随着近年我国半导体事业的蓬勃发展,新建半导体厂房项目越来越多。半导体厂房投资大,回报周期长,初期的规划与设计非常重要。厂务技术专栏防微振的第一步就是建筑结构防微振,如果在设计时不能满足防微振要求,完工后将需要花很大的代价去弥补，给项目造成巨大的损失。防微振主要针对的振源有两类,即内部振源和外部振源。内部振源主要包括建筑物内的人员、设备、管道、搬运行车等,其通过梁、柱、板传给精密设备。而外部振源主要包括建筑物周边的车辆、电车,施工等,其通过地面传导给建筑基础,进而影响到建筑物里面的精密设备。因此如何在设计时有效地避开以及降低这些振源的影响,在半导体厂房设计中尤其重要。建筑结构防微振主要是通过提高结构刚度来降低结构振动幅度,通常会采用如下三种结构形式:华夫板(Wallfe Slab)、芝士板(Cheese Slab)、井字楼盖( Cross-BeamSlab),如图1所示。华夫板为密梁+通风板的结构形式,板通常会比较薄,在200~300 mm 之间,主要通过梁来提供结构刚度。芝士板则整体是一块通风板,板比较厚,通常会在500~1 000 mm 之间。井字楼盖比较接近普通梁板结构,采用密梁加楼板结构的形式。由于华夫板和芝士板具备上、下层通风性能,所以通常会应用在有技术下夹层通过回风夹道进行垂直通风的半导体厂房洁净室,而井字楼盖由于不具备垂直通风性能,通常会用在侧回风的洁净室。为了和高架地板的尺寸模数 0.6 m保持一致，华夫板的次梁间距一般为 1.2 m,孔间距 0.6 m,芝士板的孔间距也是 0.6 m。井字楼盖由于没有开孔,次梁的间距没有特别要求,因此本次研究假定井字楼盖1/3跨度处有次梁。楼板的开孔通常在施工时设置华夫筒,华夫板的华夫筒通常会采用一个底座带四个筒的组合筒形式,而用在芝士板的华夫筒,是独立筒的形式。另外,华夫筒在施工时也兼做施工时的模板,需要足够的刚度及强度来抵抗施工时混凝土浇筑产生的压力,因此通常会采用玻璃钢(SMC)材质,价格较为昂贵。同时,由于SMC具有很好的表面洁净性能,可做洁净室表面材料,为保持洁净室洁净度,混凝土浇筑后华夫简不拆除。 引言中已经提到,振源主要包括内部振源与外部振源。外部振源对结构主要产生水平方向的振动,且因场地所处条件的不同,产生的振动大小不同。所以,根据防微振素地测试结果,有时根据需要须考虑设置防微振墙来提高结构水平刚度。但是,由于场地因数是个未知分量,本次分析主要准对内部振源进行分析,不考虑外部振源。分析采用内部激励法来模拟内部振源进行时程动力分析，楼面假定均布活荷载20 kN/m'(通常的洁净室活荷载)。梁板柱的构件尺寸主要由防微振要求来确定,而不会由承载力来确定,当然构件的配筋最后需由永久荷载和地震力来确定。因此本次分析的主要目的是确定某一防微振等级下所需的构件尺寸。图2为分析模型。由于洁净室面积太大,对整个洁净室进行模拟会导致计算数据大,分析时间过长。微振波的传递路径特征表明,通常对3跨左右的区域进行分析,与整体模型分析结果会非常接近,因此本次分析研究针对华夫板、芝士板、井字楼盖全部采用3跨的模型计算。分析模型中对华夫孔也进行了建模,以准确模拟板的刚度贡献。主要对 4.8 m、6.0 m、7.2 m 跨距的楼盖进行了分析,这是由于防微振工艺设备平台的特殊性,设计中宜采用小跨度柱网。4.8~7.2m范围能够覆盖大部分半导体厂房的跨度选择。 主要针对板中心、次梁中心、主梁跨中三个位置进行计算分析。该三处为结构刚度最小的部位，可充分反映楼板结构的微振情况,各测点见图2。分析考虑前 150个模态,以充分反映各种模态下的结构反应,来覆盖 1/3 倍频程1~100 Hz范围区间。表1列出了6m跨距下,华夫板、芝士板、井字楼盖的第一模态,从模态分析结果中可以看出.第一模态发生在结构刚度最小处,周期最长,自振频率基本都在 15 Hz 以上。6 m 跨距 VC-B 等级要求下的 1/3倍频程防微振分析结果如图3所示。分析结果主要显示测点竖直方向的速度,加速度,位移反应。从图中可以看出,三种结构形式的最大反应都满足 VC-B 微振等级要求,绿色线表示主梁跨中,蓝色线表示次梁跨中,红色线表示板中心的反应。可以看出板的反应是最大的,这是因为板较薄,刚度较小。当然板的跨度较小时,结果和次梁基本接近,如华夫板。而在井字楼盖,由于板的跨度(1.6 m、2.0 m、2.4 m)比华夫板(1.2 m)大,板的反应明显高于次梁的反应。基于以上方法,对 VC-A、VC-B、VC-C、VC-D常用的防微振等级在不同跨度4.8m、6.0 m、7.2 m板跨下进行了分析,结果如表2所示。表2中显示出了通过分析确定的防微振要求的梁、板、柱截面尺寸,为各防微振等级下构件要求最小截面。随着防微振等级的提高及跨度的增加，构件截面呈增大趋势。 
4 成本比较分析本节基于防微振分析结果,对三种常用的防微振梁板楼盖形式进行了成本比较。首先统计了VC-A、VC-B、VC-C、VC-D 四个防微振等级下华夫板、芝士板、井字楼板在4.8 m、6.0 m、7.2m柱网跨度下的单位平米造价。接着分析了柱网跨度、楼盖形式会如何影响造价,并找出趋势与共性。楼盖造价计算主要包括梁、板、柱的混凝土及钢筋的材料费用及华夫筒的材料费用。混凝土用量基于第3 节防微振分析确定的各构件尺寸得到,楼板混凝土计算时考虑华夫筒的开孔率。钢筋用量由于项目所在地区不同,抗震等级不同,无法作统一基准的比较,因此基于经验取混凝土中钢筋的用量为170 kg/m2。华夫筒造价按照面积来计算。各材料单价为:混凝土 542 元/m3，钢筋5830元/t.华夫筒650元/m,2。这些单价包含材料费和安装费,是由厂商提供的普遍值。楼盖总价为材料用量与材料单价乘积。楼盖总价与楼板面积的比值为每1m造价,即为分析比较指标。由表3可知,由于井字楼盖不含华夫筒,而华夫筒的价格占比较大,井字楼盖的造价显著低于华夫板和芝士板;3种典型柱网尺寸的楼盖造价均随着防微振等级的提高而增加。具体来说,从VC-A提高到 VC-B,楼盖造价的平均增长约为 7%:从 VC-B提高到 VC-C,楼盖单位平米造价的平均增长约为11% ;从 VC-C 提高到 VC-D,楼盖单位平米造价的平均增长率约为 8%4.2 柱网跨度对造价的影响图4~6为华夫板、芝士板、井字楼板在不同防微振等级下的成本比例与柱网跨度折线图。成本比例为相应跨度的造价对4.8m跨度的造价的比值。
由图4~6 可以看出:①华夫板与芝士板类似,成本比例随跨度的增加而增加,对于防微振等级为VC-A 和 VC-B 的情况,呈线性增加,对于防微振等级为 VC-C 和 VC-D 的情况,6.0~7.2 m跨度时增势趋缓;②井字楼盖的成本比例随跨度的增大呈现先增加后减少的趋势,表明7.2 m跨会比6m跨更加经济。因此,设计人员可综合工艺空间要求和经济效应选择合适的跨度。分别绘制三种柱网跨度下华夫板、芝士板、井字楼板在不同防微振等级下成本比例的柱形图(图7~9)。成本比例为相应结构形式的造价对华夫板造价的比值。由图7~9可知,在相同跨度及相同防微振等级下,三种结构形式都呈现同一趋势,即芝士板比华夫板的成本比例略高,且都显著高于井字楼盖。因此,如果要求垂直通风性能的条件下,选择华夫板会比芝士板造价更加经济。但是芝士板的施工速度会更快一些,设计人员也应结合工程需求综合考虑。如果不要求垂直通风,选择井字楼盖最经济,造价通常仅为华夫板的50%~60%。因此,设计人员应基于所设计半导体厂房洁净室的通风形式(垂直通风/侧回风)选择相应的楼板形式,如果采用的是侧回风洁净室,则井字楼盖的使用能够显著节省防微振楼盖的材料费用。本文对常用跨度 4.8 m、6.0 m、7.2 m及常用防微振等级 VC-A、VC-B、VC-C、VC-D 下的三种梁板结构形式,即华夫板、芝士板、井字楼盖进行了建模分析,确定最小的防微振构件尺寸。同时基于分析结果对其进行了成本比较分析,结论如下。1)相同防微振等级下,华夫板和芝士板的成本随着跨度的增加而增加,但是井字楼盖在 7.2m跨度时成本反而比 6.0 m 减小。2)同一防微振等级,同一跨度下,芝士板比华夫板成本略高,而井字楼盖远远小于前两者。这是由于井字楼盖不含华夫筒的原因。当无垂直通风要求时,选择井字楼盖最经济。而当有直通风要求时,选择华夫板会比芝士板经济。来源：厂务技术专栏
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