夏涼風(fēng)

上海市機(jī)械施工集團(tuán)有限公司 上海 200072

集成電路（IC）產(chǎn)業(yè)是國(guó)民經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展的戰(zhàn)略性、基礎(chǔ)性和先導(dǎo)性產(chǎn)業(yè)。近年來，國(guó)家將集成電路產(chǎn)業(yè)發(fā)展提升至國(guó)家戰(zhàn)略高度，大型微電子芯片產(chǎn)能建設(shè)進(jìn)程明顯加快。此外，先進(jìn)顯示技術(shù)生產(chǎn)線（如AMOLED）等微電子生產(chǎn)廠房也如雨后春筍般大規(guī)模建設(shè)起來。此類微電子廠房具有超長(zhǎng)、超寬、大跨、多層、潔凈等特點(diǎn)，主體結(jié)構(gòu)通常采用多層鋼筋混凝土框架及華夫樓板結(jié)構(gòu)，以滿足結(jié)構(gòu)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(huán)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?jī)?nèi)回風(fēng)夾道的循環(huán)結(jié)合空調(diào)送排風(fēng)系統(tǒng)達(dá)到電子廠房的潔凈要求。廠房頂部屋蓋結(jié)構(gòu)多采用大跨度重型鋼桁架體系，以獲得大尺度的生產(chǎn)空間。同時(shí)，由于微電子行業(yè)技術(shù)發(fā)展迅猛，生產(chǎn)廠房的建設(shè)周期要求極短。

圖1為某集成電路芯片生產(chǎn)線建設(shè)項(xiàng)目的主體結(jié)構(gòu)，是典型的大型多層微電子潔凈廠房，其生產(chǎn)區(qū)廠房平面呈矩形布置，長(zhǎng)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(jié)構(gòu)（標(biāo)高為＋5.80 m），三層為華夫樓板結(jié)構(gòu)（標(biāo)高為＋12.00 m，見圖2）。頂部為鋼屋蓋結(jié)構(gòu)，平行設(shè)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(zhǎng)達(dá)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?yàn)檫B系桿件及多道縱向支撐。鋼屋蓋頂部局部設(shè)有單層門式剛架結(jié)構(gòu)，建筑功能為空調(diào)機(jī)房等，鋼屋蓋總用鋼量約1.3萬 t。支持區(qū)為鋼筋混凝土多層框架結(jié)構(gòu)。

圖1 某芯片生產(chǎn)廠房主體結(jié)構(gòu)

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(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)（包括華夫樓板層），再安裝最頂部的大跨度鋼屋蓋結(jié)構(gòu)（以下稱為“順序施工”）。在鋼屋蓋的安裝方法上，主要有起重機(jī)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(duì)施工流程及現(xiàn)場(chǎng)工作面的需求比較高，工程應(yīng)用相對(duì)較少[2]。采用起重機(jī)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(gòu)件重，采用跨外吊裝時(shí)起重機(jī)作業(yè)半徑過大（通?？缤獾跹b半徑要達(dá)到數(shù)十米甚至上百米），對(duì)起重機(jī)的作業(yè)能力要求很高，經(jīng)濟(jì)性較差。因此，大多采用小型履帶起重機(jī)或汽車起重機(jī)上華夫樓板吊裝。小型起重機(jī)和鋼構(gòu)件利用布置在廠房外側(cè)的地面起重機(jī)吊運(yùn)至華夫樓板上，鋼構(gòu)件運(yùn)輸通道、起重機(jī)開行及作業(yè)區(qū)域的華夫樓板需采取措施進(jìn)行保護(hù)。

順序施工時(shí)，混凝土結(jié)構(gòu)施工涉及排架及模板支設(shè)、鋼筋綁扎、混凝土澆筑及養(yǎng)護(hù)等多道工序，華夫樓板工藝復(fù)雜，且需要等混凝土強(qiáng)度達(dá)到要求后，起重機(jī)方可開行到混凝土樓面上進(jìn)行鋼屋蓋吊裝，施工周期相對(duì)較長(zhǎng)。同時(shí)，鋼構(gòu)件需要在混凝土結(jié)構(gòu)樓層上進(jìn)行二次駁運(yùn)，施工效率較低且華夫樓板成品保護(hù)要求很高。

通過深入分析順序施工方法的優(yōu)缺點(diǎn)，考慮到本工程潔凈區(qū)關(guān)鍵設(shè)備機(jī)房（如靜壓箱、空調(diào)機(jī)房等）都設(shè)計(jì)在鋼屋蓋桁架內(nèi)部和頂部的特點(diǎn)，結(jié)合工期緊迫的要求，主體結(jié)構(gòu)總體施工順序上創(chuàng)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(jié)構(gòu)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(shí)鋼屋蓋結(jié)構(gòu)在基礎(chǔ)底板施工完后即可進(jìn)場(chǎng)吊裝，鋼構(gòu)件可直接運(yùn)至吊裝區(qū)域拼裝成大分段桁架后，采用大型起重機(jī)跨內(nèi)吊裝，有效提高安裝效率。同時(shí)，鋼屋蓋先行安裝可為屋蓋層內(nèi)部的機(jī)電設(shè)備盡早提供施工作業(yè)面，有助于加快項(xiàng)目總體建造進(jìn)度。

2 主體結(jié)構(gòu)逆序施工工況下鋼屋蓋安裝技術(shù)

2.1鋼結(jié)構(gòu)安裝

本工程初步設(shè)計(jì)時(shí)鋼屋蓋主桁架支承在鋼筋混凝土柱頂，通過設(shè)計(jì)調(diào)整，在部分鋼筋混凝土柱內(nèi)設(shè)置起始于基礎(chǔ)底板的通高鋼骨柱，便于鋼屋蓋先行安裝時(shí)主桁架支承于鋼骨柱上，實(shí)現(xiàn)主體結(jié)構(gòu)逆序施工。鋼屋蓋主桁架單榀長(zhǎng)度達(dá)147.6 m，質(zhì)量達(dá)159.4 t，分為3個(gè)吊裝大分段（圖3），分段長(zhǎng)度及質(zhì)量分別為45.2 m（質(zhì)量41.49 t）、55.2 m（質(zhì)量66.26 t）和47.2 m（質(zhì)量51.65 t）。根據(jù)主桁架吊裝分段位置，分別在B、H、R、X軸鋼筋混凝土柱內(nèi)布置鋼骨柱。

圖3 主桁架吊裝分段及鋼骨柱布置

根據(jù)主桁架吊裝分段及混凝土結(jié)構(gòu)后澆帶布置，整個(gè)生產(chǎn)區(qū)廠房劃分為15個(gè)區(qū)塊組織流水施工，總體順序由中間（A1、B1、C1區(qū)）起始向兩端對(duì)稱進(jìn)行。基礎(chǔ)底板分塊交付后，對(duì)稱吊裝鋼骨柱及鋼屋蓋結(jié)構(gòu)。鋼屋蓋主桁架分為中跨和2個(gè)邊跨共3段，兩側(cè)共6條安裝作業(yè)線平行同步吊裝（圖4），考慮主桁架吊裝時(shí)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(gè)分區(qū)的鋼屋蓋安裝完成后，逐層進(jìn)行下部鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)及華夫樓板施工。

圖4 總體施工順序

一個(gè)典型跨的鋼結(jié)構(gòu)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(jìn)行安裝，及時(shí)形成穩(wěn)定節(jié)間（圖5）。

圖5 典型跨鋼結(jié)構(gòu)安裝流程

主桁架吊裝分段長(zhǎng)度達(dá)40 m以上，鋼構(gòu)件無法從加工廠直接運(yùn)至現(xiàn)場(chǎng)，因此再次劃分為3個(gè)小段，每段長(zhǎng)約15 m，滿足構(gòu)件運(yùn)輸要求?，F(xiàn)場(chǎng)在廠房基礎(chǔ)底板上沿縱向節(jié)間內(nèi)布置主桁架立拼拼裝胎架，進(jìn)行吊裝分段的現(xiàn)場(chǎng)拼裝（圖6）。

圖6 主桁架現(xiàn)場(chǎng)立拼拼裝

鋼屋蓋主桁架采用大型履帶起重機(jī)吊裝，中跨采用300 t履帶起重機(jī)單機(jī)吊裝，邊跨采用250 t履帶起重機(jī)單機(jī)吊裝。鋼骨柱和連系桿件采用80 t汽車起重機(jī)吊裝。履帶起重機(jī)開行于基礎(chǔ)底板上，履帶下設(shè)置專用路基箱。底板厚度為1.2～4.1 m，經(jīng)計(jì)算，其承載力滿足大型履帶起重機(jī)開行及停機(jī)作業(yè)要求。履帶起重機(jī)開行區(qū)域的混凝土柱預(yù)留插筋高度控制在500 mm以內(nèi)，方便起重機(jī)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(wěn)定性，鋼骨柱吊裝就位后設(shè)置纜風(fēng)繩提供側(cè)向穩(wěn)定，同時(shí)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(chǔ)底板形成剛性連接。起始節(jié)間的鋼骨柱縱向設(shè)置臨時(shí)剛性支撐，提高鋼骨柱抗側(cè)剛度（圖7）。主桁架分段吊裝就位后同樣在兩側(cè)拉設(shè)纜風(fēng)繩，以確保平面外穩(wěn)定；待桁架間連系桿件安裝至少1/3后，方可撤除纜風(fēng)繩。

圖7 主桁架分段吊裝立面工況

2.2設(shè)計(jì)優(yōu)化及施工計(jì)算

主體結(jié)構(gòu)逆序施工時(shí)，結(jié)構(gòu)成形過程與設(shè)計(jì)狀態(tài)相差較大。為確保施工階段結(jié)構(gòu)安全，針對(duì)實(shí)際施工工況進(jìn)行了相應(yīng)的施工計(jì)算。整個(gè)鋼屋蓋自中間向兩端對(duì)稱逐節(jié)安裝，最初幾個(gè)階段的鋼屋蓋穩(wěn)定性最關(guān)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(gè)穩(wěn)定結(jié)構(gòu)。通過鋼骨柱柱底固接、設(shè)柱間支撐和纜風(fēng)繩等措施保證結(jié)構(gòu)平面外穩(wěn)定。

施工荷載上，計(jì)算時(shí)考慮了鋼結(jié)構(gòu)恒載（包括節(jié)點(diǎn)質(zhì)量）和風(fēng)荷載的組合作用，基本風(fēng)壓取工程所在地10年一遇風(fēng)壓值。經(jīng)有限元計(jì)算分析，得出各施工階段一階彈性屈曲系數(shù)。

同時(shí)，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(jì)算模型，進(jìn)行非線性屈曲分析，計(jì)算各施工階段鋼屋蓋結(jié)構(gòu)整體穩(wěn)定臨界系數(shù)λcr。

由計(jì)算結(jié)果可知，在采取相應(yīng)穩(wěn)定措施后，鋼屋蓋在主體結(jié)構(gòu)逆序施工條件下，各施工階段的整體穩(wěn)定系數(shù)均大于2，滿足安全要求。

圖8列出了最初5個(gè)安裝階段的施工計(jì)算模型及整體穩(wěn)定性計(jì)算結(jié)果。

圖8 鋼屋蓋整體穩(wěn)定性計(jì)算

2.3對(duì)下部鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)施工的影響

采用主體結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)施工時(shí)的材料運(yùn)輸難度有所增加，塔吊不能隨時(shí)完成鋼筋、模板等材料的垂直運(yùn)輸。為此，通過在鋼屋蓋上預(yù)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(shí)現(xiàn)。

當(dāng)然，鋼屋蓋先行安裝對(duì)土建結(jié)構(gòu)施工也能帶來額外的益處，主要體現(xiàn)在：在鋼屋蓋及壓型鋼板鋪設(shè)后，屋面混凝土樓板可以與下部混凝土結(jié)構(gòu)施工同步進(jìn)行，工作面增加，施工進(jìn)度加快；當(dāng)鋼屋蓋壓型鋼板封閉后，可以為下方的土建結(jié)構(gòu)施工提供全天候防護(hù)，不受雨天影響，同樣可加快施工進(jìn)度。

2.4主體結(jié)構(gòu)順序施工和逆序施工的對(duì)比

通過工程實(shí)踐，對(duì)順序和逆序這2種施工方法的優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行了對(duì)比分析，見表1。

表1 主體結(jié)構(gòu)順序施工和逆序施工的對(duì)比

3 結(jié)語

主體結(jié)構(gòu)逆序施工方法先后在2個(gè)大型微電子廠房中得到應(yīng)用，證明對(duì)縮短工程總工期是有幫助的。這2個(gè)工程為同一設(shè)計(jì)、同一業(yè)主，可見逆序施工方法得到了設(shè)計(jì)和業(yè)主的認(rèn)可。主體結(jié)構(gòu)逆序施工方法的成功實(shí)踐，可為類似工程的快速建造提供一定的借鑒。