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大面积高洁净等级厂房中的地板应用实例

 国内某液晶面板项目生产的玻璃基板尺寸为 2.2m×2.5 m，是国内第一家工艺设备地面（WaffleSlab，音译为华夫板，以下简称华夫板）采用无高架地板的“洞洞板”系统设计项目，本文就以该项目的华夫板设计方案为例，介绍在无尘车间中如何合理地对华夫板进行设计，说明“洞洞板”设计方案，研究该设计方案的气流模拟及其造价，分析其应用前景和推广价值。

1 项目介绍和问题提出

   该项目总占地面积为 60.4 万 m2，厂区规划总建筑面积约 72 万 m2，主要为阵列 / 彩膜厂房、成盒厂房、附属设施及配套设施等。其中，阵列 /彩膜厂房建筑面积约 40 万 m2，主厂房 4 层，2 层和 4 层为工艺设备层，1 层和 3 层为回风层，洁净面积约 15 万 m2。成盒厂建筑面积约 16 万 m2，1层和 3 层为工艺设备层，2 层为回风层，洁净面积近 4 万 m2。为尽快抢占市场，降低成本，要求在3.5 个月内完成近 20 万 m2洁净室施工，同时造价较国内同类工厂降低10%，如何实现进度和预算目标，华夫板的设计是关键因素之一。

2 华夫板设计方案

2.1 华夫板功能要求

TFT-LCD 厂房均具有洁净面积大，洁净等级高等特点，一般采用层流（垂直层流和水平层流）方式进行洁净处理，包括上技术夹层（天花吊顶层）、工艺设备层和下技术夹层（回风层），华夫板层作为 TFT-LCD 厂房工艺设备安装的地面和通风通道，从功能上有如下要求：

（1）荷载要求：TFT-LCD 生产设备较重，设备荷载达15000 N/m2~30000 N/m2，G8.5 代厂地面荷载要求为 30000 N/m2。

（2 ）防微震要求：曝光机、涂布机等设备对微震非常敏感，要求其基础抗微震达到VCC-C的级别。

（3）洁净通风的要求：华夫板作为工艺设备层到下技术夹层的通风通道，要求能实现垂直层流的通风要求，同时满足洁净度要求。

2.2 华夫板设计方案

为实现华夫板的功能要求，国内外较通常设计方案主要有如下几种方案：

（1 ）高架地板方案

① 格构梁 + 高架地板（Raised Floor）：主体结构设计采用密集砼井格梁（也称格构梁），在格构梁上架设高架地板（钢结构 + 盖板）。

② 玻璃钢（FRP）桶模 + 高架地板：楼板采用 600 mm~700 mm厚，暗藏密肋梁，施工时采用玻璃钢（FRP）桶模预留孔口，地面完成后架设高架地板。

③ 密集钢构 + 高架地板：在密集钢构上架设高架地板。

④“洞洞板”（T u b e ）+ 高架地板：楼板采用 600 mm~700 mm厚，暗藏密肋梁，施工时采用圆形钢桶模预留孔口，地面完成后架设高架地板。

以上方案全部是在结构楼板（梁）上架设高架地板，又可统称为高架地板设计方案，该设计方案需要在施工时首先需要对结构楼板刷环氧涂料，然后架设高架地板钢结构骨架，最后铺设盖板，工序较多，不利于缩短工期，同时由于高架地板需大量使用钢材，造价较高，不利于节能环保。由于格构梁 + 高架地板造价低，应用较广泛，本文以此种设计方案为比较对象。

（2）无高架地板的“洞洞板”（Tube Floor）设计方案除高架地板设计方案外，在台湾的某G8.5代厂采用一种全新的华夫板设计方案，即无高架地板的“洞洞板”（Tube Floor）设计方案，直接利用楼板上预留的孔口（Tube）进行通风，该设计方案由于气流组织复杂、设计与施工难度大，尚未被广泛采用，但由于施工工序较简单，不需要铺设高架地板，如果可行，将非常有利于缩短工期，降低造价。

3 华夫板的选用

3.1 使用功能对比华夫板承担工艺设备的承重功能、工艺物流运输功能、洁净室层流通风功能同时要求防微震功能，华夫板的两类设计对实现以上功能各有侧重具体使用功能比较见表 1。

从表1 可以看出，高架地板系统的气流易于调节和控制，设计、施工和运营技术难度低，缺点是造价高、工期较长，缺点是为解决微震问题需要设计独立防微震底座，受此影响，生产工艺布局调整限制较多；而无高架地板的“洞洞板”系统在造价和工期上占优，且由于是整体防微震设计，工艺生产布局可以灵活调节，不受防微震底座位置固定的限制，但气流调节难度大，对设计、施工和运营要求高。

3.2 气流组织对比

（1 ）高架地板的气流组织高架地板是采用是在钢结构或砼结构上架设开孔钢板，其气流组织原理见图 1。

① 上技术夹层的空气（回风 + 新风混合）―― FFU（洁净空气 Class 10~Class 1K）― ― 生产设备 ― ― 高架地板 ― ― 结构地板（开孔）― ―下技术夹层― ― DCC― ― 回风竖井― ― 上技术夹层，新风气流流程为：室外空气 ― ― MAU 机组（处理至送风状态点）― ― 下 / 上技术夹层或回风竖井。

② 生产设备安装于地板高架地板上，Photo、Coater 等对微震（Micro Vibration）要求高的设备直接安装在防微震机台上。

③ 由于高架地板是由开孔率很高的盖板满铺，且高度大于 600 mm，气流相对均匀，易于调节。

（2 ）无高架地板的“洞洞板”气流组织洞洞板是直接在砼结构楼面预留孔（TubeH ol e ），孔上盖不同开孔率的盖板，生产设备直接安装在砼结构的楼面上，与高架地板设计方案相比，从上技术夹层的垂直气流直接通过结构楼板进入下技术夹层，由于结构楼板开孔限制，气流均匀性需要精确设计，在施工完成后需进行实测验证。其气流组织原理见图 2。

（3 ）无高架地板的“洞洞板”的气流模拟对“洞洞板”通风问题，我们利用 CFD 软件对“洞洞板”气流组织进行模拟，以确认是否能满足洁净室的要求，以Cell厂气流模拟为例，进行简要说明：

① 建模条件：

a）模型尺寸为 300 m×120 m×7.5 m，回风道设于上下两边，下技术夹层高 5.5 m，方框部分代表自动搬运设备（Stocker），具体平面布置见图3 。

b）洞洞板阻力设定，初始值以 f = 1000，且均匀分布设定之，划分共 96 个区域进行计算，将以分区域及平均压力损失的概念，模拟“洞洞板”与气流组织的关系：

c ）F F U 布局如表 2 。

d）开孔率：楼板“洞洞板”开孔率 18%DCC布置：V 字型，f=4.63。

e）Stocker：不考虑 Stocker 内部所有结构，只是一只下方透气的空盒子，设备自带FFU按上方考虑。

f）不考虑建筑物的墙厚、柱子剪力墙等的潜在可能影响。

② 气流模拟

气流模拟时，初次采用 65% 开孔的盖板进行模拟，根据模拟结果，对紊流和气流倾斜角度过要求，以 65。的区域，调整“洞洞板”的开孔率（盖板的开孔率 90%、65%、35%、0% 四种），经多次反复模拟，最终形成图 4 气流组织，经分析，通过调整“洞洞板”盖板的开孔率，气流组织能够满足该 TFT-LCD 厂房的设计要求

3.3 造价对比

高架地板系统建筑构造（参照图 1）为：结构楼板+ 结构楼板环氧涂料+ 钢结构高架地板支撑系统 + 高架地板盖板；与之对应的无高架地板的“洞洞板”建筑构造（参照图 2）为：结构楼板 +桶模 + 结构楼板平整度处理 + 抗静电环氧涂料。从表 3 分析可以看出，20 万m2的洁净室，造价可以节省约 1.18 亿元人民币。

3.4 施工对比

从表 4 述分析可以看出，无高架地板“洞洞板”施工要求为模板强度高，结构地面完成面平整度高，环氧施工工序多，经调查国内的施工情况，模板可以通过使用高强度的夹板解决，平整度要求可以采用激光找平设备来解决，同时国内环氧地面施工已经可以达到国际水平，因此施工技术上可以满足无高架地板“洞洞板”的要求，由于工序较简单，各工序之间可以交叉施工，工期能够节约1～1.5个月。经综合分析和评估，最终选择采用无高架地板的“洞洞板”设计方案，典型平面图及剖面图详见图 5 、图 6 。

4 设计成果验证

该项目经过12.5个月紧张施工后第一台生产设备搬入，与同类项目相比，工期缩短2~3 个月，造价也大幅节省，洁净度和温湿度完全能够达到生产工艺设备的要求。项目运行1 年，实测的气流组织与设计时的气流模拟基本一致，Class1000级洁净室的洁净度检测 0.3 μm颗粒在 200 颗以下，远远低于设计的要求。项目在施工过程中由于下雨和施工单位经验不足，部分地面平整度较差，在施工过程中增加环氧金刚砂找平工序，增加了一些费用。

5 结论

无高架地板“洞洞板”系统工期较短，造价较低，但设计与施工困难，通过气流模拟和采用先进的施工工艺完全能够达到生产对洁净度和平整度的要求，是一项创新设计值得推广和应用