預制裝配式電子廠房結構設計方法與應用*

王建剛，張 清，李智軍，劉媛瑩，張心玥，梅 源

(1.陜西建工第五建設集團有限公司，陜西 西安 710032； 2.西安建筑科技大學土木工程學院，陜西 西安 710055)

0 引言

我國建筑業正處于快速發展的浪潮中，建筑結構朝著復雜化、大規模化、高層化和高效化的方向發展[1-2]。隨著建筑材料設計理論和設計方法的不斷優化，預制裝配式結構通過組合發揮出了不同材質體系的優勢，克服了傳統意義上單一材質體系的固有缺點，完美形成了一系列高效、新穎、裝配化程度高的結構體系。預制裝配式結構具備良好的建筑適應性和潛在的高效節能性，不僅能充分發揮材料的機械性能，達到節約成本和縮短工期的效果，還能很好地滿足現代建筑要求的大空間、高強度、功能多樣化及施工高效率等[3]。這種結構形式目前在倉庫、大型公共建筑、超高層和高精度電子工業廠房都很受青睞[4]，特別是具有多種新穎和組合設計的裝配式結構。因此，在實際結構設計過程中，很有必要突破原有設計理念，改變原有設計方法，運用各種創新手法進行結構設計。但可借鑒的設計經驗相對匱乏，且設計過程較復雜，因此，對預制裝配式精密電子廠房結構體系及布置、關鍵節點設計進行研究具有重要意義。

1 工程概況

大型三星半導體精密電子廠房位于陜西省西安市，是國內首個集生產、吊裝施工于一體的預制裝配式廠房。建筑面積29.5萬m2，建筑高度23.9m，地上3層結構，核心區79.1t單榀鋼桁架一次起吊，4.3萬t(28 097吊次)鋼結構全螺栓連接。廠房包含1個核心區(FAB)、2個支持區(SUP)，其中SUP為FAB服務。工程結構類型為現澆混凝土(RC)結構+預制混凝土(PC)結構+鋼結構+勁性混凝土(SRC)結構，其中核心區預制混凝土部分應用柱、梁、格構梁、疊合板等預制構件，是組成FAB棟核心區的最關鍵部分[5]。工程基礎形式為樁筏基礎，共計5 604根樁，樁長37m。螺栓總用量160萬套，單節點最大螺栓用量1 600套，單榀桁架跨度48m。

2 結構體系

精密電子廠房用于加工生產高精密電子元件，不僅需要提供極高的潔凈度，還需滿足恒溫、恒濕、恒壓及微震動的生產環境[6-8]。相較于普通廠房，其核心區抗微振性要求更嚴格。針對裝配式精密電子廠房結構工程要求，將廠房結構設計分為FAB，SUP 2個模塊，并通過結構縫將2個模塊分開，成為獨立的結構單元，如圖1所示。其中FAB為鋼管混凝土(CFT)柱+現澆混凝土(RC)柱+預制混凝土(PC)柱+鋼結構屋架結構體系；SUP為型鋼混凝土(SRC)柱+鋼柱+鋼筋桁架樓承板體系。每個模塊又有若干子模塊，各模塊為相互獨立的結構單元，根據各結構單元的不同特點有針對性地進行結構設計。在結構縱剖面中間位置設置1道結構縫，結構橫剖面如圖2所示。

圖1 結構平面分區

圖2 結構A—A′剖面

3 結構設計

3.1 核心區

核心區預制構件安裝施工屬于裝配式結構施工范疇，裝配結構建造廠房施工工藝及質量控制與傳統的現澆施工有顯著差異。

核心區1～2層采用鋼筋混凝土柱+PC梁(桁架相關柱為矩形鋼管柱)；3層采用鋼結構柱+鋼桁架。

屋架結構為連接復雜的大跨度超長屋蓋結構，鋼桁架體系剛度大，自重小，受力簡單，采用擴大拼裝單元安裝時，對易變形的鋼構件應進行強度和穩定性驗算，必要時應采取加固措施。核心區屬于生產區，對結構本身的抗微振性較支持區要求嚴格，其結構性能主要是消除整個建筑的抗微振性。

箱形柱(CFT)與1層鋼筋混凝土梁節點平面及剖面如3，4所示。在CFT柱牛腿處安放預制梁，二者通過預留孔螺栓連接。核心區結構布置有288根大截面現澆混凝土獨立柱，截面如圖5所示，分為加密區和非加密區，1/3處為加密區，截面尺寸為 1 400mm×1 400mm， 高11.05m，內配56根φ32 HRB500E鋼筋，箍筋為φ12@φ100(150)， 單根柱鋼筋籠整體重約6.5t。本廠房基礎筏板厚1 000mm，核心區基礎采用φ700現澆混凝土鉆孔灌注樁。

圖3 CFT柱與1層鋼筋混凝土梁節點平面

圖4 CFT柱與1層鋼筋混凝土梁節點剖面

圖5 核心區RC柱截面構造

PC梁與RC柱牛腿上焊接承插鋼筋，安裝時插入梁上預留孔，兩側用泡沫棒封堵，外側打膠，中間采用C75無收縮灌漿料[9]，如圖6所示，PC梁只預制至板底，裸露箍筋與上層板筋固定。鋼結構中，梁柱連接分為鉸接與剛接，鉸接用高強螺栓通過連接板摩擦型連接，剛接用栓焊連接。梁與柱剛性連接時，柱在梁翼緣上、下各500mm的節點范圍內，柱翼緣與腹板、箱形柱壁板間應采用全熔透坡口焊縫。

圖6 PC梁與RC柱連接

3.2 支持區

支持區1～3層均為鋼-混凝土組合框架，充分利用了混凝土的抗壓性能和鋼材的抗拉性能，鋼筋混凝土與型鋼形成整體，共同協調受力。其結構承載力遠遠高出同截面鋼筋混凝土結構的承載力。因此，在滿足同等承載力設計要求的情況下，該結構體系可大大減小構件截面尺寸，減輕構件自重，有效防止“肥梁胖柱”的現象，增加建筑物內部使用空間。支持區屬于生活區，主要安置供水、供電、供氣等配套設備，較核心區對抗微振性要求較低。支持區SRC柱構造剖面如圖7所示(“D-1”均為零件編號，A—A剖面距柱頂端1 300mm，B—B剖面距樁底端200mm，C—C剖面距柱頂端9 800mm)，鋼結構樓承板鋪設如圖8所示。

圖7 SRC柱構造剖面

圖8 支持區鋼結構樓承板鋪設

4 構件連接設計

4.1 大體量鋼結構裝配化全螺栓連接設計

三星半導體二期FAB廠房工程全螺栓連接采用10.9s級扭剪型高強螺栓連接副，摩擦型連接，總用量約150萬套。摩擦型連接設計分為2個階段：①按設計內力進行彈性設計，要求摩擦面不滑移；②進行極限承載力計算，此時考慮摩擦面已滑移。螺栓連接時，桿件上開螺栓孔對截面有一定削弱，需核算削弱后的截面對結構安全是否有影響，若凈截面承載力不滿足要求，需替換大規格材料。由于螺栓孔的影響，桿件截面往往需放大15%左右。

4.2 預制女兒墻構件連接設計

主廠房支持區屋面設女兒墻，女兒墻位于鋼梁頂部。斷面為[形。原設計圖紙女兒墻厚350mm、高1 140mm；將單個女兒墻優化為長度≤3 700mm、 重≤4t，參照建筑模數，預制女兒墻優化尺寸為 3 580mm×350mm×1 140mm，如圖9所示。特殊部位構件利用標準模具改造后特殊生產加工，外圍女兒墻按使用功能，設計為上沿口向內3%坡面，考慮沿口排水；女兒墻安裝前應依據鋼梁上部定位控制線焊接承插鋼筋于懸挑梁上，鋼筋與鋼梁相互垂直。構件底部粘貼雙面膠海綿條密封，防止澆筑時漏漿。構件吊裝完成后，進行螺栓連接，構件內側與鋼梁采用M20螺栓與 ∟100×12 墊片相互連接，鋼梁一側與角鋼墊片焊接，構件一側與預埋M20內絲連接。本工程深化設計全過程采用BIM技術，使整個裝配式精密電子廠房工程以深化為核心，將設計、構件加工、施工吊裝通過BIM技術有機銜接。預制女兒墻構件連接如圖10所示[10-12]。

圖9 預制女兒墻

圖10 預制女兒墻構件連接

5 結語

1)核心區采用鋼管混凝土(CFT)柱+現澆混凝土(RC)柱+預制混凝土(PC)柱+鋼結構屋架結構體系，支持區采用型鋼混凝土(SRC)柱+鋼柱+鋼筋桁架樓承板體系，針對核心區及支持區的結構布置及結構縫等進行專門研究和合理設計。

2)針對構件不同位置的節點連接，詳細分析了典型節點的連接設計，確保預制裝配式結構的安全性，同時也提出實際工程施工中的解決措施，采取相應措施使各裝配式構件的連接滿足使用要求。

3)對于預制裝配式結構，通過采用BIM可視化設計，使整個預制裝配式精密電子廠房工程以深化為核心，將各專業設計、構件加工、施工吊裝等良好地銜接在一起，使之更符合裝配式結構的發展規律。