大型热加工厂房的屋面通风形式探索及演变
摘?要：本文就所设计的大中型热加工厂房的屋面建筑及其天窗形式，进行了认真分析研究，将最为成功的大双坡屋面建筑的，最具代表性的纵横单向天窗、纵横双向复合天窗的多种形式，一一加以简介，以期前事不忘，后事之师。
关键词：热加工厂房;天窗形式;通风;采光
我国热加工（大中型）工程建筑专业设计的创新，主要是围绕着大型热加工厂房的通风采光和屋面排水方式所展开，集中体现在对多跨大型热加工厂房，双坡屋盖建筑的弃小扬大，天窗形式的不断改进翻新之上。
1 概述
对热加工厂房屋面建筑形式，按惯性思维，一般都应以满足工艺对起重轨顶标高要求的前提下，采用屋架下弦高低并非一致的单跨小双坡屋盖及其纵向通脊门型天窗即可。这种设计理念，乍听起来似乎合情合理，无可挑剔，但对大型热加工多跨厂房则不然。究其满天飞的天沟，漏堵可能时有发生，室外下小雨室内下大雨，特别是厂房越长，矛盾越尖锐。更为头疼的是屋面低洼处难免发生兜风顶风现象，以致高跨屋顶烟雾排不出去，光线进不来，特别是北方冬季气压一低，长时间为烟雾所弥漫，苦不堪言。
随着热加工的大型化超大型化发展，厂房跨数越来越多，平面建筑宽度越来越宽，于是给车间的自然通风、采光、屋面排水带来的难度越来越大，特别是本世纪以来宽度成倍增加已屡见不鲜。这样沿用纵向通脊门型天窗+高侧窗的大双坡屋盖建筑形式已难于维系，多跨小双坡更是无能为力的了，这样就为屋盖建筑形式的进一步创新提供了契机。有关中国中元国际工程有限公司（原机械部设计总院）在不同时期，对热加工厂部分房屋盖形式的创新，参见下表。
2 大双坡纵横单向天窗
2.1 纵向通脊门型窗
1953年，中元院成立之初，在开业首秀工程太重铸钢主厂房的设计中，对其П型铸钢车间3连跨主厂房，即24m的爐料跨、18m的平炉炼钢跨、30m的出钢浇注跨，就破天荒地对炼钢炉跨和出钢浇注跨，开创了48m大双坡，纵向通脊门型天窗屋盖建筑形式设计的先河，如图1所示。
图1所示屋盖系统的设计可以看出，中元院对大中型热加工炼钢炉厂房建筑的通风、采光、屋面排水系统设计，一开始就步入在正确的轨道之上，并取得了良好效果。尤其值得一提的是这种形式的天窗，在1985年国内首台平炉改为电炉时，还出乎意外的为30t电弧炉，大型屋顶排烟罩的顺利设置，奠定了先天条件，实属难得。
在2004年的扩建中，还曾力排众议，采用主厂房向东接长42m，而不是在主厂房的端头，改扩建原有的纵跨，并将上层起重等级由100t提高到125t，以成就这项优秀设计工程，继续更大更好地发挥作用。
2.2 纵向通脊门型叠式窗
1964年二重平炉铸钢车间恢复建设时，在大量调查研究，并权衡一重和太重设计教训和经验的基础上，毅然确定对30m的出钢浇注跨与21m的平炉炼钢跨，回归大双坡纵向通脊门型天窗的屋盖建筑形式，且门型天窗首创双层叠加方式，如图2所示。
相比之下，图1所示大双坡纵向通脊门型非叠式窗屋盖建筑形式，后来得到了更为广泛的采用，如杭州铸钢、巴重铸钢、陕重铸钢、洛矿铸钢等车间。中元则一如既往，对这种附加高侧窗的，大双坡纵向通脊单层门型，以及后续通脊包孕天窗屋盖建筑形式，情有独钟，因此后来在沈阳机车炼钢、华锐铸钢、中铁山桥炼钢等得以发扬光大。
2.3 横向贯通门型窗
2008年在大连瓦房店华锐铸业铸铁车间的设计中，工艺要求主厂房按180m六连跨、长276m、面积50km2、起重轨高14m等高进行设计，因此拟定屋面为简易的大双坡。其厂房如此之宽，面积如此之大，屋面通风采光如何解决，建筑形式则必须慎重对待，于是横向贯通门型天窗大双坡屋盖，率先应运而生，如图3所示。
对图3所示的横向贯通门型天窗，均布于整个屋面，且每两条天窗带之间按跨度设置间歇采光板区段，以把通风和采光有机的结合起来。凡有烟尘产生的设备均置于天窗带之下，以尽可能地提高通风和采光的效果。从图3看，其天沟仅设两条，比前述纵向通脊式门型天窗屋面还少，达到了最低程度，使超大双坡屋盖建筑形式的优越性，进一步得以彰显。整个建筑物无论是鸟瞰，还是内视都蔚为壮观，观光者无不赞叹不已，如此大手笔也为后续中冶京诚营口基地同类车间的设计，奠定了坚实的基础。
根据对华锐铸业的回访，其生产时间一久，由于烟尘的吸附污染，采光板透明度有所降低，采光效果不如当初。这样在今后的对同类厂房的设计中，要尽可能采取其他措施，增加自然采光量，相应减少对采光板采光的依赖程度;如有可能对采光板采用疏烟尘型材料，并增设清刷系统，以减轻或减缓透明度的降低。但是要注意，图3所示的屋盖建筑形式，一般只适用于各跨起重等高，中柱两侧的吊车梁能互为制动桁架，结构简易的大双坡屋盖。即使起重非等高，但高差不大，中柱同侧吊车梁与制动桁架的高度错不开，也是无法采用的，切勿泛用，以免适得其反。
3 大双坡纵横双向复合天窗
3.1 纵向通脊+横向半坡连续门型
2013年在中冶京诚营口基地铸铁车间的设计中，工艺要求主厂房仍按华锐铸业180m六连跨、长360m、面积65km2、起重轨高14m等高进行设计。鉴于上述华锐铸业同类车间设计的经验教训，确定屋面天窗采用纵横双向门型复合式天窗，即纵向回归通脊门型天窗，并将图3所示的横向贯通式门型天窗从中截断，成为半坡连续式，如图4所示。
从图4看，正是由于纵向通脊门型天窗的回归，厂房中部两跨自然通风采光面积大幅增加，还可荫及相比邻的两跨，因此效果比图3会有显著的改善，其亦不失为减少对采光板依赖的好方式。
3.2 纵向通脊+横向间断门型窗
其实，上述六连跨起重等高，结构简易的大双坡可遇不可求，一般重大型厂房屋盖，往往呈复杂的大双坡形式，于是纵横双向复合式天窗屋面建筑形式得以进一步创新，2010年率先在太重大型铸锻件国产化研究项目炼钢铸钢车间得以实现。即纵向按惯例采用通脊门型窗，横向则不能像图4那样采用半坡连续门型窗，而要按屋盖坡面因势利导地采用间断式门型窗，这样还可像图1、2那样附设高侧窗，其效果自然美不胜收，如图5所示。
图5所示六连跨屋盖，中间高跨双坡纵向通脊门型天窗为图1所示形式;左侧坡面上的横向门型天窗套用的是图4的形式，但由于有高低落差，横向门型天窗无法形成连续形式，只能断开呈台阶状，而有所变异;右侧坡面甚小从建筑形式的统一，也采用了横向门型窗，当然随跨数的增加，采用横向门型天窗那将是必需的。在这种复杂的大双坡屋盖上，所采用的纵向通脊门型天窗也好，横向间断门型天窗也罢，均属因势利导，顺理成章所自然形成，并非人为特意雕作。图5中，正是由于高侧窗条数的增加，自然采光量相应得以加强，于是采光板也相应随之减少。因此可以认为，图5所示纵横双向复合门型窗，比图3所示横向贯通式，图4所示纵横双向复合式门型窗都好。每当身临其境，通透质感，体会尤深。
3.3 纵向通脊+横向间断门型窗衍生
图5所示六连跨，自左至右分别为粗加工跨、铸钢清理跨、铸钢铸造跨、出钢浇注（铸锭）跨、炼钢炉跨和炉料跨，其工艺并不合时宜。从合理的生产工艺考虑，粗加工跨应予于剔除，而改为露天跨并设在铸钢铸造跨、出钢浇注跨的中间。由于从一味追求增加高侧窗的采光出发，将铸钢跨双重起重机的轨高以及粗加工跨、铸钢清理跨的轨高降低同样也不合时宜。因此，在撇开粗加工跨合理性不议外，其既定六连跨屋面建筑形式，应按以下较为合理的方式进行衍生，即附设偏气楼，如图6所示;合理的起重轨高，这样通风采光的效果或许会更理想些，权且作为今后设计的借鉴。
从图6所示纵横双向复合式天窗看，通过对前述中小型电弧炉所用偏气楼的吸纳，可使出钢浇注跨的通风采光得到大幅加强，炼钢炉上方的排气效果，不但不受影响，甚至会变得更好一些。由于当时设计受进度的制约，未曾顾及，不甚惋惜。
3.4 縱向包孕+横向半坡连续门型
2012年在山西森特闻喜基地金属结构车间设计中，对186m六连跨主厂房首次采用了横向通脊包孕+纵向半坡连续门型复合屋盖建筑形式，如图7所示。
从图7可以看出，包孕式天窗与门型天窗相比，其开口窄，采光量小，因此两侧坡面采光板需要多加设置。但是包孕式天窗通风效果极好，并为中冶京诚营口基地100t电炉炼钢厂房实际使用所验证，特别是冬季还曾发生过车间管道冻裂事故。通过工程案例实际的使用，选择包孕式通风系统比采用横向半坡连续式门型天窗方案通风效果良好。由此也说明对天窗形式的选择，尚需对车间的采光和通风，屋面排水做出慎重权衡后再抉择，切忌盲从。
对图7所示屋盖建筑形式，还于2016年在中铁山桥炼钢3连跨厂房进行采用，效果良好。
4 结语
建筑专业对大中型热加工厂房的传统设计，因为建筑平面形式须按工艺要求进行，建筑专业设计往往发挥的余地不大，难于体现出建筑师的真实设计水平;但是屋面建筑形式主要关乎车间的通风、采光和排水问题，建筑专业设计则可以尽情发挥。
通过对屋顶多种通风方式的比较和不断创新摸索，期望对大型热加工厂房提供更好的人性化的环境，为生产企业实现了节能要求的同时，也为生产企业带来了良好的经济效益，也值得类似生产加工的企业厂房设计借鉴和应用。
参考文献：
[1]张作运，等.太原重工某大型锻造热处理车间结构设计[J].建筑结构，2013，2.
[2]郭冰冰，等.山西某大型工业厂房的结构设计[J].钢结构，2013，6.
[3]朱吉禄.太原重工大型铸锻件国产化研制项目设计[J].中国重型装备，2012，3.
作者简介：张青鹏（1971—?），女，汉族，高级工程师，研究方向：建筑设计。
