半導(dǎo)體廠房防微振梁板結(jié)構(gòu)形式及成本對(duì)比分析-江蘇泊蘇系統(tǒng)集成有限公司

引言

隨著近年我國半導(dǎo)體事業(yè)的蓬勃發(fā)展,新建半導(dǎo)體廠房項(xiàng)目越來越多。半導(dǎo)體廠房投資大,回報(bào)周期長(zhǎng),初期的規(guī)劃與設(shè)計(jì)非常重要。防微振是半導(dǎo)體廠房的關(guān)鍵技術(shù)之一,工藝標(biāo)準(zhǔn)越高,加工線寬越窄,防微振等級(jí)要求越高。防微振的第一步就是建筑結(jié)構(gòu)防微振,如果在設(shè)計(jì)時(shí)不能滿足防微振要求,完工后將需要花很大的代價(jià)去彌補(bǔ)，

給項(xiàng)目造成巨大的損失。防微振主要針對(duì)的振源有兩類,即內(nèi)部振源和外部振源。內(nèi)部振源主要包括建筑物內(nèi)的人員、設(shè)備、管道、搬運(yùn)行車等,其通過梁、柱、板傳給精密設(shè)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?zhèn)鲗?dǎo)給建筑基礎(chǔ),進(jìn)而影響到建筑物里面的精密設(shè)備。因此如何在設(shè)計(jì)時(shí)有效地避開以及降低這些振源的影響,在半導(dǎo)體廠房設(shè)計(jì)中尤其重要。 1常用防微振梁板結(jié)構(gòu)形式 建筑結(jié)構(gòu)防微振主要是通過提高結(jié)構(gòu)剛度來降低結(jié)構(gòu)振動(dòng)幅度,通常會(huì)采用如下三種結(jié)構(gòu)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(fēng)板的結(jié)構(gòu)形式,板通常會(huì)比較薄,在200~300 mm 之間,主要通過梁來提供結(jié)構(gòu)剛度。芝士板則整體是一塊通風(fēng)板,板比較厚,通常會(huì)在500~1 000 mm 之間。井字樓蓋比較接近普通梁板結(jié)構(gòu),采用密梁加樓板結(jié)構(gòu)的形式。由于華夫板和芝士板具備上、下層通風(fēng)性能,所以通常會(huì)應(yīng)用在有技術(shù)下夾層通過回風(fēng)夾道進(jìn)行垂直通風(fēng)的半導(dǎo)體廠房潔凈室,而井字樓蓋由于不具備垂直通風(fēng)性能,通常會(huì)用在側(cè)回風(fēng)的潔凈室。

為了和高架地板的尺寸模數(shù) 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(shí)設(shè)置華夫筒,華夫板的華夫筒通常會(huì)采用一個(gè)底座帶四個(gè)筒的組合筒形式,而用在芝士板的華夫筒,是獨(dú)立筒的形式。另外,華夫筒在施工時(shí)也兼做施工時(shí)的模板,需要足夠的剛度及強(qiáng)度來抵抗施工時(shí)混凝土澆筑產(chǎn)生的壓力,因此通常會(huì)采用玻璃鋼(SMC)材質(zhì),價(jià)格較為昂貴。同時(shí),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(jiǎn)不拆除。

2.防微振分析模型 引言中已經(jīng)提到,振源主要包括內(nèi)部振源與外部振源。外部振源對(duì)結(jié)構(gòu)主要產(chǎn)生水平方向的振動(dòng),且因場(chǎng)地所處條件的不同,產(chǎn)生的振動(dòng)大小不同。所以,根據(jù)防微振素地測(cè)試結(jié)果,有時(shí)根據(jù)需要須考慮設(shè)置防微振墻來提高結(jié)構(gòu)水平剛度。但是,由于場(chǎng)地因數(shù)是個(gè)未知分量,本次分析主要準(zhǔn)對(duì)內(nèi)部振源進(jìn)行分析,不考慮外部振源。分析采用內(nèi)部激勵(lì)法來模擬內(nèi)部振源進(jìn)行時(shí)程動(dòng)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(gòu)件尺寸主要由防微振要求來確定,而不會(huì)由承載力來確定,

當(dāng)然構(gòu)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(jí)下所需的構(gòu)件尺寸。 2.1 分析模型及測(cè)點(diǎn) 圖2為分析模型。由于潔凈室面積太大,對(duì)整個(gè)潔凈室進(jìn)行模擬會(huì)導(dǎo)致計(jì)算數(shù)據(jù)大,分析時(shí)間過長(zhǎng)。微振波的傳遞路徑特征表明,通常對(duì)3跨左右的區(qū)域進(jìn)行分析,與整體模型分析結(jié)果會(huì)非常接近,因此本次分析研究針對(duì)華夫板、芝士板、井字樓蓋全部采用3跨的模型計(jì)算。分析模型中對(duì)華夫孔也進(jìn)行了建模,以準(zhǔn)確模擬板的剛度貢獻(xiàn)。主要對(duì) 4.8 m、6.0 m、7.2 m 跨距的樓蓋進(jìn)行了分析,這是由于防微振工藝設(shè)備平臺(tái)的特殊性,設(shè)計(jì)中宜采用小跨度柱網(wǎng)。4.8~7.2m范圍能夠覆蓋大部分半導(dǎo)體廠房的跨度選擇。 主要針對(duì)板中心、次梁中心、主梁跨中三個(gè)位置進(jìn)行計(jì)算分析。該三處為結(jié)構(gòu)剛度最小的部位，可充分反映樓板結(jié)構(gòu)的微振情況,各測(cè)點(diǎn)見圖2。

2.2 模態(tài) 分析考慮前 150個(gè)模態(tài),以充分反映各種模態(tài)下的結(jié)構(gòu)反應(yīng),來覆蓋 1/3 倍頻程1~100 Hz范圍區(qū)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(tài),從模態(tài)分析結(jié)果中可以看出.第一模態(tài)發(fā)生在結(jié)構(gòu)剛度最小處,周期最長(zhǎng),自振頻率基本都在 15 Hz 以上。 3.防微振分析結(jié)果 6 m 跨距 VC-B 等級(jí)要求下的 1/3倍頻程防微振分析結(jié)果如圖3所示。分析結(jié)果主要顯示測(cè)點(diǎn)豎直方向的速度,加速度,位移反應(yīng)。

從圖中可以看出,三種結(jié)構(gòu)形式的最大反應(yīng)都滿足 TYPE-B 微振等級(jí)要求,綠色線表示主梁跨中,藍(lán)色線表示次梁跨中,紅色線表示板中心的反應(yīng)。可以看出板的反應(yīng)是最大的,這是因?yàn)榘遢^薄,剛度較小。當(dāng)然板的跨度較小時(shí),結(jié)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(yīng)明顯高于次梁的反應(yīng)。基于以上方法,對(duì) TYPE-A、TYPE-B、TYPE-C、TYPE-D常用的防微振等級(jí)在不同跨度4.8m、6.0 m、7.2 m板跨下進(jìn)行了分析,結(jié)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(jí)下構(gòu)件要求最小截面。隨著防微振等級(jí)的提高及跨度的增加，構(gòu)件截面呈增大趨勢(shì)。

4. 成本比較分析

5. 4.1樓蓋單位平米造價(jià) 本節(jié)基于防微振分析結(jié)果,對(duì)三種常用的防微振梁板樓蓋形式進(jìn)行了成本比較。首先統(tǒng)計(jì)了TYPE-A、TYPE-B、TYPE-C、TYPE-D 四個(gè)防微振等級(jí)下華夫板、芝士板、井字樓板在4.8 m、6.0 m、7.2m柱網(wǎng)跨度下的單位平米造價(jià)。接著分析了柱網(wǎng)跨度、樓蓋形式會(huì)如何影響造價(jià),并找出趨勢(shì)與共性。樓蓋造價(jià)計(jì)算主要包括梁、板、柱的混凝土及鋼筋的材料費(fèi)用及華夫筒的材料費(fèi)用。

混凝土用量基于第3 節(jié)防微振分析確定的各構(gòu)件尺寸得到,樓板混凝土計(jì)算時(shí)考慮華夫筒的開孔率。鋼筋用量由于項(xiàng)目所在地區(qū)不同,抗震等級(jí)不同,無法作統(tǒng)一基準(zhǔn)的比較,因此基于經(jīng)驗(yàn)取混凝土中鋼筋的用量為170 kg/m2。華夫筒造價(jià)按照面積來計(jì)算。各材料單價(jià)為:混凝土 542 元/m3，鋼筋5830元/t.華夫筒650元/m,2。這些單價(jià)包含材料費(fèi)和安裝費(fèi),是由廠商提供的普遍值。樓蓋總價(jià)為材料用量與材料單價(jià)乘積。樓蓋總價(jià)與樓板面積的比值為每1m造價(jià),即為分析比較指標(biāo)。

由表3可知,由于井字樓蓋不含華夫筒,而華夫筒的價(jià)格占比較大,井字樓蓋的造價(jià)顯著低于華夫板和芝士板;3種典型柱網(wǎng)尺寸的樓蓋造價(jià)均隨著防微振等級(jí)的提高而增加。具體來說,從TYPE-A提高到 TYPE-B,樓蓋造價(jià)的平均增長(zhǎng)約為 7%:從 TYPE-B提高到 TYPE-C,樓蓋單位平米造價(jià)的平均增長(zhǎng)約為11% ;從 TYPE-C 提高到 TYPE-D,樓蓋單位平米造價(jià)的平均增長(zhǎng)率約為 8%4.2 柱網(wǎng)跨度對(duì)造價(jià)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(jí)下的成本比例與柱網(wǎng)跨度折線圖。成本比例為相應(yīng)跨度的造價(jià)對(duì)4.8m跨度的造價(jià)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(duì)于防微振等級(jí)為TYPE-A 和 TYPE-B 的情況,呈線性增加,對(duì)于防微振等級(jí)為 TYPE-C 和 TYPE-D 的情況,6.0~7.2 m跨度時(shí)增勢(shì)趨緩;②井字樓蓋的成本比例隨跨度的增大呈現(xiàn)先增加后減少的趨勢(shì),表明7.2 m跨會(huì)比6m跨更加經(jīng)濟(jì)。因此,設(shè)計(jì)人員可綜合工藝空間要求和經(jīng)濟(jì)效應(yīng)選擇合適的跨度。 4.3 結(jié)構(gòu)形式對(duì)造價(jià)的影響 分別繪制三種柱網(wǎng)跨度下華夫板、芝士板、井字樓板在不同防微振等級(jí)下成本比例的柱形圖(圖7~9)。成本比例為相應(yīng)結(jié)構(gòu)形式的造價(jià)對(duì)華夫板造價(jià)的比值。

由圖7~9可知,在相同跨度及相同防微振等級(jí)下,三種結(jié)構(gòu)形式都呈現(xiàn)同一趨勢(shì),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(fēng)性能的條件下,選擇華夫板會(huì)比芝士板造價(jià)更加經(jīng)濟(jì)。但是芝士板的施工速度會(huì)更快一些,設(shè)計(jì)人員也應(yīng)結(jié)合工程需求綜合考慮。如果不要求垂直通風(fēng),選擇井字樓蓋最經(jīng)濟(jì),造價(jià)通常僅為華夫板的50%~60%。因此,設(shè)計(jì)人員應(yīng)基于所設(shè)計(jì)半導(dǎo)體廠房潔凈室的通風(fēng)形式(垂直通風(fēng)/側(cè)回風(fēng))選擇相應(yīng)的樓板形式,如果采用的是側(cè)回風(fēng)潔凈室,則井字樓蓋的使用能夠顯著節(jié)省防微振樓蓋的材料費(fèi)用。

5.結(jié)束語 本文對(duì)常用跨度 4.8 m、6.0 m、7.2 m及常用防微振等級(jí)下TYPE-A、TYPE-B、TYPE-C、TYPE-D 的三種梁板結(jié)構(gòu)形式,即華夫板、芝士板、井字樓蓋進(jìn)行了建模分析,確定最小的防微振構(gòu)件尺寸。同時(shí)基于分析結(jié)果對(duì)其進(jìn)行了成本比較分析,結(jié)論如下。 1)相同防微振等級(jí)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(shí)成本反而比 6.0 m 減小。 2)同一防微振等級(jí),同一跨度下,芝士板比華夫板成本略高,而井字樓蓋遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于前兩者。這是由于井字樓蓋不含華夫筒的原因。當(dāng)無垂直通風(fēng)要求時(shí),選擇井字樓蓋最經(jīng)濟(jì)。而當(dāng)有直通風(fēng)要求時(shí),選擇華夫板會(huì)比芝士板經(jīng)濟(jì)。