電子潔凈廠房防微振結構設計

摘要 介紹具有防微振要求的電子潔凈廠房的結構設計，介紹了實際工程的防微振結構體系，對高等級凈化廠房中采用的兩種不同的樓蓋形式——華夫板和井字梁在實際工程中的適用性、經濟性進行對比。

電子高端制造業是電子工業化發展的高級階段，其顯著的特點是生產工藝的技術含量高，生產線自動化、精密化，生產過程無人化，用于生產的精密設備和儀器具有嚴格的微振動控制要求，結構設計應建立一個相應的防微振結構體系。

關鍵詞 潔凈廠房； 防微振； 樓蓋； 華夫板； 格子梁

中圖分類號 TU761.1+9 文獻標志碼 A

0引言

防微振設計是電子高端制造廠房結構設計重要內容，微振控制等級是結構設計必須達到的重要指標。電子工業生產廠房中，精密設備受到的各種振動影響，一部分來自于外部，包括道路、鐵路交通振動、周邊其他工業生產振動、廠區內動力設施振動等，另一部分來自設備所在廠房內，比如廠房內的空調潔凈系統、生產所用氣體液體的傳輸系統，以及其他工藝設備甚至是設備自身產生的振動，外部和內部的振動會直接或間接通過基礎和主體傳至設備，當外界的振動超過了允許振動值時，就會影響加工產品的光潔度、波紋度、垂直度、尺寸精度等等，即使已是振動幅值較低、人體無法感知的的環境振動，也會干擾振動敏感的精密設備和儀器的正常工作。集成電路、顯示器、封裝測試等電子廠房都有較嚴格的微振動控制要求，以保證精密設備和儀器能在各種復雜的振動環境下正常工作。這類廠房的結構設計，需要建立一個結構的防微振體系，將設備或儀器所處環境振動影響控制在精密設備或儀器容許振動值范圍內。

1防微振設計

防微振設計是一個系統的復雜的過程，是多學科的交叉。結構設計需要建立防微振體系，一方面，從場地、基礎、主體、微振基臺等多方面采取綜合措施，使其成果達到防微振的等級要求，實現工藝生產的功能。另一方面，防微振體系是多方面的措施，對工程造價影響很大，結構設計所采取的措施應注意合理經濟，避免盲目增大投資。

1.1場地選擇

建筑結構的防微振綜合措施是從場地選擇和總平面布置就開始建立。在項目前期選址階段應對場地環境振動進行調查，鑒于高端技術設備對振動的敏感，選址應遠離交通振源及海岸邊，包括公路、鐵路、機場；調查周邊企業生產的設備振動情況，如是否有機械、紡織等大型振動設備的工廠；地質條件也是影響防微振工程造價的重要因素，地質條件較堅硬或基巖較淺的場地有利于防微振控制并減少防微振的投資。選址時，建議對備選場址進行專門的微振素地測量，搜集到所有震源資料和震源數據，根據微振要求和震源數據，提出可能的防微振方案或提出放棄本場地的理由，對廠房的基礎形式、結構形式等進行預估，選擇有利于防微振及其工程造價的場址。廠區的總平面布置，應盡量將生產廠房置于廠區場地的中央，并與廠區的動力廠房留有足夠的距離；廠房建筑的平面布局中生產線布置在廠房的中間核心區，空調、水、電等用房布置于兩側支持區。如圖1～圖3實際工程所示，核心生廠區均布置于廠房的中間。

1.2地基與基礎

防微振建筑的基礎措施，常利用建筑的柱下基礎結合地坪的處理，構造一個整體厚板。上述3個項目的基礎措施相似，以某第8.6代薄膜晶體管液晶顯示器（TFT-LCD）項目為例，闡述這種防微振建筑基礎的做法。

根據地勘報告，該場地土層依次為人工填土—粉質黏土—卵石—全風化泥巖—強風化泥巖（砂巖）—中風化泥巖（或砂巖），根據上部荷載計算，建筑柱下采用樁基，以中風化砂質泥巖（或中風化泥質砂巖）為持力層，中風化基巖堅硬、沉降小，是建筑及微振控制有效的持力層。地勘揭示該廠房位于半填半挖區，場地大部分區域素填土較厚，為6～10 m，局部達到12 m以上。上層填土為新近填土，未完成自重固結。工程前期，結構設計在填方區對素填土采用了強夯處理，強夯處理根據現場實際情況，強夯影響深度約6～９m。凈化廠房的地坪對沉降和裂縫控制較為嚴格，在這樣的填土厚的場地一般應采用結構地坪，結合防微振措施，將生產區的地坪與柱下樁承臺連成一個整體的樁筏厚板，厚板的頂面即為建筑的±0.00平面，板厚500 mm，地坪下設置地坪樁，作為結構地坪承載，同時也加大地基基礎的剛度，這種較厚的大體積鋼筋混凝土底板質量大、剛度大，樁筏基礎和地基土緊密接觸，具有良好的阻尼值，能明顯減弱外界傳來的振動。筏板施工后，應在筏板上進行一次微振測量，測試在周邊環境振動下，確保底板處已達到設計微振動指標，或根據測試結果加固基礎及調整上部結構的方案。

1.3上部結構

上部結構的防微振措施根據廠房的工藝布局及微振等級而不同，防微振的范圍、設備所在樓層、凈化等級及凈化方案均形成結構防微振的不同措施，及結構防微振體系的不同方案。

2獨立的防微振平臺：以某探測器工房項目為例

該探測器工房核心生產區以結構縫與廠房其他部分分割開，為一獨立的結構單元，該結構單元為大跨度單層鋼筋混凝土排架結構，跨度為（23+23.7+23） m。屋面采用鋼桁架。其生產樓層為一層（樓層標高即為±0.00），生產層下設技術夾層，技術夾層下挖至-1.8 m，即生產區下夾地下技術夾層。其中光刻區、在線測試區、CTZ區需進行微振動控制，控制等級最高為VC-C，其余生產區域無微振控制要求，故上部結構采取了局部設置防微振平臺的措施，設置與生產區平臺分離的獨立的防微振平臺。基礎厚板上，整個生產區以結構設計鋼結構平臺架立一層的生產層。一層生產平臺在防微振平臺處與防微振平臺以結構縫分開，隔離生產層設備或人員等的振動。生產層平臺板為成品鋼平臺板，防微振平臺樓板采用250 mm厚鋼筋混凝土板（圖4）。

本項目上部結構的防微振措施，采取了隔與防相結合，防微振平臺與周圍生產平臺設縫，隔離周圍樓層的振動，獨立構建密柱網及斜撐組成的鋼平臺，同時樓層澆筑250 mm厚鋼筋混凝土板，加大質量和剛度。該廠房已投入生產5～6年，防微振測試滿足要求，采用該方案經濟合理。

3高等級凈化廠房樓層的防微振措施

高端電子產品，如芯片、面板的生產層一般面積很大，如本文所述某第8.6代薄膜晶體管液晶顯示器件（TFT-LCD）項目，主廠房核心生產區達到了每層10萬平米，高等級的凈化要求，需要流程短的氣流組織，生產層與下技術夾層需采用垂直直流層型的氣流組織，為了保證這種大面積生產區域的潔凈度，需要在生產層及其下夾層建立垂直的氣流通道，故生產層樓板須留有大量的孔洞，使潔凈室的氣流通過該回風孔。另外，廠房生產層荷載一般較大，均在10～15 kN/m2，局部可能30～40 kN/m2，，這樣，生產層樓板不但要承載生產層的設備與生產荷載，而且還需有滿布的回風孔洞以滿足潔凈室的氣流通過，實現暖通凈化的要求，由于樓層防微振的要求，樓蓋還需要具有足夠的剛度，實現較高的微振等級。為此，結構采用的是特殊的樓層帶空洞的厚板體系：華夫板或格子梁（圖5、圖6）。

3.1格子梁實例：某OLED微顯示器件生產線項目

該項目生產廠房為鋼筋混凝土框架結構，跨度主要為9.6 m，兩層，層高為6+12 m，是年產100萬片OLED生產線，其產品性能高于國外，是高凈化等級高防微振等級的生產廠房。生產樓層位于2層，1層為技術下夾層。樓層防微振要求局部達到VC-C。

由于生產工藝，本廠房框架柱網為9.6 m×12 m，生產所需的9.6 m、12.0 m的框架柱距，不能滿足樓層防微振的要求，需在生產層樓板下增設防微振柱，結構設計在生產區1層的框架柱間增設防微振小柱，柱網主要為4.8 m×6.0 m，微振小柱為500 mm×500 mm；樓層防微振設計結合凈化回風要求采用格子梁+高架地板，樓層采用雙向密肋梁，在格子梁上鋪設@600 mm的鋼梁，鋼梁采用HW200x200的H型鋼，@600 mm是其上鋪設成品高架地板的需要，鋼梁上架設成品高架地板。在防微振等級要求高的設備和生產線外的區域，格子梁的間距基本為2.4 m，在微振等級為VC-C的設備及其生產區域，加密梁間距，結合柱網尺寸，間距為1.2 m、1.4 m、1.6 m。框架梁500 mm×800 mm、格子梁400 mm×800 mm。整個生產區由較大梁截面的密肋梁體系構成強大的樓層剛度，保證防微振等級的要求（圖7、圖8）。

3.2華夫板實例：某第8.6代薄膜晶體管液晶顯示器件（TFT-LCD）項目本項目是國家解決“少屏”問題，打造千億級信息產業鏈的重點項目。該項目規模大，廠房建筑單體建筑面積約60萬m²，生產區單層的面積達到10萬m²，凈化等級和防微振等級高，工藝生產層為2層和4層，防微振樓層高。生產層2、4層的防微振控制等級為VC-C。

由于生產設備和工藝布局的需要，生產樓層框架雙向柱距均較大，為雙向16.2 m或17.4 m，這樣的大柱網無法滿足樓層的防微振要求，本廠房在生產樓層下的技術夾層1層、3層設置防微振柱，在框架柱網間，均勻布置防微振小柱，柱網尺寸為5.4 m或5.8 m。柱截面為600 mm×600 mm。樓板采用華夫板，厚度750 mm。華夫板采用專用膜殼，施工時，在洞間綁扎洞間梁鋼筋，形成洞間鋼筋混凝土密肋梁。施工后華夫板膜殼不拆除，固附于樓板混凝土面，不需再施做凈化廠房的環氧樹脂飾面（圖9～圖11）。

3.3華夫板和格子梁體系的對比

華夫板和格子梁+高架地板體系都很好地實現了工業廠房高凈化等級和高防微振等級的要求，華夫板上可直接涂刷建筑環氧面層作為工作面（圖12～圖15）。

用上述2個實際工程各取一個框架柱柱網間的實際設計構件，計算一個柱網的樓蓋體系配筋量與混凝土量，折算成每1 m2的材料用量，如表1所示。

由上可見，華夫板樓板體系每1 m2工程量略大于格子梁樓板體系，結構造價上略高于格子梁體系。但華夫板可直接作為生產層樓板，格子梁上仍需架設成品潔凈室防靜電通風高架地板，該類高架地板以1 500型計，工程造價約每平方米1 250元，如考慮其上的高架地板費用同時也考慮每個實際工程格子梁加密范圍的大小，總體造價格子梁樓板體系仍較大地高于華夫板體系。工程中，如遇上述某TFT-LCD項目這樣生產區單層面積達到10萬m²，2個生產層即20萬m²的大型廠房時，生產區樓面面積大，總造價影響大，應謹慎比對，否則工程總造價會相差上億元。

盡管在經濟對比上，華夫板有較大的優勢，但由于芯片、面板等電子高端制造類的凈化廠房，對樓面的平整度及裂縫都有嚴格的要求，華夫板和格子梁上直接做環氧地坪，平整度要求達到2m靠尺2 mm，由于格子梁上設高架地板，可由高架地板二次調節，工作面平整度高，故采用華夫板時，則必須嚴謹管控土建施工，華夫板澆筑施工也必須采取高精度的措施，否則難以達到平整度的要求。另外，由于格子梁上架設高架地板的高度，格子梁體系中的二次配管較華夫板更易于隱蔽，華夫板體系的則全部配置于下技術夾層。

4結束語

結構的防微振體系是結構防微振措施的總和，根據不同的場地、環境、建筑單體形式、建筑功能布置、工藝布局、工藝微振等級要求等因素，從選址，地基、基礎、上部結構、隔與防各方面綜合建立，在結構設計保證結構安全的同時，達到生產工藝的防微振要求，其各方面的措施貫穿于結構設計全過程中，并需在施工和安裝過程中不斷的測試和修正，形成復雜的綜合措施；且，防微振作為高端制造電子廠房的工藝首要要求，防微振的設計對土建造價影響極大，結構的防微振設計應結合實際，因地制宜，謹慎比對，選擇合理的結構防微振設計方案，作到結構安全、技術先進、運行可靠，從而經濟合理、節省造價。

參考文獻

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