大型無塵鋼結構工業廠房整體逆作法建造技術

邵 暄(上海市機械施工集團有限公司， 上海 200072）

近年來國家對于高新產業大力扶持，電子芯片產業作為國家戰略日漸成為重要的發展方向，大力建設電子廠房將成為后階段建筑業的一個主要方向。如何建設電子廠房，合理縮短工期，優化施工方案，提高電子廠房工程質量是建筑企業主要關心的問題。本文通過對電子芯片產業工藝特點的分析，創新整體逆作法施工技術，為該類型項目提供了新的施工思路。

1 工程概況

12 英寸先進生產線項目位于康橋工業南區，東至規劃三路，南至古恩路，西至周北一河，北至古博路。整個項目用地可分為 3 個地塊。本次工程的基地面積為 424 567 m2，建筑面積為 456 685 m2，綠化面積為 203 983 m2。

本課題所研究大型無塵結構工業廠房位于場地內北側。該廠房為三層三跨鋼結構廠房，橫向尺寸為 147 m，縱向尺寸為 229 m，廠房屋蓋為鋼桁架，主桁架為南北走向，長 147.6 m，分為 3 跨，共計 99 大榀桁架，桁架高度為 4.0～5.6 m。鋼結構總噸位約 1.3 萬 t。鋼結構廠房剖面圖如圖1 所示。

2 大型無塵鋼結構工業廠房項目施工需求分析

電子潔凈廠房使用功能不同于一般廠房。其潔凈度功能需求高于其他基本功能需求，且設備安裝調試周期長，考慮盡快調試投產，需優先施工完畢。由于室內功能劃分，電子潔凈廠房主要潔凈設備基本備位于桁架層內，因此如何優先施工該區域，封閉屋面斷水為主要技術施工指導思路。電子潔凈廠房設備層區域結構如圖2 所示。

圖2 電子潔凈廠房設備層區域結構圖

3 施工技術路線選擇

本項目依托電子芯片產業，由于電子產業更新換代周期短，盡快完成廠房建設有利于業主搶占市場份額，增加產業優勢，故鋼結構生產廠房作為重點施工路線，工期十分緊張。因此，項目創新采用了整體逆作法施工路線。采用增加勁性柱的方式進行實現。先施工勁性鋼柱，再進行鋼屋架施工，后施工土建樓層，即勁性柱→鋼屋架→混凝土柱、梁→混凝土樓板。該種施工技術路線雖對前期土建施工有一定影響，但可以優先搶出潔凈區，為后道工序爭取更多的施工時間。施工流程見圖3。

圖3 施工流程

4 施工分析及計算

4.1 基本信息

受到現場多方面因素影響，屋架必須提前施工，此時屋架下方的混凝土柱施工尚未進行。為滿足現場施工計劃，將部分混凝土結構柱改為型鋼混凝土柱，先施工結構柱鋼骨，再施工整個屋蓋，最后澆筑型鋼混凝土柱的混凝土。澆筑兩個樓面結構，最后完成圍護體系。

其中新增山墻處鋼骨柱截面為 B500 mm×500 mm×20 mm×20mm，鋼骨梁截面為 HM550 mm×300 mm×11 mm×18 mm，其余鋼骨柱截面均為 B700 mm×700 mm×25 mm×25 mm。山墻處除 A 軸外，其余各軸結構柱均設置鋼骨；桁架屋架下的鋼骨柱設置在軸線 B、軸 線H、軸線 R 和軸線 X 處。新增鋼結構桿件材質均為 Q345B。

由于圍護體系是在混凝土結構施工完成后進行，所以此時整個結構進入正常使用狀態。該階段的結構完整性與設計狀態一致，故不再重復驗算。這里需要對屋蓋施工結束后，土建施工開始前的這個狀態進行復算，此時圍護體系尚未施工，因此結構的整體風荷載總值要小于使用狀態，但仍不能忽略。故在進行結構驗算時，主要考慮的荷載包括結構恒載和風荷載。

4.2 施工階段模型

整個屋架自中間向兩側施工。首先完成17軸處的屋架安裝工作，然后完成 16 軸、18 軸，接著 15 軸、19 軸，以此類推逐步完成整個屋架的安裝工作。隨著屋架榀數的增加，屋架之間的聯系構件將逐漸增加整個屋架的穩定性，因此有必要考察最初幾個階段，在屋架榀數不多的情況下，屋架是否滿足整體穩定性要求。

這里考察五個階段，階段一是僅完成 17 軸處的屋架安裝，階段二是完成 16 軸和 17 軸處的屋架安裝，階段三是完成 16 軸、17 軸和 18 軸處的屋架安裝，階段四是完成 15軸、16 軸、17 軸和 18 軸處的屋架安裝，階段五是完成 15軸、16 軸、17 軸、18 軸和 19 軸處的屋架安裝工作。各階段的計算模型見圖4。

圖4 施工階段模型

4.3 整體穩定分析結果

4.3.1 階段一

單榀桁架安裝完成后，應注意到桁架與鋼骨柱之間為鉸接連接，故在桁架平面外不具備剛度。由于本身并不是一個穩定結構，所以必須采取措施使之穩定。建議的措施方法如下：

在新增鋼骨柱之間設置交叉支撐，以保證鋼柱擁有較大的抗側剛度；屋架上弦桿兩側拉設纜風繩，張緊后可保證屋架自身的穩定性。

分析結果表明，屋架一階彈性屈曲系數為 4.060，表現為中跨桁架的面外失穩。考慮初始缺陷為中跨跨度的1/500，更新施工模型，并進行非線性屈曲分析， 計算結果表明，針對 1.2D+1.4WX 的荷載組合，最終的整體穩定臨界系數為 λcr=2.4＞2.0，滿足要求。

4.3.2 階段二

兩榀桁架安裝完成后，結構彈性整體穩定一階模態及一階屈曲系數列于表1 中。

表1 結構彈性整體穩定分析

從表1 中可以看出，兩榀桁架安裝完成后，在自重和風荷載共同作用下，結構一階彈性屈曲模態表現為中跨桁架上弦桿面外失穩。考慮初始缺陷為中跨跨度的 1/500，更新施工模型，并進行非線性屈曲分析，計算結果如圖5 所示。

圖5 荷載位移曲線

計算結果表明，當非線性加載系數達到 0.658 時，此時結構最大位移達到 671 mm，桿件最大應力達到 343 MPa，接近材料屈服強度。因此，可以認為此時結構不再具備繼續承載的能力。

根據彈性屈曲和非線性屈曲分析計算結果可知，針對1.2D+1.4WX 的荷載組合，最終的整體穩定臨界系數為λcr=6.0×0.658=3.948＞2.0，滿足要求。

4.3.3 階段三

三榀桁架安裝完成后，在自重和風荷載共同作用下，結構一階彈性屈曲模態表現為中跨桁架上弦桿面外失穩。計算結果表明，當非線性加載系數達到 0.834 時，此時結構最大位移達到 725 mm，桿件最大應力達到 338 MPa，接近材料屈服強度。因此，可以認為此時結構不再具備繼續承載的能力。

根據彈性屈曲和非線性屈曲分析計算結果可知，針對 1.2D+1.4WX 的荷載組合，最終的整體穩定臨界系數為λcr=5.4×0.834=4.504＞2.0，滿足要求。

4.3.4 階段四

四榀桁架安裝完成后，在自重和風荷載共同作用下，結構一階彈性屈曲模態表現為中跨桁架上弦桿面外失穩。計算結果表明，當非線性加載系數達到 0.824 時，此時結構最大位移達到 578 mm，桿件最大應力達到 341 MPa，接近材料屈服強度。因此，可以認為此時結構不再具備繼續承載的能力。

根據彈性屈曲和非線性屈曲分析計算結果可知，針對1.2D+1.4WX 的荷載組合，最終的整體穩定臨界系數為λcr=5.248×0.824=4.324＞2.0，滿足要求。

4.3.5 階段五

五榀桁架安裝完成后， 在自重和風荷載共同作用下，結構一階彈性屈曲模態表現為中跨桁架上弦桿面外失穩。計算結果表明，當非線性加載系數達到 0.825 時，此時結構最大位移達到 516 mm，桿件最大應力達到 347 MPa，接近材料屈服強度。因此，可以認為此時結構不再具備繼續承載的能力。

根據彈性屈曲和非線性屈曲分析計算結果可知，針對 1.2D+1.4WX 的荷載組合，最終的整體穩定臨界系數為λcr=5.127×0.825=4.230＞2.0，滿足要求。

4.4 計算結果

實施安裝過程中，應對單榀屋架的安裝做好臨時固定措施，建議在鋼柱之間設置交叉支撐，并在屋架上弦桿兩側拉設纜風繩，單榀屋架安裝就位后可以滿足整體穩定要求。隨著相鄰屋架的陸續安裝，屋架之間的聯系構件有助于整個結構的整體穩定，當五榀屋架安裝完成時，考慮幾何非線性，結構的整體穩定系數達到 4.23＞2.0，滿足要求。因此，可以使用該方案進行施工。

5 結 語

通過對大跨度鋼結構桁架分塊規劃制定了科學的施工總體流程；充分利用原規劃道路，精心布局了現場地面、地上道路路網。這為后續項目的順利開展奠定了可靠的基礎。

采用該整體逆作法施工技術路線，實現了大型無塵鋼結構工業廠房的鋼結構綜合施工。雖然該項目有許多特殊性，但通過合理分析及選型，克服了現場場地狹小、施工周期緊等多種難題。在 12 英寸先進生產線及后續華虹無錫鋼結構工程的成功應用，充分說明了以上成果的優勢。這對今后類似大型無塵鋼結構工業廠房從規劃、管理到現場施工都具有寶貴的借鑒意義。