新能源动力电池厂房建筑设计探析

唐 昊 胡登先

中机国际工程设计研究院有限责任公司 湖南 长沙 410007

随着能源危机的加剧，近年来我国加强了新能源动力电池的研发生产，为各行业诸领域的发展提供了新的能源类型，包括锂电池、氢燃料电池、非晶硅/非晶硅锗三叠层薄膜太阳能电池，以及其他化学电池等。由于此类电池产品的生产具有一定的特殊性，既要考虑到工艺要求，又要根据经济合理性选择适配性厂房。因而，在当前新能源动力电池行业高质量发展之际，应持续加强对其厂房建筑设计问题的研讨。下面先对某项目概况做出说明[1]。

1 项目概况

以某锂电池生产企业为例，拟建新能源动力电池厂房属于新建工程，占地面积为12292.15㎡，厂房建筑面积为10454.5㎡，长度为144.8m，宽度为72.2m。根据现行《装配式建筑评价标准》（GB/T 51129-2017）要求装配率必须在50%以上。结合前期勘察报告、环境影响评价报告内容，该厂房结构抗震设防被列为标准设类，设计基本地震加速度与抗震设防烈度分别为0.2g、8度。中间核心区屋面应用了钢桁架，双侧支持区采用框架结构，框架抗震等级为二级[2]。

2 工艺要求

该企业以锂电池生产为主营业务，产品种类多样，主要服务于航空航天、电网储能、交通工具、电子产品等行业。根据以往的生产工艺要求看，主要流程如图1。

图1 锂电池生产流程示意

为了满足其工艺要求，设计人员拟把该建筑划分为四层，包括地下一层、地面三层。其中，地下一层为变配电所，地面三层规划时，一层布置如下：（1）原料立体仓；（2）用于匀浆、涂布机头、涂布机尾、极片制作辗轧、分条的车间。二层布置如下：（1）模切、叠片、全自动焊接车间；（2）烘烤车间；（3）注浆车间；（4）隧道炉高温浸润和化成车间。三层布置如下：（1）隧道炉高温老化车间；（2）二封车间；（3）分容车间；（4）高温老化OCV测试及静置车间[3]。

3 建筑设计

该厂房属于工业建筑类型，建筑设计过程中要求将生产工艺流程与建筑联动起来进行设计。完成初步设计后，设计人员根据建筑设计深化优化要求，选择数字化建模技术对其进行了建模与仿真处理，具体分为：（1）三维工厂建模；（2）智能设备模型；（3）工艺仿真。首先，设计人员将CAD二维设计图导入Revit软件建立三维设计图后，先通过其中的“族库”功能完成土建、给排水、暖通空间、消防、电气等分部项目的“族模型”设置。然后，把三维设计图导入Navisworks软件进行“4D动画仿真”，进行场地优化布置、确定施工安全距离、预测分部项目施工中潜在的风险。BIM集成管理平台架构如图2。

图2 BIM集成管理平台架构示意

其次，设计人员众工艺-建筑联动设计出发，运用数字孪生技术建立构建与物理设备对应的数字孪生设备，然后，根据“设计仿真→工艺仿真→生产仿真→设计优化”模型对整个生产工艺进行了仿真分析，确定各项内容无误后，再对其进行细节优化设计。具体操作时，设计人员先制作了设计要素清单，对照每项设计要素一一检查设计达标情况，如果存在设计指标不完善或者存在冗余的情况，及进进行补充与去除，确保设计要素与设计指标始终保持一致，进而保障在设计施工一体化实践模式下充分发挥设计环节的引领性作用，为后续施工做好充分准备[4]。

4 结构设计

在结构设计方面，设计人中根据建筑外轮廓与核心区的划分，选用混凝土框排架结构，并且根据其使用功能设计大跨度后于屋面应用了钢桁架-柱顶铰接方式。其中，混凝土材料为C40等级，钢筋与钢材分别选择HRB400、Q345B。具体如下：（1）为了确保结构计算模型的精准性，设计人员划分了A~G区，除A~C、F~G为外轮廓支持区外，其余为核心区。同时，在G~F区域设置单跨，属于无缝静定结构，支持区的轴线与主体相连，轴线间不设置缝缝。（2）为了满足抗震要求，设计人员查阅读了GB 50011-2010《建筑抗震设计规范（2016版）》中要求，其中没有对框排架结构形式做进一步规定。在这种前提下，设计人员根据现行《装配式建筑评价标准》（GB/T 51129-2017）中提供的指导意见与要求，没有采用上述规范中的传统计算方式，并用计算模型与空间模式分析取代了以原单榀为主的计算方式。

例如，在A~G结构内，设计人员应用SATWE程序进行计算前，先对原结构进行简化，假定刚性杆件和柱连接位置之间存在理想铰接，并将其作为屋架部分。同时，使用钢舰混凝土作为排架部分屋面板。由于地震信息方面不用考虑双向地震作用，因而在实际计算时只对其反应进行计算[5]。根据以往的设计经验看，同类工业建筑结构体系中伴随有扭转振动现象，而且要受到工艺条件的限定。因而应用SATWE对上述条件下的结构进行计算发现，第一周期的平动系数符合上述规范中的实际要求，如表1。

表1 SATWE计算结果

再如，在该厂房建筑性能分析方面，设计人员进一步结合实际建筑结构的复杂形态，利用ABAQUS有限元软件对其排架-框架部分连接位置的情况进行了静态分析。具体操作如下：（1）简化结构，将结构梁、柱转化为空间杆。（2）使用该软件中的“定义板”，把框架中的楼板设置为壳单元。（3）该建筑中的屋架对整体结构的影响相对较小，其中的动力反应可以忽略。在这种条件下，设计人员使用轴力杆件代替屋架部分，并将斜撑加到了结构两侧与中间位置。（4）对于排架屋面计算时将刚性杆件和柱进行等效铰接，不考虑楼板问题。进行程序运行后可以获得第1振型、第2振型、第3振型、第4振型、第5振型图谱。

比较SATWE与ABAQUS计算模型结果发现，第1~3振型计算结果趋于一致，第4振型伴随着扭转的平动，第5振型中的排架部分与框架部分等效，抗震能力相对较弱。为了进一步检查第5振型的情况，设计人员对横向每一榀桁架进行独立计算发现，其中的梁配筋计算值与初步设计中的计算值相比，增加了10%，柱配筋反而减少了20%。因此，设计人员根据实际计算结果调整了结构布局，具体操作时将排架位置的梁、柱进行了具体调整。

5 经济分析

首先，设计人员根据环境影响评价报告，对钢筋、钢材、复合压型钢板等进行分析，确认此类材料的防潮、保温、耐火、隔音、装饰等性能进行了全面分析，确定其在上述性能方面存在优势外，还具有自重轻、平面使用率高、墙体截面小等优势，有利于降低工程造价。

其次，该厂房装配率高于50%，可以实现工厂化预制生产，根据《装配式建筑评价标准》（GB/T 51129-2017）看，该建筑在设计施工一体化实践模式下，需要按PC构件设计→原料采购→预制生产→运输→现场拼装→吊装→连接安装→混凝土浇筑→试运行→收尾→维保等流程进行操作。由于设计中搭建了BIM集成管理平台，在后续的施工中参建单位均可以纳入用户层，开展实时的信息交流与共享，并通过提高效率实现对设计成本、建造成本的合理控制等。根据设计人员的计算，与传统混凝土结构相比，钢结构与框架结构应用后可以将原来的工期缩短1/3。并且，能够在《绿色建筑评价标准》（GB/T 50378-2019）下结合专项化的环境管理，将污染降到最低程度，保障建筑达到安全耐久、稳定运行、资源节约、环境适合生产等多项绿色建筑评价评要求[6]。

第三，当前，正值中国式现代化改革新时期，新能源动力电池厂房建筑生产中应充分考虑“生态化”、“数字化”、“工业化”的并联式发展，在设计此类工业建筑的过程中考虑到智能工厂的基本架构，并为其做好预留：（1）工厂设备的自动化—智能加工中心与生产线的应用；（2）信息系统集成化—智能化生产数据采集与过程管控；（3）生产管理的高效化与柔性化—建立智能化生产控制中心；（4）物流的智能化—智能仓储、运输及物流等。在该项目中按照核心区与支持区建设后，可以为后续的“组团化”设计做好预留，从而为其数字工业化、工业数字化发展奠定坚实基础。具体而言，除生产厂房外，该企业需要配套设置生活区、休闲娱乐区、绿化区等。建议在后续设计中尽可能选择“L型”设计方案，确保厂房建筑与其他建筑之间的联动。

6 注意事项

新能源动力电池厂房建筑设计专业性强，具有一定的复杂性，具体设计过程中，除以上内容外，应注意以下事项：（1）设计人员应考虑到此类企业建立本质安全的实际要求，突出本质安全设计理念。例如，在循环测试设备方面应根据一级保护、二级保护、设备消防等进行相应设计。（2）此类厂房建筑中对于空调暖通的需求较大，设计人员应对空调负荷特点做进一步分析，精准计算各生产车间室内设计参数，包括制胶到封闭焊接车间、负极匀浆车间、涂布机头车间、烘烤与注浆车间、非洁净区域的温湿度及洁净度。至于冷热源方案的设计可以参考《工业建筑供暖通风与空调设计规范》中提供的标准要求等。

7 结束语

总之，新能源动力电池厂房建筑具有一定的特殊性，除作为工业建筑本身的使用功能外，还需要配套的做好生产工艺与建筑的联动、确保建筑初步设计、结构设计、消防设计的全面性及有效性。结合上述分析，建议在同类新能源动力电池厂房建筑设计过程中，一方面结合勘察报告与环境影响评价报告等，全面分析其场址选址、地质水文状况、气象条件等，为其厂房方案选型奠定必要条件，另一方面应突出设计施工一体化实践模式下设计环节的引领性作用，从而在综合考虑节能、结构、技术、经济等因素的基础上，从多套方案中比选出最优方案。