南京台积电12英寸晶圆厂与设计服务中心一期项目位于南京市浦口经济开发区, 是继联电、力晶之后台资赴大陆设立的第3个12英寸晶圆厂 (见图1) 。厂房总面积达32万m², 其洁净车间的洁净度为百级-千级。本项目共由9个建筑物单体组成, 包括生产厂房 (FAB) 、动力厂房 (CUB) 、高压主变电站、甲类仓库、废弃物仓库、特气供应站、氢气站、硅烷站、天然气减压站等, 占地面积45万m²。生产厂房 (FAB) 设计概况如表1所示。

本工程总建筑面积约32万m², 由9栋单体组成, 其中主厂房为钢结构+混凝土组合结构, 单层建筑面积约5万m², 需要在15个月内完成所有结构、装修、机电设备安装等工作。

生产厂房钢结构桁架共84榀, 桁架最大跨度47.2m, 单榀桁架最大质量115t, 主厂房有地下室, 钢桁架吊装需在地下室顶板进行, 桁架截面高度为7.59～10.25m, 钢桁架超长、超重, 吊装难度大。

本工程逆作法施工关键在于钢结构桁架吊装及屋面板施工。吊装屋面桁架过程中, 轴桁架最大重量为68t, 轴桁架最大质量为115 t。混凝土结构受力分别按照?轴桁架最大重量进行计算分析, 桁架分布如图2所示。

生产厂房框架梁跨度为4.8m, 轴混凝土框架梁截面为500mm×700mm, 轴混凝土框架梁截面为800mm×1 200mm。若考虑主要通过增加框架梁配筋及截面尺寸等方式来实现地下1层顶板上车需求, 通过计算可知, 梁配筋量约为原梁配筋量2倍。

同理, 可计算出200t履带式起重机及60t构件车行走区域下混凝土梁的配筋及截面尺寸要求。

根据分析可知需在原钢筋混凝土结构中增加较大量钢筋, 且构件尺寸增大, 影响后续设备安装空间需求, 故此方案不可行。

通过查阅相关资料, 本工程采用覆工板通过自身刚度将力传递至混凝土框架梁, 覆工板传力及构造示意如图3, 4所示。

轴区间钢结构质量较大, 以此区钢结构吊装过程对混凝土梁进行验算。

经计算采用覆工板铺设的方式进行钢结构吊装, 结构满足受力要求。

在地下室顶板上对混凝土主梁放线定位, 弹出混凝土主梁中心线。

综合考虑施工过程中H型钢的变形及临时电缆、电线的铺设需求, 垫块规格为50mm×100mm×35mm, H型钢须完全落于垫块上, 严禁错台;H型钢间采用槽钢或角钢临时固定, 保证整体稳定。

覆工板铺设时应注意端部搭接在H型钢上且与H型钢采用点焊固定 (见图5) 。

FAB厂房分为A区和B区, 钢结构主要集中于回风区、中间柱及屋面桁架, 桁架吊装是逆作法实施的关键。FAB厂房结构如图6所示。

FAB厂房逆作法施工流程为: (1) 完成A区地下结构施工; (2) A区地下室结构完成后满铺覆工板, 开始钢柱吊装; (3) 屋面桁架吊装及混凝土顶升; (4) 屋面施工与室内结构施工同步插入进行。施工流程如图7所示。

为保证楼层内施工材料灵活、高效转运, 经综合考虑分析, 地下结构施工期间采用塔式起重机作为材料运输工具;同时为保证中间层结构施工材料运输及项目成本控制, 待地下结构施工完成、屋面钢结构吊装前拆除部分塔式起重机, 在2, 3层留设倒料通道, 在桁架下层安装天车, 利用汽车式起重机和天车配合完成中间层结构施工材料水平和垂直运输, 确保中间层施工进度不受材料运输的影响。

中间层结构施工阶段, 屋面已完成封闭, 内部材料垂直运输无法采用塔式起重机进行吊运, 为满足材料水平运输需求, 应预留倒料通道, 通道处结构后施工, 并选用合适的汽车式起重机辅助天车作为材料垂直运输工具, 将材料通过倒料通道由1层吊运至2, 3层。

生产厂房东西长226m、南北长172.8m, 单层建筑面积约3.9万m², 根据移交时间不同, 分成1A, 1B 2个区。由于工期紧、工程量大, 将生产厂房划分4大段, 分别由4家结构包商同时施工, 综合考虑在各包商区段内分别设置1条倒料通道。

考虑结构内剪力墙、楼梯间位置及钢结构分布, 生产厂房倒料通道留设位置如图8中阴影区域所示。

在进行中间层结构施工时, 需根据预留的倒料通道将1层材料倒运至2, 3层, 受屋面和4层钢桁架影响, 汽车式起重机最大臂伸长度及作业半径受到限制, 起重机垂直运输最大理论臂伸长度及作业半径如图9所示。

根据2层和3层起重机垂直吊运示意图可知, 起重机通过预留倒料通道进行材料垂直运输时, 吊车臂最大延伸长度为26.2m, 主要吊运材料为钢筋、模板、脚手架、桶模等材料, 吊重要求小, 因此选用25t汽车式起重机作为中间层施工垂直运输工具。

在进行3层结构施工时, 起重机吊运材料覆盖半径仅3m左右, 各包商所分区段南北最大跨度约为60m, 起重机覆盖范围非常小, 大量材料需二次搬运;3层为华夫板, 梯形梁钢筋用量和模具周转量非常大, 人工搬运十分困难, 在项目施工策划阶段, 综合考虑以上因素, 决定在3层顶安装双向旋转天车, 以减少人工材料搬运, 加快材料运输速度。

根据各区段倒料通道位置及3层起重机吊运半径范围, 在3层顶分别安装南北通长天车轨道各4条, 东西方向各5条, 以满足起重机无法覆盖范围材料二次倒运。天车轨道布置如图10所示。

天车主要用于2, 3层结构施工期间钢筋、模板、SMC模具等材料倒运, 吊重≤2t, 因此本工程选用20kN荷载的电动单梁起重机天车。考虑1A比1B分区先施工, 现场只在1A分区施工时按标段划分配备4台天车, 1A 3层结构施工完成后再将天车转至1B使用。

1) 天车轨道在完成4层钢结构施工后安装。

2) 天车轨道交叉处设置旋转转盘, 可使天车双向运行, 增大运补面积 (见图11) 。

3) 天车安装完成、调试运行正常后方可投入使用。天车的使用弥补了中间层施工时起重机无法全部覆盖施工区域的缺陷, 极大地减少了材料人工二次搬运量, 加快了施工进度。

南京台积电12英寸晶圆厂与设计服务中心一期项目引入覆工板施工工艺, 在不改变地下室顶板混凝土梁、板、柱的截面尺寸及配筋情况下, 完成地下室顶板行走履带式起重机进行屋面桁架吊装, 节约了成本, 显著缩短了厂房建设周期。

结构施工阶段采用天车作为材料二次倒运工具, 解决了汽车式起重机无法覆盖区域材料二次搬运难题, 节省了大量人力, 缩短了材料倒运时间, 加快了中间层结构施工进度, 为实现项目的顺利移交提供了有力保障, 取得了良好的经济效益和社会效益。