Объемно-планировочные решения технологических комплексов (цехов)

Современные здания цехов по своим конструктивным при­знакам относят к одноэтажным промышленным здани­ям каркасного типа с мостовыми кранами. Их основные параметры - площадь и строительный объем. Площади главных корпусов цехов достигают 50- 300 тыс. м² при длине зданий более 1 км, строи­тельные объемы -1-3 млн. м³. Каркас зданий с мостовыми кранами состоит из мно­гих элементов, основными из которых являются колонны, фермы и подкра­новые балки. Колоннами называются элементы здания, на которых устанавливаются несущие конструкции покрытия (стропильные и подстропильные фермы) и конструкции, по которым перемещаются мостовые краны (подкрановые балки). Колонны устанавливают в узлах сетки координационных осей здания.

Пространство между рядами колонн, а также размер между их осями на­зывают пролетом. Размеры пролетов строго регламентированы и в новых цехах в соответствии с ГОСТ 23838-89 «Здания предприятий» кратны модулю 3000 мм (допускается 1500 мм) при размере пролета до 18000 мм и 6000 мм (допускается 3000 мм) при размере пролета свыше 18000 мм. Здания цехов практически всегда многопролетные, в них различают крайние и средние ряды колонн. Размер по осям соседних колонн вдоль рядов называют шагом колонн. Он обычно равен 6 или 12 м. Увеличение его является про­грессивной тенденцией, поскольку способствует улучше­нию использования межколонного пространства. При зна­чительных размерах здания по его длине и ширине уст­раивают температурные швы, устанавливая спаренные колонны. Температурные швы необходимы для компенсации тепловых расширений конструкций здания цеха. Высоту пролета от пола до низа несущих кон­струкций покрытия называют генеральным высотным размером. Система координационных осей и высотные отметки образуют трехмерную систему координат, позволяющую определить и закрепить в пространстве положение лю­бого объекта: точки, линии, поверхности, объема.

Каркас здания цеха, являясь опорой для ограждающих конструкций, выполняет также технологичес­кие функции: колонны воспринимают нагрузку от наве­шенных на них коммуникаций и мостовых кранов. Чис­ло кранов в современных крупных цехах достигает 50 и более штук при грузоподъемности до 100-125 т. Элементы кар­каса выполняют из стали или железобетона в зависимо­сти от режима работы здания, условий службы его кон­струкций и наличия в местах возведения здания этих материалов. Режим работы здания устанавливают по ре­жиму работы мостовых кранов в соответствии с ГОСТ 25546-82 «Краны грузоподъемные. Режимы работы», а условия службы - в зависимости от характера вредных воздействий: тепла, пыли, агрессивных выделений и т. п. Например, здание нагревательных колодцев прокатного цеха характеризуется и тяжелым режимом работы колодцевые грузоподъемных кранов, и особыми условиями по уровню тепловыде­лений. В таких случаях применяют стальной каркас. Ис­пользовать железобетон обычно вынуждает лишь дефицит металла, поскольку стоимость стального и железо­бетонного каркаса соизмерима, но стальной легче на 30-35 %. Так, металлические двухветвевые колонны имеют массу 5-20 т, а железобетонные - от 20-35 т для зданий легких и до 27-70 т для зданий тяжелых прокатных станов. В качестве ограждающих элементов стен и покрытий прокатных цехов до 70х годов 20 века использовались железобетон­ные, а в местах выделения тепла (отделения нагрева и охлаждения металла) - стальные панели и плиты. В настоящее время почти во всех цехах начали применять легкие плиты «сэндвич», изготовленные в виде многослойной конструкции, состоящей из двух оцинкованных листов с полимерным покрытием снаружи и заполнителя типа минеральной ваты и др. материалов внутри.

Для зданий современных цехов характер­но наличие развитого подземного хозяйства, стоимость возведения которого достигает 50-60 % объема всех строительно-монтажных работ. Подземное хозяйство включает в себя:

- фундаменты колонн и оборудования;

- каналы и тоннели для расположения трубопроводов систем смазки, гидравлики, электрокабель­ных, вентиляционных и водоканализационных сетей, а также пешеходные тоннели;

- специальные подвалы (ма­шинные залы, маслоподвалы, вентиляционные камеры, насосные);

- специальные устройства (ямы для окалины, борова для отвода дымовых газов) и т. п.

Фундаменты под колонны и оборудование выполня­ют обычно из монолитного или сборного железобетона. Для групп обо­рудования фундаменты имеют вид массивов, пронизан­ных всевозможными каналами и разделенных темпера­турными швами. В отдельные массивы укладывают по 500-1800 м^З бетона. Оборудование устанавливают на фундаментные (анкерные) болты, общее число которых в цехе может превышать 20 тыс. шт. Стремление к снижению затрат на подземное хозяйство привело к устройству в некоторых цехах технических подвалов глу­биной до 7000 мм. Тяжелое оборудование в них установлено на монолитные фундаменты, а более легкое - на сбор­ное перекрытие, опирающееся на сетку колонн разме­ром 6х6 м. В объеме подвала размещают электротех­ническое, санитарно-техническое и другое оборудование, прокладывают легкодоступные для обслуживания ком­муникации. Другое решение, преследующее те же цели, ­- это устройство технического этажа, когда основное оборудование поднимают на 4000-6500 мм над полом здания, а все вспомогательные системы, системы трубопроводов и др. размещают на уровне пола здания.

Цехи оборудуют сложными инженерными системами для поддержания в объеме зданий заданно­го микроклимата, создания необходимых условий труда и обеспечения требований пожаробезопасности. Это системы отопления, вентиляции и кондиционирования, освещения, пожаротушения и др. Аэрация и естественное освещение зда­ний осуществляется через светоаэрационные фонари и оконные проемы. В местах значительных тепло- и пыле­выделений устраивают аэрационные фонари, обеспечивающие хорошее отведение тепла и пылеудаление. Общее отопление в цехах преимущественно воздуш­ное с использованием отопительных агрегатов, которые представляют собой радиаторы с проточным теплоносителем и встроенным вентилятором, подающим теплый воздух в цех. В качестве теплоносителя используется в основном горячая вода. Цеха первого и второго переделов выполняются зачастую неотапливаемыми, т.к. тепловыделений от оборудования бывает достаточно для обогрева цеха.

Встроенные помещения (посты управления, машин­ные залы, электропомещения и пр.), количество которых в современных це­хах значительно, выполняют из легких плит «сендвич» на металлическом каркасе или из кирпича и железобетона, если по условиям пожаро- и взрывобезопасности требуется обеспечить высоких предел огнестойкости конструкций. Отапливают встроенные помещения радиаторами, через которые протекает теплоноситель. Для встроенных помещений, подвалов и т.п. применяют в основном искусственную (приточно-вытяжную) вентиляцию с механическим побуждением, в обоснованных случаях заменяя её кондиционированием.

Планировочная схема здания цеха - это взаим­ное расположение пролетов, в которых ведется основное производство. Пролеты здания могут иметь одно направ­ление или быть взаимноперпендикулярными. В послед­нем случае пролеты, имеющие большую протяженность, называются продольными, а им перпендикулярные - по­перечными. Здания с поперечными пролетами имеют в плане форму букв Г, Т, П, Ш, форму гребенки или более сложную.

При планировке цеха следует предусматривать созда­ние рациональных грузопотоков, исключающих встреч­ное движение металла; передачу металла между агрега­тами на минимально возможные расстояния; обоснова­ние технологии складирования металла, инструмента и сменного оборудования; расположение отделений с большими тепловыделениями или вредными выделения­ми в наружных и даже двусветных пролетах; учет оче­редности строительства и перспектив расширения цеха. Помещения обеспечивающих хозяйств следует разме­щать в отдельно стоящих зданиях. Здания вальцешли­фовальных, вальцетокарных, подшипниковых, ремонт­ных и других мастерских следует блокировать со здани­ями цехов, но при условии обеспечения необходимой их аэрации. Расположение мастерских в зоне печей, рабо­чих клетей, раскатных полей не допускается. Для цехов первого и второго переделов указанные мастерские следует располагать, как прави­ло, в отдельных зданиях, соединенных со становыми пролетами закрытыми галереями. При компоновке объемов цеха следует предусматри­вать устройство технических этажей. Площадь технического этажа должна быть рационально использована для раз­мещения вспомогательного оборудования и коммуника­ций.

Размеры пролетов здания устанавливают, исходя из га­баритов основного оборудования и условий размещения в цехе складов, полигонов для обработки продукции, а также встроенных помещений и обеспечивающих хо­зяйств с учетом типов внутрицехового транспорта и тех­нического прогресса в конструкциях промышленных зданий. Поточные линии необходимо разме­щают в цехах вдоль пролетов. Длину пролета, занятого оборудовани­ем определяют суммированием длин агрегатов и расстояний между ними. Если длина такого пролета получается неоправданно большой, то прибегают к его «излому», т. е. переходят к последовательно-возвратной схеме.

Ширина пролета определяется в зависимости от ширины оборудования, устанавливаемого в данном пролете, необходимых для его обслуживания проходов. В каждом случае ширина пролета определяется индивиду­ально. Должны быть учтены также габариты встроен­ных помещений, если в их расположении в районе раз­мещения оборудования есть необходимость, на­пример, посты управления. Встроенные помещения, персонал которых не участвуют в технологическом процессе, стараются размещать в тех зонах, где количество технологического оборудования минимально. Расчетную ширину пролета округляют до ближайшей унифицированной, но не свы­ше 42 м. В оправданных случаях допускается увеличение этого размера. В настоящее время для уменьшения стоимости строительства часто используют нестандартные значения для пролетов, поэтому при проектировании необходимо обеспечивать максимальное заполнение пролетов оборудованием и стремиться к их уменьшению.

В качестве примера такого решения можно рассмотреть пролет холодильников стана 5000 г.п. ЛПЦ №9 ОАО «ММК», который составляет 55000 мм. Максимальная длина горячекатаного листа, обрабатываемого в этом пролете – 52000 мм. Согласно теории пролет должен составлять 57000 мм, но при таком варианте 2000 мм на всей длине пролета оказались бы неиспользуемыми.

Размеры пролетов немеханизированных складов в плане рассчитывают из полной площади складов с учетом следующих соображений. Ширину пролета выбирают унифицированной с преобладающим числом пролетов, занятых оборудованием. Если расчетная длина пролета склада окажется приемлемой по условиям компоновки, расчет оканчивают. В противном случае прорабатыва­ют варианты размещений склада в нескольких парал­лельных пролетах, затем в одном или нескольких про­летах увеличенной или уменьшенной ширины и т. п.

Генеральный высотный размер Н пролетов с мостовы­ми кранами определяют по формуле:

Н≥Н₁+Н₂+100мм, (2.6)

где Н₁ – отметка уровня подкранового рельса, мм;

Н₂ – высота крана от уровня головки рельса до наиболее выступающих по высоте частей крана, мм.

Затем размер округляют до ближайшего унифицированного. Для зданий с мостовыми кранами он устанав­ливается в соответствии с ГОСТ 23838-89 «Здания предприятий» до высоты 3600 мм кратным 300 мм, а для высоты более 3600 мм 600 мм (допускается 300 мм). Отметку уровня подкранового рельса определяют по следующей зависимости:

Н₁=Н₃+Н₄+Н₅, (2.7)

где Н_З - отметка верха наиболее высокого оборудова­ния, мм;

Н₄ - высота наиболее габаритной детали или узла, которые необходимо переносить краном над оборудованием, мм;

Н₅ - размер между верхним уровнем крюковой подвески и уровнем головки подкранового рельса, мм.

Размеры Н₂ и Н₅ находят по ГОСТ 25711-83 «Кран мостовые электрические общего назначения грузоподъемностью от 5 до 10т», ГОСТ 6711-81 «Краны мостовые электрические общего назначения грузоподъемностью 80-500т» или по каталогам мостовых кранов. Размер Н₃ может быть по чертежам оборудования, размер Н₄ зави­сит от условий монтажа оборудования.

Пролет крана определяют по осям подкрановых рельсов

L_k=L-2l, (2.8)

где L - пролет здания, мм;

l - расстояние между координа­ционной осью и осью подкрановых балок, мм.

Обычно расстояние между координа­ционной осью и осью подкрановых балок составляет 750-1500 мм в зависимости от грузоподъемности крана и необходимости прохода вдоль подкрановых путей, которая устанавливается в зависимости от режима работы крана. Крайние положения крюковой подвески определяют зо­ну обслуживания краном. При компоновке основного и вспомогательного оборудования в пролете необходимо обеспечивать возможность его обслуживания мостовыми кранами. Если это невозможно, и оборудование попадает в зоны, необслуживаемые мостовыми грузоподъемными кранами, то для его обслуживания используют траверсы с противовесами

При проектировании новых цехов по возможности стараются отказаться от мостовых кранов в пользу ме­ханического и напольного транспорта, особенно в цехах четвертого и пятого переделов. Предполагается, что освобождение каркаса здания от несения технологических функций вместе с облегчением строительных конструкции приве­дет в будущем к увеличению шага колонн до 48-60 м, а пролетов - до 72-100 м.