看，从施工速度上，能够工业化批量生产钢结构构件，安装快捷，施工简单，可以大幅度缩短施工周期；从其自重上，可以减少大约三成的建筑物结构质量，尤其是地震设防烈度比较高与地基承载力低的地方，与钢筋混凝土结构体系相比有着更好的综合经济；从环保方面上，钢结构体系这是环保型绿色建筑体系，从其自身上钢材这个材料拥有高效能与高强度，因此具备特别高的再循环价值，这样就导致并不需要借助制模施工。

二、钢结构工业厂房设计图纸的重要性

不管工程是属于什么性质，图纸则是属于工程设计的依据。在设计钢结构工业厂房的过程当中，必须要组织施工单位的相关专业技术人员会审图纸，将施工图纸当中的“错、漏、缺、碰”等检查出来，力求在施工之前解决这些问题，将因为图纸问题影响工程进度与质量的情况最大限度的减少。钢结构工程在施工组织设计的编制过程中必须针对制作阶段与安装阶段，在这其中的制作工艺从其内容上来看还应该将制作阶段各个分项、工序的技术要求、质量标准包含其中，加上各项具体的为了保证产品质量所制订的措施。

三、钢结构工业厂房支撑系统设计原则

为了对钢结构厂房的空间工作作出做出有效保证，导致钢结构厂房的整体刚度有效提升，将纵向水平力传递与承受，从而对过大杆件变形有效防止，避免压杆失稳，从而可以对结构的整体稳定性进行保证，必须按照厂房架构的形式，设置车间吊车、厂房的高度、跨度、振动设备、温度区段的长度等这些情况对可靠的支撑系统进行布置。在厂房的所有温度区段还应该设置稳定的柱间支撑系统，将其和屋盖横向水平支撑的布置做到相协调。下柱支撑的位置是决定厂房纵向结构变形方向的重要因素，并影响温度应力的大小，最大限度的在温度区段的中部设置下柱支撑，从而让吊车梁等纵向构件可以按照变化的温度实施相对比较自由的往区段两端伸缩。如果温度区段有着并不大的长度，那么往往在温度区段的中部设置一道下段柱支撑，可是温度区段其长度比一百五十米大的时候，那么为了对厂房的纵向刚度保证，则应该将两道下段柱支撑设置在温度区段内，相应其位置也应该最大新都在温度区段中间三分之一的范围内进行布置，而为了对过大的温度应力避免，这就必须在两道支撑的中心距离规定在七十二米以内。

四、针对钢结构工业厂房抗震性设计的重点

在设计钢结构工业厂房的抗震要求当中必须注意：从整体布置方面必须要求厂房结构的质量与刚度做到均匀分布，从而做到厂房有着均匀的受力，协调变形，最大限度对受到不均匀结构刚度对抗震造成的不利影响避免，厂房的横向结构比较适宜采用钢架或者是使用屋架与柱有一定固结的框架，从而做到对钢结构的受力性能充分利用还可以减少横向结构变形。除此之外，从一般情况来看，钢结构厂房的破坏并不是由于杆件强度不足而往往是因为杆件失稳造成，因此合理布置支撑系统，从而对厂房整体稳定性的结构保证，这一要求对于钢结构厂房显得特别重要。另外，基于地震的作用下，往往会存在着低周疲劳作用，在设计的过程当中还应该高度注意其对厂房的影响。在设计机构连接点的过程当中，还应该对节点的破坏不先于结构构件的全截面屈服保证，还应该让结构构件可以进入塑性工作，这样就可以将地震能力充分吸收，将其抗震能力发挥。

五、设计钢结构工业厂房耐热能力的重要性

在之前篇幅当中已经提到钢结构工业厂房有着比较差的防火能力，如果钢材受热达到一百摄氏度以上的时候，伴随着升高的温度，相应钢材的抗拉强度也会降低，从而将其塑性增大；而当温度达到二百五十摄氏度左右之后，则会略有提高钢材的抗拉强度，而却降低塑性，则会呈现蓝脆的现象；如果出现温度比二百五十摄氏度以上，钢材就会呈现徐变的现象；钢材的温度达到五百摄氏度以上，那么强度则会降低，从而塌落钢结构。有鉴于此，如果钢结构其表面温度是处于一百五十摄氏度以上，那么则会实施防火及隔热设计。针对钢结构工业厂房的施工过程当中，往往会存在着特别繁冗的问题，在这里也仅仅是分析研究其中比较突出的几个问题。

六、埋设施工过程当中地脚螺栓的问题

由于钢结构工业厂房建筑稳定性的根本所在就是看是否拥有坚固的地脚螺栓，地脚螺栓的精度直接关系钢结构定位，埋设地脚螺栓还应该对其精度进行严格保证，具体的埋设地脚螺栓其精度为：标高±5.0mm，轴线位移±2.0mm。安装柱地脚螺栓之前，那么还应该把平面控制网的所有轴线投测到柱基础面之上，全部实施闭合，这样就可以对螺栓的安装精度进行保证，随后按照轴线放出柱子外边线，等待安装钢柱地脚螺栓的承台架子搭设好之后，在钢管架子抄测所需标高。

七、归纳吊装钢结构的注意事项

具体来看，吊装钢结构的过程当中主要应该注意以下事项：必须弹出柱脚的地板十字线，弹出地脚螺栓的中心线，清理干净柱脚剪力孔，等到钢柱就位之后，将标高进行调整，紧固螺母。将某一个区域范围内的钢柱吊装完毕之后，吊装连系杆，从而可以对钢柱的整体稳定性进行保证，这样就导致吊装钢梁的时候钢柱并不容易变形。将钢梁进行吊装，两对钢梁空中对接，初拧高强螺栓，使用四道缆风绳拉紧第一根钢梁，有效预防钢梁倾斜向一边。

八、解析吊车梁系统的安装难点

针对钢结构工业厂房进行施工的时候，安装吊车梁就必须严格根据规范从柱间支撑跨，柱间支撑安装连接之后已经对一个相对比较稳定的空间刚度单元形成，在此处安装其主要具备两个优点，一个就是对安全保证，另外一个则是对吊车梁按扎U谷不会影响柱子的垂直度保证。而且在安装的过程当中，针对端部截面误差比较大的吊车梁底部还应该配调整垫块，相应的这个垫块在调整吊车梁系统之后还应该对其实施焊接固定。根据事先测放的定位线精确对中。连接制动系统还必须固定调整吊车梁之后正式对接。借助高强螺栓连接吊车梁和制动板，为做到对连续施焊对高强螺栓连接有效预防，并且实施初拧。

参考文献

工业设计与结构设计例4

(2)刚性抗震设计。刚性抗震设计则是当前我国建筑结构抗震能力设计过程中常用的抗震设计类型，其也是建筑结构抗震设计中较为传统的结构抗震设计类型，其能够通过对建筑结构强度的提升、对建筑结构塑化能力的提升以及对建筑结构刚性的提升有效的提升建筑结构的整体抗震能力，有效的提升建筑结构在地震灾害发生过程中的稳定性，提高建筑结构的抗变形能力、抗地震破坏能力、抗倒塌能力等多种能力特性，对工业与民用建筑结构的稳定性和安全性有着非常重要的提升。具体来讲，刚性抗震设计应用在建筑结构的设计和施工过程中，主要是通过对混凝土结构的抗震设计来达到最终提高建筑结构整体抗震性能的目的，例如刚性抗震设计可以在建筑结构的设计过程中通过对抗侧力构件截面的设计采用提高混凝土标号和增加结构配筋量的方式来达到提高相应结构延性和强度的目的，最终实现对整体建筑结构抗震性能的有效提升。刚性抗震设计在我国建筑结构设计过程中的应用已经形成了一套颇为成熟的应用体系，其在工业与民用建筑结构设计过程中的应用也较为普遍，但是值得注意的是刚性抗震设计在建筑结构中的应用事实上也是有一定局限性的，其主要表现在无论刚性抗震设计能够多么有效的提高建筑结构的整体强度和刚度，建筑结构自身在地震灾害来临过程中的抵抗能力始终都是有限的，在遭遇到极为强烈的地震灾害作用力时，刚性抗震设计不能完全的保证建筑结构全然不受地震灾害的影响，同时刚性抗震设计还会出现增加地震加速度并最终导致建筑受到的地震效应更加剧烈的现象，因此刚性抗震设计在提高建筑抗震性能上的作用事实上是有一定局限的。

(3)局部抗震设计。局部抗震设计在建筑结构抗震设计中的应用主要是通过对多种综合因素以及对地震灾害的作用力分析情况来完成对建筑结构的相应设计工作。具体来讲，局部抗震设计首先会针对工业与民用建筑结构在面临地震灾害时最容易出现结构损坏的位置进行相应的模拟实验和分析，例如工业与民用建筑的后砌墙结构与楼板结构在地震灾害时是最容易出现损坏现象的结构，那么局部抗震设计就会在工业与民用建筑结构的设计过程中充分加强对后砌墙结构和楼板结构的强化设计，通过提升后砌墙结构与楼板结构的设计强度来达到提升建筑结构抗震性能的目的;其次局部抗震设计在建筑结构的应用过程对建筑结构的建设场地也有着相应的要求，局部抗震设计在工业与民用建筑结构设计中的应用要求健身代为必须尽量选择避免软弱粘土区、采空区以及非岩质陡坡区等地区，以便降低建筑结构在面临地震灾害时遇到的灾害影响;最后局部抗震设计对建筑结构的施工质量要求也非常的高，其在工业与民用建筑结构设计过程中的应用要求工业与民用建筑必须具备高标准的结构施工质量，进而从整体上提升建筑结构的安全性和稳定性，保证建筑结构具备相应的抗震能力。

2工业与民用建筑结构抗震设计过程中应该采取的优化措施

(1)科学合理的选择抗震类型。当前阶段我国工业与民用建筑结构包含多种不同的类型，例如混凝土结构建筑、砖混结构建筑以及钢结构建筑等等，设计单位在工业与民用建筑结构的设计过程中应该充分的考量建筑结构的不同类型，根据不同建筑结构类型抗震性能上存在的差异性科学合理的选择抗震类型

(2)加强建筑施工场地的优化选择。设计单位在工业与民用建筑结构场地的选择过程中还应该加强建筑施工场地的优化选择，尽量选择能够降低或者消除地震影响的地理位置，减少地震灾害来临过程中对于建筑结构造成的不利影响，避免因为地理位置选择不对造成的地震影响更加剧烈的现象。

工业设计与结构设计例5

中图分类号：TU391文献标识码： A 文章编号：

随着我国经济、技术的迅速发展和进步，钢结构已逐步成为各类工程结构中被广泛应用的建筑结构，如工业建筑、文化体育建筑、城市现代化建筑以及城乡住宅建设等。

一、工业建筑中钢结构的应用现状与设计特点

1、工业建筑中钢结构的应用现状

当前，在我国工业建筑领域中，相比混凝土结构而言，由于钢结构自重较轻、抗震性能优良且结构强度高，又便于进行工业化批量生产，是一种能够进行循环使用又能达到节能环保的一种建筑结构，也符合我国经济可持续性健康发展的潮流，又能很好的满足我国建筑工业化的要求。因此，在高层建筑、轻钢结构住宅建筑中发挥着越来越多的优势。另外，由于钢结构的建设周期短且在大跨度结构工程中的优势较为明显，各类钢结构体系被广泛应用于各类工业建筑建设中。如：平板网架结构在工业与民用建筑中得到了广泛采用，技术已非常成熟；与此同时，网壳等其他空间钢结构也取得了迅速发展，如：上海体育场屋盖结构，采用马鞍形大悬挑钢管空间结构，长轴为288.4m，短轴为274.4m，中间敞开椭圆孔的长轴为213m，短轴为150m，屋盖面积为36100m2。64榀悬挑主衍架的一端分别固定在32根钢筋混凝土柱上，最大悬挑跨度达73.5m，为世界同类型建筑中悬挑跨度最大的屋盖结构。另外，冷弯薄壁型钢构件在工业与民用建筑中的应用（如檩条、墙梁、屋面板、墙板等）日益普遍。门式刚架轻型房屋钢结构在吊车起重量较小（Q≤20 t）和无吊车的厂房、仓库及需要大空间的民用建筑中的应用迅速推广，并在继续发展。

2、工业建筑中钢结构设计的特点和要求

钢结构设计除了要执行相关的技术规范，确保质量以外，还要做到技术先进、经济合理、安全适用。和其他结构形式相比，在工业建筑的钢结构的设计中，应选用合理的结构体系、钢材品种、连接形式以及节点的构造措施；满足结构在使用荷载状态下的两个极限状态；同时满足在运输、安装过程中的强度、稳定性及刚度要求；优先采用定型的和标准化的结构和构件，减少制作、安装工作量；特别注意要符合钢结构的防火要求和抗腐蚀性能；对于新型结构体系，要充分发挥钢结构灵活多变的特点，但需注意结构与建筑的协调统一。钢结构设计应该重视和研究节约钢材、降低造价的各种措施，总而言之，我国的钢结构正处在一个迅速发展时期，钢结构设计要注意钢材价格较高对工程造价所产生的不利影响，注意充分发挥钢材强度高、塑性好的特点，根据工程实际情况，选择适当的结构方案和施工方案，进行多方面的技术经济比较。同时，还应该不断总结经验，推广先进的结构形式、构件制作工艺和施工安装技术。

尽管钢结构在进行防腐和防火维护方面存在着一定的局限性，使得很多时候钢结构上部结构本身的造价相比混凝土结构要出很多；但是，钢结构在大跨度和施工周期方面较混凝土结构有很大的优势，而且钢材本身的强度较钢筋混凝土更高，同等强度的钢构件较混凝土构件更轻，使得钢结构的基础较混凝土结构更小，总体投资较混凝土结构相差不多（轻钢结构投资较混凝土结构还要低一些）。因此钢结构被更广泛的应用于工业建筑的设计和施工中，取得了很好的经济效益。

二、钢结构工业建筑设计中的关键

在钢结构设计的整个过程中首先应该被强调的重点是钢结构方案的确定，结构方案的选择是否合理直接决定了工程设计的成败；其次就是节点的设计，节点设计是否合理基本上决定了钢结构的安全性。结构布置要根据体系特征、荷载分布情况及性质综合考虑。一般要刚度均匀，力学模型清晰；尽可能限制大荷载或移动荷载的影响范围，使其以最直接的线路传递到基础；柱间抗侧支撑的分布应均匀，其形心要尽量靠近侧向力(风荷载、地震荷载)的作用线；否则应考虑结构的扭转。结构的抗侧应有多道防线：比如有支撑框架结构，柱子至少应能单独承受1/4的总水平力。

在结构分析前，就应该对节点的形式有充分的思考与确定。设计中经常出现最终设计的节点形式与结构分析模型中使用的形式不完全—致，这种情况在设计过程中必须避免。节点按传力特性可分为刚接、铰接、半刚接，宜选择前两者进行简单定量分析，因为半刚接节点在实际中的可操作性较差。节点连接两种常用的方法是等强设汁和实际受力设计，设计手册中通常有焊缝及螺栓连接表格供设计者方便查用。规范中对焊接焊缝的尺寸及形式有强制规定，应严格遵守。焊条的选用应与被连接金属材质相适应，不得任意加大焊缝。焊缝的重心应尽量与被连接构件重心接近(详细内容可查阅规范关于焊缝构造方面的规定)。高强螺栓现已广泛的应用于工程实际中，根据受力特点分承压型连接和摩擦型连接，两者计算方法不同。高强螺栓最小规格M12，常用M16～M30，超大规格的螺栓性能不稳定，实际施工过程中会存在无法拧紧的现象，设计中应慎重使用。连接板选取厚度为梁腹板厚度加4mm，然后验算净截面抗剪。节点设计需考虑安装螺栓、现场焊接等的施工空间及构件吊装顺序。节点设计还应考虑制造厂的工艺水平，比如钢管连接节点的相贯线的切口需要数控机床等设备才能完成。

在保证结构安全的前提下，为了充分发挥钢材的作用，更合理的使用钢材，还应该深入研究结构设计理论与方法，使结构和构件的计算方法更能反映实际工作情况。另外，应加大对空间结构的研究和应用，网架结构、网壳结构、张拉结构体系等均属于空间结构，这些新技术的应用，在减轻结构自重、提高结构的承载力、节约钢材等方面效果十分明显。另外，在普通钢结构中施加预应力后形成的预应力钢结构，能增强结构的刚度，提高承载能力，从而节省钢材。预应力钢结构可应用于桁架、梁及框架等结构或构件，但目前应用较少，有待研究和发展。钢结构的防腐和防火，一直是钢结构设计中需要认真处理的问题，至今仍没有十分有效的措施。因此，在钢结构的维护和防火处理上还需要花费较大的资金投入，加大了钢结构的造价和维护费用。

三、总结

钢结构作为一种强度和柔度都很大的结构形式，在设计过程中首先应该注意的是结构方案的合理性，结构刚度分配要均匀，抗侧力性能要强。另外，要考虑钢结构节点的设计是否合理决定了钢结构工业建筑的安全性，在结构分析前就应该有充分的思考与确定。

【参考文献】：

工业设计与结构设计例6

关键词： 工业设计；结构设计；产品外观造型设计

Key words： industrial design；structure design；product appearance design

中图分类号：G640.2 文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2013）34-0247-02

0 引言

“产品结构设计”是计算机辅助设计与制造专业的一门重要的必修课，同时也是计算机辅助设计与制造专业的核心课程，利用三维设计软件进行家电产品或电子产品的结构设计，有较强的专业性和实践性。目前，国内高职院校随着时代的发展相续开设计算机辅助设计与制造专业的课程，高职工科类工业设计与结构设计属于年轻的专业。专业建设需要时间的沉淀，产品设计类专业有很多问题急待解决，其中首要问题就是确立课程内容和改进教学方法。而核心课程《工业产品结构设计》就是必须解决的问题。

1 课程开发的思路

以工作过程为导向构建课程体系的开发设计思路是：依据地区经济规划大力发展先进制造业的要求和确定的职业岗位群，高职计算机辅助设计与制造专业学生的就业为导向，经过专业人才培养论证会的辩证，提取企业资深工程师和行业专家的宝贵意见，先分析其典型工作任务，得出完成典型工作任务对应的职业能力，并对专业所涵盖的产品设计能力进行研究分析，综合考量学生的知识接受能力，最终确定课程的工作任务和课程的项目模块。

2 教学目标

结构设计课程的开发要解决的最关键问题是培养结构设计人才需掌握哪些知识和技能，而当今社会企业对一个合格的产品结构设计人员有下列要求：①熟练一门三维设计软件和一门二维平面CAD软件。②对塑料模具和五金模具有一定的了解，包括模具各组成部分，以及塑料件和钣金件的设计规范。③塑料性能的认识。比如塑料的分类，注塑成型工艺的影响因素等。④塑料表面工艺了解，其中内容有磨砂、抛光、喷涂、烫印、电镀和覆膜等。⑤机械相关知识、机械制图，需掌握凸轮、曲柄摇杆等各种机构，熟悉绘图国家标准。⑥相应产品的生产装配工艺。⑦国内和国际在品质方面的安规相关知识，以及相应试验标准。

本课程的目标是使学生通过以工作过程为导向的项目实训，掌握结构设计所需的各种知识，具备分析和解决实际问题的能力。

3 教学方法

目前社会上的企业招聘时，用人单位往往优先挑选有工作经验的人才，而刚毕业的大学生由于缺乏工作经验，常常受到冷漠地对待，就业压力大。因此，提高学生的工作经验已经成为各大院校的当务之急。

以往本课程的授课内容与学习三维绘图软件的课程很类似，学生跟着老师一个零件接着一个零件地绘制，偏于注重学生“技”的训练，特别是仅强调计算机辅助软件的应用训练，而没有让学生具体地做一个项目，即从产品输入、结构设计与评审、模具评审与改模，直至项目结题的完整过程，使学生无法对产品设计有深刻的理解。因此，本课程将采用基于工作过程的项目教学法，选用一些典型的企业产品作为项目来源，立足于加强培养学生的实际动手操作能力，学生不仅需要掌握产品设计的能力，还要具体地管理项目，在实践中运用产品设计相关的各方面知识和必要的项目管理知识，使学生对产品结构设计有深刻的理解，掌握相应的产品设计经验，着重培养学生“先模仿，后创新”的能力。选取产品的绘制难度由易到难，所用的知识由浅到深。

本课程分两个阶段教学：第一阶段采用项目教学法，边讲边学边练。强调“教、学、做”相结合，灵活运用理论讲授、实践操作（演示）、讨论等多种教学形式。教师可以参考企业设计部门，把学生分成几个项目组，选出组长，并人为地设置一些障碍，使各组员互相帮忙，共同克服困难，推进项目的进程，培养学生的创新意识、职业能力和团队协作能力，使之养成良好的个人品格和行为习惯，从而提升职业道德和修养。第二阶段安排实训专周采用实训教学方式，让学生到合作企业的校外CAD实训室实践，并引用企业的产品案例作为实训的题目，在企业工程师的指导下，按企业的产品设计开发流程和方法进行实训，在实训过程中既将所学相关课程的知识应用到实际中，又进一步提高学生的工作能力、实践能力和专业技能，提高教学效果。

4 课程内容

为了体现基于工作过程为导向的课程思想，本课程根据产品结构设计的工作岗位、工作任务和实际运用中所应具备的各方面技能，从学习各类型设计特征到把握总体产品绘制，将总体项目进度分解为各个时间节点，确定各种具有代表性的产品为单元组织项目化课程内容。

本课程的前导课程主要是机械制图与测绘、机械工程材料、三维造型与工程图、模具设计、电器产品强制认证基础等，培养学生初步具备读图、计算机辅助二维和三维绘图、工业产品设计的能力，为本课程的学习奠定基础。

课程的主体内容包括：①钣金结构件可加工性设计规范；②注塑件材料特性、成型方法以及设计技巧；③连接结构：a.固定连接结构；b.活动连接结构；④电路板安装结构；⑤编写项目进度表和项目任务书；⑥结构设计方案评审；⑦编写改模方案表；⑧绘制工程图；等等。

5 教学评价

本课程采用过程评价与结果评价相结合的方法，以及企业对学生能力的评价来综合评价学生的成绩。总成绩由三部分组成：平时成绩占总成绩的比例为10%，期末考试成绩占50%，实训成绩占40%。

注重考核学生在项目进程中动手能力和分析问题、解决问题的能力，对于在设计中有创新意识的学生，尤其是在创新设计大赛获奖或其设计作品被企业采纳的学生予以特别的鼓励，可考虑折合成相应的学分，做到全面综合评价学生的能力。

6 课程资源的开发

身为产品结构设计师，不仅必须掌握至少一种三维造型软件，而且需要具有广泛的专业背景和理论基础，包括工程材料的知识、机构设计、塑料件和钣金件的设计要点，相关模具的特点，以及国内外产品行业安全标准等等。虽然国内有多所高职院校开设了《工业产品结构设计》课程，但都是各自为营，教学内容和使用教材常常大相径庭。综观国内关于产品结构设计的教材，大概分为两个极端，要么是大而泛，即牵涉的范围太广，而没有侧重点，看似内容挺多，其实真正实用的很少；要么就是讲解的内容偏窄，比如仅提到了塑料件和塑料模具，而没有提及钣金件、新材料的运用，更没有材料表面处理的说明。由此可见，目前在产品结构设计课程领域，专业针对性强的教材稀缺。

本课程从实战出发，整理产品结构设计相关的各种材料，融入企业的实际工作经验，充分考量学生的实际能力，制作出实用课件、实训指导书和整个产品绘制过程的教学视频，创建学生作品数据库，汇集国内外优秀结构设计作品，并经过两个学年的不断修订，最终开发出符合当前企业需求和学校情况的教材。

7 总结

本课程适用于工科类计算机辅助设计与制造专业，亦可作为所有与产品结构设计相关专业的课程内容选用，相信本课程的探索与实践必将有利于高职院校计算机辅助设计与制造专业的人才培养。

参考文献：

[1]虞凯，路海萍.中国高职教育课程模式现状及其发展走向[J].学理论，2011（35）.

[2]陈青云.高职院校工业设计人才的培养模式探讨[J].技术与市场，2009（10）.

[3]许弢.高职院校课程改革的主体探析[J].武汉商业服务学院学报，2011（1）.

[4]盖海红，秦学武.浅谈高职院校的改革创新[J].教育与职业，2005（2）.

工业设计与结构设计例7

DOI：10.16640/ki.37-1222/t.2017.04.104

0 前言

随着社会经济的不断发展，人们的生活水平也在不断的提高，而今的工业建筑随着需求，在规模上在进行不断的持续扩展现状。在工业建筑当中主要以钢结构以及钢筋混凝土两种作为结构形式。此次探讨以工业建筑结构设计的优势作为出发点，并对以往的经验进行了总结，以下对工业建筑结构设计的复杂性及安全性做了阐述。

1 选择工业建筑结构类型

结构设计在工业建筑当中，一般情况下建筑物会产生相应的变化，是由于生产设备的改变的情况下及生产容量的变化下发生的，而且，要保证工业建筑设备及工业建筑物的使用时间，在工业建筑当中，还应该对其投资预算及建筑结构设计要准求吻合。对于建筑结构类型的有效选择，能够有效确保工业建筑结构设计的科学及合理性。

（1）受力构件，Q345-B和Q235-B钢，一般在工业建筑结构设计过程当中广泛选择的，对于吊车梁的选择，一般为 Q345-C和Q235-C钢，平板台及栏杆的选择为Q235-A钢，这样对于建筑材料的使用上，以国家规定为标准，其力学功能、化学成分上都能够达到。

（2）对于变形掌控以及钢结构应力的准求。在强度设计数值上钢梁应力需要达到90%，强度设计数值在钢柱应力上需要达到95%，在变形容许值上要和钢构件变形需相吻合。在钢柱、钢梁当中一般会选择焊接H型钢，利用墙皮檩条的组合是在檩条加槽钢上使用的，卷边槽形冷弯薄壁型则是在其他的檩条进行使用的，对阵风系统这方面来说，在墙皮檩条的计算当中是不需要考虑的。

（3）在我国，对于建筑结构方面广泛应用的是钢结构及钢筋混凝土。而且。其中最为方便的就属钢筋混凝土，很容易得到建筑材料的，能够很方便的在施工现场及预制进行浇筑，耐腐蚀及耐火性是其中最为显著的特点，而且在建筑范围上有着很广泛的适应性；工业体建筑当中一般为钢结构，能够有效的降低在建筑中的成本，对于施工工期可以大量的进行减短，但是，在耐火、耐腐蚀的设计方面，在钢结构当中是必须要重视的问题，对于钢结构设计的应用，一般会在大跨度以及大空间、振动大的生产建筑中可以广泛的看到它们的身影。

2 分析工业建筑结构设计的数据

结构设计在工业建筑的应用的过程当中，其基本原则因以经济安全为准，对于建筑质量应该最大限度的确保。对国家具体的规章制度一般规格严格遵守并执行，对于相关的设计标准更是如此。分析数据，在工业建筑数据结构当中主要有以下几方面：基本的雪压、最好和最低的温度数据、所使用的场地土的类别、地下的水位数据、地震设防烈度数据以及设计地震的分组数据等等。就目前来看，在工业建筑结构设计当中应该严格遵循国家的规章制度，这是在工业建筑结构抗震设计中必须要注意的问题，这样才能满足工业建筑抗震结构设计过程中的相关要求。

3 工业建筑工程生产工业的需求进行满足

只有满足运输工具和基本的建筑生产方式才是挑选建筑结构类型的实际要求，建筑的防腐性能设计在结构设计当中是必须要做好的工作，以确保防腐蚀功效能够在工业建筑结构设计工作当中发挥其很好的效果。由于在生产工程以及施工工序这两方面直接会受到一定的影响，这就需要在生产流程结构设计当中应该进行很好的处理。以排风通道的设计来讲，在工业建筑结构设计作业当中有着很重要的意义，尤其是对于能够散发一定热量的加工厂房及粉尘的车间的生产当中，对于通风的问题在要求上是非常高的，在隔声带的设计上应该特别注意其科学、合理性，这样才能保证企业的正常运行，不会因外来因素造成不必要的麻烦。

4 处理基础地基

关于处理问题方面来说，关键是构筑物地基和工业建筑物的相关处理，在基础地基处理方案上的挑选，应该综合施工场地的相关状况。比如说：预应力混凝土管桩以及地基处理桩等。科学、合理掌握单桩承载性能是在桩基设计过程当中必须要注意的，对于数值的要求在单桩承载性能特征上为80%以内。对于桩型的挑选，想要最好的必须在固有的建筑间距离相近或新建的建筑物的状态中，由于固有建筑物会给其他方面带来一定的影响，所以在桩基施工作业中要做好防患。浅图层的建筑基础持力层更适合于室外的水沟以及钢梯等，这些均属于是构筑物地基处理或者是次要建筑物的方面，这需要进行有效的处理，要务实处理其原土方面，砂夹石的更换更适合于超挖分层的状况下，对其处理必须进行压实才更为合理。

5 布置空间要科学合理性

科学性的布置好总平面的工作在工业建筑结构设计作业当中是很有必要的，而且有着重要的意义，明确对建筑物的选址和分区，这是根据生产工艺以及生产流程为实际标准的，对于运输管道以及管道相互联的关系不容忽视，必须进行科学、合理的分布，对于公用设施也必须进行有效的分布。公共设施在生产空间当中必须进行有效的划分和配备，比如说行政管理用房、生产辅助用房等。对于划分工作，需要将生产区域的生产区的保管M行合理的处理，对公用设备进行合理的安排，对于企业来说，能够更好的开展各项工作。但是，往往企业也会因为生产行业的特殊性受到极大的影响，例如，在工业建筑当中，有些腐蚀性因素对人体发育有着很大的伤害，像生活区是不能在这样的工业建筑当中的，这样会给人体的健康带来很大的伤害。

6 结束语

综上所述，社会的飞速发展，以及新技术的不断的创新，人类对工业建筑的需求以及要求上不断的提升。因此，在工业建筑结构设计当中，从复杂性和安全性两方面作为出发点，对工业建筑结构设计必须严格要求其遵循准则，对设计进行合理的优化，让工业建筑结构设计在工业实际当中更吻合，从而有效提高我国工业建筑的水平。

参考文献：

[1]胡中汉.关于工业建筑结构设计的复杂性与安全性概述[J].城市建设理论研究（电子版），2015.

[2]冯超.对我国现代工业建筑结构设计中几个问题的探讨[J].黑龙江科技信息，2016.

工业设计与结构设计例8

中图分类号：TP391 文献标识码：A

0.引言

随着电子技术、通信技术、机械制造技术的快速发展和改进，有力地促进了机器人的应用。机器人能够模拟人体操作，在工作空间中实现生产活动。工业机器人是一种特殊的机器人，其是现代工业革命和发展的重要组成部分，具有很强的灵活性、适应性，能够在复杂的、恶劣的、常人不能的环境中进行工作，目前已经在多个国家被列为高新技术发展计划。工业机器人按照不同的原则可以实现不同的分类，非常复杂，工业机器人应用领域多，功能强大，已经在多种场合取代了人力劳动，具有重要的作用。工业机器人设计过程中，传统的机器人开发模式是根据机器人的工作环境和实际需求，设计机器人的连杆和关节，设置机器人运动参数。如果机器人工作空间发生改变，就需要进行再设计工作，传统机器人开发模式不具备可移植性、可重用性，开发周期长，工作量复杂且大，改进工业机器人设计模式已经成为人们研究的重点。

1.工业机器人结构型分析

自20世纪第一台机器人诞生以来，机器人显示了非常强大的生命力，已经广泛地应用于工业生产领域，可以大大地提高工业产品生产质量和产量，并且能够降低人力劳动强度，成为智能制造时代最为热门的研究项目。机器人的手臂部分决定其工作空间和形式，因此工业机器人的分类也多依赖于手臂部分的结构坐标形式，主要包括5种类别：

（1）直角坐标式。该类型的机器人3个移动关节按照X、Y和Z互相垂直的模式确定模板执行器的空间位置，其具有结构刚度高、控制无耦合、构型位置精度高等优势，但是密封叉，工作范围小并且占地面积大。

（2）圆柱坐标式。该类型的机器人可以基于一个转动关节和两个移动关节确定末端执行器的空间位置，其操作精确度较高，工作范围大，操作空间易于计算，但容易与工作空间中的其他物体产生碰撞，移动关节不易于密封防尘。

（3）球（极）坐标式。该类型的机器人可以基于一个移动关节和两个转动关节确定末端执行器所处的空间位置，其占地面积小，精度一般，工作空间大，但是存在避障性和平衡性等问题，不易于操作稳定和可靠。

（4）SCARA。该类型的机器人基于一个移动关节和两个转动关节确定其操作空间位置，机器人的垂直运动通过移动关节完成，水平运动通过两个并联的转动关节完成，其体积较小，工作空间非常大，运动速度快，已经在自动装配、搬运等工业生产中获取较多的应用。

（5）关节式。该类机器人使用的关节全部为转动关节，这些关节与人的手臂类似，分别是一个大臂和一个小臂，同时增加了垂直回转关节，可以模拟人体腰、肩、肘的运动功能，因此关节式机器人工作空间大，占地面积小，避障性好，灵活性强，已经是应用最为广泛的工业机器人，但是其计算控制较为复杂，存在严重的平衡问题，位置精度较低。

2.工业机器人结构库建立

工业机器人设计可以采用结构模块原则，在满足工业生产使用功能的前提下，需要最大程度地减少机器人制造使用的关节数量，降低结构的复杂度，同时模块之间的接口也需要尽可能的简单和一致，便于连接、拆卸机器人模块。模块划分还需要充分考虑管理便捷性，提高工业机器人组合灵活性。工业机器人的运动性能取决于连接杆参数，结构模块划分非常有利于连杆参数自适应配置，因此工业机器人机构库建设过程中，基于工业生产功能分解机器人单元模块，可以将工业机器人划分为多个模块，因此工业机器人机构库主要由基座、末端执行器和关节构成，工业机器人可以使用连杆依次连接，基座是机器人的支撑，关节可以为机器人提供运动功能，末端执行器可以为工业机器人工作提供抓取和细微操作支撑，然后可以使用连杆将这些功能单元连接起来，具体的工业机器人接口卡包括6个类别，分别是基座库、连杆库、关节库、末端库、手腕库、连接库，如图1所示。

工业机器人结构库中的组件根据需求设计了不同的尺寸，比如连杆库中包含3种连杆，连杆1可以连接垂直轴线的组件，连杆2可以连接平行轴线的组件，连杆3可以连接共线轴线的组件，这些组件可以根据不同的应用环境和需求进行选择，提高了机器人研制的灵活性，满足多样性需求。工业机器人结构库的关键组成子库是关节模块库、手腕模块库和连接模块库。

关节子库只有一个自由度，其组件分别是移动关节、回转关节和旋转关节。回转关节连接的轴线是共线型，回转关节1可以应用于机器人腰部，回转关节2可以实现其他转动动作；旋转关节1可以连接的组件轴线是共面垂直型，旋转关节2连接的组件轴线是异面垂直型，适用于旋转动作难以实现的连杆模块。关节子库设计的目的是灵活调整机器人尺寸，保持接口尺寸一致，按比例协调机器人模型。

手腕子库可以划分为3类自由度组件，分别是三自由度手腕、二自由度手腕和单自由度手腕。三自由度手腕可以实现工作空间任意方向移动，应用得最为广泛，常见的类型包括RBR型和BBR型，R表示旋转关节，B表示俯仰关节；两自由度手腕包括RB型、BR型、BB型；单自由度手腕包括R型和B型，手腕使用R型时旋转角度非常大，可以满足较多的应用需求。

连接子库是一种方形结构组件，其包括6个平面，没有自由度。连接子库的组件设计目的是为了能够将任意两个连杆组件连接起来，这样就可以形成一个长度加大的连杆，其可以在按比例缩放、调整机器人尺寸时得到广泛使用；连接模块也可以应用与机器人转向，这样就可以增加其他组件的灵活性、自适应性。连接子库的设计可以增加机器人的多样化需求，能够更好地满足不同工业生产环境的需求，进一步提高机器人的应用普适性。

结语

随着电子电路技术、自动化控制技术、通信传输技术的快速发展，工业机器人将会在钢铁制造、汽车生产、电气产品生产、国防科工等多个军民应用领域得到广泛普及和使用。工业机器人的制造和设计模式也将会得到迅速地提升，以便能够适应现代工业机器人的大规模需求。论文提出了一种可重用性强、灵活性高的机器人生产结构库，可以采用模块化设计原则提高机器人设计、制造的效率，缩短研制周期，增强机器人自适应性，具有重要的作用和意义。

参考文献

[1]冯鹏，安鹏天，孟祥振.黄骅港矿石机械化采制样系统中工业机器人的应用[J].港工技术，2015，52（3）：77-79.

工业设计与结构设计例9

中图分类号：TU391 文献标识码：A 文章编号：

1.我国工业与民用建筑钢结构的发展状况

随着我国国民经济水平的不断发展和国家产业结构的调整，我国的工业与民用建筑事业也取得了长足的进步，钢结构建筑的发展也十分迅速，特别是一些代表城市标志性高层建筑的建成，为钢结构在我国的发展揭开了新的一页；轻钢结构的发展则更是如火如荼，特别在工业厂房的建设中则更为迅猛。

2.钢梁分段点的设置

门式刚架斜梁进行变截面设计的主要目的是为了节省钢材，截面突变处位置的选择也应立足使用钢量最优，但变截面门式刚架关于截面突变位置的选择并无统一方法，须由设计者自行校核。

根据几个工程的施工图设计经验，一般可以这样设置拼接点位置：

（1）考虑施工运输方便，钢梁的单节长度一般不应大于12m，局部可放至14m；

（2）对于两节钢梁，一般取在弯矩为零处和斜梁中点之间是合理的；

（3）对于三节钢梁，第一节可设在弯矩为零处或1/4～1/3 跨度之间，第二节可选在斜梁除去第一节后剩下梁长的中点；

（4）拼接节点的设置应兼顾抗风柱的位置，不宜重叠。

钢梁拼接点的设置一般应在建模计算之前大致确定好，因为如果在PKPM建模计算过程中改变拼接点的设置位置，之前输入的荷载信息等将发生混乱，必须重新校核荷载等输入信息。

3.初估截面

结构网格布置结束后，需对钢梁、钢柱及支撑截面作初步估算，门式刚架钢梁、钢柱主要采用焊接H 型截面，柱间支撑主要采用角钢或槽钢。根据荷载及支座情况，钢梁截面高度通常在跨度的1/20～1/50 之间选择；柱截面按长细比预估，通常50

需要注意的是，对应不同的结构类型，规范中对截面的构造要求有很大的不同。如钢结构构件的局部稳定问题，在普钢规范和轻钢规范中的限值有很大的区别。构件截面形式的选择没有固定的要求，结构工程师应该根据构件的受力情况，合理的选择安全、经济的截面。

4.确定计算长度

研究表明，门式刚架的破坏首先是由于受压最大翼缘屈曲引起的，斜梁下翼缘和刚架柱内翼缘连接处是出现屈曲的关键部位，所以在设计中往往是在该处设置隅撑。这样刚架梁的平面外计算长度应该取相邻隅撑之间的间距（不能笼统的均按3 米考虑）；但对于刚架柱，隅撑对平面外稳定的贡献是有限的，其平面外计算长度一般应取柱间支撑的高度。平面内计算长度一般可按程序的默认值不做修改（程序按照GB50017-2003 的要求自动计算），如有充分依据，也可采用自定义值。

5.荷载输入

除正常输入刚架恒载、活载、风荷载、吊车荷载等外，尚应注意以下几个问题：

（1）悬挂管道、灯具等附加荷载：建议按活载输入；

（2）吊车荷载的输入：①一般情况下最多考虑两台吊车；②吊车梁、轨道等自重宜按偏心荷载+弯矩的形式输入（按恒载输入，偏心指的是相对于下柱的形心），当吊车起重量不是很大时，为简化计算，吊车梁、轨道等自重也可近似简化为将轮压乘以荷载增大系数β考虑（吊车梁跨度L=6m：β=1.03(1.02)；L=12m，β=1.05(1.04)）（括号内数据适用于Q345 钢）；③吊车桥架重用于计算地震力，一般按起重量较大的吊车的桥架重取用。

（3）半龙门吊车荷载的输入：在半龙门地轨位置虚拟一个钢柱，按桥式起重机的输入方法输入，一般将最大轮压产生的竖向力作用在主刚架柱上。

6.钢梁挠度计算

当门式刚架的跨度较大时，钢梁的挠度往往比较大，尤其是当有悬挂式起重机时，钢梁挠度的控制较为严格，这样就不能无限制加大钢梁截面，宜采用将钢梁起拱的方法控制钢梁的挠度，《门式刚架轻型房屋钢结构技术规程》规定：“跨度大于30 米的钢梁，宜起拱”。起拱值可取“恒载+1/2 活载”作用下产生的挠度。

7.附加重量和附加墙重的区别

计算程序中补充数据一览同时给出了附加重量与附加墙重两个参数，这两个参数不是同一个概念，尤其对于围护结构采用砌体墙时。附加重量是用来计算地震力的，一般可取围护墙重量的一半作用于柱顶；附加墙重是用来设计基础的，应取整个围护墙的重量作用于柱底。

8.截面选择

构件的设计首先是材料的选择，在轻钢结构中，目前国内常用的钢材是Q235 和Q345两种，为便于工程管理，通常主结构宜使用单一钢种。设计中，当强度起控制作用时，可选择Q345；稳定起控制作用时，宜使用Q235。但需注意Q235A 钢的含碳量不作为交货条件，可焊性无保证，故不宜用作焊接结构。同时应注意当预估的截面不满足要求时，加大截面应该分两种情况区别对待：强度不满足时，通常加大组成截面的板件厚度，其中，抗弯不满足加大翼缘厚度，抗剪不满足加大腹板厚度；变形超限时，通常不应加大板件厚度，而应考虑加大截面的高度，否则会很不经济。

9.檩条设计

檩条是轻钢结构中很重要的次要构件，屋面檩条通常采用冷弯薄壁C 型钢、Z 型钢；墙梁通常采用冷弯薄壁C 型钢；当檩距>12m 时，屋面檩条可采用薄壁桁架式檩条，墙梁可增加墙柱后采用冷弯薄壁C 型钢。《门式刚架轻型房屋钢结构技术规程》（CECS102:2002）基本设计规定中明确写到：“结构构件的受拉强度应按净截面计算，受压强度应按有效净截面计算，稳定性应按有效截面计算，变形和各种稳定系数均可按毛截面计算”。因此强度计算应采用有效宽度，对原有截面要减弱，不能象热轧型钢那样全截面有效，同时也不宜采用净截面而忽略打孔削弱的影响，根据近几个项目檩条设计分析（如Z200x70x20x2.0，Z180x70x20x2.0 等），这种减弱一般达到6%-15%，檩条设计计算时，考虑开孔削弱影响后，强轴有效净截面模量可取0.85－0.95 倍毛截面抵抗矩，弱轴有效净截面模量可取0.9－0.95 倍毛截面抵抗矩。同时，屋面檩条设计建议采用连续檩条设计，这样可节约用钢量约20%左右（连续檩条搭接长度可取檩条跨长的1/10）。

10.节点设计

连接节点的设计是钢结构设计中重要的内容之一，连接的不同对结构影响甚大。比如，有的刚接节点虽然承受弯矩没有问题，但会产生较大转动，不符合结构分析中的假定，会导致实际工程变形大于计算数据等的不利结果。

某车间主次梁连接节点设计均采用了工程比较常用的“等强设计法” ：即翼缘连接承受全部弯矩，梁腹板只承受全部剪力的假定进行设计。结合有关震害分析资料，这种设计并不能有效满足“强节点弱构件”的抗震要求，尤其在高烈度区隐患很大。为改进框架节点的抗震性能，适当加大了梁端上下翼缘截面面积（也可在梁端上下翼缘加焊楔形盖板）。在节点设计中同时应注意以下几个方面：

（1）焊接设计中不得任意加大焊缝，焊缝的重心应尽量与被连接构件重心接近；

（2）普通螺栓抗剪性能差，一般在次要结构部位使用；

（3）高强螺栓最小规格M12，常用M16～M30，超大规格的螺栓性能不稳定，设计中应慎重使用；

（4）应验算梁腹板螺栓孔处腹板的净截面抗剪，承压型高强螺栓连接还需验算孔壁的局部承压；

（5）当连接节点采用普通螺栓时，建议采用中和轴在受压翼缘中心的计算方法；采用高强螺栓时，建议采用中和轴在端板形心的计算方法；

工业设计与结构设计例10

我们知道，工业建筑是指供人民从事各类生产活动的建筑物和构筑物。特点是：建筑物应满足生产工艺的要求；建筑物内部有较大的面积和空间；建筑物的结构、构造复杂，技术要求高。由于工业建筑是以工业生产为导向，它的外形、内部构造与我们熟知的常规形式和固有类型差别很大，处处彰显出功能主义的气息，表现出很强的经济适用性、灵活性和高科技特征。

1.工业建筑结构形式的选择

工业建筑设计中结构的选择是：根据生产工艺要求和材料、施工条件，选择适宜的结构体系。钢筋混凝土结构材料易得，施工方便，耐火耐蚀，适应面广，可以预制，也可现场浇注，为单层和多层厂房所常用。钢结构则多用在大跨度、大空间或振动较大的生产车间，但要采取防火、防腐蚀措施。最好采用工业化体系建筑，以节省投资、缩短工期。

由于按照工业建筑建造后的用途会有不同的生产工艺、生产要求，所以要注意采用不同的材料和施工条件，要综合这些因素选择出一套最适宜的结构体系。目前常用的是钢筋混凝土结构与钢结构，其中：（1）钢筋混凝土结构的建筑材料比较容易获得，施工便利，既能预制也能在现场进行浇注，而且耐火耐蚀，建造出来的建筑适应面较广。目前我国的厂房常用的就是钢筋混凝土结构；（2）钢结构可以采用工业化体系进行建筑，既能节省成本，又能缩短工期，但是要注意防火和防腐蚀方面的设计。目前钢结构在我国多用于大跨度、大空间又或是振动较大的生产车间建造上。

2.工业建筑结构设计的关键

2.1设计基本要求

（1）在对钢结构应力和变形的控制中，有一些要求：①钢梁应力≥强度设计值乘以90%，②钢柱应力≥强度设计值乘以95%，③钢构件变形=变形容许值乘以100%。（2）在钢筋混凝土中，结构配筋要求：①框架梁配筋率在百分之一点二至百分之一点七之间，②框架柱配筋率在百分之零点七至百分之一点一之间，③独立基础配筋率大于等于百分之零点一五，④单桩单柱承台百分之零点一。

总之，结构设计要围绕安全性强、经济合理度高、工程质量高三方面依照国家规程，遵守国家规定来执行。

2.2地基形式的选择

不同的工业建筑形式，设计时需要选取不同的地基形式，通常载荷较大的地方采用桩基、独立基础、条形基础、弹性地基梁等。从生产型厂房的设计角度看，混凝土标号应符合结构耐久性要求（一般采用C25）。地基的配筋应尽量降低配筋率。条基交接部位的钢筋设置要有详细的工程图。条基交叉处的基底面积只能单独使用，不可重复使用，并要合理调整基宽。砌体结构局部墙体作用有较大的集中载荷，应根据具体要求适当加大地基宽度。另外需特别注意的是柱下条形基础，如果基础的翼缘板采用缓坡形式，应注意坡角不可过于陡峭，否则施工工艺性较差。

2.3梁和板件的合理设计

（1）挑梁的自重相对总载荷比较小，做成变截面对减轻自重贡献不大，所以应尽量将挑梁做成等截面形式。在计算挑梁钢筋率时，应预留合适的安全系数。当挑梁载荷大、悬挑大、挠度大时需适当加大底筋。砌体结构挑梁深入墙体的托梁长度应满足构造要求，并计算抗倾翻临界条件。（2）过梁的设计可以按标准图选用，但要在施工图别标明选用方法和具体图号。如果门窗洞口较大或过梁作用有集中力时，应通过具体计算验证过梁的受力强度。在设计时，尽量将过梁与圈梁整体浇注，既便于施工也利于抗震。过梁的钢筋不可配置过小，以充分考虑地震时过梁墙体出现裂缝而无法形成支撑的作用。（3）现浇板配筋多借助软件自动生成，例如常用的PMCAD。这样可以加快速度，减少笔误。在计算配筋时，应考虑塑性变形重分布，将板上筋应力乘以0.8―0.9的折减系数，将板下筋乘以1.1―1.2的放大系数。如果按弹性力学理论计算双向板钢筋应力，结果偏于保守，不必再人为放大。在给砌体结构的板件进行配筋时，要注意支撑在外墙的板负筋不宜过大，否则会对砖墙产生过大的附加弯矩。板配筋尽量采取大直径大间距形式，间距值不小于200毫米，板上板下钢筋宜均匀分布，直径类型不宜过多。在设计时，要注意将现浇挑板阳角配置辐射状附加筋，同时要对现浇挑板阳角的板下配置斜筋。

2.4柱形件的设计要点

在工业建筑结构设计中，轴向受力构件的应用极为广泛。柱截面选用时，为了经济，宜优先选用钢管混凝土柱或型钢格构柱。如角钢、槽钢、工字钢和钢管，也可用型钢或钢板制成组合截面柱。组合截面柱的腹杆体系有缀条式和缀板式两种。考虑到性价比，在工艺允许的情况下可增加纵向系杆，以减小厂房柱的平面外计算长度。支撑杆件的结构通常设计为单拉杆，或者是一镰一压杆件的组合形式。实际中根据受力大小和杆件长度灵活选用。单杆设计目前处于主流地位，也即在前后片杆件之间不设置缀条，这样便于架设中间穿行管道、楼梯和参观走廊。

2.5科学选用设计材料

针对不同建筑强度要求选择不同型号的钢板，如受力构件选择Q235-B，平台板选择Q235-A，吊车梁选择Q345-C等。选择的钢材要通过国家相关质量检测体系认证，确保质量可靠。在一些特殊要求的工程中选用特种钢材，如高炉炉壳选择BB503，转炉平台选择铸铁板等。在钢板型号确定后，按照钢板的型号配置对应的焊条，如受力构件Q235-B选用E4315焊条，受力构件对焊接要求等级为一级，必须有足够的焊接牢固度才能承担起结构受力主体的重任，没有特殊要求的结构可以选择E4301型焊条。相同原则，助焊剂和焊锡丝也应该具体情况分别对应选用。螺栓和螺母也有性能等级之分，同样要求符合相关规定。

混凝土的垫层与基层应分别采用C10和C25型混凝土，结构受力较大的选用C30至C50。此外还有高温耐热性和防水性混凝土供不同条件要求选用。

除了上述材料的选用外还应该注意钢结构的防锈涂装，避免结构生锈，影响建筑的刚度和强度。

2.6预埋件的合理埋设

在施工图中，设计人员要在结施图中明确标明预埋件的大小规格和定位尺寸。某些单位在结施图中漏掉楼梯埋件，需在现场补埋，费时费力。技术交底时，要特别向施工单位阐明埋件要求。埋件要可以承受一定的附加载荷。工业建筑筒体结构库壁的埋件安装要特别注意，否则出现滑膜时会使埋件移位，造成安装困难。