汽車工業(yè)廠房結構優(yōu)化及降本途徑探究

黃文方

摘要：文章以某汽車整車基地項目為例，從結構設計優(yōu)化角度，對影響基建投資占比較大的基坑支護結構設計、樁基礎、地基處理、鋼結構等方面詳細闡述了設計優(yōu)化的途徑，在當今全球經濟受新冠肺炎疫情影響的大環(huán)境下，為汽車主機廠降低投資、管控成本提供了思路。

Abstract： Taking an automobile base project as an example， from the perspective of structural design optimization， the article elaborates on the design optimization of foundation pit support structure design， pile foundation， foundation treatment， steel structure， etc.， which affect infrastructure investment. This approach provides ideas for auto OEMs to reduce investment and control costs in today's environment where the global economy is affected by the COVID-19.

關鍵詞：汽車整車基地;工業(yè)廠房;結構優(yōu)化;降本增效

Key words： automobile base;industrial plant;structure optimization;cost reduction and efficiency increase

中圖分類號：TU318? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1006-4311（2020）27-0110-03

0? 引言

汽車整車項目投資巨大，在現(xiàn)今行業(yè)競爭日益激烈及2020年全球經濟受新冠肺炎疫情影響的大環(huán)境中，降本增效是各大主機廠增強產品競爭力、提高市場占有率必須采取的舉措，其中基建投資更是要做到最優(yōu)。一般而言，建筑物的土建公用投資中，與建筑物主體結構相關的投資占比約50～60%，即結構投資的控制對于項目整體投資的控制至關重要，其中對結構設計的精益化控制是控制結構投資的根本。

本著這個原則，在某汽車整車基地工業(yè)廠房的整體設計過程中（該汽車整車基地項目總建筑面積約48萬平米，含沖壓車間、焊接車間、涂裝車間、總裝車間、動力站房、配送中心、交檢間、試車跑道等主要單體），筆者所在的建設單位工程管理團隊與設計院結構設計師針對結構設計重大方案和設計原則進行了深入的探討，在符合國家相關規(guī)范、標準的前提下，盡可能優(yōu)化結構設計方案和設計施工圖，為工程節(jié)約了可觀的建設投資，并為之后設計任務的順利開展奠定了良好的基礎。

需要指出的是，文中列舉的成本計算系以筆者項目實際舉例，各地因地材價格、設計方案不同而有差異，本文重在體現(xiàn)結構設計優(yōu)化的思路。

1? 結構優(yōu)化及降本途徑

1.1 沖壓車間深基坑支護設計

本項目沖壓車間建筑面積約18244m2，規(guī)劃了2條沖壓生產線，其中壓機所在的地坑凈深6.5m，基槽開挖深度約8m，屬于典型的深基坑工程，按國家規(guī)定需要進行深基坑支護專項設計和論證。前期地質勘探顯示，基坑深度范圍內地基土主要為后填土和淤泥質土，基坑不能采用放坡加固方式進行開挖，需要設置樁基擋土結構進行基坑圍護后再行開挖。而樁基擋土結構一般造價較高，施工周期較長，選用不同的樁基擋土結構形式及基坑支護布置方案，會對工程的安全、造價及施工產生非常大的影響。

鑒于此，我們在基坑支護設計階段針對基坑支護圍合形式、安全性、經濟性及施工可行性進行了深入的探討。

傳統(tǒng)的多沖壓地坑的基坑圍合方式是多地坑分別圍合（詳圖1），經過與基坑支護設計單位進行多次探討和造價分析，本工程的沖壓地坑圍合方式采用了兩沖壓地坑大包圍方案（詳圖2）。同時我們沒有采用傳統(tǒng)的鉆孔灌注樁+止水帷幕的基坑支護方式（詳圖3），本次基坑支護的結構形式采用了SMW工法樁（詳圖4）。此兩項為沖壓車間工程節(jié)約資金約171萬元，具體對比見造價對比表單（表1）。

1.2 樁基設計優(yōu)化

本項目地處太湖流域，地面以下10～15m深度均為近期人工填土和淤泥質土，土質較差，不能作為建筑物和地坪的天然地基持力層使用。建筑物柱下及地坪的承重方式全部為樁基承重，從而造成工程用樁量巨大。

對于本工程而言，還存在的一個重要問題是工程所在區(qū)域地質條件比較復雜，5號淤泥層下方存在薄厚不均、起伏較大的中砂或細砂層，樁基在進入相應中砂層或細砂層后存在非常大的沉樁困難，造成設計院在進行樁基設計時，樁長和單樁承載力取值完全受砂層的標高和厚度控制，從而出現(xiàn)了大量的樁長和單樁承載力，且其單樁承載力相差較為懸殊，以600mm直徑預應力管樁為例，根據(jù)地勘報告計算的單樁承載力在不同的土質條件下有650～1200kN不等。

針對以上兩點，我們需要確定一個較為合理的樁基承載力歸并原則，并需要根據(jù)試樁結果對地勘報告提供的樁基承載力設計參數(shù)（樁基的側阻力和端阻力）進行修正提高，從而優(yōu)化樁基數(shù)量，以取得更好的經濟效益。為此我們經過與設計院和勘察院深入探討后，根據(jù)以下原則進行了樁基的設計優(yōu)化調整：

①由地勘單位根據(jù)施工前所做的9根破壞性壓載試樁的試樁結果，對地勘報告的樁基設計參數(shù)進行了優(yōu)化提高處理，根據(jù)提高后的樁基設計參數(shù)，單樁承載力較原地勘報告提高了10～15%，在一定程度上節(jié)約了用樁量。

②確定合理的樁基歸并原則，并以單位面積樁基造價最省為原則進行分區(qū)域配樁。

③根據(jù)地勘報告所提供的剖面，繪制了地下砂土層層面標高的等高線（詳圖5），以等高線為參考依據(jù)，結合樁基的歸并原則進行合理的樁長控制，更合理的根據(jù)土層情況細化樁長。

1.3 車間地坪零層板結構設計優(yōu)化

關于車間地坪零層板，團隊結合不同的樁間距、不同的地坪板厚度，對地坪樁+地坪板進行了多方案對比復核，最終確定地坪樁+地坪板的最優(yōu)方案，其選擇的依據(jù)是地坪樁+地坪板造價最優(yōu)原則。

1.4 車間鋼結構設計優(yōu)化

本整車項目除部分小型站房等單體外，沖壓車間、焊接車間、總裝車間、涂裝車間、小涂裝車間、配送中心、動力站房、交檢間等絕大部分大型單體均為鋼結構，鋼結構的造價占工程結構總造價的50%以上，為結構設計的重要組成部分，也為結構方案優(yōu)化調整重點關注的部分。經與設計院結構設計師進行充分溝通，對本次鋼結構優(yōu)化調整影響最大的因素主要是以下幾個方面：①2018年7月執(zhí)行的《建筑鋼結構防火設計規(guī)范》，要求鋼結構的防火設計（包括防火涂料的設計要求）需要根據(jù)鋼構件的計算情況進行確定，此規(guī)范的執(zhí)行標準對鋼結構的耗鋼量會產生較大的影響。②鋼結構構件的歸并程度，構件分類越細，構件種類越多，用鋼量越小，但需要增加設計周期，同時可能會為后期的鋼結構加工、制作和安裝帶來較大困難，二者需要找到一個合理的平衡點。③設計周期的影響。精細化的鋼結構設計需要較長的設計時間對計算模型進行進一步整理。

為此，我們與設計院初步確定按以下原則對鋼結構進行優(yōu)化調整：①對2018年7月執(zhí)行的《建筑鋼結構防火設計規(guī)范》的相關內容進行合理解讀，在確認消防驗收能夠通過的前提下，最大限度的弱化鋼結構防火防護設計對鋼結構耗鋼量的影響，從而達到節(jié)省用鋼量的目的;②對鋼結構構件的歸并進行進一步細分，在充分考慮施工影響的前提下最大程度增加鋼結構構件的歸并種類，嚴格控制鋼構件的應力比，從而達到節(jié)省用鋼量的目的。③在不影響工程整體進度的前提下，適當增加設計周期，在驗證評審圖的基礎上對鋼結構圖紙進行進一步優(yōu)化調整。

在車間屋面結構選型上，由于本項目總裝車間、焊接車間面積較大（其中總裝車間建筑面積76689m2，焊裝車間建筑面積78178m2），且其屋面均有較大的承載，用鋼量相對較大，本次設計確定采用桁架結構形式，經多方驗證對比，最終確定為成品鋼管桁架形式（國內其他汽車廠采用桁架形式主要采用了成品H型鋼桁架結構）。鋼管桁架結構能夠更充分的發(fā)揮鋼結構型材的截面特性，故而其用鋼量指標更為優(yōu)化合理。

總裝車間與焊接車間采用鋼管桁架后，其用鋼量較國內汽車廠所采用的主流桁架形式（H型鋼桁架）用鋼量更為優(yōu)化，與傳統(tǒng)網架結構用鋼量基本持平。經初步核算，僅桁架一項節(jié)約鋼材約4kg/m2，兩個車間面積合計約15萬m2，節(jié)約鋼材約600t，以建筑鋼結構鋼材每噸8000元計算，節(jié)約造價約480萬。

1.5 試車跑道地基處理優(yōu)化

試車跑道的優(yōu)化設計主要體現(xiàn)在地基處理的方式上，因為本項目所在地地基情況較差，地基土存在欠固結自沉降情況，而試車跑道作為總裝車間生產的延續(xù)，其不允許出現(xiàn)較為明顯的開裂和下沉，需避免因試車跑道維修而影響到工廠的正常生產，故而試車跑道的地基必須進行較為穩(wěn)妥的地基處理方可。

鑒于此，我們在進行試車跑道設計時，針對水泥攪拌樁、普通厚壁管樁、地基處理用的薄壁管樁三個方案進行了綜合對比，最終我們選擇的PHC400薄壁管樁方案。較其他地基處理方案，薄壁管樁方案的工程安全性較為穩(wěn)妥，綜合造價最省，結合上部路面設計，以160m長跑道樣板段進行核算，具體詳見表2所示。

從表2可知，每160m長度試車跑道，采用PHC400薄壁管樁方案可節(jié)約造價約95萬元，試車跑道總長度約1300m，共計節(jié)約投資約95/160*1300=772萬元。

2? 結語

經過一系列結構優(yōu)化調整，通過與設計人員的共同努力，本項目優(yōu)化后結構投資較優(yōu)化前造價有明顯降低，同類廠房的材料耗量在國內同行業(yè)的類似項目中屬偏低水平，取得了較好的經濟效益，可為類似汽車整車基地建設降投資提供參考。

參考文獻：

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