新能源動力電池廠房建筑設計探析

唐 昊 胡登先

中機國際工程設計研究院有限責任公司 湖南 長沙 410007

隨著能源危機的加劇，近年來我國加強了新能源動力電池的研發生產，為各行業諸領域的發展提供了新的能源類型，包括鋰電池、氫燃料電池、非晶硅/非晶硅鍺三疊層薄膜太陽能電池，以及其他化學電池等。由于此類電池產品的生產具有一定的特殊性，既要考慮到工藝要求，又要根據經濟合理性選擇適配性廠房。因而，在當前新能源動力電池行業高質量發展之際，應持續加強對其廠房建筑設計問題的研討。下面先對某項目概況做出說明[1]。

1 項目概況

以某鋰電池生產企業為例，擬建新能源動力電池廠房屬于新建工程，占地面積為12292.15㎡，廠房建筑面積為10454.5㎡，長度為144.8m，寬度為72.2m。根據現行《裝配式建筑評價標準》（GB/T 51129-2017）要求裝配率必須在50%以上。結合前期勘察報告、環境影響評價報告內容，該廠房結構抗震設防被列為標準設類，設計基本地震加速度與抗震設防烈度分別為0.2g、8度。中間核心區屋面應用了鋼桁架，雙側支持區采用框架結構，框架抗震等級為二級[2]。

2 工藝要求

該企業以鋰電池生產為主營業務，產品種類多樣，主要服務于航空航天、電網儲能、交通工具、電子產品等行業。根據以往的生產工藝要求看，主要流程如圖1。

圖1 鋰電池生產流程示意

為了滿足其工藝要求，設計人員擬把該建筑劃分為四層，包括地下一層、地面三層。其中，地下一層為變配電所，地面三層規劃時，一層布置如下：（1）原料立體倉；（2）用于勻漿、涂布機頭、涂布機尾、極片制作輾軋、分條的車間。二層布置如下：（1）模切、疊片、全自動焊接車間；（2）烘烤車間；（3）注漿車間；（4）隧道爐高溫浸潤和化成車間。三層布置如下：（1）隧道爐高溫老化車間；（2）二封車間；（3）分容車間；（4）高溫老化OCV測試及靜置車間[3]。

3 建筑設計

該廠房屬于工業建筑類型，建筑設計過程中要求將生產工藝流程與建筑聯動起來進行設計。完成初步設計后，設計人員根據建筑設計深化優化要求，選擇數字化建模技術對其進行了建模與仿真處理，具體分為：（1）三維工廠建模；（2）智能設備模型；（3）工藝仿真。首先，設計人員將CAD二維設計圖導入Revit軟件建立三維設計圖后，先通過其中的“族庫”功能完成土建、給排水、暖通空間、消防、電氣等分部項目的“族模型”設置。然后，把三維設計圖導入Navisworks軟件進行“4D動畫仿真”，進行場地優化布置、確定施工安全距離、預測分部項目施工中潛在的風險。BIM集成管理平臺架構如圖2。

圖2 BIM集成管理平臺架構示意

其次，設計人員眾工藝-建筑聯動設計出發，運用數字孿生技術建立構建與物理設備對應的數字孿生設備，然后，根據“設計仿真→工藝仿真→生產仿真→設計優化”模型對整個生產工藝進行了仿真分析，確定各項內容無誤后，再對其進行細節優化設計。具體操作時，設計人員先制作了設計要素清單，對照每項設計要素一一檢查設計達標情況，如果存在設計指標不完善或者存在冗余的情況，及進進行補充與去除，確保設計要素與設計指標始終保持一致，進而保障在設計施工一體化實踐模式下充分發揮設計環節的引領性作用，為后續施工做好充分準備[4]。

4 結構設計

在結構設計方面，設計人中根據建筑外輪廓與核心區的劃分，選用混凝土框排架結構，并且根據其使用功能設計大跨度后于屋面應用了鋼桁架-柱頂鉸接方式。其中，混凝土材料為C40等級，鋼筋與鋼材分別選擇HRB400、Q345B。具體如下：（1）為了確保結構計算模型的精準性，設計人員劃分了A~G區，除A~C、F~G為外輪廓支持區外，其余為核心區。同時，在G~F區域設置單跨，屬于無縫靜定結構，支持區的軸線與主體相連，軸線間不設置縫縫。（2）為了滿足抗震要求，設計人員查閱讀了GB 50011-2010《建筑抗震設計規范（2016版）》中要求，其中沒有對框排架結構形式做進一步規定。在這種前提下，設計人員根據現行《裝配式建筑評價標準》（GB/T 51129-2017）中提供的指導意見與要求，沒有采用上述規范中的傳統計算方式，并用計算模型與空間模式分析取代了以原單榀為主的計算方式。

例如，在A~G結構內，設計人員應用SATWE程序進行計算前，先對原結構進行簡化，假定剛性桿件和柱連接位置之間存在理想鉸接，并將其作為屋架部分。同時，使用鋼艦混凝土作為排架部分屋面板。由于地震信息方面不用考慮雙向地震作用，因而在實際計算時只對其反應進行計算[5]。根據以往的設計經驗看，同類工業建筑結構體系中伴隨有扭轉振動現象，而且要受到工藝條件的限定。因而應用SATWE對上述條件下的結構進行計算發現，第一周期的平動系數符合上述規范中的實際要求，如表1。

表1 SATWE計算結果

再如，在該廠房建筑性能分析方面，設計人員進一步結合實際建筑結構的復雜形態，利用ABAQUS有限元軟件對其排架-框架部分連接位置的情況進行了靜態分析。具體操作如下：（1）簡化結構，將結構梁、柱轉化為空間桿。（2）使用該軟件中的“定義板”，把框架中的樓板設置為殼單元。（3）該建筑中的屋架對整體結構的影響相對較小，其中的動力反應可以忽略。在這種條件下，設計人員使用軸力桿件代替屋架部分，并將斜撐加到了結構兩側與中間位置。（4）對于排架屋面計算時將剛性桿件和柱進行等效鉸接，不考慮樓板問題。進行程序運行后可以獲得第1振型、第2振型、第3振型、第4振型、第5振型圖譜。

比較SATWE與ABAQUS計算模型結果發現，第1~3振型計算結果趨于一致，第4振型伴隨著扭轉的平動，第5振型中的排架部分與框架部分等效，抗震能力相對較弱。為了進一步檢查第5振型的情況，設計人員對橫向每一榀桁架進行獨立計算發現，其中的梁配筋計算值與初步設計中的計算值相比，增加了10%，柱配筋反而減少了20%。因此，設計人員根據實際計算結果調整了結構布局，具體操作時將排架位置的梁、柱進行了具體調整。

5 經濟分析

首先，設計人員根據環境影響評價報告，對鋼筋、鋼材、復合壓型鋼板等進行分析，確認此類材料的防潮、保溫、耐火、隔音、裝飾等性能進行了全面分析，確定其在上述性能方面存在優勢外，還具有自重輕、平面使用率高、墻體截面小等優勢，有利于降低工程造價。

其次，該廠房裝配率高于50%，可以實現工廠化預制生產，根據《裝配式建筑評價標準》（GB/T 51129-2017）看，該建筑在設計施工一體化實踐模式下，需要按PC構件設計→原料采購→預制生產→運輸→現場拼裝→吊裝→連接安裝→混凝土澆筑→試運行→收尾→維保等流程進行操作。由于設計中搭建了BIM集成管理平臺，在后續的施工中參建單位均可以納入用戶層，開展實時的信息交流與共享，并通過提高效率實現對設計成本、建造成本的合理控制等。根據設計人員的計算，與傳統混凝土結構相比，鋼結構與框架結構應用后可以將原來的工期縮短1/3。并且，能夠在《綠色建筑評價標準》（GB/T 50378-2019）下結合專項化的環境管理，將污染降到最低程度，保障建筑達到安全耐久、穩定運行、資源節約、環境適合生產等多項綠色建筑評價評要求[6]。

第三，當前，正值中國式現代化改革新時期，新能源動力電池廠房建筑生產中應充分考慮“生態化”、“數字化”、“工業化”的并聯式發展，在設計此類工業建筑的過程中考慮到智能工廠的基本架構，并為其做好預留：（1）工廠設備的自動化—智能加工中心與生產線的應用；（2）信息系統集成化—智能化生產數據采集與過程管控；（3）生產管理的高效化與柔性化—建立智能化生產控制中心；（4）物流的智能化—智能倉儲、運輸及物流等。在該項目中按照核心區與支持區建設后，可以為后續的“組團化”設計做好預留，從而為其數字工業化、工業數字化發展奠定堅實基礎。具體而言，除生產廠房外，該企業需要配套設置生活區、休閑娛樂區、綠化區等。建議在后續設計中盡可能選擇“L型”設計方案，確保廠房建筑與其他建筑之間的聯動。

6 注意事項

新能源動力電池廠房建筑設計專業性強，具有一定的復雜性，具體設計過程中，除以上內容外，應注意以下事項：（1）設計人員應考慮到此類企業建立本質安全的實際要求，突出本質安全設計理念。例如，在循環測試設備方面應根據一級保護、二級保護、設備消防等進行相應設計。（2）此類廠房建筑中對于空調暖通的需求較大，設計人員應對空調負荷特點做進一步分析，精準計算各生產車間室內設計參數，包括制膠到封閉焊接車間、負極勻漿車間、涂布機頭車間、烘烤與注漿車間、非潔凈區域的溫濕度及潔凈度。至于冷熱源方案的設計可以參考《工業建筑供暖通風與空調設計規范》中提供的標準要求等。

7 結束語

總之，新能源動力電池廠房建筑具有一定的特殊性，除作為工業建筑本身的使用功能外，還需要配套的做好生產工藝與建筑的聯動、確保建筑初步設計、結構設計、消防設計的全面性及有效性。結合上述分析，建議在同類新能源動力電池廠房建筑設計過程中，一方面結合勘察報告與環境影響評價報告等，全面分析其場址選址、地質水文狀況、氣象條件等，為其廠房方案選型奠定必要條件，另一方面應突出設計施工一體化實踐模式下設計環節的引領性作用，從而在綜合考慮節能、結構、技術、經濟等因素的基礎上，從多套方案中比選出最優方案。