液體制劑類醫藥廠房等效均布荷載調查與研究

那 磊

煤炭工業規劃設計研究院有限公司 北京 100120

1 前言

現如今我國經濟進入高質量發展的攻關階段，因此，控制成本、提高效率、優化設計成為設計院的核心競爭力和生存依托。對于結構專業，如何快速確定合理的樓面活荷載成為有效提高工作效率和結構經濟性，提高行業競爭力的先決條件。本文以醫藥廠房中最常見的液體制劑作為研究對象，針對不同結構形式和板跨，對不同工藝設備進行樓面等效荷載計算分析，彌補液體制劑類醫藥廠房樓面等效均布荷載的空缺，解決目前設計中荷載取值保守的問題，實現設計標準化，提升設計效率和經濟性。

醫藥工業廠房一般以結構跨度為8m或9m的多層鋼筋混凝土框架結構為主。該類廠房層高較高，多為7至8m。通過對液體制劑類醫藥廠房中工藝設備的調研，并結合《建筑結構荷載規范》（GB50009-2012）附錄C和《建筑結構荷載設計手冊》（第二版）第三章中對于工業廠房等效活荷載統計和計算方法，通過對不同制劑容器類別對應的工藝設備及其參數進行調查統計，并根據不同結構形式、板跨對設備的等效活荷載進行分析和總結，統計出一個完整的液體制劑類醫藥廠房的等效荷載體系，并可將該研究體系擴展到其他工業廠房中。

2 工藝設備調查與研究

液體制劑作為醫藥工程系統中最普遍的一種類型，具有系統龐大、種類繁多的特點。在成品制劑類別中，注射劑應用最廣，生產和使用規模最大，該注射劑容器也可盛裝口服液制劑。注射劑容器主要以安瓿瓶和西林瓶為主。其中，以安瓿瓶為容器的注射劑的工藝流程主要包括：洗瓶、烘干、灌裝、封口、滅菌、燈檢、包裝等；而以西林瓶為容器的注射劑的工藝流程主要有：洗瓶、烘干、灌裝、加塞、扎蓋、滅菌、燈檢、包裝等。在國內，注射劑生產配套設備主要以楚天科技股份有限公司的產品為主。

根據調查，注射劑生產工藝中的設備有AQCL系列安瓿立式超聲波清洗劑、KSZ系列安瓿隧道式滅菌干燥機、AGFL系列安瓿灌封機，AGS系列安瓿和西林灌封加塞機、KQCL系列西林瓶立體超聲波清洗機、KSZ系列西林瓶滅菌干燥機、KGS16系列西林瓶灌裝加塞機、KFGB和KFGC系列西林瓶螺桿分裝機、G系列西林瓶扎蓋機。設備型號和對應運行重量見表2.1。

另外，在以西林瓶為容器的小容量注射粉針劑生產過程中，干燥是其中最重要的一個環節。隨著科技的發展，真空冷凍干燥作為干燥環節的核心技術已經成熟并進入中試和生產階段。在國內，凍干機主要以東富龍科技股份有限公司的產品為主。該品牌凍干機主要分為兩種，在位清洗功能（CIP）技術產品與在線滅菌功能（SIP）技術產品。設備型號和對應運行重量見表2.2。

表2 .2 凍干機設備型號及運行重量表

根據調研結果，設備出現故障時，有專人在原地進行維修排查。因此，維修荷載可按操作荷載取值；如遇重大故障，則需將設備移出廠區維修，此時設備荷載為凈自重，因此不涉及維修荷載的增加。另外，配套設備均無明顯振感，從安全角度，振動系數取1.1。在液體制劑的工藝中，存在一些原料堆放處、分裝暫存間、液體配制間、稱量間等輔助車間。而該類車間為原輔料或成品的中轉區域，其中并無明顯堆料和較重設備，因此活荷載可按一般車間取值。

3 樓面等效荷載確定

根據《建筑結構荷載規范》附錄C和《建筑結構荷載設計手冊》（第二版）第三章中關于工業建筑樓面活荷載的等效計算方法，首先應當確定結構形式和梁板布置。液體制劑類工業廠房通常是柱網為8×8m至9×9m的多層鋼筋混凝土框架結構。因此，本次課題針對框架構件及基礎、2.5m、3.0m和3.5m跨的單向板和次梁、3×3m及4×4m的雙向板和次梁對設備等效荷載分別進行計算分析。

3.1 框架構件及基礎等效荷載計算

本節選取安瓿滅菌干燥間為例，該車間配套設備為楚天科技KSZ系列安瓿隧道式滅菌干燥機KSZ620/43B型，設備尺寸為3680×1555×2450（長×寬×高），設備運行重量4000kg，設備下無基礎。設廠房柱網尺寸8m×8m。

設備荷載：40×1.1=44 kN；操作荷載：（8×8-3.68×1.555）×2=116.60 kN；等效均布荷載：（44+116.6）/（8×8）=2.51 kN/m2。因此，KSZ620/43B型滅菌干燥機在8m×8m柱網計算框架構件及基礎時的等效活荷載為2.51 kN/m2。

3.2 單向板及次梁等效荷載計算

以2.5m板跨單向板及次梁為例計算樓面等效荷載。

設備以最不利布置方式置于單向板上，設備重=40 kN，操作荷載=2 kN，板跨l0=2.5 m，基礎厚度s=0，混凝土板厚h=0.12 m；

1）當設備短邊垂直于板跨時：設備長btx=3.68 m，設備寬bty=1.70 m，設備計算長度bcx=btx+2s+h=3.80 m，設備有效計算寬度bcy=bty+2s+h=1.82 m；由于0.6l0＜bcy，因此有效分布寬度b=0.6bcy+0.94l0=3.44 m；無設備區域操作荷載產生的線荷載q1=2×3.44=6.88 kN/m；設備荷載扣除所占區域操作荷載產生的線荷載q2=（40×1.1-2×3.68×1.70）/3.80=8.29 kN/m；板的絕對最大彎矩+1/8q2l0bcx（2-bcx/l0）=10.10 kNm；等效樓板均布活荷載：=3.76 kN/m2。而由于bcx＞l0,因此等效活荷載取qe=40×1.1/（3.68×1.70）=7.03 kN/m2。

2）當設備短邊平行于短跨時：btx=1.70 m，bty=3.68 m，bcx=btx+2s+h=1.82 m，bcy=bty+2s+h=3.80 m；由于bcy≤2.2l0，因此b=2/3bcy+0.73l0=4.36 m；q1=2×5.09=8.72 kN/m；q2=（40×1.1-2×1.70×3.68）/1.82=17.30 kN/m；Mmax=1/8+1/8q2l0bcx（2-bcx/l0）=19.33 kNm；=5.68 kN/m2。因此，KSZ620/43B型滅菌干燥機在2.5m板跨計算次梁和板的等效活荷載為7.03 kN/m2。

同理，可計算出該設備在3.0m和3.5m板跨中單向板及次梁的樓面等效荷載。

3.3 雙向板及次梁等效荷載計算

以4×4m板跨雙向板為例計算樓面等效荷載。

設備以最不利布置方式置于雙向板之上，設備重=40 kN，操作荷載=2 kN，板跨lx= ly=4.0 m，基礎厚度s=0，混凝土板厚h=0.12 m；設備長btx=3.68 m，設備寬bty=1.70 m，設備計算長度bcx=btx+2s+h=3.80 m，設備有效計算寬度bcy=bty+2s+h=1.82 m；無設備區域操作荷載q1=2 kN/m2；設備荷載扣除所占區域操作荷載產生的線荷載q2=（40×1.1-2×3.68×1.70）/（3.8×1.82）=4.55 kN/m2；已知系數：k=lx/ly=1，α=bcx/ ly=0.95，β= bcy/ ly=0.455，局部荷載中心至最近的短邊（長邊）距離/短邊計算跨度：ξ=0.5（η=0.5），通過查表可得：θx=0.8414，θy=0.7148。而，q2產生的等效均布荷載q2e=max（θx，θy）q2=3.83，因此，qe= q1+ q2e=5.83 kN/m2。

同理，可計算出該設備在3×3m板跨中雙向板及次梁的樓面等效荷載。

3.4 不同設備支座方式對等效荷載計算的影響

不同工藝的設備支座方式包括：全部底面與樓面接觸（面與面接觸）、底面兩條底座與樓面接觸（線與面接觸）、若干支腿與樓面接觸（點與面接觸）。而不同的生產能力相應的設備支腿數量、大小和位置也有很大差異。經過調研，廠家無法逐一提供設備支腿參數，為克服支座方式的不確定性對等效荷載的影響，本節選取四種功能、大小、風格完全不同的設備，將設備荷載在最不利布置的情況下，分別以三種不同的支座方式布置在2.5m、3.0m和3.5m跨的單向板以及4×4m的雙向板上，其中單向板上考慮設備短邊垂直于板跨和平行于板跨兩種情況。最后，利用理正工具箱，分別計算出各工況中的跨中最大彎矩值。另外，利用第3.2和3.3節的計算原理計算出的四種設備的等效活荷載，并通過理正工具箱計算出均布活荷載工況下的跨中最大彎矩值。最后進行最大彎矩值對比，本文列出其中兩個設備的對比結果：

表3 .1 KSZ-620/60B設備跨中最大彎矩值比較

表3 .2 CIP-15 設備跨中最大彎矩值比較

根據比較分析得出，利用本文第3.2和3.3節方法所得的等效荷載對應的跨中最大彎矩均大于相對應板跨各支座方式對應的跨中最大彎矩值，并且誤差并不明顯。因此，可以確定第3.2和3.3節計算樓面等效荷載方式的準確性和合理性。

4 等效荷載計算結果統計和分析

通過應用本文第3章介紹的等效荷載計算方法，針對第2章中所調查的工藝配套設備，分別對8×8m和9×9m柱網的框架構件及基礎、2.5m、3.0m和3.5m跨度的次梁和板、以及3×3m 和4×4m的雙向板進行等效荷載計算。如果計算結果小于2kN/m2，則取2kN/m2。另外，設備動力系數均按1.1考慮。通過分析，整理出查詢表如下。

需要說明的是，工業廠房無設備區域及生產區域操作荷載不宜小于4 kN/m2，因此，表中不足4 kN/m2的活荷載標準值取4 kN/m2。

表4 .1 液體制劑類醫藥廠房樓面等效活荷載標準值查詢表

5 結論

本文進一步優化了等效荷載的調查途徑和確定方式，通過對液體制劑類醫藥的配套設備廠家的調研，利用等效樓面荷載的計算理論，制成以結構形式、板跨為區分的等效荷載調查表，使液體制劑類醫藥廠房等效均布荷載有據可查，彌補了該項空缺。另外，本文優化了計算環節，有效克服設備支座的不確定性對等效荷載確定產生的影響。本文提供的等效荷載調查表不僅提升醫藥廠房設計的專業性、高效性和準確性，并且在該調研系統推廣至其它工業廠房后可有效節省我國工業基礎建設中混凝土和鋼筋用量，達到節約能源，減小能耗，減少環境污染的目的。