超大型工业建筑设计浅析

超大型工业建筑设计浅析【摘要】本文结合某新能源汽车企业在上海整车厂项目的工程实例，通过对该项目的设计难点和解决方案的分析，对在超大型工业建筑项目设计过程中可能遇到的火灾危险性定性、结构形式、生产辅助用房设计及构造做法等关键问题提出一些意见和建议，从而为其他类似项目提供可参考的工程经验。【关键词】工业建筑；设计难点；涂装车间；生产辅助用房1、项目背景近年来，随着“中国制造2050”和“一带一路”等国家战略的开展，众多本土制造业及国际巨头加大了在我国本土的投资力度，一座座现代工业建筑正拔地而起。工业建筑作为建筑物划分中的一个大类，有着生产工艺要求高、结构、构造复杂等特点，建筑设计师在兼顾实用、经济与美观的同时面临各种限制。而以汽车行业为代表的制造业厂房往往还有占地面积大、层数少、空间要求高等特点，在设计过程中需更加全面的考量。2、项目概况某新能源汽车企业在上海新建的整车厂项目位于上海临港地区，总用地面积 80余万平方米，建筑占地面积约52万平方米，总建筑面积近86万平方米，是一座具备全球领先水平的一流新能源汽车整车厂，也是当代工业建筑中佼佼者。其中联合厂房一东西方向轴线总宽 145.4m,南北方向轴线总长828.8m,建筑总占地面125357mz总建筑面积为162651mz建筑高度21.65m米，同时包含有冲压车间、车身车间、总装车间及涂装车间等四个不同的功能分区。其中：车间中部设置有总装车间及车身车间，均为单层（局部夹层）钢网架结构，主要柱网尺寸 26mx24m网架底净高9m;车间北侧设置涂装车间，为二层钢框架结构，主要柱网尺寸 12mx13m一层层高7m,二层层高13.35m;车间南侧为冲压车间，为单层钢框架结构，主要柱网尺寸27X12m梁底标高18c此厂房规模在国内少见，是典型的超大型工业建筑。图1 车间区块示意图3、设计难点与解决方案传统汽车行业整车厂依据主要工艺流程划分，往往会设计建造四大车间：冲压车间（金属板材冲压成型）-车身车间（车身部件焊装成白车身） -涂装车间（金属车身涂装）-总装车间（汽车零部件总装、检测、出厂），四大车间往往在厂区中依次布局，各单体保持一定的体量和间距，通过机运连廊联系。而本项目依据自身先进的工艺技术，出于节约物流运输成本、提高生产效率的考虑，提出将传统四大车间整合成一座超大型联合厂房的要求，这也对建筑师提出了许多难题与挑战。车间生产的火灾危险性定性首当其冲的是与消防相关的火灾危险性定性问题。传统整车厂的四大车间中，除了涂装车间以外其余车间的火灾危险性定性均为丁（戊）类车间，依据规范防火分区面积及疏散距离不限，建筑消防设计困难较少。唯独涂装车间因生产工艺中大量使用油漆，定性会随着涂装工艺、油漆品种的不同而存在争议，需提前与当地消防部门沟通。而本项目将四大车间功能分区合并为一个联合厂房，其中火灾危险性较高的涂装车间分区所占面积比例较大，单体的火灾危险性定性就成了难题，消防设计需要慎之又慎。经过与审图公司及消防有关部门沟通，最终该项目的消防设计方案得到了认可：即涂装车间内涂装工段采用封闭、负压工艺，设置可燃气体自动报警系统及自动抑制爆炸系统，控制该工段占其所在防火分区面积比例不大于 20%依据建筑设计防火规范第3.1.2条将整座车间定性为丁类车间，防火分区面积、疏散距离不限。与此同时，考虑到涂装车间的特殊性，需将涂装车间区域与其他区域之间采用防火墙分隔，并参照丙类多层工业厂房60m疏散半径设置疏散楼梯。正是有了该火灾危险性定性结论，后续各车间分区的详细设计才有了顺利开展的坚实基础。结构形式超大型工业建筑因生产工艺、设备布置等原因，对建筑结构形式有较高要求，并且结构形式还对建筑设计、施工等方面有着深远的影响，需要谨慎确定。本项目根据业主提供的工艺需求，经过权衡，对不同的生产车间功能分区采用了不同的结构形式：冲压车间区域为了方便布置吊车梁及冲压线而采用门式钢架结构 ；涂装车间区域为局部二层区域，设置有钢-硅组合楼板，采用钢框架结构；而厂房中部占地面积较大的总装车间及车身车间采用了空间网架结构，主要柱网尺寸 24X26m其中对于空间网架结构选型出于以下几个方面的考量： 1.立柱间距较大，空间完整，可以根据工艺需求及建筑造型调整柱网尺寸；2.网架结构球节点呈矩阵式均匀分布，每一个球节点都可以作为一个吊点考虑荷载，满足车间内众多机械输送线的布置要求 ；3.风管、电气桥架等各专业公配管线、能源管线可以设置在网架架构层，不占用车间净高，减少干涉;4.网架由钢构加工公司加工完成后成组运送至施工现场吊装，大大加快了工程进度。生产辅助用房设计传统大型工业建筑在考虑车间办公、研发等功能需求时，往往会将辅助用房集中设置并与主厂房贴临建造，结构形式也以钢筋混凝土框架居多，无论是结构形式还是立面风格都难以与动辄网架或钢框架的厂房协调统一。本项目设计过程中，了解到业主总装车间及车身车间网架净高要求虽然是 9m,但是在车间东西两侧将会通长布置下沉式卸货区，车间边跨作为物流准备区实际净高需求仅为 5m左右，有将近4m的净空富余，仅总装车间该区域的投影尺寸就有约 11x598m建筑师创造性的提出利用该净空富余空间，在空间网架结构层下部设置通长的生产辅助用房夹层。这样做的好处有以下几点：1.既合理利用了车间内竖向空间，又避免了另设辅房占据厂区内平面空间，为业主在厂房周围设置大量下沉式卸货区创造了条件 ；2.结构形式统一，构造简洁，避免了为辅房与主体结构脱开而另设的双柱和变形缝 ；3.与另设框架结构辅房相比，大大减少了工程量，缩短了施工周期 ；4.辅助用房沿车间长边布置，更衣淋浴、休息区等功能分区与生产区联系紧密，还能兼顾各个公配设备用房，方便管线排布 ；5.辅房区域与车间部分共用外墙，立面形式完整统一。构造做法工业建筑往往采用钢结构搭配轻质围护墙体的形式，与一般民用建筑相比，会有更多的材料选择及防水、防火等相关构造做法要求，建筑师在设计时要充分了解项目所在地的气候环境、防火规范对相应部位的耐火极限要求及业主实际需求等内容综合考虑后妥善选择。屋面该项目位于上海临近海边地区，夏季多暴雨台风等极端气候，联合厂房一采用柔性卷材防水保温屋面，兼顾美观与防水性能。但采用该做法存在一个难题需要解决，车间长度800多米，若在车间内部设置空调机房，需分段集中布置，会占用较大车间使用空间 ；若直接放于室外，柔性屋面又难以承受空调设备。经过优化构造措施，在柔性卷材防水保温屋面中巧妙地局部设置了混凝土带状屋面，满足设备安装及检修需要。但该做法有以下几点值得注意： 1.两种屋面做法交接处需做好防水节点；2.尽量将混凝土带设置于柔性屋面屋脊处，避免两种屋面交界处积水，减小漏水隐患；3.除沿厂房屋脊通长布置的混凝土屋面外，还需设置若干与之垂直的混凝土屋面直达外墙边，方便设备吊装、检修；4.混凝土带状屋面为钢-混凝土组合楼板，建议采用建筑找坡方式，方便结构构造设计及施工。图3 不同屋面交接处节点示意外墙传统工业建筑常用外墙材料无外乎以下几种：双（单）层压型钢板复合保温墙体、承插型夹芯板保温墙体（横、竖排版均可）、内嵌龙骨型夹芯板保温墙体（横向排版）、铝板幕墙等。出于建筑立面美观考虑，同时最大限度的方便现场施工、节约工期，本项目采用的是竖向岩棉夹芯板外墙。根据业主的企业标准，立面主要颜色采用了白色配红色压顶,通过竖向的文理，弱化了车间的横向尺度，增加竖向挺拔感。简洁大方的立面设计，给人以充满朝气的视觉效果，较好的体现了业主无畏战舰的企业精神。夹芯板外墙相较于传统压型钢板复合保温墙体有所不同，夹芯板宽度固定，现场切割处理不像压型钢板外墙那么方便。所以立面门窗设计时就应提前考虑好与夹芯板板材宽度及拼缝的关系，否则会给现场施工造成困难，影响建筑围护施工进度。并且门窗模数若与夹芯板宽度不一致，会造外墙拼缝不连贯等影响立面效果的情况。所以在本项目中，所有外窗尺寸、定位都尽量以夹芯板板宽 1米为模数，既方便了夹芯板的排版及施工，又保证了良好的立面效果。图4 立面门窗尺寸与夹芯板模数协调内隔墙工业建筑本身往往内隔墙较少，即便有也往往是压型钢板或夹芯板隔墙，唯独车间辅房内隔墙的数量十分庞大，采用何种材质的内隔墙也十分讲究。经过与业主沟通，本项目除车间之间的隔墙采用彩板隔墙外，其余内隔墙采用的是轻钢龙骨双面单层纤维增强硅酸盐板隔墙。该轻质隔墙有以下几个优点： 1.防火性能优越，依据国标图集《防火建筑构造（一）》，双面单层 9厚纤维增强硅酸盐板内填75厚岩棉即可达到3小时耐火极限，可以满足车间内防火墙及防火隔墙的要求 ；2.轻钢龙骨体系轻质隔墙省去了停统砌体隔墙所需的圈梁、构造柱等内容，大大节约了施工周期 ；3.轻钢龙骨体系轻质隔改造方便，为业主日后根据功能需求调整空间划分提供便利 ；4.轻质墙体用于车间辅房时还可以大大减轻结构荷载，减小梁高。4、设计方法作为超大型工业建筑，体量巨大、设计工作量繁多是该类型项目的重要特征，而如今设计行业中对于设计进度的要求又愈发严格，设计师在面对此类项目时，除了认真学习防火规范中工业建筑部分相关条文，仔细解读业主的工艺需求，妥善解决好设计过程中遇到的难题之外，还要掌握一定的设计方法与设计工具，提高自身的设计效率。模块化设计本单体仅沿总装车间西侧通长设置的生产辅助用房总长度就有 598米，共设有5个厕所，10把疏散楼梯，若每部楼梯及厕所均随意布置，无疑大大加重了设计工作量，为施工图的绘制及各专业的配合带来麻烦。所以在方案阶段伊始，我们就将这些楼梯和厕所的平面及位置与业主锁定，后续无论辅房平面布置如何调整，这些楼梯和厕所都几乎不受影响，施工图设计时也以几张标准放大详图就解决问题，减轻了工作量。图5 楼梯间及卫生间模块化设计所以，在面对大型工业建筑这类大体量建筑设计之初，设计师就应该有意识的采用模块化设计，尽早确定卫生间、楼梯间等可以布置标准平面的功能区块，适当引导车间工艺布置或办公布置依据标准平面调整，为后续的设计打好基础。BIM协同设计超大型工业建筑设计时，传统CA屋维图纸往往难以避免图纸本身的错、漏、碰、缺和各类构件干涉。特别是当业主的需求产生变更、平面反复调整时，更是容易出现顾此失彼的低级设计错误。为了避免这些情况的出现，本项目从项目开始就确认了采用 BIM协同设计的方针，从方案阶段模型讨论开始就采用 AutodeskRevit系列软件正向设计。Revit软件所见即所得的特性也极大的减少了施工图绘制中修改的工作量，例如平面中某一处开门位置应业主要求调整之后，相应的立面图、剖面图及放大图都会自动更改。而通过导入结构Revit模型，建筑专业也能对车间的结构构件有一个直观的了解，避免出现层高不够或者建筑构件与结构构件干涉的情况 ；机电专业更是可以在建筑结构 Revit模型的基础上绘制本专业管线，并通过相关软件进行碰撞检查，在设计阶段就避免干涉，减少施工现场的问题数量。结语：工业建筑是企业发展、国家制造业振兴的基石，而超大型工业建筑又在所有工业建筑中扮演了十分重要的角色。作为建筑设计人员，在进行相关