唐 昊 胡登先

中機國際工程設(shè)計研究院有限責(zé)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(fā)生產(chǎn)，為各行業(yè)諸領(lǐng)域的發(fā)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(xué)電池等。由于此類電池產(chǎn)品的生產(chǎn)具有一定的特殊性，既要考慮到工藝要求，又要根據(jù)經(jīng)濟合理性選擇適配性廠房。因而，在當(dāng)前新能源動力電池行業(yè)高質(zhì)量發(fā)展之際，應(yīng)持續(xù)加強對其廠房建筑設(shè)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(chǎn)企業(yè)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(jù)現(xiàn)行《裝配式建筑評價標(biāo)準(zhǔn)》（GB/T 51129-2017）要求裝配率必須在50%以上。結(jié)合前期勘察報告、環(huán)境影響評價報告內(nèi)容，該廠房結(jié)構(gòu)抗震設(shè)防被列為標(biāo)準(zhǔn)設(shè)類，設(shè)計基本地震加速度與抗震設(shè)防烈度分別為0.2g、8度。中間核心區(qū)屋面應(yīng)用了鋼桁架，雙側(cè)支持區(qū)采用框架結(jié)構(gòu)，框架抗震等級為二級[2]。

2 工藝要求

該企業(yè)以鋰電池生產(chǎn)為主營業(yè)務(wù)，產(chǎn)品種類多樣，主要服務(wù)于航空航天、電網(wǎng)儲能、交通工具、電子產(chǎn)品等行業(yè)。根據(jù)以往的生產(chǎn)工藝要求看，主要流程如圖1。

圖1 鋰電池生產(chǎn)流程示意

為了滿足其工藝要求，設(shè)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(guī)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(shè)計

該廠房屬于工業(yè)建筑類型，建筑設(shè)計過程中要求將生產(chǎn)工藝流程與建筑聯(lián)動起來進行設(shè)計。完成初步設(shè)計后，設(shè)計人員根據(jù)建筑設(shè)計深化優(yōu)化要求，選擇數(shù)字化建模技術(shù)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(shè)備模型；（3）工藝仿真。首先，設(shè)計人員將CAD二維設(shè)計圖導(dǎo)入Revit軟件建立三維設(shè)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(shè)置。然后，把三維設(shè)計圖導(dǎo)入Navisworks軟件進行“4D動畫仿真”，進行場地優(yōu)化布置、確定施工安全距離、預(yù)測分部項目施工中潛在的風(fēng)險。BIM集成管理平臺架構(gòu)如圖2。

圖2 BIM集成管理平臺架構(gòu)示意

其次，設(shè)計人員眾工藝-建筑聯(lián)動設(shè)計出發(fā)，運用數(shù)字孿生技術(shù)建立構(gòu)建與物理設(shè)備對應(yīng)的數(shù)字孿生設(shè)備，然后，根據(jù)“設(shè)計仿真→工藝仿真→生產(chǎn)仿真→設(shè)計優(yōu)化”模型對整個生產(chǎn)工藝進行了仿真分析，確定各項內(nèi)容無誤后，再對其進行細節(jié)優(yōu)化設(shè)計。具體操作時，設(shè)計人員先制作了設(shè)計要素清單，對照每項設(shè)計要素一一檢查設(shè)計達標(biāo)情況，如果存在設(shè)計指標(biāo)不完善或者存在冗余的情況，及進進行補充與去除，確保設(shè)計要素與設(shè)計指標(biāo)始終保持一致，進而保障在設(shè)計施工一體化實踐模式下充分發(fā)揮設(shè)計環(huán)節(jié)的引領(lǐng)性作用，為后續(xù)施工做好充分準(zhǔn)備[4]。

4 結(jié)構(gòu)設(shè)計

在結(jié)構(gòu)設(shè)計方面，設(shè)計人中根據(jù)建筑外輪廓與核心區(qū)的劃分，選用混凝土框排架結(jié)構(gòu)，并且根據(jù)其使用功能設(shè)計大跨度后于屋面應(yīng)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(jié)構(gòu)計算模型的精準(zhǔn)性，設(shè)計人員劃分了A~G區(qū)，除A~C、F~G為外輪廓支持區(qū)外，其余為核心區(qū)。同時，在G~F區(qū)域設(shè)置單跨，屬于無縫靜定結(jié)構(gòu)，支持區(qū)的軸線與主體相連，軸線間不設(shè)置縫縫。（2）為了滿足抗震要求，設(shè)計人員查閱讀了GB 50011-2010《建筑抗震設(shè)計規(guī)范（2016版）》中要求，其中沒有對框排架結(jié)構(gòu)形式做進一步規(guī)定。在這種前提下，設(shè)計人員根據(jù)現(xiàn)行《裝配式建筑評價標(biāo)準(zhǔn)》（GB/T 51129-2017）中提供的指導(dǎo)意見與要求，沒有采用上述規(guī)范中的傳統(tǒng)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(jié)構(gòu)內(nèi)，設(shè)計人員應(yīng)用SATWE程序進行計算前，先對原結(jié)構(gòu)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(yīng)進行計算[5]。根據(jù)以往的設(shè)計經(jīng)驗看，同類工業(yè)建筑結(jié)構(gòu)體系中伴隨有扭轉(zhuǎn)振動現(xiàn)象，而且要受到工藝條件的限定。因而應(yīng)用SATWE對上述條件下的結(jié)構(gòu)進行計算發(fā)現(xiàn)，第一周期的平動系數(shù)符合上述規(guī)范中的實際要求，如表1。

表1 SATWE計算結(jié)果

再如，在該廠房建筑性能分析方面，設(shè)計人員進一步結(jié)合實際建筑結(jié)構(gòu)的復(fù)雜形態(tài)，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(tài)分析。具體操作如下：（1）簡化結(jié)構(gòu)，將結(jié)構(gòu)梁、柱轉(zhuǎn)化為空間桿。（2）使用該軟件中的“定義板”，把框架中的樓板設(shè)置為殼單元。（3）該建筑中的屋架對整體結(jié)構(gòu)的影響相對較小，其中的動力反應(yīng)可以忽略。在這種條件下，設(shè)計人員使用軸力桿件代替屋架部分，并將斜撐加到了結(jié)構(gòu)兩側(cè)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(jié)果發(fā)現(xiàn)，第1~3振型計算結(jié)果趨于一致，第4振型伴隨著扭轉(zhuǎn)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(shè)計人員對橫向每一榀桁架進行獨立計算發(fā)現(xiàn)，其中的梁配筋計算值與初步設(shè)計中的計算值相比，增加了10%，柱配筋反而減少了20%。因此，設(shè)計人員根據(jù)實際計算結(jié)果調(diào)整了結(jié)構(gòu)布局，具體操作時將排架位置的梁、柱進行了具體調(diào)整。

5 經(jīng)濟分析

首先，設(shè)計人員根據(jù)環(huán)境影響評價報告，對鋼筋、鋼材、復(fù)合壓型鋼板等進行分析，確認(rèn)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(yōu)勢外，還具有自重輕、平面使用率高、墻體截面小等優(yōu)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(xiàn)工廠化預(yù)制生產(chǎn)，根據(jù)《裝配式建筑評價標(biāo)準(zhǔn)》（GB/T 51129-2017）看，該建筑在設(shè)計施工一體化實踐模式下，需要按PC構(gòu)件設(shè)計→原料采購→預(yù)制生產(chǎn)→運輸→現(xiàn)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(shè)計中搭建了BIM集成管理平臺，在后續(xù)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(xiàn)對設(shè)計成本、建造成本的合理控制等。根據(jù)設(shè)計人員的計算，與傳統(tǒng)混凝土結(jié)構(gòu)相比，鋼結(jié)構(gòu)與框架結(jié)構(gòu)應(yīng)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(biāo)準(zhǔn)》（GB/T 50378-2019）下結(jié)合專項化的環(huán)境管理，將污染降到最低程度，保障建筑達到安全耐久、穩(wěn)定運行、資源節(jié)約、環(huán)境適合生產(chǎn)等多項綠色建筑評價評要求[6]。

第三，當(dāng)前，正值中國式現(xiàn)代化改革新時期，新能源動力電池廠房建筑生產(chǎn)中應(yīng)充分考慮“生態(tài)化”、“數(shù)字化”、“工業(yè)化”的并聯(lián)式發(fā)展，在設(shè)計此類工業(yè)建筑的過程中考慮到智能工廠的基本架構(gòu)，并為其做好預(yù)留：（1）工廠設(shè)備的自動化—智能加工中心與生產(chǎn)線的應(yīng)用；（2）信息系統(tǒng)集成化—智能化生產(chǎn)數(shù)據(jù)采集與過程管控；（3）生產(chǎn)管理的高效化與柔性化—建立智能化生產(chǎn)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(qū)與支持區(qū)建設(shè)后，可以為后續(xù)的“組團化”設(shè)計做好預(yù)留，從而為其數(shù)字工業(yè)化、工業(yè)數(shù)字化發(fā)展奠定堅實基礎(chǔ)。具體而言，除生產(chǎn)廠房外，該企業(yè)需要配套設(shè)置生活區(qū)、休閑娛樂區(qū)、綠化區(qū)等。建議在后續(xù)設(shè)計中盡可能選擇“L型”設(shè)計方案，確保廠房建筑與其他建筑之間的聯(lián)動。

6 注意事項

新能源動力電池廠房建筑設(shè)計專業(yè)性強，具有一定的復(fù)雜性，具體設(shè)計過程中，除以上內(nèi)容外，應(yīng)注意以下事項：（1）設(shè)計人員應(yīng)考慮到此類企業(yè)建立本質(zhì)安全的實際要求，突出本質(zhì)安全設(shè)計理念。例如，在循環(huán)測試設(shè)備方面應(yīng)根據(jù)一級保護、二級保護、設(shè)備消防等進行相應(yīng)設(shè)計。（2）此類廠房建筑中對于空調(diào)暖通的需求較大，設(shè)計人員應(yīng)對空調(diào)負(fù)荷特點做進一步分析，精準(zhǔn)計算各生產(chǎn)車間室內(nèi)設(shè)計參數(shù)，包括制膠到封閉焊接車間、負(fù)極勻漿車間、涂布機頭車間、烘烤與注漿車間、非潔凈區(qū)域的溫濕度及潔凈度。至于冷熱源方案的設(shè)計可以參考《工業(yè)建筑供暖通風(fēng)與空調(diào)設(shè)計規(guī)范》中提供的標(biāo)準(zhǔn)要求等。

7 結(jié)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(yè)建筑本身的使用功能外，還需要配套的做好生產(chǎn)工藝與建筑的聯(lián)動、確保建筑初步設(shè)計、結(jié)構(gòu)設(shè)計、消防設(shè)計的全面性及有效性。結(jié)合上述分析，建議在同類新能源動力電池廠房建筑設(shè)計過程中，一方面結(jié)合勘察報告與環(huán)境影響評價報告等，全面分析其場址選址、地質(zhì)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(yīng)突出設(shè)計施工一體化實踐模式下設(shè)計環(huán)節(jié)的引領(lǐng)性作用，從而在綜合考慮節(jié)能、結(jié)構(gòu)、技術(shù)、經(jīng)濟等因素的基礎(chǔ)上，從多套方案中比選出最優(yōu)方案。