汽車工業(yè)廠房結(jié)構(gòu)優(yōu)化及降本途徑探究

黃文方

摘要：文章以某汽車整車基地項(xiàng)目為例，從結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化角度，對(duì)影響基建投資占比較大的基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、樁基礎(chǔ)、地基處理、鋼結(jié)構(gòu)等方面詳細(xì)闡述了設(shè)計(jì)優(yōu)化的途徑，在當(dāng)今全球經(jīng)濟(jì)受新冠肺炎疫情影響的大環(huán)境下，為汽車主機(jī)廠降低投資、管控成本提供了思路。

Abstract： Taking an automobile base project as an example， from the perspective of structural design optimization， the article elaborates on the design optimization of foundation pit support structure design， pile foundation， foundation treatment， steel structure， etc.， which affect infrastructure investment. This approach provides ideas for auto OEMs to reduce investment and control costs in today's environment where the global economy is affected by the COVID-19.

關(guān)鍵詞：汽車整車基地;工業(yè)廠房;結(jié)構(gòu)優(yōu)化;降本增效

Key words： automobile base;industrial plant;structure optimization;cost reduction and efficiency increase

中圖分類號(hào)：TU318? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號(hào)：1006-4311（2020）27-0110-03

0? 引言

汽車整車項(xiàng)目投資巨大，在現(xiàn)今行業(yè)競(jìng)爭(zhēng)日益激烈及2020年全球經(jīng)濟(jì)受新冠肺炎疫情影響的大環(huán)境中，降本增效是各大主機(jī)廠增強(qiáng)產(chǎn)品競(jìng)爭(zhēng)力、提高市場(chǎng)占有率必須采取的舉措，其中基建投資更是要做到最優(yōu)。一般而言，建筑物的土建公用投資中，與建筑物主體結(jié)構(gòu)相關(guān)的投資占比約50～60%，即結(jié)構(gòu)投資的控制對(duì)于項(xiàng)目整體投資的控制至關(guān)重要，其中對(duì)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的精益化控制是控制結(jié)構(gòu)投資的根本。

本著這個(gè)原則，在某汽車整車基地工業(yè)廠房的整體設(shè)計(jì)過(guò)程中（該汽車整車基地項(xiàng)目總建筑面積約48萬(wàn)平米，含沖壓車間、焊接車間、涂裝車間、總裝車間、動(dòng)力站房、配送中心、交檢間、試車跑道等主要單體），筆者所在的建設(shè)單位工程管理團(tuán)隊(duì)與設(shè)計(jì)院結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)師針對(duì)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)重大方案和設(shè)計(jì)原則進(jìn)行了深入的探討，在符合國(guó)家相關(guān)規(guī)范、標(biāo)準(zhǔn)的前提下，盡可能優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案和設(shè)計(jì)施工圖，為工程節(jié)約了可觀的建設(shè)投資，并為之后設(shè)計(jì)任務(wù)的順利開(kāi)展奠定了良好的基礎(chǔ)。

需要指出的是，文中列舉的成本計(jì)算系以筆者項(xiàng)目實(shí)際舉例，各地因地材價(jià)格、設(shè)計(jì)方案不同而有差異，本文重在體現(xiàn)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化的思路。

1? 結(jié)構(gòu)優(yōu)化及降本途徑

1.1 沖壓車間深基坑支護(hù)設(shè)計(jì)

本項(xiàng)目沖壓車間建筑面積約18244m2，規(guī)劃了2條沖壓生產(chǎn)線，其中壓機(jī)所在的地坑凈深6.5m，基槽開(kāi)挖深度約8m，屬于典型的深基坑工程，按國(guó)家規(guī)定需要進(jìn)行深基坑支護(hù)專項(xiàng)設(shè)計(jì)和論證。前期地質(zhì)勘探顯示，基坑深度范圍內(nèi)地基土主要為后填土和淤泥質(zhì)土，基坑不能采用放坡加固方式進(jìn)行開(kāi)挖，需要設(shè)置樁基擋土結(jié)構(gòu)進(jìn)行基坑圍護(hù)后再行開(kāi)挖。而樁基擋土結(jié)構(gòu)一般造價(jià)較高，施工周期較長(zhǎng)，選用不同的樁基擋土結(jié)構(gòu)形式及基坑支護(hù)布置方案，會(huì)對(duì)工程的安全、造價(jià)及施工產(chǎn)生非常大的影響。

鑒于此，我們?cè)诨又ёo(hù)設(shè)計(jì)階段針對(duì)基坑支護(hù)圍合形式、安全性、經(jīng)濟(jì)性及施工可行性進(jìn)行了深入的探討。

傳統(tǒng)的多沖壓地坑的基坑圍合方式是多地坑分別圍合（詳圖1），經(jīng)過(guò)與基坑支護(hù)設(shè)計(jì)單位進(jìn)行多次探討和造價(jià)分析，本工程的沖壓地坑圍合方式采用了兩沖壓地坑大包圍方案（詳圖2）。同時(shí)我們沒(méi)有采用傳統(tǒng)的鉆孔灌注樁+止水帷幕的基坑支護(hù)方式（詳圖3），本次基坑支護(hù)的結(jié)構(gòu)形式采用了SMW工法樁（詳圖4）。此兩項(xiàng)為沖壓車間工程節(jié)約資金約171萬(wàn)元，具體對(duì)比見(jiàn)造價(jià)對(duì)比表單（表1）。

1.2 樁基設(shè)計(jì)優(yōu)化

本項(xiàng)目地處太湖流域，地面以下10～15m深度均為近期人工填土和淤泥質(zhì)土，土質(zhì)較差，不能作為建筑物和地坪的天然地基持力層使用。建筑物柱下及地坪的承重方式全部為樁基承重，從而造成工程用樁量巨大。

對(duì)于本工程而言，還存在的一個(gè)重要問(wèn)題是工程所在區(qū)域地質(zhì)條件比較復(fù)雜，5號(hào)淤泥層下方存在薄厚不均、起伏較大的中砂或細(xì)砂層，樁基在進(jìn)入相應(yīng)中砂層或細(xì)砂層后存在非常大的沉樁困難，造成設(shè)計(jì)院在進(jìn)行樁基設(shè)計(jì)時(shí)，樁長(zhǎng)和單樁承載力取值完全受砂層的標(biāo)高和厚度控制，從而出現(xiàn)了大量的樁長(zhǎng)和單樁承載力，且其單樁承載力相差較為懸殊，以600mm直徑預(yù)應(yīng)力管樁為例，根據(jù)地勘報(bào)告計(jì)算的單樁承載力在不同的土質(zhì)條件下有650～1200kN不等。

針對(duì)以上兩點(diǎn)，我們需要確定一個(gè)較為合理的樁基承載力歸并原則，并需要根據(jù)試樁結(jié)果對(duì)地勘報(bào)告提供的樁基承載力設(shè)計(jì)參數(shù)（樁基的側(cè)阻力和端阻力）進(jìn)行修正提高，從而優(yōu)化樁基數(shù)量，以取得更好的經(jīng)濟(jì)效益。為此我們經(jīng)過(guò)與設(shè)計(jì)院和勘察院深入探討后，根據(jù)以下原則進(jìn)行了樁基的設(shè)計(jì)優(yōu)化調(diào)整：

①由地勘單位根據(jù)施工前所做的9根破壞性壓載試樁的試樁結(jié)果，對(duì)地勘報(bào)告的樁基設(shè)計(jì)參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化提高處理，根據(jù)提高后的樁基設(shè)計(jì)參數(shù)，單樁承載力較原地勘報(bào)告提高了10～15%，在一定程度上節(jié)約了用樁量。

②確定合理的樁基歸并原則，并以單位面積樁基造價(jià)最省為原則進(jìn)行分區(qū)域配樁。

③根據(jù)地勘報(bào)告所提供的剖面，繪制了地下砂土層層面標(biāo)高的等高線（詳圖5），以等高線為參考依據(jù)，結(jié)合樁基的歸并原則進(jìn)行合理的樁長(zhǎng)控制，更合理的根據(jù)土層情況細(xì)化樁長(zhǎng)。

1.3 車間地坪零層板結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化

關(guān)于車間地坪零層板，團(tuán)隊(duì)結(jié)合不同的樁間距、不同的地坪板厚度，對(duì)地坪樁+地坪板進(jìn)行了多方案對(duì)比復(fù)核，最終確定地坪樁+地坪板的最優(yōu)方案，其選擇的依據(jù)是地坪樁+地坪板造價(jià)最優(yōu)原則。

1.4 車間鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化

本整車項(xiàng)目除部分小型站房等單體外，沖壓車間、焊接車間、總裝車間、涂裝車間、小涂裝車間、配送中心、動(dòng)力站房、交檢間等絕大部分大型單體均為鋼結(jié)構(gòu)，鋼結(jié)構(gòu)的造價(jià)占工程結(jié)構(gòu)總造價(jià)的50%以上，為結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的重要組成部分，也為結(jié)構(gòu)方案優(yōu)化調(diào)整重點(diǎn)關(guān)注的部分。經(jīng)與設(shè)計(jì)院結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)師進(jìn)行充分溝通，對(duì)本次鋼結(jié)構(gòu)優(yōu)化調(diào)整影響最大的因素主要是以下幾個(gè)方面：①2018年7月執(zhí)行的《建筑鋼結(jié)構(gòu)防火設(shè)計(jì)規(guī)范》，要求鋼結(jié)構(gòu)的防火設(shè)計(jì)（包括防火涂料的設(shè)計(jì)要求）需要根據(jù)鋼構(gòu)件的計(jì)算情況進(jìn)行確定，此規(guī)范的執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)對(duì)鋼結(jié)構(gòu)的耗鋼量會(huì)產(chǎn)生較大的影響。②鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件的歸并程度，構(gòu)件分類越細(xì)，構(gòu)件種類越多，用鋼量越小，但需要增加設(shè)計(jì)周期，同時(shí)可能會(huì)為后期的鋼結(jié)構(gòu)加工、制作和安裝帶來(lái)較大困難，二者需要找到一個(gè)合理的平衡點(diǎn)。③設(shè)計(jì)周期的影響。精細(xì)化的鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)需要較長(zhǎng)的設(shè)計(jì)時(shí)間對(duì)計(jì)算模型進(jìn)行進(jìn)一步整理。

為此，我們與設(shè)計(jì)院初步確定按以下原則對(duì)鋼結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化調(diào)整：①對(duì)2018年7月執(zhí)行的《建筑鋼結(jié)構(gòu)防火設(shè)計(jì)規(guī)范》的相關(guān)內(nèi)容進(jìn)行合理解讀，在確認(rèn)消防驗(yàn)收能夠通過(guò)的前提下，最大限度的弱化鋼結(jié)構(gòu)防火防護(hù)設(shè)計(jì)對(duì)鋼結(jié)構(gòu)耗鋼量的影響，從而達(dá)到節(jié)省用鋼量的目的;②對(duì)鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件的歸并進(jìn)行進(jìn)一步細(xì)分，在充分考慮施工影響的前提下最大程度增加鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件的歸并種類，嚴(yán)格控制鋼構(gòu)件的應(yīng)力比，從而達(dá)到節(jié)省用鋼量的目的。③在不影響工程整體進(jìn)度的前提下，適當(dāng)增加設(shè)計(jì)周期，在驗(yàn)證評(píng)審圖的基礎(chǔ)上對(duì)鋼結(jié)構(gòu)圖紙進(jìn)行進(jìn)一步優(yōu)化調(diào)整。

在車間屋面結(jié)構(gòu)選型上，由于本項(xiàng)目總裝車間、焊接車間面積較大（其中總裝車間建筑面積76689m2，焊裝車間建筑面積78178m2），且其屋面均有較大的承載，用鋼量相對(duì)較大，本次設(shè)計(jì)確定采用桁架結(jié)構(gòu)形式，經(jīng)多方驗(yàn)證對(duì)比，最終確定為成品鋼管桁架形式（國(guó)內(nèi)其他汽車廠采用桁架形式主要采用了成品H型鋼桁架結(jié)構(gòu)）。鋼管桁架結(jié)構(gòu)能夠更充分的發(fā)揮鋼結(jié)構(gòu)型材的截面特性，故而其用鋼量指標(biāo)更為優(yōu)化合理。

總裝車間與焊接車間采用鋼管桁架后，其用鋼量較國(guó)內(nèi)汽車廠所采用的主流桁架形式（H型鋼桁架）用鋼量更為優(yōu)化，與傳統(tǒng)網(wǎng)架結(jié)構(gòu)用鋼量基本持平。經(jīng)初步核算，僅桁架一項(xiàng)節(jié)約鋼材約4kg/m2，兩個(gè)車間面積合計(jì)約15萬(wàn)m2，節(jié)約鋼材約600t，以建筑鋼結(jié)構(gòu)鋼材每噸8000元計(jì)算，節(jié)約造價(jià)約480萬(wàn)。

1.5 試車跑道地基處理優(yōu)化

試車跑道的優(yōu)化設(shè)計(jì)主要體現(xiàn)在地基處理的方式上，因?yàn)楸卷?xiàng)目所在地地基情況較差，地基土存在欠固結(jié)自沉降情況，而試車跑道作為總裝車間生產(chǎn)的延續(xù)，其不允許出現(xiàn)較為明顯的開(kāi)裂和下沉，需避免因試車跑道維修而影響到工廠的正常生產(chǎn)，故而試車跑道的地基必須進(jìn)行較為穩(wěn)妥的地基處理方可。

鑒于此，我們?cè)谶M(jìn)行試車跑道設(shè)計(jì)時(shí)，針對(duì)水泥攪拌樁、普通厚壁管樁、地基處理用的薄壁管樁三個(gè)方案進(jìn)行了綜合對(duì)比，最終我們選擇的PHC400薄壁管樁方案。較其他地基處理方案，薄壁管樁方案的工程安全性較為穩(wěn)妥，綜合造價(jià)最省，結(jié)合上部路面設(shè)計(jì)，以160m長(zhǎng)跑道樣板段進(jìn)行核算，具體詳見(jiàn)表2所示。

從表2可知，每160m長(zhǎng)度試車跑道，采用PHC400薄壁管樁方案可節(jié)約造價(jià)約95萬(wàn)元，試車跑道總長(zhǎng)度約1300m，共計(jì)節(jié)約投資約95/160*1300=772萬(wàn)元。

2? 結(jié)語(yǔ)

經(jīng)過(guò)一系列結(jié)構(gòu)優(yōu)化調(diào)整，通過(guò)與設(shè)計(jì)人員的共同努力，本項(xiàng)目?jī)?yōu)化后結(jié)構(gòu)投資較優(yōu)化前造價(jià)有明顯降低，同類廠房的材料耗量在國(guó)內(nèi)同行業(yè)的類似項(xiàng)目中屬偏低水平，取得了較好的經(jīng)濟(jì)效益，可為類似汽車整車基地建設(shè)降投資提供參考。

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