張海瑞,孫江龍,趙宇亮,陳開蓮,吳 字,李洪彬

(中建一局集團(tuán)建設(shè)發(fā)展有限公司,北京 100102)

0 引言

半導(dǎo)體材料行業(yè)工程建設(shè)在廠房及生產(chǎn)線設(shè)計(jì)、施工速度、施工質(zhì)量方面的要求極高,且當(dāng)下芯片行業(yè)緊迫的供應(yīng)形勢(shì)又對(duì)廠房的施工建造速度提出更高要求,如何采用先進(jìn)的施工技術(shù)快速完成廠房土建施工,是半導(dǎo)體芯片廠房建設(shè)的核心。

1 工程概況

某工程位于上海市浦東新區(qū)臨港新片區(qū),建成后用于生產(chǎn)CIS芯片,建筑面積為121 689m2,包含主生產(chǎn)廠房、動(dòng)力廠房、研發(fā)樓、辦公樓、停車樓、變電站、氣站等大小15個(gè)單體,屬于群體性建筑。結(jié)構(gòu)形式為框架結(jié)構(gòu),最高建筑單體高度為29.90m,其中主生產(chǎn)廠房屋面為跨度54m的超長超重鋼結(jié)構(gòu)桁架。工程效果如圖1所示。

圖1 工程效果Fig.1 Effect of engineering

按照目前半導(dǎo)體芯片廠房的建設(shè)實(shí)踐,土建施工主要內(nèi)容包括:地基與基礎(chǔ)、主體結(jié)構(gòu)、裝飾裝修、屋面及室外總平等內(nèi)容,涵蓋鋼筋混凝土、鋼結(jié)構(gòu)、裝配式構(gòu)件、建筑外墻、屋面工程、道路綠化和地下管線等施工分項(xiàng)。

2 項(xiàng)目難點(diǎn)

1)由于半導(dǎo)體芯片廠房的生產(chǎn)工藝和運(yùn)行功能需求,相應(yīng)的建設(shè)工程一般集生產(chǎn)、動(dòng)力、電力、氣站、辦公、研發(fā)、停車、餐飲等諸多功能于一體,建筑體量大,建設(shè)內(nèi)容繁多。

2)本工程屬于群體性建筑,包括建筑物和各類構(gòu)筑物合計(jì)15個(gè),如何在緊迫的建設(shè)周期內(nèi)和合理的資源投入下,安排各建設(shè)內(nèi)容施工順序,是項(xiàng)目成功建成并滿足投產(chǎn)需求的關(guān)鍵一環(huán)。

3)主生產(chǎn)廠房屋面為鋼結(jié)構(gòu)桁架和鋼筋桁架樓承板組合結(jié)構(gòu),其中鋼桁架跨度達(dá)54m,單榀凈重達(dá)71.5t,桁架截面高4.6～5.9m,屋面鋼桁架超長超重,順利吊裝是難點(diǎn)。

4)裝配化程度較高,預(yù)制構(gòu)件體量超過6 600m3, 構(gòu)件類型包括預(yù)制柱、預(yù)制梁、疊合板和樓梯等,由于無標(biāo)準(zhǔn)層,構(gòu)件截面參數(shù)繁多、類別雜,預(yù)制構(gòu)件生產(chǎn)模具配置、構(gòu)件精確排產(chǎn)、吊裝精準(zhǔn)就位均難度較大。

5)室外管線交叉密集,單趟管線長度就達(dá)上千米甚至更多,涉及雨水、污水、給水、生產(chǎn)廢水、綠化、燃?xì)?、消防?同時(shí)部分管道位于道路下方,如何確保各專業(yè)管線穿路套管全數(shù)預(yù)埋,縱斷面高程精準(zhǔn)控制和滿足管線功能,是貫穿整個(gè)項(xiàng)目建設(shè)須關(guān)注的重點(diǎn)。

6)生產(chǎn)廠房潔凈生產(chǎn)區(qū)采用華夫板工藝,華夫板厚1 000mm,間隔暗梁空間較小,鋼筋安裝幾乎無法操作,樓板混凝土完成面平整度要求為2mm/2m,如此嚴(yán)格的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)施工工序控制提出更高要求。

7)在室內(nèi)裝修和設(shè)備安裝過程中,需提前確保屋面和外立面斷水,為室內(nèi)作業(yè)創(chuàng)造環(huán)境,如何做到主體結(jié)構(gòu)封頂后續(xù)工作的緊密銜接尤為重要。

8)廠房各主要建筑結(jié)構(gòu)封頂前,要考慮空間移交給后續(xù)各設(shè)備安裝廠商,此時(shí)會(huì)出現(xiàn)多專業(yè)、多工種的平面立體全空間交叉。

3 半導(dǎo)體芯片廠房土建快速建造技術(shù)

3.1 合理、有序安排施工

半導(dǎo)體芯片廠房工程建設(shè)包含生產(chǎn)、動(dòng)力、供電、氣站、研發(fā)、辦公等多項(xiàng)內(nèi)容,項(xiàng)目建設(shè)需按照“由主及次、需求優(yōu)先、資源配套”的總體原則進(jìn)行部署,室外道路相關(guān)和關(guān)鍵建筑土建施工同時(shí)啟動(dòng),資源提前配套,附屬工程根據(jù)廠務(wù)方需求適配建設(shè)進(jìn)度。

1)室外總平 室外道路及路下管線,直接關(guān)系到項(xiàng)目建設(shè)場(chǎng)區(qū)的物流動(dòng)線形成,進(jìn)場(chǎng)后需立即啟動(dòng)。對(duì)于道路區(qū)域的管線和硬化,可根據(jù)土建主體結(jié)構(gòu)建設(shè)進(jìn)程,適時(shí)組織施工。

2)主要建筑單體 生產(chǎn)廠房、動(dòng)力廠房、供電廠房是主要建筑單體,務(wù)必優(yōu)先啟動(dòng),其中供電廠房最先完工并投入使用,確保供電輸出需求。其次對(duì)于大宗氣站(含氫氣棚、空壓站、硅烷站、倉庫、化學(xué)品庫等)建筑體量相對(duì)不大的小單體建筑群,可在主建筑建設(shè)封頂后啟動(dòng),確保資源投入連續(xù)、合理。對(duì)于辦公、研發(fā)及停車等配套建筑單體需結(jié)合建設(shè)方需求確定,在不影響新廠房運(yùn)行投產(chǎn)的前提下,可分階段啟動(dòng)建設(shè),但如果影響到新廠房的運(yùn)行,如VOC揮發(fā)、揚(yáng)塵、振動(dòng)等,也需在主生產(chǎn)廠房運(yùn)行前完成主要室外施工內(nèi)容。

3)建筑部品部件 對(duì)于存在工廠加工環(huán)節(jié)的施工內(nèi)容,包括鋼結(jié)構(gòu)、預(yù)制構(gòu)件、華夫板等,需將深化設(shè)計(jì)、工廠確定、下料加工、半成品儲(chǔ)備等各環(huán)節(jié)工作前置。一般在項(xiàng)目開建后即取得一手設(shè)計(jì)資料,開始深化設(shè)計(jì)、原材采購、工廠對(duì)接并確定整體半成品的供貨時(shí)間節(jié)點(diǎn),確保對(duì)施工現(xiàn)場(chǎng)供應(yīng)的穩(wěn)定有序。

3.2 生產(chǎn)廠房半逆作法施工工藝

生產(chǎn)廠房采用半逆作法施工工藝,即支持區(qū)結(jié)構(gòu)按照由下到上的順序進(jìn)行,核心區(qū)有鋼桁架屋蓋結(jié)構(gòu)的區(qū)域,基礎(chǔ)筏板完成后作為拼裝吊裝場(chǎng)地,先施工屋蓋結(jié)構(gòu),后施工屋蓋以下結(jié)構(gòu),如圖2所示。采用該施工方法,可快速完成屋面結(jié)構(gòu),達(dá)到生產(chǎn)廠房室內(nèi)提早斷水的目的,為室內(nèi)其他工序施工創(chuàng)造相對(duì)干燥舒適的條件。

3.2.1筏板施工

筏板施工時(shí)須考慮如何優(yōu)化筏板施工工藝,加快施工進(jìn)度,為上部結(jié)構(gòu)施工提供作業(yè)面。半導(dǎo)體芯片生產(chǎn)廠房一般單體基底面積較大,筏板屬于大體積混凝土,采用跳倉法施工工藝。同時(shí)考慮屋面鋼桁架安裝需要,底板施工完成后,立即進(jìn)行鋼柱吊裝與外包柱腳施工,并灌注箱形柱內(nèi)混凝土。外包柱腳高至2層梁底,內(nèi)灌混凝土至柱頂、填充密實(shí)。

3.2.2吊裝預(yù)留通道

因屋面鋼桁架吊裝設(shè)備需在筏板上行走,因此需在筏板施工階段,結(jié)合柱網(wǎng)尺寸預(yù)留通道,通道穿越框架柱插筋采用一級(jí)套筒連接(見圖3),并在筏板面下預(yù)留180mm深不澆筑混凝土,將鋼筋頭全部埋入筏板內(nèi),預(yù)留區(qū)域內(nèi)填砂,防止絲頭損壞,柱施工前,將填砂清理干凈。

圖3 預(yù)留通道上柱插筋做法Fig.3 Construction method of column stiffener inreserved channel

3.2.3屋面鋼桁架分段和胎架設(shè)置

結(jié)合運(yùn)輸、單元質(zhì)量、結(jié)構(gòu)受力等因素,對(duì)鋼桁架工廠加工進(jìn)行分段,長度<17.5m,寬度及高度<3m,如圖4所示。

圖4 鋼桁架分段Fig.4 Steel truss segment

考慮工程場(chǎng)地條件和施工工況,將基礎(chǔ)筏板作為鋼桁架整體拼裝場(chǎng)地,采用600mm高工字鋼作為現(xiàn)場(chǎng)拼裝胎架,工字鋼設(shè)置長度為9m,每榀桁架設(shè)置6根工字鋼(見圖5),垂直支撐每榀設(shè)置2根工字鋼。共設(shè)置4組桁架胎架、4組垂直支撐胎架,胎架隨拼裝位置變化倒運(yùn)使用。

圖5 桁架胎架擺放示意Fig.5 Placement of truss tire frames

3.2.4鋼桁架吊裝

鋼桁架地面拼裝成整體,采用吊車一次吊裝就位,吊車行走通道上鋪設(shè)木模板等材料對(duì)筏板做好保護(hù)。吊車選型需考慮負(fù)荷率,同時(shí)結(jié)合吊裝高度、吊幅及整榀桁架和吊鉤、鋼絲繩總重等因素。桁架整體吊裝至原位,待焊接作業(yè)完成后吊車拆鉤。鋼桁架間的上下弦次梁及柱間支撐采用小型吊車跟進(jìn)安裝?？紤]屋蓋以下結(jié)構(gòu)內(nèi)部施工,桁架樓承板和屋面混凝土施工時(shí)預(yù)留吊裝口,確保內(nèi)部施工材料轉(zhuǎn)運(yùn)。

3.3 裝配化應(yīng)用

3.3.1裝配化在半導(dǎo)芯片廠房中的應(yīng)用

整體上來說,半導(dǎo)體芯片廠房中裝配化應(yīng)用涉及預(yù)制柱、預(yù)制疊合梁、預(yù)制疊合板、預(yù)制樓梯、華夫板膜殼、輕質(zhì)墻板等。在項(xiàng)目前期籌備充分的情況下,實(shí)施裝配式建筑可明顯改善項(xiàng)目現(xiàn)場(chǎng)施工環(huán)境、減少人力投入、加快施工進(jìn)度。

3.3.2華夫板施工技術(shù)

為保證生產(chǎn)車間的高潔凈度,華夫板廣泛應(yīng)用于高科技電子廠房,這種華夫板模板在建筑樓層中均勻預(yù)留大量孔洞,使上下樓層形成回風(fēng)通道,利用強(qiáng)大的氣壓排出潔凈空間的懸浮顆粒,以達(dá)到車間所需潔凈度要求。華夫板型潔凈室工作原理如圖6所示。

圖6 華夫板型潔凈室工作原理Fig.6 Working principle of waffle clean room

華夫板應(yīng)用發(fā)展至今大致分為可拆式和免拆式,產(chǎn)品類型分為直筒與梯形(見圖7),制作材質(zhì)通常采用FRP,SMC等材料。

圖7 華夫板產(chǎn)品類型Fig.7 Waffle board product type

考慮華夫板膜殼加工工藝的特殊性,為避免在供貨過程中出現(xiàn)斷供,在充分考察工廠生產(chǎn)能力的前提下,選二備一,提前規(guī)避供貨風(fēng)險(xiǎn)。

華夫板膜殼工廠加工前15d即進(jìn)行預(yù)排版深化,精準(zhǔn)統(tǒng)計(jì)產(chǎn)品規(guī)格,根據(jù)排版制定精細(xì)化日生產(chǎn)計(jì)劃,并委派兼職人員不定期駐場(chǎng),監(jiān)督原材供應(yīng)和工廠生產(chǎn)進(jìn)展,確保華夫板成品儲(chǔ)備量保持在現(xiàn)場(chǎng)2個(gè)施工段用量之上。

為確?？焖偈┕?華夫板安裝滿堂支撐架(見圖8),采用安拆方便、高效的盤扣式鋼管材料,投入40mm×40mm方鋼優(yōu)化龍骨配置,減少木工作業(yè),提高工效,華夫板膜殼安裝前將內(nèi)部加固支撐工序前置,以便直接定位鋪設(shè)。

圖8 華夫板支撐架體Fig.8 Waffle board support frame

華夫板膜殼下整層鋪設(shè)平臺(tái)板,鋪設(shè)膜殼并安裝桶蓋后綁扎縱橫向鋼筋,鋼筋施工時(shí)在箍筋上焊接鋼筋定位卡鉤,代替扎絲綁扎作業(yè),解決綁扎空間不足難題的同時(shí)加快施工速度,確保鋼筋保護(hù)層滿足要求。華夫板施工過程如圖9所示。

圖9 華夫板施工過程Fig.9 Waffle board construction process

澆筑混凝土后采用激光紅外儀輔助找平,在整個(gè)華夫板施工過程中,務(wù)必從支撐架體搭設(shè)、平臺(tái)板、華夫板桶蓋、鋼筋保護(hù)層及混凝土澆筑完成面各環(huán)節(jié)嚴(yán)格把控,做到“步步監(jiān)測(cè),適時(shí)調(diào)整”,確保華夫板完成面達(dá)到2mm/2m的平整度要求。

3.3.3零模板投入預(yù)制構(gòu)件安裝

在施工現(xiàn)場(chǎng)安裝預(yù)制構(gòu)件前需做大量工作,包括圖紙深化設(shè)計(jì)、工廠加工、堆放和吊裝分析等,按照整體項(xiàng)目建設(shè)計(jì)劃倒排并以此為據(jù)前置上述工作,確?，F(xiàn)場(chǎng)安裝的需求。

現(xiàn)場(chǎng)構(gòu)件安裝細(xì)分構(gòu)件類型、編號(hào)、安裝順序、構(gòu)件質(zhì)量等信息,選擇塔式起重機(jī)配合吊車等進(jìn)行吊裝。為加快施工效率,優(yōu)化施工工序,采用承插型盤扣鋼管支架,疊合梁下采用雙槽鋼托梁轉(zhuǎn)換至兩側(cè)盤扣立桿托盤上,疊合梁和疊合板下采用雙□100×50×3作為龍骨的零模板投入安裝支撐體系,如圖10所示。該體系相較于傳統(tǒng)的施工做法減少了模板面板、木方或鋼管等次龍骨工序,直接在方鋼龍骨體系上放置疊合梁和疊合板,既減少了一次性材料的投入,也減少中間工序環(huán)節(jié),有利于加快施工進(jìn)度。

圖10 預(yù)制構(gòu)件安裝支撐體系Fig.10 Prefabricated components installationsupport systems

3.4 快速移交

3.4.1二次結(jié)構(gòu)緊密銜接

廠房建設(shè)待主體結(jié)構(gòu)進(jìn)行到一定階段,局部樓層即具備后續(xù)作業(yè)條件,裝飾裝修要做好銜接配套,盡量減少砌體等濕作業(yè),進(jìn)而采用輕質(zhì)墻板(GRC墻板、ALC墻板、輕鋼龍骨墻體等)施工技術(shù)進(jìn)行替代(見圖11),改善作業(yè)環(huán)境的同時(shí)做到免抹灰,優(yōu)化工序,加快施工節(jié)奏,創(chuàng)造空間移交條件。

圖11 輕質(zhì)墻板Fig.11 Lightweight wall panel

在整個(gè)建筑室內(nèi)隔墻施工前,要充分協(xié)同各設(shè)備專業(yè)洞口預(yù)留條件的需求,施工時(shí)準(zhǔn)確預(yù)留各專業(yè)洞口,減少墻體后開洞帶來的質(zhì)量隱患。

3.4.2外立面斷水

主體結(jié)構(gòu)封頂后,需在最短時(shí)間達(dá)到外立面封閉斷水,確保室內(nèi)設(shè)備管線的施工。主體結(jié)構(gòu)施工進(jìn)入地上前,需經(jīng)各方敲定外立面分割效果,并以此進(jìn)行外墻板塊安裝的埋件設(shè)計(jì),在結(jié)構(gòu)施工的同時(shí)進(jìn)行埋件預(yù)埋作業(yè)。主體結(jié)構(gòu)施工期間即完成外墻深化和檁條等材料的加工儲(chǔ)備,結(jié)構(gòu)封頂后創(chuàng)造條件提前安裝檁條,外操作腳手架拆除后,除預(yù)留搬運(yùn)通道外,全面進(jìn)行外墻施工。

上述為半導(dǎo)體芯片廠房加快外立面斷水的常規(guī)施工工序安排,對(duì)于核心區(qū)外立面,則需采取提前斷水技術(shù),包括外圍護(hù)墻體采用鋼筋混凝土墻體、砌筑墻體和輕質(zhì)裝配式墻板提前安裝的方式。采用鋼筋混凝土墻體成本相對(duì)較高;采用砌筑墻體工序多,施工慢;采用輕質(zhì)裝配式墻板則能在避免濕作業(yè)的情況下快速施工。

本工程利用具有防水性能的巖棉夾芯板,通過U形龍骨固定于結(jié)構(gòu)框架間,形成潔凈廠房外圍護(hù)中間墻體。夾芯板拼縫采用中置鋁條,確保拼縫嚴(yán)密,另外考慮層高和夾芯板本身的強(qiáng)度特點(diǎn)與普通巖棉夾芯板不同,于夾芯板內(nèi)設(shè)置加強(qiáng)肋,確保墻身剛度。生產(chǎn)廠房核心區(qū)墻體構(gòu)造如圖12所示。

圖12 生產(chǎn)廠房核心區(qū)墻體構(gòu)造Fig.12 Wall structure of the core area of the production plant

3.4.3空間移交

空間移交是指將建筑內(nèi)具備設(shè)備安裝條件的樓層空間進(jìn)行交接,對(duì)于土建施工來說,空間移交須滿足樓層架體模板材料拆除并清理、斷水、部分功能房間(變電站等)內(nèi)隔墻完成、樓地面平整度滿足要求、質(zhì)量瑕疵修繕完成等條件。土建快速施工的目標(biāo)也是確保移交,以便于設(shè)備安裝做到快速穿插、空間占滿、消除作業(yè)面閑置,達(dá)到快速建造。

為實(shí)現(xiàn)空間快速移交,需制定具體到每個(gè)功能房間的管家式移交計(jì)劃,土建專業(yè)需做到邊干邊收,快速退出。具備移交條件后,集中聯(lián)合建設(shè)方使用部門、安裝單位、監(jiān)理單位等進(jìn)行驗(yàn)收移交。

安裝單位在移交前要做好施工準(zhǔn)備,借助高精度BIM模型完成深化設(shè)計(jì)工作,提高管線預(yù)制化加工和多構(gòu)件集成設(shè)計(jì)。移交后快速展開相關(guān)工作,多專業(yè)協(xié)同,優(yōu)化工序,減少交叉,提升安裝效能。

3.5 室外配套快速建造技術(shù)

3.5.1道路、圍墻永臨結(jié)合

樁基施工階段,即進(jìn)行圍墻施工,圍墻基礎(chǔ)采用正式基礎(chǔ),上部圍擋可采用臨時(shí)圍擋,待建設(shè)后期用正式圍擋替代臨時(shí)圍擋。

廠房內(nèi)部道路一般采用混凝土基層和瀝青面層相結(jié)合的做法(見圖13),根據(jù)室外管線綜合設(shè)計(jì)圖做好道路下的管井和套管預(yù)埋工作,施工正式道路至混凝土結(jié)構(gòu)層,作為施工道路使用,待所有管線檢測(cè)和所有土方、綠化作業(yè)結(jié)束后,施工瀝青面層,形成正式道路。

3.5.2構(gòu)筑物預(yù)制化

半導(dǎo)體芯片廠房室外構(gòu)筑物種類相對(duì)豐富,包括管橋管架、柴油罐、化糞池、隔油池、油水分離器、雨水收集池、降溫池、各類提升井、地下水池等,構(gòu)筑物施工在整個(gè)室外施工作業(yè)中占比較大,遵循“先地下后地上,先支護(hù)后開挖,先深后淺”的原則。

對(duì)于管橋管架基礎(chǔ)、各類儲(chǔ)罐及地下水池、提升井等埋深較大的構(gòu)筑物,需在主建筑單體基礎(chǔ)施工階段優(yōu)先施工。對(duì)于化糞池、隔油池、降溫池及各類窨井,應(yīng)加大預(yù)制化應(yīng)用比例,采用玻璃鋼、混凝土預(yù)制成品、模塊磚等,在開挖后短時(shí)間內(nèi)即可安裝就位,減少構(gòu)筑物施工可能帶來的交叉影響。

3.6 BIM技術(shù)應(yīng)用

在廠房建設(shè)過程中,BIM技術(shù)應(yīng)用于深化設(shè)計(jì)、算量、各專業(yè)碰撞檢查、施工模擬、可視化交底等方面,建立BIM信息管理平臺(tái),為項(xiàng)目快速建造提供技術(shù)支撐。

4 結(jié)語

近年來在利好政策不斷扶持下,半導(dǎo)體材料的應(yīng)用市場(chǎng)迎來了爆發(fā)式增長,芯片緊缺的現(xiàn)狀對(duì)廠房建設(shè)的快周期要求更迫切,如何合理安排施工工序,優(yōu)化施工工藝,提升土建快速建造效率,短期內(nèi)實(shí)現(xiàn)半導(dǎo)體芯片廠房投產(chǎn)運(yùn)行目標(biāo)值得探索和實(shí)踐。本文通過總結(jié)已有半導(dǎo)體芯片廠房施工實(shí)踐中土建快速建造施工技術(shù),從群體建筑分階段啟動(dòng)、生產(chǎn)廠房核心建造、裝配化應(yīng)用、室外配套快速施工、快速移交及BIM技術(shù)的應(yīng)用等方面進(jìn)行敘述,可為類似工程的建造提供參考。