半導體芯片廠房土建快速建造施工技術

張海瑞,孫江龍,趙宇亮,陳開蓮,吳 字,李洪彬

(中建一局集團建設發展有限公司,北京 100102)

0 引言

半導體材料行業工程建設在廠房及生產線設計、施工速度、施工質量方面的要求極高,且當下芯片行業緊迫的供應形勢又對廠房的施工建造速度提出更高要求,如何采用先進的施工技術快速完成廠房土建施工,是半導體芯片廠房建設的核心。

1 工程概況

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

圖1 工程效果Fig.1 Effect of engineering

按照目前半導體芯片廠房的建設實踐,土建施工主要內容包括:地基與基礎、主體結構、裝飾裝修、屋面及室外總平等內容,涵蓋鋼筋混凝土、鋼結構、裝配式構件、建筑外墻、屋面工程、道路綠化和地下管線等施工分項。

2 項目難點

1)由于半導體芯片廠房的生產工藝和運行功能需求,相應的建設工程一般集生產、動力、電力、氣站、辦公、研發、停車、餐飲等諸多功能于一體,建筑體量大,建設內容繁多。

2)本工程屬于群體性建筑,包括建筑物和各類構筑物合計15個,如何在緊迫的建設周期內和合理的資源投入下,安排各建設內容施工順序,是項目成功建成并滿足投產需求的關鍵一環。

3)主生產廠房屋面為鋼結構桁架和鋼筋桁架樓承板組合結構,其中鋼桁架跨度達54m,單榀凈重達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。

4)裝配化程度較高,預制構件體量超過6 600m3, 構件類型包括預制柱、預制梁、疊合板和樓梯等,由于無標準層,構件截面參數繁多、類別雜,預制構件生產模具配置、構件精確排產、吊裝精準就位均難度較大。

5)室外管線交叉密集,單趟管線長度就達上千米甚至更多,涉及雨水、污水、給水、生產廢水、綠化、燃氣、消防等,同時部分管道位于道路下方,如何確保各專業管線穿路套管全數預埋,縱斷面高程精準控制和滿足管線功能,是貫穿整個項目建設須關注的重點。

6)生產廠房潔凈生產區采用華夫板工藝,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,如此嚴格的技術標準對施工工序控制提出更高要求。

7)在室內裝修和設備安裝過程中,需提前確保屋面和外立面斷水,為室內作業創造環境,如何做到主體結構封頂后續工作的緊密銜接尤為重要。

8)廠房各主要建筑結構封頂前,要考慮空間移交給后續各設備安裝廠商,此時會出現多專業、多工種的平面立體全空間交叉。

3 半導體芯片廠房土建快速建造技術

3.1 合理、有序安排施工

半導體芯片廠房工程建設包含生產、動力、供電、氣站、研發、辦公等多項內容,項目建設需按照“由主及次、需求優先、資源配套”的總體原則進行部署,室外道路相關和關鍵建筑土建施工同時啟動,資源提前配套,附屬工程根據廠務方需求適配建設進度。

1)室外總平 室外道路及路下管線,直接關系到項目建設場區的物流動線形成,進場后需立即啟動。對于道路區域的管線和硬化,可根據土建主體結構建設進程,適時組織施工。

2)主要建筑單體 生產廠房、動力廠房、供電廠房是主要建筑單體,務必優先啟動,其中供電廠房最先完工并投入使用,確保供電輸出需求。其次對于大宗氣站(含氫氣棚、空壓站、硅烷站、倉庫、化學品庫等)建筑體量相對不大的小單體建筑群,可在主建筑建設封頂后啟動,確保資源投入連續、合理。對于辦公、研發及停車等配套建筑單體需結合建設方需求確定,在不影響新廠房運行投產的前提下,可分階段啟動建設,但如果影響到新廠房的運行,如VOC揮發、揚塵、振動等,也需在主生產廠房運行前完成主要室外施工內容。

3)建筑部品部件 對于存在工廠加工環節的施工內容,包括鋼結構、預制構件、華夫板等,需將深化設計、工廠確定、下料加工、半成品儲備等各環節工作前置。一般在項目開建后即取得一手設計資料,開始深化設計、原材采購、工廠對接并確定整體半成品的供貨時間節點,確保對施工現場供應的穩定有序。

3.2 生產廠房半逆作法施工工藝

生產廠房采用半逆作法施工工藝,即支持區結構按照由下到上的順序進行,核心區有鋼桁架屋蓋結構的區域,基礎筏板完成后作為拼裝吊裝場地,先施工屋蓋結構,后施工屋蓋以下結構,如圖2所示。采用該施工方法,可快速完成屋面結構,達到生產廠房室內提早斷水的目的,為室內其他工序施工創造相對干燥舒適的條件。

3.2.1筏板施工

筏板施工時須考慮如何優化筏板施工工藝,加快施工進度,為上部結構施工提供作業面。半導體芯片生產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。同時考慮屋面鋼桁架安裝需要,底板施工完成后,立即進行鋼柱吊裝與外包柱腳施工,并灌注箱形柱內混凝土。外包柱腳高至2層梁底,內灌混凝土至柱頂、填充密實。

3.2.2吊裝預留通道

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

圖3 預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置

結合運輸、單元質量、結構受力等因素,對鋼桁架工廠加工進行分段,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

考慮工程場地條件和施工工況,將基礎筏板作為鋼桁架整體拼裝場地,采用600mm高工字鋼作為現場拼裝胎架,工字鋼設置長度為9m,每榀桁架設置6根工字鋼(見圖5),垂直支撐每榀設置2根工字鋼。共設置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木模板等材料對筏板做好保護。吊車選型需考慮負荷率,同時結合吊裝高度、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安裝。考慮屋蓋以下結構內部施工,桁架樓承板和屋面混凝土施工時預留吊裝口,確保內部施工材料轉運。

3.3 裝配化應用

3.3.1裝配化在半導芯片廠房中的應用

整體上來說,半導體芯片廠房中裝配化應用涉及預制柱、預制疊合梁、預制疊合板、預制樓梯、華夫板膜殼、輕質墻板等。在項目前期籌備充分的情況下,實施裝配式建筑可明顯改善項目現場施工環境、減少人力投入、加快施工進度。

3.3.2華夫板施工技術

為保證生產車間的高潔凈度,華夫板廣泛應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留大量孔洞,使上下樓層形成回風通道,利用強大的氣壓排出潔凈空間的懸浮顆粒,以達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

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

圖7 華夫板產品類型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斷供,在充分考察工廠生產能力的前提下,選二備一,提前規避供貨風險。

華夫板膜殼工廠加工前15d即進行預排版深化,精準統計產品規格,根據排版制定精細化日生產計劃,并委派兼職人員不定期駐場,監督原材供應和工廠生產進展,確保華夫板成品儲備量保持在現場2個施工段用量之上。

為確保快速施工,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方鋼優化龍骨配置,減少木工作業,提高工效,華夫板膜殼安裝前將內部加固支撐工序前置,以便直接定位鋪設。

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平臺板,鋪設膜殼并安裝桶蓋后綁扎縱橫向鋼筋,鋼筋施工時在箍筋上焊接鋼筋定位卡鉤,代替扎絲綁扎作業,解決綁扎空間不足難題的同時加快施工速度,確保鋼筋保護層滿足要求。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,在整個華夫板施工過程中,務必從支撐架體搭設、平臺板、華夫板桶蓋、鋼筋保護層及混凝土澆筑完成面各環節嚴格把控,做到“步步監測,適時調整”,確保華夫板完成面達到2mm/2m的平整度要求。

3.3.3零模板投入預制構件安裝

在施工現場安裝預制構件前需做大量工作,包括圖紙深化設計、工廠加工、堆放和吊裝分析等,按照整體項目建設計劃倒排并以此為據前置上述工作,確保現場安裝的需求。

現場構件安裝細分構件類型、編號、安裝順序、構件質量等信息,選擇塔式起重機配合吊車等進行吊裝。為加快施工效率,優化施工工序,采用承插型盤扣鋼管支架,疊合梁下采用雙槽鋼托梁轉換至兩側盤扣立桿托盤上,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,也減少中間工序環節,有利于加快施工進度。

圖10 預制構件安裝支撐體系Fig.10 Prefabricated components installationsupport systems

3.4 快速移交

3.4.1二次結構緊密銜接

廠房建設待主體結構進行到一定階段,局部樓層即具備后續作業條件,裝飾裝修要做好銜接配套,盡量減少砌體等濕作業,進而采用輕質墻板(GRC墻板、ALC墻板、輕鋼龍骨墻體等)施工技術進行替代(見圖11),改善作業環境的同時做到免抹灰,優化工序,加快施工節奏,創造空間移交條件。

圖11 輕質墻板Fig.11 Lightweight wall panel

在整個建筑室內隔墻施工前,要充分協同各設備專業洞口預留條件的需求,施工時準確預留各專業洞口,減少墻體后開洞帶來的質量隱患。

3.4.2外立面斷水

主體結構封頂后,需在最短時間達到外立面封閉斷水,確保室內設備管線的施工。主體結構施工進入地上前,需經各方敲定外立面分割效果,并以此進行外墻板塊安裝的埋件設計,在結構施工的同時進行埋件預埋作業。主體結構施工期間即完成外墻深化和檁條等材料的加工儲備,結構封頂后創造條件提前安裝檁條,外操作腳手架拆除后,除預留搬運通道外,全面進行外墻施工。

上述為半導體芯片廠房加快外立面斷水的常規施工工序安排,對于核心區外立面,則需采取提前斷水技術,包括外圍護墻體采用鋼筋混凝土墻體、砌筑墻體和輕質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較高;采用砌筑墻體工序多,施工慢;采用輕質裝配式墻板則能在避免濕作業的情況下快速施工。

本工程利用具有防水性能的巖棉夾芯板,通過U形龍骨固定于結構框架間,形成潔凈廠房外圍護中間墻體。夾芯板拼縫采用中置鋁條,確保拼縫嚴密,另外考慮層高和夾芯板本身的強度特點與普通巖棉夾芯板不同,于夾芯板內設置加強肋,確保墻身剛度。生產廠房核心區墻體構造如圖12所示。

圖12 生產廠房核心區墻體構造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具備設備安裝條件的樓層空間進行交接,對于土建施工來說,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)內隔墻完成、樓地面平整度滿足要求、質量瑕疵修繕完成等條件。土建快速施工的目標也是確保移交,以便于設備安裝做到快速穿插、空間占滿、消除作業面閑置,達到快速建造。

為實現空間快速移交,需制定具體到每個功能房間的管家式移交計劃,土建專業需做到邊干邊收,快速退出。具備移交條件后,集中聯合建設方使用部門、安裝單位、監理單位等進行驗收移交。

安裝單位在移交前要做好施工準備,借助高精度BIM模型完成深化設計工作,提高管線預制化加工和多構件集成設計。移交后快速展開相關工作,多專業協同,優化工序,減少交叉,提升安裝效能。

3.5 室外配套快速建造技術

3.5.1道路、圍墻永臨結合

樁基施工階段,即進行圍墻施工,圍墻基礎采用正式基礎,上部圍擋可采用臨時圍擋,待建設后期用正式圍擋替代臨時圍擋。

廠房內部道路一般采用混凝土基層和瀝青面層相結合的做法(見圖13),根據室外管線綜合設計圖做好道路下的管井和套管預埋工作,施工正式道路至混凝土結構層,作為施工道路使用,待所有管線檢測和所有土方、綠化作業結束后,施工瀝青面層,形成正式道路。

3.5.2構筑物預制化

半導體芯片廠房室外構筑物種類相對豐富,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,構筑物施工在整個室外施工作業中占比較大,遵循“先地下后地上,先支護后開挖,先深后淺”的原則。

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

3.6 BIM技術應用

在廠房建設過程中,BIM技術應用于深化設計、算量、各專業碰撞檢查、施工模擬、可視化交底等方面,建立BIM信息管理平臺,為項目快速建造提供技術支撐。

4 結語

近年來在利好政策不斷扶持下,半導體材料的應用市場迎來了爆發式增長,芯片緊缺的現狀對廠房建設的快周期要求更迫切,如何合理安排施工工序,優化施工工藝,提升土建快速建造效率,短期內實現半導體芯片廠房投產運行目標值得探索和實踐。本文通過總結已有半導體芯片廠房施工實踐中土建快速建造施工技術,從群體建筑分階段啟動、生產廠房核心建造、裝配化應用、室外配套快速施工、快速移交及BIM技術的應用等方面進行敘述,可為類似工程的建造提供參考。