半导体芯片厂房土建快速建造施工技术

张海瑞,孙江龙,赵宇亮,陈开莲,吴 字,李洪彬

(中建一局集团建设发展有限公司,北京 100102)

0 引言

半导体材料行业工程建设在厂房及生产线设计、施工速度、施工质量方面的要求极高,且当下芯片行业紧迫的供应形势又对厂房的施工建造速度提出更高要求,如何采用先进的施工技术快速完成厂房土建施工,是半导体芯片厂房建设的核心。

1 工程概况

某工程位于上海市浦东新区临港新片区,建成后用于生产CIS芯片,建筑面积为121 689m2,包含主生产厂房、动力厂房、研发楼、办公楼、停车楼、变电站、气站等大小15个单体,属于群体性建筑。结构形式为框架结构,最高建筑单体高度为29.90m,其中主生产厂房屋面为跨度54m的超长超重钢结构桁架。工程效果如图1所示。

图1 工程效果Fig.1 Effect of engineering

按照目前半导体芯片厂房的建设实践,土建施工主要内容包括:地基与基础、主体结构、装饰装修、屋面及室外总平等内容,涵盖钢筋混凝土、钢结构、装配式构件、建筑外墙、屋面工程、道路绿化和地下管线等施工分项。

2 项目难点

1)由于半导体芯片厂房的生产工艺和运行功能需求,相应的建设工程一般集生产、动力、电力、气站、办公、研发、停车、餐饮等诸多功能于一体,建筑体量大,建设内容繁多。

2)本工程属于群体性建筑,包括建筑物和各类构筑物合计15个,如何在紧迫的建设周期内和合理的资源投入下,安排各建设内容施工顺序,是项目成功建成并满足投产需求的关键一环。

3)主生产厂房屋面为钢结构桁架和钢筋桁架楼承板组合结构,其中钢桁架跨度达54m,单榀净重达71.5t,桁架截面高4.6～5.9m,屋面钢桁架超长超重,顺利吊装是难点。

4)装配化程度较高,预制构件体量超过6 600m3, 构件类型包括预制柱、预制梁、叠合板和楼梯等,由于无标准层,构件截面参数繁多、类别杂,预制构件生产模具配置、构件精确排产、吊装精准就位均难度较大。

5)室外管线交叉密集,单趟管线长度就达上千米甚至更多,涉及雨水、污水、给水、生产废水、绿化、燃气、消防等,同时部分管道位于道路下方,如何确保各专业管线穿路套管全数预埋,纵断面高程精准控制和满足管线功能,是贯穿整个项目建设须关注的重点。

6)生产厂房洁净生产区采用华夫板工艺,华夫板厚1 000mm,间隔暗梁空间较小,钢筋安装几乎无法操作,楼板混凝土完成面平整度要求为2mm/2m,如此严格的技术标准对施工工序控制提出更高要求。

7)在室内装修和设备安装过程中,需提前确保屋面和外立面断水,为室内作业创造环境,如何做到主体结构封顶后续工作的紧密衔接尤为重要。

8)厂房各主要建筑结构封顶前,要考虑空间移交给后续各设备安装厂商,此时会出现多专业、多工种的平面立体全空间交叉。

3 半导体芯片厂房土建快速建造技术

3.1 合理、有序安排施工

半导体芯片厂房工程建设包含生产、动力、供电、气站、研发、办公等多项内容,项目建设需按照“由主及次、需求优先、资源配套”的总体原则进行部署,室外道路相关和关键建筑土建施工同时启动,资源提前配套,附属工程根据厂务方需求适配建设进度。

1)室外总平 室外道路及路下管线,直接关系到项目建设场区的物流动线形成,进场后需立即启动。对于道路区域的管线和硬化,可根据土建主体结构建设进程,适时组织施工。

2)主要建筑单体 生产厂房、动力厂房、供电厂房是主要建筑单体,务必优先启动,其中供电厂房最先完工并投入使用,确保供电输出需求。其次对于大宗气站(含氢气棚、空压站、硅烷站、仓库、化学品库等)建筑体量相对不大的小单体建筑群,可在主建筑建设封顶后启动,确保资源投入连续、合理。对于办公、研发及停车等配套建筑单体需结合建设方需求确定,在不影响新厂房运行投产的前提下,可分阶段启动建设,但如果影响到新厂房的运行,如VOC挥发、扬尘、振动等,也需在主生产厂房运行前完成主要室外施工内容。

3)建筑部品部件 对于存在工厂加工环节的施工内容,包括钢结构、预制构件、华夫板等,需将深化设计、工厂确定、下料加工、半成品储备等各环节工作前置。一般在项目开建后即取得一手设计资料,开始深化设计、原材采购、工厂对接并确定整体半成品的供货时间节点,确保对施工现场供应的稳定有序。

3.2 生产厂房半逆作法施工工艺

生产厂房采用半逆作法施工工艺,即支持区结构按照由下到上的顺序进行,核心区有钢桁架屋盖结构的区域,基础筏板完成后作为拼装吊装场地,先施工屋盖结构,后施工屋盖以下结构,如图2所示。采用该施工方法,可快速完成屋面结构,达到生产厂房室内提早断水的目的,为室内其他工序施工创造相对干燥舒适的条件。

3.2.1筏板施工

筏板施工时须考虑如何优化筏板施工工艺,加快施工进度,为上部结构施工提供作业面。半导体芯片生产厂房一般单体基底面积较大,筏板属于大体积混凝土,采用跳仓法施工工艺。同时考虑屋面钢桁架安装需要,底板施工完成后,立即进行钢柱吊装与外包柱脚施工,并灌注箱形柱内混凝土。外包柱脚高至2层梁底,内灌混凝土至柱顶、填充密实。

3.2.2吊装预留通道

因屋面钢桁架吊装设备需在筏板上行走,因此需在筏板施工阶段,结合柱网尺寸预留通道,通道穿越框架柱插筋采用一级套筒连接(见图3),并在筏板面下预留180mm深不浇筑混凝土,将钢筋头全部埋入筏板内,预留区域内填砂,防止丝头损坏,柱施工前,将填砂清理干净。

图3 预留通道上柱插筋做法Fig.3 Construction method of column stiffener inreserved channel

3.2.3屋面钢桁架分段和胎架设置

结合运输、单元质量、结构受力等因素,对钢桁架工厂加工进行分段,长度<17.5m,宽度及高度<3m,如图4所示。

图4 钢桁架分段Fig.4 Steel truss segment

考虑工程场地条件和施工工况,将基础筏板作为钢桁架整体拼装场地,采用600mm高工字钢作为现场拼装胎架,工字钢设置长度为9m,每榀桁架设置6根工字钢(见图5),垂直支撑每榀设置2根工字钢。共设置4组桁架胎架、4组垂直支撑胎架,胎架随拼装位置变化倒运使用。

图5 桁架胎架摆放示意Fig.5 Placement of truss tire frames

3.2.4钢桁架吊装

钢桁架地面拼装成整体,采用吊车一次吊装就位,吊车行走通道上铺设木模板等材料对筏板做好保护。吊车选型需考虑负荷率,同时结合吊装高度、吊幅及整榀桁架和吊钩、钢丝绳总重等因素。桁架整体吊装至原位,待焊接作业完成后吊车拆钩。钢桁架间的上下弦次梁及柱间支撑采用小型吊车跟进安装。考虑屋盖以下结构内部施工,桁架楼承板和屋面混凝土施工时预留吊装口,确保内部施工材料转运。

3.3 装配化应用

3.3.1装配化在半导芯片厂房中的应用

整体上来说,半导体芯片厂房中装配化应用涉及预制柱、预制叠合梁、预制叠合板、预制楼梯、华夫板膜壳、轻质墙板等。在项目前期筹备充分的情况下,实施装配式建筑可明显改善项目现场施工环境、减少人力投入、加快施工进度。

3.3.2华夫板施工技术

为保证生产车间的高洁净度,华夫板广泛应用于高科技电子厂房,这种华夫板模板在建筑楼层中均匀预留大量孔洞,使上下楼层形成回风通道,利用强大的气压排出洁净空间的悬浮颗粒,以达到车间所需洁净度要求。华夫板型洁净室工作原理如图6所示。

图6 华夫板型洁净室工作原理Fig.6 Working principle of waffle clean room

华夫板应用发展至今大致分为可拆式和免拆式,产品类型分为直筒与梯形(见图7),制作材质通常采用FRP,SMC等材料。

图7 华夫板产品类型Fig.7 Waffle board product type

考虑华夫板膜壳加工工艺的特殊性,为避免在供货过程中出现断供,在充分考察工厂生产能力的前提下,选二备一,提前规避供货风险。

华夫板膜壳工厂加工前15d即进行预排版深化,精准统计产品规格,根据排版制定精细化日生产计划,并委派兼职人员不定期驻场,监督原材供应和工厂生产进展,确保华夫板成品储备量保持在现场2个施工段用量之上。

为确保快速施工,华夫板安装满堂支撑架(见图8),采用安拆方便、高效的盘扣式钢管材料,投入40mm×40mm方钢优化龙骨配置,减少木工作业,提高工效,华夫板膜壳安装前将内部加固支撑工序前置,以便直接定位铺设。

图8 华夫板支撑架体Fig.8 Waffle board support frame

华夫板膜壳下整层铺设平台板,铺设膜壳并安装桶盖后绑扎纵横向钢筋,钢筋施工时在箍筋上焊接钢筋定位卡钩,代替扎丝绑扎作业,解决绑扎空间不足难题的同时加快施工速度,确保钢筋保护层满足要求。华夫板施工过程如图9所示。

图9 华夫板施工过程Fig.9 Waffle board construction process

浇筑混凝土后采用激光红外仪辅助找平,在整个华夫板施工过程中,务必从支撑架体搭设、平台板、华夫板桶盖、钢筋保护层及混凝土浇筑完成面各环节严格把控,做到“步步监测,适时调整”,确保华夫板完成面达到2mm/2m的平整度要求。

3.3.3零模板投入预制构件安装

在施工现场安装预制构件前需做大量工作,包括图纸深化设计、工厂加工、堆放和吊装分析等,按照整体项目建设计划倒排并以此为据前置上述工作,确保现场安装的需求。

现场构件安装细分构件类型、编号、安装顺序、构件质量等信息,选择塔式起重机配合吊车等进行吊装。为加快施工效率,优化施工工序,采用承插型盘扣钢管支架,叠合梁下采用双槽钢托梁转换至两侧盘扣立杆托盘上,叠合梁和叠合板下采用双□100×50×3作为龙骨的零模板投入安装支撑体系,如图10所示。该体系相较于传统的施工做法减少了模板面板、木方或钢管等次龙骨工序,直接在方钢龙骨体系上放置叠合梁和叠合板,既减少了一次性材料的投入,也减少中间工序环节,有利于加快施工进度。

图10 预制构件安装支撑体系Fig.10 Prefabricated components installationsupport systems

3.4 快速移交

3.4.1二次结构紧密衔接

厂房建设待主体结构进行到一定阶段,局部楼层即具备后续作业条件,装饰装修要做好衔接配套,尽量减少砌体等湿作业,进而采用轻质墙板(GRC墙板、ALC墙板、轻钢龙骨墙体等)施工技术进行替代(见图11),改善作业环境的同时做到免抹灰,优化工序,加快施工节奏,创造空间移交条件。

图11 轻质墙板Fig.11 Lightweight wall panel

在整个建筑室内隔墙施工前,要充分协同各设备专业洞口预留条件的需求,施工时准确预留各专业洞口,减少墙体后开洞带来的质量隐患。

3.4.2外立面断水

主体结构封顶后,需在最短时间达到外立面封闭断水,确保室内设备管线的施工。主体结构施工进入地上前,需经各方敲定外立面分割效果,并以此进行外墙板块安装的埋件设计,在结构施工的同时进行埋件预埋作业。主体结构施工期间即完成外墙深化和檩条等材料的加工储备,结构封顶后创造条件提前安装檩条,外操作脚手架拆除后,除预留搬运通道外,全面进行外墙施工。

上述为半导体芯片厂房加快外立面断水的常规施工工序安排,对于核心区外立面,则需采取提前断水技术,包括外围护墙体采用钢筋混凝土墙体、砌筑墙体和轻质装配式墙板提前安装的方式。采用钢筋混凝土墙体成本相对较高;采用砌筑墙体工序多,施工慢;采用轻质装配式墙板则能在避免湿作业的情况下快速施工。

本工程利用具有防水性能的岩棉夹芯板,通过U形龙骨固定于结构框架间,形成洁净厂房外围护中间墙体。夹芯板拼缝采用中置铝条,确保拼缝严密,另外考虑层高和夹芯板本身的强度特点与普通岩棉夹芯板不同,于夹芯板内设置加强肋,确保墙身刚度。生产厂房核心区墙体构造如图12所示。

图12 生产厂房核心区墙体构造Fig.12 Wall structure of the core area of the production plant

3.4.3空间移交

空间移交是指将建筑内具备设备安装条件的楼层空间进行交接,对于土建施工来说,空间移交须满足楼层架体模板材料拆除并清理、断水、部分功能房间(变电站等)内隔墙完成、楼地面平整度满足要求、质量瑕疵修缮完成等条件。土建快速施工的目标也是确保移交,以便于设备安装做到快速穿插、空间占满、消除作业面闲置,达到快速建造。

为实现空间快速移交,需制定具体到每个功能房间的管家式移交计划,土建专业需做到边干边收,快速退出。具备移交条件后,集中联合建设方使用部门、安装单位、监理单位等进行验收移交。

安装单位在移交前要做好施工准备,借助高精度BIM模型完成深化设计工作,提高管线预制化加工和多构件集成设计。移交后快速展开相关工作,多专业协同,优化工序,减少交叉,提升安装效能。

3.5 室外配套快速建造技术

3.5.1道路、围墙永临结合

桩基施工阶段,即进行围墙施工,围墙基础采用正式基础,上部围挡可采用临时围挡,待建设后期用正式围挡替代临时围挡。

厂房内部道路一般采用混凝土基层和沥青面层相结合的做法(见图13),根据室外管线综合设计图做好道路下的管井和套管预埋工作,施工正式道路至混凝土结构层,作为施工道路使用,待所有管线检测和所有土方、绿化作业结束后,施工沥青面层,形成正式道路。

3.5.2构筑物预制化

半导体芯片厂房室外构筑物种类相对丰富,包括管桥管架、柴油罐、化粪池、隔油池、油水分离器、雨水收集池、降温池、各类提升井、地下水池等,构筑物施工在整个室外施工作业中占比较大,遵循“先地下后地上,先支护后开挖,先深后浅”的原则。

对于管桥管架基础、各类储罐及地下水池、提升井等埋深较大的构筑物,需在主建筑单体基础施工阶段优先施工。对于化粪池、隔油池、降温池及各类窨井,应加大预制化应用比例,采用玻璃钢、混凝土预制成品、模块砖等,在开挖后短时间内即可安装就位,减少构筑物施工可能带来的交叉影响。

3.6 BIM技术应用

在厂房建设过程中,BIM技术应用于深化设计、算量、各专业碰撞检查、施工模拟、可视化交底等方面,建立BIM信息管理平台,为项目快速建造提供技术支撑。

4 结语

近年来在利好政策不断扶持下,半导体材料的应用市场迎来了爆发式增长,芯片紧缺的现状对厂房建设的快周期要求更迫切,如何合理安排施工工序,优化施工工艺,提升土建快速建造效率,短期内实现半导体芯片厂房投产运行目标值得探索和实践。本文通过总结已有半导体芯片厂房施工实践中土建快速建造施工技术,从群体建筑分阶段启动、生产厂房核心建造、装配化应用、室外配套快速施工、快速移交及BIM技术的应用等方面进行叙述,可为类似工程的建造提供参考。