半导体厂房钢结构节点优化应用探讨_闵小奎.pdf

1引言杭州某半导体生产厂房属于超大型的电子芯片厂房，集成电路制造工厂（Fabrication，简称FAB生产厂房）建筑面积超过26万m2，建筑最高高度47 m，属于高层工业厂房，钢结构用量5.8万t。厂房构件复杂、庞大，单榀桁架重量高达75 t，总日历工期300 d，工期极为紧张。施工过程既要保证安装进度，又要节约费用，是项目优化的主要方向和项目成功的重要因素。相关人员需要从技术、经济、管理等方面进行全面优化，才能取得较高的经济效益和管理效益。本文以钢结构节点为切入点论述了实施过程中对钢结构进行优化的具体措施。2工程概况本项目钢结构厂房的主要构造为FAB生产厂房，地上5层，局部地下1层，钢结构平面尺寸为265.2 m249.6 m，F4F14轴线为上、下2层桁架，共11个轴线，F15F25轴线为单层桁架，共11个轴线。桁架跨度均为28.8 m，共180榀桁架。桁架分楼层桁架和屋面桁架。楼层桁架高度7.05 m，单榀最重75 t，共54榀。钢柱构件主要为焊接箱形柱内灌注混凝土，钢梁、钢桁架构件主要为H形梁和矩形管，所有构件材质均为Q355B。项目的主要施工工艺流程是安装首节钢柱首层的主梁、次梁钢结构校正、焊接安装上节钢柱上层主梁、桁架安装钢结构校正、焊接，直至到顶。3节点优化方案原设计图纸中的节点是常见的钢结构节点形式，有柱拼接、梁柱刚接、桁架和柱刚接、梁梁铰接等主要类型。经过对设计图纸的各类节点和厂房安装方案的分析，影响本次钢结【作者简介】闵小奎（1983），男，安徽无为人，工程师，从事钢结构施工管理、施工技术及深化设计与研究。半导体厂房钢结构节点优化应用探讨Discussion on the Application of Optimization of Steel Structure Jointsin Semiconductor Factory Building闵小奎，张守用，许鹏（中国电子系统工程第二建设有限公司，江苏 无锡 214000）MIN Xiao-kui,ZHANG Shou-yong,XU Peng(ChinaElectronicsSystemEngineeringSecondConstructionCo.Ltd.,Wuxi 214000,China)【摘要】由于洁净半导体厂房对抗微震要求较高，因此，设计的梁柱刚度较大，需要大量采用刚接节点。但刚接节点对安装精度要求较高，洁净半导体厂房的平面尺寸较大，容易产生较大的积累误差。论文以杭州某洁净半导体厂房为研究对象，将梁柱栓焊节点优化为全焊接节点，解决了安装过程中由于厂房平面尺寸较大产生的累积误差、安装精度不足、安装困难的问题，保留了原有刚接节点形式的同时提升了构件的安装工效，节约了建设费用。【A b s t r a c t】Because the clean semiconductor workshop has high requirements for resisting micro earthquakes,the designed beam columnstiffnessislarge,andalargenumberofrigidjointsareused.However,rigidjointrequireshighinstallationaccuracy,whiletheplanesizeofcleansemiconductorfactoryislarge,whichiseasytoproducelargeaccumulatederrors.TakingacleansemiconductorfactorybuildinginHangzhouastheresearchobject,weoptimizedtheboltweldedjointsofbeamsandcolumnsintofullyweldedjoints,whichsolvedtheproblemsofinsufficientinstallationaccuracyanddifficultinstallationcausedbytheaccumulatederrorscausedbythelargeplanesizeofthefactoryduringtheinstallationprocess.Whileretainingtheoriginalrigidjointform,italsoimprovedtheinstallationefficiencyofcomponentsandsavedconstructioncosts.【关键词】半导体厂房；钢结构；节点；优化【K e y w o r d s】semiconductorworkshop;steelstructure;node;optimization【中图分类号】TU391【文献标志码】B【文章编号】1007-9467（2023）06-0013-03【DOI】10.13616/ki.gcjsysj.2023.06.204Architectural and Structural Design建筑与结构设计13Construction&DesignForProject工程建设与设计构安装进度的关键工作之一就是钢柱和主梁的安装1。钢柱钢梁桁架都是采用履带吊进行安装的，支撑、次梁等次结构可以通过塔吊进行嵌补，因此，钢柱、钢梁的安装工效决定了整个作业面的推进速度，具备优化的价值。因此，整个优化应从梁柱的节点入手，相关人员通过与设计、施工单位进行多次的沟通，并对工效、安全、质量和经济性进行深入分析后，对原有的梁柱刚接以及桁架和柱的刚接节点进行优化。3.1 原设计节点方案原设计节点为梁柱栓焊节点（见图1），钢梁腹板与钢柱连接板通过高强螺栓连接固定后，钢梁翼缘采用全熔透焊接（F.P.）到钢柱上。此节点在钢结构框架中较为常用，但是在本项目中，6万t钢结构需要在5个月内安装完成，工期极其紧张，螺栓安装工作会大量占用吊车的吊装时间，且构件的加工和安装极易产生较大的累积误差，导致螺栓难以顺利穿孔。一旦无法顺利穿孔就需要将吊上去的钢梁落地后再进行扩孔或者是补焊重新钻孔，严重影响安装进度。图 1梁柱栓焊节点3.2优化设计节点方案通过与设计部门和施工单位的探讨，相关人员提出了优化节点方案。梁柱采用全焊接节点，钢梁通过定位板与钢柱临时固定后，腹板、翼缘均采用全熔透焊接。在钢框梁下方增设2个三角托板用于保证现场安装安全，连接板开孔为46个，采用M24安装螺栓、连接板开孔为椭圆形长孔便于安装调节（见图2）。此节点在钢梁就位后一端穿46个螺栓，吊车即可松钩完成钢梁的吊装，且椭圆孔便于安装螺栓，安装工效可以极大地提高2。4优化节点对比为了评估优化后节点对项目工期、安全、质量和成本的影响，本文选取最先安装的1个轴线进行了综合对比。4.1优化后节点力学性能对比1）栓焊节点：节点承受的是弯剪组合力，上下翼缘承受弯矩（拉压应力），腹板主要是承受剪力。由于钢梁截面较大，高强螺栓的数量较多，对连接处的加工精度要求高，对螺栓群组的安装也有一定的要求。2）定位板+全焊接节点：节点受力情况依然是上下翼缘承受弯矩，腹板承受剪力，但是此时的连接板起的作用是定位板兼做衬垫板，仅在安装时使用。钢梁就位校正后，再先后对腹板、下翼缘、上翼缘进行焊接。腹板与钢柱现场单面剖口焊，焊缝为一级焊缝，可以做到焊缝与腹板等强，代替了原先高强螺栓组的作用。因此，优化前后节点力学性能等效。4.2优化后节点对项目工期的影响根据分包的经验安装工效，对安装工期进行对比分析（见表1）。经过对比，栓焊节点用时17 130 min，全焊接节点用时图 2定位板+全焊接节点1414 090 min，安装工效提升了（17 130-14 090）/14 090=28%，意味着整体安装进度加快了28%；若仅考虑钢柱、主梁、桁架的安装速度，工作面推进速度可加快（8020-4980）/4980=60%，提升效率非常明显。4.3两类节点现场施工难度、安全、质量对比分析两类节点现场施工难度、安全、质量对比分析见表2。表 2栓焊节点与全焊接节点施工和质量对比对比项栓焊节点全焊接节点车间制作连接板较大 20 mm260 mm740 mm，定位精度要求高，连接板尺寸大容易在运输过程中变形连接板宽度小 110 mm，椭圆孔对定位要求一般，连接板尺寸小运输时不易变形现场施工对精度控制要求比较高，如果存在的加工和安装误差，即使满足规范要求，也很容易造成腹板的高强螺栓无法顺利穿孔，需要将主梁重新落地进行铰孔后再重新安装将使得安装工效大打折扣，严重影响工期钢梁安装时的容错率较高，椭圆孔可以调节 10 mm 的误差，便于安装螺栓顺利就位，基本不存在加工误差引起的返工单节点工效差距安装就位后对孔难度较高，单根钢框梁的安装，时间大约为 40 min（不考虑重新扩孔的时间）主梁安装的时间为 20 min质量对比腹板的扭剪型高强螺栓连接质量便于控制和检验，翼缘的焊缝需要通过探伤来检测翼缘、腹板采用的全熔透焊缝连接，现场焊缝 100%超声探伤，节点质量可以得到保障施工安全对比对于这两种节点，安装时都需要梁柱节点位置，设置一个焊接吊篮，用于螺栓安装和节点焊接。两类节点处人员在高空中的作业时间大致相同，人员高空暴露时间总体相同，安全风险总量持平4.4两个节点成本对比分析两个节点成本对比分析见表3。表 3栓焊节点与全焊接节点成本对比项目栓焊节点全焊接节点螺栓成本高强螺栓 27 个，8 元/个，合计 216 元安装螺栓 5 个，1 元/个，合计 5 元连接板成本双夹板质量 2200.640.267.85=52 kg，约 500 元单定位板质量120.110.87.85=8.2 kg，约 88 元焊接成本腹板无焊接腹板 0.8 m 焊缝，焊接+探伤成本 120 元单个节点成本716 元/个218 元/个结论优化后的节点成本降低 230%，单节点的成本降低498 元，整个 FAB 厂房共约 3 100 个节点，共节约150 万元5结语通过上述综合对比来看，栓焊节点和全焊接节点的方式从在施工安全和质量上对比无太大的区别，从确保工期方面和项目的经济效益角度上对比，梁柱采用全焊接节点的形式工效更高，工期更短，且经济效益非常明显，因此，本项目的FAB厂房钢结构梁柱的节点最终选择了全焊接的节点形式。以项目F17F24轴线的实际安装情况来看，工期和经济效果优势明显，项目各方对此节点的优化效果都非常满意。【参考文献】1杨伟兴.有关钢结构梁柱节点连接方法的分析和探讨J.科技资讯,2010(5):85-86.2杨爱良.钢结构工程安装施工要点分析J.江西建材,2015(13):73-74.【收稿日期】2022-11-29表 1梁柱栓焊节点与全焊接节点的安装工效分析部位各类型杆件数量栓焊全焊栓焊节点的安装工效/（min 件）栓焊节点用时/min全焊接节点的安装工效/（min 件）全焊接节点用时/min钢柱钢梁桁架支撑钢次梁总安装用时/min仅计算钢柱钢梁用时/min44 根152 根3 榀9 根442 根44 根152 根3 榀9 根442 根1 7606 0801802708 84017 1308 02040206030201 7603 0401802708 84014 0904 980Architectural and Structural Design建筑与结构设计15