大型多層廠房結構逆序施工工況下的鋼屋蓋安裝技術

夏涼風

上海市機械施工集團有限公司 上海 200072

集成電路（IC）產業是國民經濟和社會發展的戰略性、基礎性和先導性產業。近年來，國家將集成電路產業發展提升至國家戰略高度，大型微電子芯片產能建設進程明顯加快。此外，先進顯示技術生產線（如AMOLED）等微電子生產廠房也如雨后春筍般大規模建設起來。此類微電子廠房具有超長、超寬、大跨、多層、潔凈等特點，主體結構通常采用多層鋼筋混凝土框架及華夫樓板結構，以滿足結構防微振性能和車間潔凈要求。華夫樓板是一種以定型排列的FRP環氧玻璃鋼桶（華夫筒）為模板的交叉密肋暗梁鋼筋混凝土樓板，利用華夫樓板的孔洞及廠房內回風夾道的循環結合空調送排風系統達到電子廠房的潔凈要求。廠房頂部屋蓋結構多采用大跨度重型鋼桁架體系，以獲得大尺度的生產空間。同時，由于微電子行業技術發展迅猛，生產廠房的建設周期要求極短。

圖1為某集成電路芯片生產線建設項目的主體結構，是典型的大型多層微電子潔凈廠房，其生產區廠房平面呈矩形布置，長230.4 m、寬147.6 m、高34.75 m，地上3層。其中，二層為鋼筋混凝土框架結構（標高為＋5.80 m），三層為華夫樓板結構（標高為＋12.00 m，見圖2）。頂部為鋼屋蓋結構，平行設置有33榀大跨度主桁架，支承于7根矩形鋼筋混凝土柱頂，單榀桁架總長達147.6 m。支承柱截面為1 200 mm×1 200 mm，桁架與柱之間為鉸接連接。主桁架為由H型鋼組成的平面鋼桁架，縱向為連系桿件及多道縱向支撐。鋼屋蓋頂部局部設有單層門式剛架結構，建筑功能為空調機房等，鋼屋蓋總用鋼量約1.3萬 t。支持區為鋼筋混凝土多層框架結構。

圖1 某芯片生產廠房主體結構

圖2 華夫樓板

1 總體施工方法

此類多層大型廠房的主體結構通常都按照自下而上的順序逐層建造，即先逐層施工下部鋼筋混凝土結構（包括華夫樓板層），再安裝最頂部的大跨度鋼屋蓋結構（以下稱為“順序施工”）。在鋼屋蓋的安裝方法上，主要有起重機吊裝、滑移安裝、提升安裝等[1]。從已建成和在建中的大型多層潔凈電子廠房來看，由于滑移或提升安裝對施工流程及現場工作面的需求比較高，工程應用相對較少[2]。采用起重機吊裝是最常用的施工方法。由于大型微電子廠房往往面積大、鋼屋蓋構件重，采用跨外吊裝時起重機作業半徑過大（通?？缤獾跹b半徑要達到數十米甚至上百米），對起重機的作業能力要求很高，經濟性較差。因此，大多采用小型履帶起重機或汽車起重機上華夫樓板吊裝。小型起重機和鋼構件利用布置在廠房外側的地面起重機吊運至華夫樓板上，鋼構件運輸通道、起重機開行及作業區域的華夫樓板需采取措施進行保護。

順序施工時，混凝土結構施工涉及排架及模板支設、鋼筋綁扎、混凝土澆筑及養護等多道工序，華夫樓板工藝復雜，且需要等混凝土強度達到要求后，起重機方可開行到混凝土樓面上進行鋼屋蓋吊裝，施工周期相對較長。同時，鋼構件需要在混凝土結構樓層上進行二次駁運，施工效率較低且華夫樓板成品保護要求很高。

通過深入分析順序施工方法的優缺點，考慮到本工程潔凈區關鍵設備機房（如靜壓箱、空調機房等）都設計在鋼屋蓋桁架內部和頂部的特點，結合工期緊迫的要求，主體結構總體施工順序上創新地采用了先安裝頂部鋼屋蓋、后施工下方鋼筋混凝土框架結構及華夫樓板的“先上后下”逆序施工方法。與順序施工相比，逆序施工時鋼屋蓋結構在基礎底板施工完后即可進場吊裝，鋼構件可直接運至吊裝區域拼裝成大分段桁架后，采用大型起重機跨內吊裝，有效提高安裝效率。同時，鋼屋蓋先行安裝可為屋蓋層內部的機電設備盡早提供施工作業面，有助于加快項目總體建造進度。

2 主體結構逆序施工工況下鋼屋蓋安裝技術

2.1鋼結構安裝

本工程初步設計時鋼屋蓋主桁架支承在鋼筋混凝土柱頂，通過設計調整，在部分鋼筋混凝土柱內設置起始于基礎底板的通高鋼骨柱，便于鋼屋蓋先行安裝時主桁架支承于鋼骨柱上，實現主體結構逆序施工。鋼屋蓋主桁架單榀長度達147.6 m，質量達159.4 t，分為3個吊裝大分段（圖3），分段長度及質量分別為45.2 m（質量41.49 t）、55.2 m（質量66.26 t）和47.2 m（質量51.65 t）。根據主桁架吊裝分段位置，分別在B、H、R、X軸鋼筋混凝土柱內布置鋼骨柱。

圖3 主桁架吊裝分段及鋼骨柱布置

根據主桁架吊裝分段及混凝土結構后澆帶布置，整個生產區廠房劃分為15個區塊組織流水施工，總體順序由中間（A1、B1、C1區）起始向兩端對稱進行?；A底板分塊交付后，對稱吊裝鋼骨柱及鋼屋蓋結構。鋼屋蓋主桁架分為中跨和2個邊跨共3段，兩側共6條安裝作業線平行同步吊裝（圖4），考慮主桁架吊裝時的支承條件，每一榀主桁架按分段A、B、C順序依次吊裝。待一個分區的鋼屋蓋安裝完成后，逐層進行下部鋼筋混凝土結構及華夫樓板施工。

圖4 總體施工順序

一個典型跨的鋼結構吊裝流程按照鋼骨柱、主桁架、縱向支撐及連系桿件的順序進行安裝，及時形成穩定節間（圖5）。

圖5 典型跨鋼結構安裝流程

主桁架吊裝分段長度達40 m以上，鋼構件無法從加工廠直接運至現場，因此再次劃分為3個小段，每段長約15 m，滿足構件運輸要求?，F場在廠房基礎底板上沿縱向節間內布置主桁架立拼拼裝胎架，進行吊裝分段的現場拼裝（圖6）。

圖6 主桁架現場立拼拼裝

鋼屋蓋主桁架采用大型履帶起重機吊裝，中跨采用300 t履帶起重機單機吊裝，邊跨采用250 t履帶起重機單機吊裝。鋼骨柱和連系桿件采用80 t汽車起重機吊裝。履帶起重機開行于基礎底板上，履帶下設置專用路基箱。底板厚度為1.2～4.1 m，經計算，其承載力滿足大型履帶起重機開行及停機作業要求。履帶起重機開行區域的混凝土柱預留插筋高度控制在500 mm以內，方便起重機通過。

考慮到鋼骨柱底部采用地腳螺栓與底板連接，為提高穩定性，鋼骨柱吊裝就位后設置纜風繩提供側向穩定，同時在鋼骨柱底部澆筑一段1.8 m高的外包混凝土，使柱底部與基礎底板形成剛性連接。起始節間的鋼骨柱縱向設置臨時剛性支撐，提高鋼骨柱抗側剛度（圖7）。主桁架分段吊裝就位后同樣在兩側拉設纜風繩，以確保平面外穩定；待桁架間連系桿件安裝至少1/3后，方可撤除纜風繩。

圖7 主桁架分段吊裝立面工況

2.2設計優化及施工計算

主體結構逆序施工時，結構成形過程與設計狀態相差較大。為確保施工階段結構安全，針對實際施工工況進行了相應的施工計算。整個鋼屋蓋自中間向兩端對稱逐節安裝，最初幾個階段的鋼屋蓋穩定性最關鍵。第1榀主桁架安裝后，桁架與鋼骨柱之間為鉸接連接，桁架平面外不具備剛度，不是一個穩定結構。通過鋼骨柱柱底固接、設柱間支撐和纜風繩等措施保證結構平面外穩定。

施工荷載上，計算時考慮了鋼結構恒載（包括節點質量）和風荷載的組合作用，基本風壓取工程所在地10年一遇風壓值。經有限元計算分析，得出各施工階段一階彈性屈曲系數。

同時，考慮幾何非線性，取初始缺陷為中跨跨度的1/500，更新施工計算模型，進行非線性屈曲分析，計算各施工階段鋼屋蓋結構整體穩定臨界系數λcr。

由計算結果可知，在采取相應穩定措施后，鋼屋蓋在主體結構逆序施工條件下，各施工階段的整體穩定系數均大于2，滿足安全要求。

圖8列出了最初5個安裝階段的施工計算模型及整體穩定性計算結果。

圖8 鋼屋蓋整體穩定性計算

2.3對下部鋼筋混凝土結構施工的影響

采用主體結構逆序施工的方法，受先行安裝的鋼屋蓋影響，下部鋼筋混凝土結構施工時的材料運輸難度有所增加，塔吊不能隨時完成鋼筋、模板等材料的垂直運輸。為此，通過在鋼屋蓋上預留吊裝孔來減少影響，吊裝孔通過屋蓋縱向連系桿件后裝、壓型鋼板后鋪實現。

當然，鋼屋蓋先行安裝對土建結構施工也能帶來額外的益處，主要體現在：在鋼屋蓋及壓型鋼板鋪設后，屋面混凝土樓板可以與下部混凝土結構施工同步進行，工作面增加，施工進度加快；當鋼屋蓋壓型鋼板封閉后，可以為下方的土建結構施工提供全天候防護，不受雨天影響，同樣可加快施工進度。

2.4主體結構順序施工和逆序施工的對比

通過工程實踐，對順序和逆序這2種施工方法的優缺點進行了對比分析，見表1。

表1 主體結構順序施工和逆序施工的對比

3 結語

主體結構逆序施工方法先后在2個大型微電子廠房中得到應用，證明對縮短工程總工期是有幫助的。這2個工程為同一設計、同一業主，可見逆序施工方法得到了設計和業主的認可。主體結構逆序施工方法的成功實踐，可為類似工程的快速建造提供一定的借鑒。