液体制剂类医药厂房等效均布荷载调查与研究

那 磊

煤炭工业规划设计研究院有限公司 北京 100120

1 前言

现如今我国经济进入高质量发展的攻关阶段，因此，控制成本、提高效率、优化设计成为设计院的核心竞争力和生存依托。对于结构专业，如何快速确定合理的楼面活荷载成为有效提高工作效率和结构经济性，提高行业竞争力的先决条件。本文以医药厂房中最常见的液体制剂作为研究对象，针对不同结构形式和板跨，对不同工艺设备进行楼面等效荷载计算分析，弥补液体制剂类医药厂房楼面等效均布荷载的空缺，解决目前设计中荷载取值保守的问题，实现设计标准化，提升设计效率和经济性。

医药工业厂房一般以结构跨度为8m或9m的多层钢筋混凝土框架结构为主。该类厂房层高较高，多为7至8m。通过对液体制剂类医药厂房中工艺设备的调研，并结合《建筑结构荷载规范》（GB50009-2012）附录C和《建筑结构荷载设计手册》（第二版）第三章中对于工业厂房等效活荷载统计和计算方法，通过对不同制剂容器类别对应的工艺设备及其参数进行调查统计，并根据不同结构形式、板跨对设备的等效活荷载进行分析和总结，统计出一个完整的液体制剂类医药厂房的等效荷载体系，并可将该研究体系扩展到其他工业厂房中。

2 工艺设备调查与研究

液体制剂作为医药工程系统中最普遍的一种类型，具有系统庞大、种类繁多的特点。在成品制剂类别中，注射剂应用最广，生产和使用规模最大，该注射剂容器也可盛装口服液制剂。注射剂容器主要以安瓿瓶和西林瓶为主。其中，以安瓿瓶为容器的注射剂的工艺流程主要包括：洗瓶、烘干、灌装、封口、灭菌、灯检、包装等；而以西林瓶为容器的注射剂的工艺流程主要有：洗瓶、烘干、灌装、加塞、扎盖、灭菌、灯检、包装等。在国内，注射剂生产配套设备主要以楚天科技股份有限公司的产品为主。

根据调查，注射剂生产工艺中的设备有AQCL系列安瓿立式超声波清洗剂、KSZ系列安瓿隧道式灭菌干燥机、AGFL系列安瓿灌封机，AGS系列安瓿和西林灌封加塞机、KQCL系列西林瓶立体超声波清洗机、KSZ系列西林瓶灭菌干燥机、KGS16系列西林瓶灌装加塞机、KFGB和KFGC系列西林瓶螺杆分装机、G系列西林瓶扎盖机。设备型号和对应运行重量见表2.1。

另外，在以西林瓶为容器的小容量注射粉针剂生产过程中，干燥是其中最重要的一个环节。随着科技的发展，真空冷冻干燥作为干燥环节的核心技术已经成熟并进入中试和生产阶段。在国内，冻干机主要以东富龙科技股份有限公司的产品为主。该品牌冻干机主要分为两种，在位清洗功能（CIP）技术产品与在线灭菌功能（SIP）技术产品。设备型号和对应运行重量见表2.2。

表2 .2 冻干机设备型号及运行重量表

根据调研结果，设备出现故障时，有专人在原地进行维修排查。因此，维修荷载可按操作荷载取值；如遇重大故障，则需将设备移出厂区维修，此时设备荷载为净自重，因此不涉及维修荷载的增加。另外，配套设备均无明显振感，从安全角度，振动系数取1.1。在液体制剂的工艺中，存在一些原料堆放处、分装暂存间、液体配制间、称量间等辅助车间。而该类车间为原辅料或成品的中转区域，其中并无明显堆料和较重设备，因此活荷载可按一般车间取值。

3 楼面等效荷载确定

根据《建筑结构荷载规范》附录C和《建筑结构荷载设计手册》（第二版）第三章中关于工业建筑楼面活荷载的等效计算方法，首先应当确定结构形式和梁板布置。液体制剂类工业厂房通常是柱网为8×8m至9×9m的多层钢筋混凝土框架结构。因此，本次课题针对框架构件及基础、2.5m、3.0m和3.5m跨的单向板和次梁、3×3m及4×4m的双向板和次梁对设备等效荷载分别进行计算分析。

3.1 框架构件及基础等效荷载计算

本节选取安瓿灭菌干燥间为例，该车间配套设备为楚天科技KSZ系列安瓿隧道式灭菌干燥机KSZ620/43B型，设备尺寸为3680×1555×2450（长×宽×高），设备运行重量4000kg，设备下无基础。设厂房柱网尺寸8m×8m。

设备荷载：40×1.1=44 kN；操作荷载：（8×8-3.68×1.555）×2=116.60 kN；等效均布荷载：（44+116.6）/（8×8）=2.51 kN/m2。因此，KSZ620/43B型灭菌干燥机在8m×8m柱网计算框架构件及基础时的等效活荷载为2.51 kN/m2。

3.2 单向板及次梁等效荷载计算

以2.5m板跨单向板及次梁为例计算楼面等效荷载。

设备以最不利布置方式置于单向板上，设备重=40 kN，操作荷载=2 kN，板跨l0=2.5 m，基础厚度s=0，混凝土板厚h=0.12 m；

1）当设备短边垂直于板跨时：设备长btx=3.68 m，设备宽bty=1.70 m，设备计算长度bcx=btx+2s+h=3.80 m，设备有效计算宽度bcy=bty+2s+h=1.82 m；由于0.6l0＜bcy，因此有效分布宽度b=0.6bcy+0.94l0=3.44 m；无设备区域操作荷载产生的线荷载q1=2×3.44=6.88 kN/m；设备荷载扣除所占区域操作荷载产生的线荷载q2=（40×1.1-2×3.68×1.70）/3.80=8.29 kN/m；板的绝对最大弯矩+1/8q2l0bcx（2-bcx/l0）=10.10 kNm；等效楼板均布活荷载：=3.76 kN/m2。而由于bcx＞l0,因此等效活荷载取qe=40×1.1/（3.68×1.70）=7.03 kN/m2。

2）当设备短边平行于短跨时：btx=1.70 m，bty=3.68 m，bcx=btx+2s+h=1.82 m，bcy=bty+2s+h=3.80 m；由于bcy≤2.2l0，因此b=2/3bcy+0.73l0=4.36 m；q1=2×5.09=8.72 kN/m；q2=（40×1.1-2×1.70×3.68）/1.82=17.30 kN/m；Mmax=1/8+1/8q2l0bcx（2-bcx/l0）=19.33 kNm；=5.68 kN/m2。因此，KSZ620/43B型灭菌干燥机在2.5m板跨计算次梁和板的等效活荷载为7.03 kN/m2。

同理，可计算出该设备在3.0m和3.5m板跨中单向板及次梁的楼面等效荷载。

3.3 双向板及次梁等效荷载计算

以4×4m板跨双向板为例计算楼面等效荷载。

设备以最不利布置方式置于双向板之上，设备重=40 kN，操作荷载=2 kN，板跨lx= ly=4.0 m，基础厚度s=0，混凝土板厚h=0.12 m；设备长btx=3.68 m，设备宽bty=1.70 m，设备计算长度bcx=btx+2s+h=3.80 m，设备有效计算宽度bcy=bty+2s+h=1.82 m；无设备区域操作荷载q1=2 kN/m2；设备荷载扣除所占区域操作荷载产生的线荷载q2=（40×1.1-2×3.68×1.70）/（3.8×1.82）=4.55 kN/m2；已知系数：k=lx/ly=1，α=bcx/ ly=0.95，β= bcy/ ly=0.455，局部荷载中心至最近的短边（长边）距离/短边计算跨度：ξ=0.5（η=0.5），通过查表可得：θx=0.8414，θy=0.7148。而，q2产生的等效均布荷载q2e=max（θx，θy）q2=3.83，因此，qe= q1+ q2e=5.83 kN/m2。

同理，可计算出该设备在3×3m板跨中双向板及次梁的楼面等效荷载。

3.4 不同设备支座方式对等效荷载计算的影响

不同工艺的设备支座方式包括：全部底面与楼面接触（面与面接触）、底面两条底座与楼面接触（线与面接触）、若干支腿与楼面接触（点与面接触）。而不同的生产能力相应的设备支腿数量、大小和位置也有很大差异。经过调研，厂家无法逐一提供设备支腿参数，为克服支座方式的不确定性对等效荷载的影响，本节选取四种功能、大小、风格完全不同的设备，将设备荷载在最不利布置的情况下，分别以三种不同的支座方式布置在2.5m、3.0m和3.5m跨的单向板以及4×4m的双向板上，其中单向板上考虑设备短边垂直于板跨和平行于板跨两种情况。最后，利用理正工具箱，分别计算出各工况中的跨中最大弯矩值。另外，利用第3.2和3.3节的计算原理计算出的四种设备的等效活荷载，并通过理正工具箱计算出均布活荷载工况下的跨中最大弯矩值。最后进行最大弯矩值对比，本文列出其中两个设备的对比结果：

表3 .1 KSZ-620/60B设备跨中最大弯矩值比较

表3 .2 CIP-15 设备跨中最大弯矩值比较

根据比较分析得出，利用本文第3.2和3.3节方法所得的等效荷载对应的跨中最大弯矩均大于相对应板跨各支座方式对应的跨中最大弯矩值，并且误差并不明显。因此，可以确定第3.2和3.3节计算楼面等效荷载方式的准确性和合理性。

4 等效荷载计算结果统计和分析

通过应用本文第3章介绍的等效荷载计算方法，针对第2章中所调查的工艺配套设备，分别对8×8m和9×9m柱网的框架构件及基础、2.5m、3.0m和3.5m跨度的次梁和板、以及3×3m 和4×4m的双向板进行等效荷载计算。如果计算结果小于2kN/m2，则取2kN/m2。另外，设备动力系数均按1.1考虑。通过分析，整理出查询表如下。

需要说明的是，工业厂房无设备区域及生产区域操作荷载不宜小于4 kN/m2，因此，表中不足4 kN/m2的活荷载标准值取4 kN/m2。

表4 .1 液体制剂类医药厂房楼面等效活荷载标准值查询表

5 结论

本文进一步优化了等效荷载的调查途径和确定方式，通过对液体制剂类医药的配套设备厂家的调研，利用等效楼面荷载的计算理论，制成以结构形式、板跨为区分的等效荷载调查表，使液体制剂类医药厂房等效均布荷载有据可查，弥补了该项空缺。另外，本文优化了计算环节，有效克服设备支座的不确定性对等效荷载确定产生的影响。本文提供的等效荷载调查表不仅提升医药厂房设计的专业性、高效性和准确性，并且在该调研系统推广至其它工业厂房后可有效节省我国工业基础建设中混凝土和钢筋用量，达到节约能源，减小能耗，减少环境污染的目的。