预制装配式电子厂房结构设计方法与应用*

王建刚，张 清，李智军，刘媛莹，张心玥，梅 源

(1.陕西建工第五建设集团有限公司，陕西 西安 710032； 2.西安建筑科技大学土木工程学院，陕西 西安 710055)

0 引言

我国建筑业正处于快速发展的浪潮中，建筑结构朝着复杂化、大规模化、高层化和高效化的方向发展[1-2]。随着建筑材料设计理论和设计方法的不断优化，预制装配式结构通过组合发挥出了不同材质体系的优势，克服了传统意义上单一材质体系的固有缺点，完美形成了一系列高效、新颖、装配化程度高的结构体系。预制装配式结构具备良好的建筑适应性和潜在的高效节能性，不仅能充分发挥材料的机械性能，达到节约成本和缩短工期的效果，还能很好地满足现代建筑要求的大空间、高强度、功能多样化及施工高效率等[3]。这种结构形式目前在仓库、大型公共建筑、超高层和高精度电子工业厂房都很受青睐[4]，特别是具有多种新颖和组合设计的装配式结构。因此，在实际结构设计过程中，很有必要突破原有设计理念，改变原有设计方法，运用各种创新手法进行结构设计。但可借鉴的设计经验相对匮乏，且设计过程较复杂，因此，对预制装配式精密电子厂房结构体系及布置、关键节点设计进行研究具有重要意义。

1 工程概况

大型三星半导体精密电子厂房位于陕西省西安市，是国内首个集生产、吊装施工于一体的预制装配式厂房。建筑面积29.5万m2，建筑高度23.9m，地上3层结构，核心区79.1t单榀钢桁架一次起吊，4.3万t(28 097吊次)钢结构全螺栓连接。厂房包含1个核心区(FAB)、2个支持区(SUP)，其中SUP为FAB服务。工程结构类型为现浇混凝土(RC)结构+预制混凝土(PC)结构+钢结构+劲性混凝土(SRC)结构，其中核心区预制混凝土部分应用柱、梁、格构梁、叠合板等预制构件，是组成FAB栋核心区的最关键部分[5]。工程基础形式为桩筏基础，共计5 604根桩，桩长37m。螺栓总用量160万套，单节点最大螺栓用量1 600套，单榀桁架跨度48m。

2 结构体系

精密电子厂房用于加工生产高精密电子元件，不仅需要提供极高的洁净度，还需满足恒温、恒湿、恒压及微震动的生产环境[6-8]。相较于普通厂房，其核心区抗微振性要求更严格。针对装配式精密电子厂房结构工程要求，将厂房结构设计分为FAB，SUP 2个模块，并通过结构缝将2个模块分开，成为独立的结构单元，如图1所示。其中FAB为钢管混凝土(CFT)柱+现浇混凝土(RC)柱+预制混凝土(PC)柱+钢结构屋架结构体系；SUP为型钢混凝土(SRC)柱+钢柱+钢筋桁架楼承板体系。每个模块又有若干子模块，各模块为相互独立的结构单元，根据各结构单元的不同特点有针对性地进行结构设计。在结构纵剖面中间位置设置1道结构缝，结构横剖面如图2所示。

图1 结构平面分区

图2 结构A—A′剖面

3 结构设计

3.1 核心区

核心区预制构件安装施工属于装配式结构施工范畴，装配结构建造厂房施工工艺及质量控制与传统的现浇施工有显著差异。

核心区1～2层采用钢筋混凝土柱+PC梁(桁架相关柱为矩形钢管柱)；3层采用钢结构柱+钢桁架。

屋架结构为连接复杂的大跨度超长屋盖结构，钢桁架体系刚度大，自重小，受力简单，采用扩大拼装单元安装时，对易变形的钢构件应进行强度和稳定性验算，必要时应采取加固措施。核心区属于生产区，对结构本身的抗微振性较支持区要求严格，其结构性能主要是消除整个建筑的抗微振性。

箱形柱(CFT)与1层钢筋混凝土梁节点平面及剖面如3，4所示。在CFT柱牛腿处安放预制梁，二者通过预留孔螺栓连接。核心区结构布置有288根大截面现浇混凝土独立柱，截面如图5所示，分为加密区和非加密区，1/3处为加密区，截面尺寸为 1 400mm×1 400mm， 高11.05m，内配56根φ32 HRB500E钢筋，箍筋为φ12@φ100(150)， 单根柱钢筋笼整体重约6.5t。本厂房基础筏板厚1 000mm，核心区基础采用φ700现浇混凝土钻孔灌注桩。

图3 CFT柱与1层钢筋混凝土梁节点平面

图4 CFT柱与1层钢筋混凝土梁节点剖面

图5 核心区RC柱截面构造

PC梁与RC柱牛腿上焊接承插钢筋，安装时插入梁上预留孔，两侧用泡沫棒封堵，外侧打胶，中间采用C75无收缩灌浆料[9]，如图6所示，PC梁只预制至板底，裸露箍筋与上层板筋固定。钢结构中，梁柱连接分为铰接与刚接，铰接用高强螺栓通过连接板摩擦型连接，刚接用栓焊连接。梁与柱刚性连接时，柱在梁翼缘上、下各500mm的节点范围内，柱翼缘与腹板、箱形柱壁板间应采用全熔透坡口焊缝。

图6 PC梁与RC柱连接

3.2 支持区

支持区1～3层均为钢-混凝土组合框架，充分利用了混凝土的抗压性能和钢材的抗拉性能，钢筋混凝土与型钢形成整体，共同协调受力。其结构承载力远远高出同截面钢筋混凝土结构的承载力。因此，在满足同等承载力设计要求的情况下，该结构体系可大大减小构件截面尺寸，减轻构件自重，有效防止“肥梁胖柱”的现象，增加建筑物内部使用空间。支持区属于生活区，主要安置供水、供电、供气等配套设备，较核心区对抗微振性要求较低。支持区SRC柱构造剖面如图7所示(“D-1”均为零件编号，A—A剖面距柱顶端1 300mm，B—B剖面距桩底端200mm，C—C剖面距柱顶端9 800mm)，钢结构楼承板铺设如图8所示。

图7 SRC柱构造剖面

图8 支持区钢结构楼承板铺设

4 构件连接设计

4.1 大体量钢结构装配化全螺栓连接设计

三星半导体二期FAB厂房工程全螺栓连接采用10.9s级扭剪型高强螺栓连接副，摩擦型连接，总用量约150万套。摩擦型连接设计分为2个阶段：①按设计内力进行弹性设计，要求摩擦面不滑移；②进行极限承载力计算，此时考虑摩擦面已滑移。螺栓连接时，杆件上开螺栓孔对截面有一定削弱，需核算削弱后的截面对结构安全是否有影响，若净截面承载力不满足要求，需替换大规格材料。由于螺栓孔的影响，杆件截面往往需放大15%左右。

4.2 预制女儿墙构件连接设计

主厂房支持区屋面设女儿墙，女儿墙位于钢梁顶部。断面为[形。原设计图纸女儿墙厚350mm、高1 140mm；将单个女儿墙优化为长度≤3 700mm、 重≤4t，参照建筑模数，预制女儿墙优化尺寸为 3 580mm×350mm×1 140mm，如图9所示。特殊部位构件利用标准模具改造后特殊生产加工，外围女儿墙按使用功能，设计为上沿口向内3%坡面，考虑沿口排水；女儿墙安装前应依据钢梁上部定位控制线焊接承插钢筋于悬挑梁上，钢筋与钢梁相互垂直。构件底部粘贴双面胶海绵条密封，防止浇筑时漏浆。构件吊装完成后，进行螺栓连接，构件内侧与钢梁采用M20螺栓与 ∟100×12 垫片相互连接，钢梁一侧与角钢垫片焊接，构件一侧与预埋M20内丝连接。本工程深化设计全过程采用BIM技术，使整个装配式精密电子厂房工程以深化为核心，将设计、构件加工、施工吊装通过BIM技术有机衔接。预制女儿墙构件连接如图10所示[10-12]。

图9 预制女儿墙

图10 预制女儿墙构件连接

5 结语

1)核心区采用钢管混凝土(CFT)柱+现浇混凝土(RC)柱+预制混凝土(PC)柱+钢结构屋架结构体系，支持区采用型钢混凝土(SRC)柱+钢柱+钢筋桁架楼承板体系，针对核心区及支持区的结构布置及结构缝等进行专门研究和合理设计。

2)针对构件不同位置的节点连接，详细分析了典型节点的连接设计，确保预制装配式结构的安全性，同时也提出实际工程施工中的解决措施，采取相应措施使各装配式构件的连接满足使用要求。

3)对于预制装配式结构，通过采用BIM可视化设计，使整个预制装配式精密电子厂房工程以深化为核心，将各专业设计、构件加工、施工吊装等良好地衔接在一起，使之更符合装配式结构的发展规律。