汽车工业厂房结构优化及降本途径探究

黄文方

摘要：文章以某汽车整车基地项目为例，从结构设计优化角度，对影响基建投资占比较大的基坑支护结构设计、桩基础、地基处理、钢结构等方面详细阐述了设计优化的途径，在当今全球经济受新冠肺炎疫情影响的大环境下，为汽车主机厂降低投资、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.

关键词：汽车整车基地;工业厂房;结构优化;降本增效

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

中图分类号：TU318                                      文献标识码：A                                  文章编号：1006-4311（2020）27-0110-03

0  引言

汽车整车项目投资巨大，在现今行业竞争日益激烈及2020年全球经济受新冠肺炎疫情影响的大环境中，降本增效是各大主机厂增强产品竞争力、提高市场占有率必须采取的举措，其中基建投资更是要做到最优。一般而言，建筑物的土建公用投资中，与建筑物主体结构相关的投资占比约50～60%，即结构投资的控制对于项目整体投资的控制至关重要，其中对结构设计的精益化控制是控制结构投资的根本。

本着这个原则，在某汽车整车基地工业厂房的整体设计过程中（该汽车整车基地项目总建筑面积约48万平米，含冲压车间、焊接车间、涂装车间、总装车间、动力站房、配送中心、交檢间、试车跑道等主要单体），笔者所在的建设单位工程管理团队与设计院结构设计师针对结构设计重大方案和设计原则进行了深入的探讨，在符合国家相关规范、标准的前提下，尽可能优化结构设计方案和设计施工图，为工程节约了可观的建设投资，并为之后设计任务的顺利开展奠定了良好的基础。

需要指出的是，文中列举的成本计算系以笔者项目实际举例，各地因地材价格、设计方案不同而有差异，本文重在体现结构设计优化的思路。

1  结构优化及降本途径

1.1 冲压车间深基坑支护设计

本项目冲压车间建筑面积约18244m2，规划了2条冲压生产线，其中压机所在的地坑净深6.5m，基槽开挖深度约8m，属于典型的深基坑工程，按国家规定需要进行深基坑支护专项设计和论证。前期地质勘探显示，基坑深度范围内地基土主要为后填土和淤泥质土，基坑不能采用放坡加固方式进行开挖，需要设置桩基挡土结构进行基坑围护后再行开挖。而桩基挡土结构一般造价较高，施工周期较长，选用不同的桩基挡土结构形式及基坑支护布置方案，会对工程的安全、造价及施工产生非常大的影响。

鉴于此，我们在基坑支护设计阶段针对基坑支护围合形式、安全性、经济性及施工可行性进行了深入的探讨。

传统的多冲压地坑的基坑围合方式是多地坑分别围合（详图1），经过与基坑支护设计单位进行多次探讨和造价分析，本工程的冲压地坑围合方式采用了两冲压地坑大包围方案（详图2）。同时我们没有采用传统的钻孔灌注桩+止水帷幕的基坑支护方式（详图3），本次基坑支护的结构形式采用了SMW工法桩（详图4）。此两项为冲压车间工程节约资金约171万元，具体对比见造价对比表单（表1）。

1.2 桩基设计优化

本项目地处太湖流域，地面以下10～15m深度均为近期人工填土和淤泥质土，土质较差，不能作为建筑物和地坪的天然地基持力层使用。建筑物柱下及地坪的承重方式全部为桩基承重，从而造成工程用桩量巨大。

对于本工程而言，还存在的一个重要问题是工程所在区域地质条件比较复杂，5号淤泥层下方存在薄厚不均、起伏较大的中砂或细砂层，桩基在进入相应中砂层或细砂层后存在非常大的沉桩困难，造成设计院在进行桩基设计时，桩长和单桩承载力取值完全受砂层的标高和厚度控制，从而出现了大量的桩长和单桩承载力，且其单桩承载力相差较为悬殊，以600mm直径预应力管桩为例，根据地勘报告计算的单桩承载力在不同的土质条件下有650～1200kN不等。

针对以上两点，我们需要确定一个较为合理的桩基承载力归并原则，并需要根据试桩结果对地勘报告提供的桩基承载力设计参数（桩基的侧阻力和端阻力）进行修正提高，从而优化桩基数量，以取得更好的经济效益。为此我们经过与设计院和勘察院深入探讨后，根据以下原则进行了桩基的设计优化调整：

①由地勘单位根据施工前所做的9根破坏性压载试桩的试桩结果，对地勘报告的桩基设计参数进行了优化提高处理，根据提高后的桩基设计参数，单桩承载力较原地勘报告提高了10～15%，在一定程度上节约了用桩量。

②确定合理的桩基归并原则，并以单位面积桩基造价最省为原则进行分区域配桩。

③根据地勘报告所提供的剖面，绘制了地下砂土层层面标高的等高线（详图5），以等高线为参考依据，结合桩基的归并原则进行合理的桩长控制，更合理的根据土层情况细化桩长。

1.3 车间地坪零层板结构设计优化

关于车间地坪零层板，团队结合不同的桩间距、不同的地坪板厚度，对地坪桩+地坪板进行了多方案对比复核，最终确定地坪桩+地坪板的最优方案，其选择的依据是地坪桩+地坪板造价最优原则。

1.4 车间钢结构设计优化

本整车项目除部分小型站房等单体外，冲压车间、焊接车间、总装车间、涂装车间、小涂装车间、配送中心、动力站房、交检间等绝大部分大型单体均为钢结构，钢结构的造价占工程结构总造价的50%以上，为结构设计的重要组成部分，也为结构方案优化调整重点关注的部分。经与设计院结构设计师进行充分沟通，对本次钢结构优化调整影响最大的因素主要是以下几个方面：①2018年7月执行的《建筑钢结构防火设计规范》，要求钢结构的防火设计（包括防火涂料的设计要求）需要根据钢构件的计算情况进行确定，此规范的执行标准对钢结构的耗钢量会产生较大的影响。②钢结构构件的归并程度，构件分类越细，构件种类越多，用钢量越小，但需要增加设计周期，同时可能会为后期的钢结构加工、制作和安装带来较大困难，二者需要找到一个合理的平衡点。③设计周期的影响。精细化的钢结构设计需要较长的设计时间对计算模型进行进一步整理。

为此，我们与设计院初步确定按以下原则对钢结构进行优化调整：①对2018年7月执行的《建筑钢结构防火设计规范》的相关内容进行合理解读，在确认消防验收能够通过的前提下，最大限度的弱化钢结构防火防护设计对钢结构耗钢量的影响，从而达到节省用钢量的目的;②对钢结构构件的归并进行进一步细分，在充分考虑施工影响的前提下最大程度增加钢结构构件的归并种类，严格控制钢构件的应力比，从而达到节省用钢量的目的。③在不影响工程整体进度的前提下，适当增加设计周期，在验证评审图的基础上对钢结构图纸进行进一步优化调整。

在车间屋面结构选型上，由于本项目总装车间、焊接车间面积较大（其中总装车间建筑面积76689m2，焊装车间建筑面积78178m2），且其屋面均有较大的承载，用钢量相对较大，本次设计确定采用桁架结构形式，经多方验证对比，最终确定为成品钢管桁架形式（国内其他汽车厂采用桁架形式主要采用了成品H型钢桁架结构）。钢管桁架结构能够更充分的发挥钢结构型材的截面特性，故而其用钢量指标更为优化合理。

总装车间与焊接车间采用钢管桁架后，其用钢量较国内汽车厂所采用的主流桁架形式（H型钢桁架）用钢量更为优化，与传统网架结构用钢量基本持平。经初步核算，仅桁架一项节约钢材约4kg/m2，两个车间面积合计约15万m2，节约钢材约600t，以建筑钢结构钢材每吨8000元计算，节约造价约480万。

1.5 试车跑道地基处理优化

试车跑道的优化设计主要体现在地基处理的方式上，因为本项目所在地地基情况较差，地基土存在欠固结自沉降情况，而试车跑道作为总装车间生产的延续，其不允许出现较为明显的开裂和下沉，需避免因试车跑道维修而影响到工厂的正常生产，故而试车跑道的地基必须进行较为稳妥的地基处理方可。

鉴于此，我们在进行试车跑道设计时，针对水泥搅拌桩、普通厚壁管桩、地基处理用的薄壁管桩三个方案进行了综合对比，最终我们选择的PHC400薄壁管桩方案。较其他地基处理方案，薄壁管桩方案的工程安全性较为稳妥，综合造价最省，结合上部路面设计，以160m长跑道样板段进行核算，具体详见表2所示。

从表2可知，每160m长度试车跑道，采用PHC400薄壁管桩方案可节约造价约95万元，试车跑道总长度约1300m，共计节约投资约95/160*1300=772万元。

2  结语

经过一系列结构优化调整，通过与设计人员的共同努力，本项目优化后结構投资较优化前造价有明显降低，同类厂房的材料耗量在国内同行业的类似项目中属偏低水平，取得了较好的经济效益，可为类似汽车整车基地建设降投资提供参考。

参考文献：

[1]刘刚.建筑钢结构设计阶段的工程造价控制[J].山西建筑，2008（24）.

[2]张吉鸿.钢结构工程的造价控制[J].现代装饰（理论），2011（06）.

[3]翟宏磊，张嘉麟，郝少杰.工业建筑结构设计优化[J].居舍，2019（19）.