中创新航成都基地电池生产厂房结构设计

中创新航成都基地电池生产厂房结构设计

刘卫军

（武汉东研智慧设计研究院有限公司，武汉 430056）

摘要：中创新航成都基地，生产区主要由生产厂房、动力站房、原材料库、成品库、危废库等组成。生产厂房长480m,宽84m，建筑高度23.95m，主体三层混凝土框架结构，纵向设两道温度缝，属于超长混凝土结构。主要介绍生产厂房结构设计的关键问题，包括工艺荷载折减、超长结构设计、设计要点、设计质量控制等。

关键词：生产厂房；温度缝；工艺荷载；设计要点；质量控制

1.工程概况

中创新航成都基地，建设地点在成都市龙泉驿区,产能规划为20GWh动力电池及储能系统,规划总用地面积约595亩，总建筑面积 约53万平米，总投资约100亿元。厂区分为生产区和生活区，生产区主要由生产厂房、动力站房、原材料库、成品库、危废库、污水处理站、PACK车间等组成；生活区主要由办公楼、食堂、宿舍等组成。设计工作年限50年，结构安全等级二级，抗震设防类别丙类，抗震设防烈度7度，设计基本地震加速度值0.1g，设计地震分组第三组,建筑场地类别II类，场地特征周期0.45s。基本风压：0.35kN/m2（n=100)；基本雪压：0.15kN/m2（n=100)。

2.建筑特征

生产厂房火灾危险性类别为丙类，建筑物耐火等级为一级。建筑面积约12万平米，平面尺寸84m×480m，柱网9mx12m，主体三层，局部四层，正负极合浆区层高为9.1+8.1+6.4m；涂布机区域层高为11+5.3+7.3m;其它区域层高为7.5+8.8+7.3m。厂房按洁净要求分为洁净区和非洁净区，采用轻质玻镁板进行防火和洁净分隔。屋顶两端设纵向生产辅房，主要为空调机房、排烟机房、补风机房、电梯机房。室内设客梯货梯、楼梯、升降机用于生产使用，室外另设楼梯进行消防疏散，原材料库、结构件库、成品库通过室外连廊与生产厂房相连，进行生产工艺流线布局。外墙为银灰色50厚金属夹芯板外挂墙板幕墙，洁净区范围再内挂10厚石膏板，为绿建三星建筑。

3.工艺流程

中创新航自主研发的单体电池，以主流的三元材料或磷酸铁锂为正极，以人造改性石墨为负极生产的矩形电池，具有一定的先进性。产品工艺流程为：正/负极合浆→正/负极涂布→正/负极辊压→正/负极分条→正/负极模切→电芯卷绕→电芯装配→干燥→一次注液→化成→二次注液→封孔、氦检、包装→自放电测试、定容→分选→模阻装配→模阻测试。

4. 结构特点

中创新航电池工艺布局具有独特性，区别于宁德时代和比亚迪，其集合电芯、化成、模阻工艺一体化，为多层混凝土生产厂房，其结构特点如下：

（1）结构单元长。建筑物纵向长度达480m，由于厂房洁净度要求很高，工艺仅允许设两道缝，最长结构单元有170m，三个结构单元均属超长结构。

（2）建筑层高大。层高普遍在7~9m，局部区域层高达11m，对结构整体分析、幕墙主龙骨设计、楼电梯设计、隔墙稳定设计有较高要求。

（3）工艺荷载大。一层地面工艺荷载在合浆区和辊切区有8t/m2，其余3t/m2；二三层楼面工艺荷载为1.5t~2.5t/m2，屋顶有机房、废弃处理设备基础、输送通道等为1t/m2。

（4）吊挂管线多。根据消防排烟和洁净要求，吊顶层需布置大量排烟风管、洁净风管、电力管线、消防水管等，较汽车厂房机电管线更多。

（5）楼面洞口多。楼面有大量空调风管洞口、升降机洞口等，由于土建施工时设备未招标，后期有很多新加洞口。

（6）有沉降振动要求。在正负极合浆投料区域，设备运行有较大振动；空调、除尘机房设备运行有较大振动；在正负极辊切分切区域，辊压机设备对沉降非常敏感；AGV小车运行区域对沉降比较敏感。

（7）电池工艺复杂、设备繁多，生产厂房建设时一般分为土建包和洁净包两次发包，土建包时仅结构专业图纸为施工图，建筑和机电专业在洁净包时为施工图，结构先设计先施工，对前期荷载规划和后期荷载复核、改造加固提出了较高要求。

5.结构方案

生产厂房集合电芯、化成、模阻工艺一体化，厂房楼面有复杂的功能分区和错层梁板结构，前期须制定详细的结构方案和荷载规划。

（1）生产厂房位于7度区II类场地，主要结构形式有箱型柱钢框架结构和混凝土框架结构，通过经济性对比，选择成本更低的混凝土框架结构。

（2）场地填土层2m~11m，全场地分布，考虑工艺沉降要求，结构柱采用预制管桩基础，中柱为6~8桩承台；地坪采用结构地坪桩+无梁楼盖形式，8t/m2区域地坪桩4x4.5m布置，地坪板厚500；3t/m2区域地坪桩4.5x6m布置，地坪板厚400，地坪板与承台整浇。

（3）厂房平面尺寸84m×480m，在20轴、39轴设温度缝，地坪及上部结构均设缝脱开，结构分三个单元。单元超长，主体结构计算温度应力取±15度，采用超长设计、施工及材料控制措施，每30-40米设一道连续膨胀加强带，混凝土梁板均添加纤维抗裂膨胀剂。

（4）根据绿建三星要求，采用100年基本雪压和基本风压设计；现浇混凝土采用预拌混凝土；砌筑砂浆采用预拌砂浆；结构梁柱采用HRB400E级钢筋；钢结构采用Q355B高强钢材。当地生产区厂房无装配率要求。

（5）活荷载取值：地坪工艺荷载3t~8t/m2，用于基础计算时折减系数取0.8，用于地坪板计算时折减系数取0.9；楼面工艺荷载及空调机房、配电间荷载1.0t~2.5t/m2，用于基础、柱、主梁计算时折减系数取0.8，用于次梁和楼板计算时，折减系数取1.0;机电管线及吊顶荷载取2.5，可计入恒载不折减。

（6）柱网9mx12m，采用3m网格的井字梁楼板布置，一层柱截面C40-900~1000，二层C35-800，三层C30-700；一二层主梁550x1100，次梁300x1000，屋面主梁400x1000,次梁300x900；楼板160厚，屋面板140厚，楼板钢筋均双层双向通长布置。

6.设计要点

本项目计算软件采用PKPM V5.2进行计算，因软件应用错误导致的质量事故不断，故设计人员必须熟练掌握软件参数设置、控制条件、施工图成图设置等，设计要点如下：

（1）错层处、楼梯处框柱，按短柱配置箍筋（体积配箍率＞1.2%）；需指定角柱，配筋率不同；框架柱用单偏压计算，再用双偏压复核。

（2）井字梁布置，成图后要检查跨数，人工归并。当井字梁被洞口打断时，改成主次梁结构，以短跨方向为主梁，次梁做小截面。

（3）梁刚度调整，不勾选“砼矩形梁转T形”这一项，应勾选第一项“梁刚度放大系数按2010规范取值”，保留安全余量。

（4）计算温度应力作用，一层温度效应最显著，二层较小，屋面层可忽略。温度作业对梁、板的影响，中部效应大，温度作业对柱的影响，边区效应大。复核梁轴力来判断温度效应，楼板配筋应考虑温度效应影响。

（5）计算模型整体指标中：强刚条件下的周期比不应大于0.9（成都市图审办要求），扭转位移比不应大于1.5，扭转振型不能为第一振型。刚度比应满足规范要求，层间位移满足1/550。

（6）计算模型构件指标中：柱轴压比满足抗震等级要求，中柱配筋率宜为构造配筋，边柱配筋率宜＜2%，柱截面不小于1/3梁高，不小于梁宽+100。梁高宽比不宜大于3，梁计算配筋率宜为0.5%~1.5%区间，梁挠度考虑楼板翼缘，不大于1/300，裂缝控制楼面梁为0.3mm，基础梁和屋面梁为0.2mm。楼板不小于150，满足锚栓后锚固的深度要求，有大洞口处的相邻楼板厚度应加大。

（7）错层柱时，错层柱的配筋，应取整体计算和错层计算两种模型柱配筋的最大值。跃层柱时（单根柱被层分为多段柱），整根柱的配筋，应取多段柱配筋的最大值。

（8）电梯机房预留荷载，偏安全取1.5t/m2，机房面积小时,取2t/m2。后面再根据电梯资料，按集中力复核梁配筋。无机房电梯，电梯冲顶的顶面楼板，应考虑吊钩荷载，可以将其楼面按1t/m2预留。

（9）生成施工图后要检查实配钢筋与计算配筋的比值，有变红的地方需人为加大配筋。框架梁需进行挠度、裂缝及S/R验算。

（10）所有框架梁梁端受压区相对高度、梁端底面和顶面钢筋配筋量比值等强制性条文要求，应在PKPM进行自动识别，成图后可用不同软件再复核。

（11）计算结果里一定要查验超筋超限信息，对应问题必须处理。

（12）对梁构件进行改动后，必须重新生产楼板，再复核荷载。在生成施工图前，应把荷载检查一遍，特别是墙体荷载和楼面荷载，确认无误才可进行成图后处理。

（13）完成结构图后，应与建筑平面图做叠放检查，主要检查洞口净尺寸、砌块墙位置、梁墙或梁洞边线偏位、卫生间降板区、荷载区匹配、标高匹配等问题。

（14）电梯井坑深度要复核确认，建议建筑设计时比资料至少再加深100mm。电梯井道净尺寸必须与建筑核对匹配，顶部梁布置不应占电梯提升空间，电梯机房应预留吊钩荷载。

（16）楼梯做滑动式时，可按简支计算后，上筋与下筋等同配置。

（17）自承重墙，层高较高时，要验算墙体稳定性，不足时设墙柱或壁柱解决，特别是边轴线的内墙端部连外墙处，可设300x300墙柱。

7.质量控制

电池项目工艺复杂，建筑体量大，设计周期长，修改也多，须制定详细的质量控制措施，才能把项目做好。对专业负责人、校审人、设计人提出以下要求：

（1）专业负责人应做好结构方案和荷载规划，编制《技术规格书》。

（2）专业负责人应统一PKPM软件的前处理计算参数设置，后处理施工图参数设置，编制《PKPM应用要点》，形成软件标准化。

（3）专业负责人应编制统一的结构总说明，统一地坪节点做法，统一的钢结构维护节点，统一的钢结构斜拉雨棚详图，统一后期的加固改造方案，形成图纸标准化。

（4）用于现场施工的蓝图，设计人画图前应由审核或专业负责人再校审一遍PKPM模型，确保荷载及关键参数的准确，校审无误后方可重新生成施工图。

（5）设计人提校审的资料必须完善，应由模型、施工图、计算书、工艺资料、建筑资料、公用动力资料组成。应打印白图校审，特殊情况可电子版校审。

（6）校审图纸。校对任务：校对模型，检查荷载和设置参数，用施工图审图软件进行配筋对比;与建筑平面图做块后叠放检查,校对平面及洞口尺寸、标高、与建筑一致性;校对成图后的主次梁支座关系，校对梁跨数。审核任务：审核强制性条文，如（框架梁梁端受压区相对高高度、梁端底面和顶面钢筋配筋量比值、短柱箍筋加密等；审核安全性，如KZ配筋不正常，梁错漏筋，楼板配筋不足，墙下无梁等；审核适用性，如楼梯处净高不足，电梯冲顶高度不足，洞口净尺寸不足，雨水斗与压杆干涉，支撑与门干涉，窗口标高与建筑不匹配等。

（7）设计人发现场的任何修改或变更，必须由专业负责人审核，征得专业负责人同意方可下发。

（8）桩基打桩期间，设计人应随时关注建筑资料更新，特别是电梯井、楼梯间、强弱电井、水沟等的资料更新，及时出具基础的修改图纸。

（9）承台、地坪板施工期间，设计人应随时关注上部结构的资料更新，特别是楼面辅房区变更、电梯井尺寸变更、屋面空调机房变更等，及时出具上部结构的修改图纸。

（10）设计人应养成和建筑图比对的习惯，方便查漏补缺。

8.优化措施

中创新航在建设成都基地前，已有洛阳、厦门基地，通过对比前面厦门基地的设计图纸，我院进行了仔细研究，形成了优化改进，优化措施如下：

（1）基础设计改进方案

在桩基础选型时，对管桩和方桩的技术经济性进行对比，用450方桩代替600管桩，在桩造价相差不大的情况下，采用小截面桩可以减小承台平面尺寸和配筋，对应的土方开挖回填量、垫层量、模板量及人工费均有节省，经过工程量清单造价比较，采用小截面桩节省造价约1000万。

（2）调整设缝长度

厦门基地的电池生产厂房长度方向设一道缝，单元长度为155m+292m，过长的结构单元引起用钢量显著增大，成都基地调整为两道缝，单元长度控制在170米以内，不影响工艺使用，减小了温度应力和地震偏心的作用，提高了经济性和安全性。

（3）对梁柱、基础的荷载折减

厦门基地的荷载无折减，通过对常州基地的现场参观调研，对电池厂房的主梁、柱、基础进行荷载折减，折减系数取0.8，在安全的前提下更显经济性。

（4）结构构件合理布置

在控制建筑总高≤24米时，主梁、次梁梁高尽量取大，梁宽尽量取窄。底层柱截面宜为900x900~1000x1000，楼面宜采用@3m井字梁布置，楼面主梁宜为（450~550）x（1000~1100），次梁宜为300x(900~1000)，楼板厚度宜为160mm。通过控制梁柱板的最优配筋率，选择合理的梁柱截面尺寸，能达到经济性目的。

主体结构采取上述优化改进方案，经过工程量清单计价和PKPM工程量统计，电池生产厂房的总用钢量为 95kg每平米(含基础承台)，厦门基地总用钢量为150kg每平米，比厦门基地钢筋量节省36.7%，节省约7400吨钢材。

9. 结语

  中创新航电池生产厂房工艺复杂，建筑体量大，设计周期长。设计初期制定经济的结构方案，合理的荷载折减，设计中期掌握设计要点，设计后期采取质量控制措施，达到了成本低，设计质量好的预期目标。

参考文献

[1]成都市房屋建筑工程施工图设计文件审查常见问题释义

[2] 混凝土结构设计规范