半導體廠房防微振梁板結構形式及成本對比分析-江蘇泊蘇系統集成有限公司

引言

隨著近年我國半導體事業的蓬勃發展,新建半導體廠房項目越來越多。半導體廠房投資大,回報周期長,初期的規劃與設計非常重要。防微振是半導體廠房的關鍵技術之一,工藝標準越高,加工線寬越窄,防微振等級要求越高。防微振的第一步就是建筑結構防微振,如果在設計時不能滿足防微振要求,完工后將需要花很大的代價去彌補，

給項目造成巨大的損失。防微振主要針對的振源有兩類,即內部振源和外部振源。內部振源主要包括建筑物內的人員、設備、管道、搬運行車等,其通過梁、柱、板傳給精密設備。而外部振源主要包括建筑物周邊的車輛、電車,施工等,其通過地面傳導給建筑基礎,進而影響到建筑物里面的精密設備。因此如何在設計時有效地避開以及降低這些振源的影響,在半導體廠房設計中尤其重要。 1常用防微振梁板結構形式 建筑結構防微振主要是通過提高結構剛度來降低結構振動幅度,通常會采用如下三種結構形式:華夫板(Wallfe Slab)、芝士板(Cheese Slab)、井字樓蓋( Cross-BeamSlab),如圖1所示。

華夫板為密梁+通風板的結構形式,板通常會比較薄,在200~300 mm 之間,主要通過梁來提供結構剛度。芝士板則整體是一塊通風板,板比較厚,通常會在500~1 000 mm 之間。井字樓蓋比較接近普通梁板結構,采用密梁加樓板結構的形式。由于華夫板和芝士板具備上、下層通風性能,所以通常會應用在有技術下夾層通過回風夾道進行垂直通風的半導體廠房潔凈室,而井字樓蓋由于不具備垂直通風性能,通常會用在側回風的潔凈室。

為了和高架地板的尺寸模數 0.6 m保持一致，華夫板的次梁間距一般為 1.2 m,孔間距 0.6 m,芝士板的孔間距也是 0.6 m。井字樓蓋由于沒有開孔,次梁的間距沒有特別要求,因此本次研究假定井字樓蓋1/3跨度處有次梁。樓板的開孔通常在施工時設置華夫筒,華夫板的華夫筒通常會采用一個底座帶四個筒的組合筒形式,而用在芝士板的華夫筒,是獨立筒的形式。另外,華夫筒在施工時也兼做施工時的模板,需要足夠的剛度及強度來抵抗施工時混凝土澆筑產生的壓力,因此通常會采用玻璃鋼(SMC)材質,價格較為昂貴。同時,由于SMC具有很好的表面潔凈性能,可做潔凈室表面材料,為保持潔凈室潔凈度,混凝土澆筑后華夫簡不拆除。

2.防微振分析模型 引言中已經提到,振源主要包括內部振源與外部振源。外部振源對結構主要產生水平方向的振動,且因場地所處條件的不同,產生的振動大小不同。所以,根據防微振素地測試結果,有時根據需要須考慮設置防微振墻來提高結構水平剛度。但是,由于場地因數是個未知分量,本次分析主要準對內部振源進行分析,不考慮外部振源。分析采用內部激勵法來模擬內部振源進行時程動力分析，樓面假定均布活荷載20 kN/m'(通常的潔凈室活荷載)。梁板柱的構件尺寸主要由防微振要求來確定,而不會由承載力來確定,

當然構件的配筋最后需由永久荷載和地震力來確定。因此本次分析的主要目的是確定某一防微振等級下所需的構件尺寸。 2.1 分析模型及測點 圖2為分析模型。由于潔凈室面積太大,對整個潔凈室進行模擬會導致計算數據大,分析時間過長。微振波的傳遞路徑特征表明,通常對3跨左右的區域進行分析,與整體模型分析結果會非常接近,因此本次分析研究針對華夫板、芝士板、井字樓蓋全部采用3跨的模型計算。分析模型中對華夫孔也進行了建模,以準確模擬板的剛度貢獻。主要對 4.8 m、6.0 m、7.2 m 跨距的樓蓋進行了分析,這是由于防微振工藝設備平臺的特殊性,設計中宜采用小跨度柱網。4.8~7.2m范圍能夠覆蓋大部分半導體廠房的跨度選擇。 主要針對板中心、次梁中心、主梁跨中三個位置進行計算分析。該三處為結構剛度最小的部位，可充分反映樓板結構的微振情況,各測點見圖2。

2.2 模態 分析考慮前 150個模態,以充分反映各種模態下的結構反應,來覆蓋 1/3 倍頻程1~100 Hz范圍區間。表1列出了6m跨距下,華夫板、芝士板、井字樓蓋的第一模態,從模態分析結果中可以看出.第一模態發生在結構剛度最小處,周期最長,自振頻率基本都在 15 Hz 以上。 3.防微振分析結果 6 m 跨距 VC-B 等級要求下的 1/3倍頻程防微振分析結果如圖3所示。分析結果主要顯示測點豎直方向的速度,加速度,位移反應。

從圖中可以看出,三種結構形式的最大反應都滿足 TYPE-B 微振等級要求,綠色線表示主梁跨中,藍色線表示次梁跨中,紅色線表示板中心的反應。可以看出板的反應是最大的,這是因為板較薄,剛度較小。當然板的跨度較小時,結果和次梁基本接近,如華夫板。而在井字樓蓋,由于板的跨度(1.6 m、2.0 m、2.4 m)比華夫板(1.2 m)大,板的反應明顯高于次梁的反應。基于以上方法,對 TYPE-A、TYPE-B、TYPE-C、TYPE-D常用的防微振等級在不同跨度4.8m、6.0 m、7.2 m板跨下進行了分析,結果如表2所示。表2中顯示出了通過分析確定的防微振要求的梁、板、柱截面尺寸,為各防微振等級下構件要求最小截面。隨著防微振等級的提高及跨度的增加，構件截面呈增大趨勢。

4. 成本比較分析

5. 4.1樓蓋單位平米造價 本節基于防微振分析結果,對三種常用的防微振梁板樓蓋形式進行了成本比較。首先統計了TYPE-A、TYPE-B、TYPE-C、TYPE-D 四個防微振等級下華夫板、芝士板、井字樓板在4.8 m、6.0 m、7.2m柱網跨度下的單位平米造價。接著分析了柱網跨度、樓蓋形式會如何影響造價,并找出趨勢與共性。樓蓋造價計算主要包括梁、板、柱的混凝土及鋼筋的材料費用及華夫筒的材料費用。

混凝土用量基于第3 節防微振分析確定的各構件尺寸得到,樓板混凝土計算時考慮華夫筒的開孔率。鋼筋用量由于項目所在地區不同,抗震等級不同,無法作統一基準的比較,因此基于經驗取混凝土中鋼筋的用量為170 kg/m2。華夫筒造價按照面積來計算。各材料單價為:混凝土 542 元/m3，鋼筋5830元/t.華夫筒650元/m,2。這些單價包含材料費和安裝費,是由廠商提供的普遍值。樓蓋總價為材料用量與材料單價乘積。樓蓋總價與樓板面積的比值為每1m造價,即為分析比較指標。

由表3可知,由于井字樓蓋不含華夫筒,而華夫筒的價格占比較大,井字樓蓋的造價顯著低于華夫板和芝士板;3種典型柱網尺寸的樓蓋造價均隨著防微振等級的提高而增加。具體來說,從TYPE-A提高到 TYPE-B,樓蓋造價的平均增長約為 7%:從 TYPE-B提高到 TYPE-C,樓蓋單位平米造價的平均增長約為11% ;從 TYPE-C 提高到 TYPE-D,樓蓋單位平米造價的平均增長率約為 8%4.2 柱網跨度對造價的影響圖4~6為華夫板、芝士板、井字樓板在不同防微振等級下的成本比例與柱網跨度折線圖。成本比例為相應跨度的造價對4.8m跨度的造價的比值。

6. 由圖4~6 可以看出:①華夫板與芝士板類似,成本比例隨跨度的增加而增加,對于防微振等級為TYPE-A 和 TYPE-B 的情況,呈線性增加,對于防微振等級為 TYPE-C 和 TYPE-D 的情況,6.0~7.2 m跨度時增勢趨緩;②井字樓蓋的成本比例隨跨度的增大呈現先增加后減少的趨勢,表明7.2 m跨會比6m跨更加經濟。因此,設計人員可綜合工藝空間要求和經濟效應選擇合適的跨度。 4.3 結構形式對造價的影響 分別繪制三種柱網跨度下華夫板、芝士板、井字樓板在不同防微振等級下成本比例的柱形圖(圖7~9)。成本比例為相應結構形式的造價對華夫板造價的比值。

由圖7~9可知,在相同跨度及相同防微振等級下,三種結構形式都呈現同一趨勢,即芝士板比華夫板的成本比例略高,且都顯著高于井字樓蓋。因此,如果要求垂直通風性能的條件下,選擇華夫板會比芝士板造價更加經濟。但是芝士板的施工速度會更快一些,設計人員也應結合工程需求綜合考慮。如果不要求垂直通風,選擇井字樓蓋最經濟,造價通常僅為華夫板的50%~60%。因此,設計人員應基于所設計半導體廠房潔凈室的通風形式(垂直通風/側回風)選擇相應的樓板形式,如果采用的是側回風潔凈室,則井字樓蓋的使用能夠顯著節省防微振樓蓋的材料費用。

5.結束語 本文對常用跨度 4.8 m、6.0 m、7.2 m及常用防微振等級下TYPE-A、TYPE-B、TYPE-C、TYPE-D 的三種梁板結構形式,即華夫板、芝士板、井字樓蓋進行了建模分析,確定最小的防微振構件尺寸。同時基于分析結果對其進行了成本比較分析,結論如下。 1)相同防微振等級下,華夫板和芝士板的成本隨著跨度的增加而增加,但是井字樓蓋在 7.2m跨度時成本反而比 6.0 m 減小。 2)同一防微振等級,同一跨度下,芝士板比華夫板成本略高,而井字樓蓋遠遠小于前兩者。這是由于井字樓蓋不含華夫筒的原因。當無垂直通風要求時,選擇井字樓蓋最經濟。而當有直通風要求時,選擇華夫板會比芝士板經濟。