一、电子洁净厂房的设计特点
电子洁净厂房洁净室的设计首先要了解所设计洁净室的用途、使用情况、生产工艺特点性和生态等。对于集成电路生产用洁净室,首先要掌握产品的特性一集成度、尺寸和生产工艺特点;对洁净室的要求一一空气洁净度等级、温湿度及其控制范围、防微振要求、防静电要求和高纯物质的供应要求等;其次要充分了解业主拟采用的生产工艺、设备和对工艺布局的设想。

设计人员应协同业主确定洁净厂房各功能区的划分,确定各类生产工序(房间) 的洁净度等级需求和各种控制参数一一温度、湿度、压差、微振动、高纯物质的纯度及杂质含量控制指标;初步选择洁净室的气流流型,并进行净化空调系统的初步估算及设计方案的对比确定;进行洁净厂房的平面、空间合理布置。
洁净厂房的布置应满足适应产品生产工艺流程,合理安排产品生产区与生产辅助区、动力公用设施区布局的要求。在确保产品生产环境满足要求的前提下,做到有利于产品生产的操作、管理,有利于节约能源、降低生产成本。
洁净室的平面布局必须符合国家现行规范中有关安全生产、消防、环保和职业健康等方面的各种要求;在进行洁净室平面布局时应充分考虑人流、物流的安排,尽量做到便捷、流畅。在空间设计时应充分考虑产品生产过程和洁净室内各种管线、物流运输的合理性。在确定洁净厂房的平面、空间布置后,相关专业要提出设计内容、技术要求及其他设计关注点。
1) 电子洁净厂房所生产集成电路的特征尺寸、集成度的不同,对空气洁净度等级、防微振等要求是不同的,根据产品品种确定。
2)电子洁净厂房设计工作中涉及的各专业设计均应采取妥善、可靠的技术措施,以减少或防止室内产生灰尘、滋生微生物,减少或阻止将微粒、微生物或可能造成交叉污染的物料带入洁净室内,并有效地将室内的微粒、微生物排出,以减少或防止它们滞留在洁净室内。当尘粒、微生物或物料的交叉污染会危害产品质量或人身安全时,还应采取安全、可靠的技术措施防止交叉污染,如严格控制不同用途的洁净室之间的静压差,按要求合理的划分净化空调系统,以及妥善设计回风系统等。
3)洁净室设计是各专业设计技术的综合,尤其是洁净室的工艺设计、洁净建筑设计空气净化设计,以及各种特殊要求设计技术的密切协同。洁净室设计应做到顺应工艺流程合理选择各类设备和装置、尽力实现人流和物流的顺畅便捷、气流流型选择得当、净化空调系统配置合理、各种特殊要求的技术措施得当,洁净厂房的平面、空间布置合理,实现可靠、经济运行的目标。
4)洁净室设计应确保安全生产和满足环境保护的要求。洁净室的布置和各项设施的设计均应符合消防要求,应按国家有关标准、规范进行设计。由于洁净室具有平面和空间布置特殊、走道曲折等特点,在进行各项技术设施的系统设计、设备配置和材质选择时,应特别注意按规定选用符合要求的系统、设备和材质。
5)随着科学技术的发展,工业产品的更新换代速度越来越快,洁净室的建造要求随之更新;洁净室建造体现出技术密集、资金密集的特点。为了提高洁净室建成后的技术经济效益,在进行洁净室设计时应尽可能地考虑一定的灵活性,以便日后随着科学技术的发展,在新技术产生后可以通过技术改造适应新产品的生产工艺要求
二、电子洁净厂房的分区组成
电子洁净厂房一般包括洁净生产区、洁净辅助区 (包括人员净化用室、物料净化用室和部分生活用室等)、管理区(包括办公、值班、管理和休息室等)、设备区 (包括净化空调系统用房间、电气用房、高纯水和高纯气用房、冷热设备用房等)。 四类房间中,后三类用房都是为洁净生产区服务的设施

洁净生产区是洁净厂房的主要组成部分,洁净生产区的空气洁净度等级应根据产品生产工艺要求确定,这也是洁净建筑设计的主要依据。此外,还需了解产品生产的各种设计条件,如温度、湿度要求,气流流型要求,生产所需的原、辅料性质,水、电、气的要求,对噪声、振动、静电的要求等。洁净辅助区是洁净厂房的必备房间,这些房间的洁净度等级除了应满足工艺要求外,还应满足《电子工业洁净厂房设计规范》GB 50472-2008 的要求。
洁净辅助区的平面布局非常重要,常常会因其平面布置的合理性对洁净厂房的建造、投产后产品的生产需要、防产生产过程的交叉污染造成影响,应当在洁净厂房建筑设计时高度重视。
管理区是洁净厂房内产品生产过程中的生产管理、技术管理用房和必要的操作人员的临时休息用房,应与业主协商确定。
设备区是净化空调系统、公共动力系统等用房,是洁净厂房的重要组成部分。在洁净厂房中应设置哪些房间、各房间面积大小等的确定,与该洁净厂房的产品生产工艺相关。在洁净厂房中设置哪些设备用房与工程的总体规划有关,目前常常将净化空调设备、供冷供热设备(不含锅炉房)、水电设施等布置在洁净厂房内部,这样既方便管理,又可以减少管线长度。
在具体的洁净厂房工程设计中,根据产品生产用原、辅料的性质、数量和成品的情况可将仓储用房、洁净室、辅助用房组合为一幢建筑,统一进行布置。其立面构造如下图所示

三、电子洁净厂房设计的主要考虑因素
1、功能布置要求
洁净室建筑平面布置要保证平面形状简洁,功能分区明确,管线隐蔽、空间分布合理防火疏散合规,以及生产工艺和设备更新时的灵活性等问题。洁净厂房建筑平面组合形式常采用贴邻、块状、围合等方式,并根据不同的跨度、高度和柱网来组织空间。
洁净室与一般生产室分区应集中布置。对于洁净厂房来说,有空气洁净度要求的生产房间或分区往往仅为部分工序或部分部件的生产区;即使是全部产品生产区都有洁净度要求生产辅助用房、公共动力和净化空调机房等通常为一般生产环境,所以洁净厂房往往兼有洁净生产环境和一般生产环境。各类洁净室要求的空气洁净度等级是决定洁净生产区平面布置的主要因素。在进行综合厂房的平面布置时,一般应将洁净室与一般生产环境的房间分区集中布置,以利于人流物流的安,防止污染和交叉污染,利于净化空调系统及其管线的布置、并减小建筑面积等。对兼有洁净生产和一般生产的综合性厂房、在考虑其平面布置和构造设计时,应合理组织人流、物流及消防疏散线路,避免一般生产区对洁净生产区带来不利影响,当消防要求与洁净生产要求有冲突时。应采取措施,在保证消防安全的前提下,减小对洁净生产区的不利影响。在洁净生产区常常有洁净度要求严格和要求相对不严格两种情况,因此,进行平面布置时。在顺应下艺生产流程和防止交叉污染的前提下,应尽可能集中布置。
洁净室及其公共动力设施的布置。净化空调系统、水和气体的净化装置、电气装置等机电用房是浩净厂房的重要组成部分。其面积在净厂房中占有较大比例。这些机房的规模、设备特征、机房位置、分配管路系统的安排等,在很大程度上影响着洁净厂房建筑的空间组合形式,需要协调好其与生产区之间的关系,以取得良好的经济适用效果。各类机房主要通过管道线路与洁净生产区相联系,因此它们既能与所服务的洁净室组合建在一幢厂房内。也可以单独建设。当组合建在一幢厂房内时,可以缩短管道长度,减少管道接头和相应的渗漏污染概率。降低能源消耗且节约用地,减少室外工程和外墙材料消耗:当机房位于洁净室外围时,还可减少洁净室的外墙面积,降低洁净室围护结构的散热量。但在一些技术改造工程中,为了利用原有房屋或受到特殊条件限制,会单独建造净化空调机房,并同洁净厂保持一定的距离。此外,若工程对于防微振有特殊要求,也需将机房与厂房分开布置

当净化空调机房位于洁净厂房内时,应结合各洁净室的空气洁净度等级、建筑面积、生产工艺特点、防止污染或交叉污染的要求、运行时间、作业班次等因素,考虑系统的合理划分,确定相应的机房布置:
1) 集中设置。
这类机房在厂房内位置的安排,主要考虑生产工艺布置的特点、要求,以及送、回风管道的长度等因素。当厂房面积不大、系统简单、管线交叉不多时,可将送、回风干管布置在上部技术夹层;当厂房的面积较大,或者系统划分较多时,宜沿厂房长边布置机房,每个系统可以直接与所服务的洁净室对应排列;当采用上部技术夹层布置时,送、回风干管走向宜与屋顶承重构件方向平行,可以充分利用空间。
2) 分散设置。
厂房面积较大或洁净生产区过于分散、集中设置机房困难时,在经过技术经济对比后,也可分设几处机房。在技术改造工程中,往往因原有房屋空间条件所限,将净化空调设备分散设置在各洁净室的附近。分散设置方式的风管较短,布置灵活,能适应和利用原有空间,但在实际应用时应充分考虑噪声与振动对产品生产可能带来的影响
3) 混合设置。
在某些工程中,既使用集中式净化空调机房供大部分洁净生产区安装净化空调装置,又对特定局部空间使用分散式的净化空调装置,满足生产工艺的需要,兼有集中式与分散式的特点,更加经济灵活。
洁净室在布置时,应尽量避开变形缝,以利于围护结构的密闭性。为了保证洁净室围护结构的气密性,除须注意围护结构的选材和构造设计外,还应使主体结构具有抗震、控度温度变形和避免地基不均匀沉降的良好性能。在地震频繁地区应使主体结构具有良好的整体性和足够的刚度,尽量使洁净室部分的主体结构受力均匀,并且应尽量避免厂房的变形缝穿过洁净区。在可能因不均匀沉降而开裂的构造部位,如墙体与地面交接处等,宜采用柔性连接。不同洁净度等级的洁净室之间的隔墙,也同样需要考虑其构造上的气密性。在实际工程中,当确实无法避免变形缝穿越洁净室时,应采取可靠的技术措施。

2.防火疏散要求
洁净厂房的布置与构造在很多方面不利于防火疏散,同时,洁净厂房建设造价较高,室内常安装有精密贵重设备,一旦发生火灾损失巨大。因此,应高度重视洁净厂房的防火设计。
洁净厂房中不利于防火的因素包含以下几个方面:
1)空间密闭,围护结构气密性强。一旦发生火灾,清净室内部一方面因热量难以泄漏,火源的热辐射经四壁反射回室内,大幅缩短室内各部位材料达到燃点的时间,可能发生大面积着火;另一方面因燃烧不完全,烟量较大不易排出,使室内能见度大大降低,令人窒息星厥,对于防火疏散和扑救极为不利。
2)当洁净厂房外墙无窗时,室内发生的火灾往往不容易被外界发现,发现后也不容易选定扑救突破口。
3)洁净厂房建筑内设有人员净化用室、物料净化用室等,一般平面布置曲折,洁净区对外的总出入口较少;各生产用室因洁净度分区、生产流程等需要,内部区划分隔复杂,工作人员平时出入要通过迁回的路线,增加了疏散路线上的障碍,增加了安全疏散的距离和时间。
4)洁净厂房内各洁净室通过风管彼此串通,一旦发生火灾,特别是火势初期未被发现而又继续送风的情况下,风管成为烟、火迅速外窜,殃及其余房间的主要通道。
5)洁净室装修、管道保温等不可避免地会使用一些高分子合成材料,其中有的燃烧速度极快,大部分高分子合成材料在燃烧中产生浓烟,可能散发毒气。因此,洁净厂房主体结构的耐火等级、顶棚构件的耐火等级等,都将对防止火势蔓延起着十分重要的作用。
6)某些产品生产过程需使用易燃易爆物质,火灾危险性高,如甲醇、甲苯、丙酮、丁酮、乙酸乙酯、甲烷、二氯甲烷、硅烷、异丙醇、氢等,都是甲、乙类易燃易爆物质,对洁净厂房构成潜在的火灾威胁。

综上所述,为了确保洁净厂房内的人身、财产安全,在洁净厂房建筑设计中,必须认真贯彻“以防为主,防消结合”的消防工作方针;针对火灾蔓延快、危害大和疏散、扑救困难等特点,结合实际情况,积极创造条件,在防火设计中采用先进的防火技术措施,消除或减少起火因素;并且保证在发生火灾时能够及时有效地进行扑救和疏散,减少损失。
建筑物某空间发生火灾后,火势会因热气体对流呈辐射状,从楼板、墙壁的烧损处和门窗洞口向其他空间蔓延扩大开来,最后发展成为整座建筑的火灾。因此在火情发生后一定时间内,把火势控制在着火场所的一定区域内是非常重要的。防火分区就是采用具有一定耐火性能的分隔构件分隔,能在一定时间内防止火灾向同一建筑物的其他部分蔓延的空间单元。在建筑物内采取划分防火分区的举措,可以在发生火灾时有效地把火势控制在一定范围内,减少火灾损失,同时为人员安全疏散、消防扑救提供有利条件。
防火分区按照防止火灾向防火分区以外破延的功能,可分为两类,一是竖向防火分区,用于防止建茂物层与层之间发生竖向火灾蔓延;二是水平防火分区,用于防止火灾在水平方向扩大蔓延。消防员为了迅速而有效地扑灭火灾,常常采取堵截包围、穿插分割、最后扑灭火灾的方法。而防火分区之间的防火分隔物体本身就起着堵截包围的作用,它能将火灾控制在一定范围内,从而避免了扑救大面积火灾而带来的种种困难。在发生火灾时,起火点所在的防火分区以外的区域是较为安全的;因此对于安全疏散而言,人员只要从着火防火分区逃出,其安全就相对地得到了保障,便能确保安全疏散地顺利进行。洁净厂房的耐火等级,层数及防火分区面积见下表。

建筑物发生火灾时,为避免内部人员因火烧、烟熏、毒气和房屋倒塌而遭到伤害,必须尽快撤离;室内物资也要尽快抢救出来,以减少火灾损失,同时,消防员也要迅速接近起火部位,扑救火灾。为此,对建筑物需要设计完善的安全疏散设施,为火灾紧急情况下的安全疏散创造良好的条件。
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洁净厂房的安全疏散设施主要包括:安全出口、疏散楼梯、走道和门等。安全疏散设计是建筑防火设计的一项重要内容。在设计时,应根据建筑物的规模、使用性质、重要性、耐火等级、生产和储存物品的火灾危险性、容纳人数以及火灾时人的心理状态等情况,合理设置安全疏散设施,以便为人员安全疏散提供有利条件。
在进行安全疏散设计时应遵照的原则:
1)疏散路线要简洁明了,便于寻找、辨别。考虑到紧急疏散时人们缺乏思考疏散方涉的能力,以及疏散时间的紧迫,疏散路线要简捷,易于辨认,并须设置简明易懂、醒目易见疏散指示标识。洁净厂房人员净化程序多,连同生活用室在内至少包括换鞋、更衣(有时为多次更衣)、盥洗、吹淋等用室,同时布置上要避免路线交叉,因此,往往形成从人员入口到生产地点的曲折迂回路线。那么,一旦发生火灾,将这样曲折的人净路线当作安全出口是不恰当的。洁净室的疏散路线不完全依赖人净路线,应增设必要的便捷的安全疏散通道和出口通向室外。
2)疏散路线要做到步步安全。疏散路线一般可分为四个阶段:阶段是从着火房间内到房间门,第二阶段是公共走道中的疏散,第三阶段是在楼梯间的疏散,第四阶段为出楼梯间到室外安全区域的疏散。这四个阶段必须是一环扣一环,步步走向安全,以保证不出现“逆流”,疏散路线的尽头必须是安全区域。
3)疏散路线设计要符合人们的习惯要求。人在紧急情况下,习惯走平常熟悉的路线,因此在布置疏散楼梯的位置时,将其靠近经常使用的电梯间布置,将经常使用的路线与火灾时紧急使用的路线有机地结合起来,则有利于迅速而安全地疏散人员。此外,要利用明显的标志引导人们走向安全的疏散路线。
4)尽量不使疏散路线和扑救路线相交叉,避免相互干扰。
5)疏散走道不要布置成不甚畅通的“S”形或“U”形,也不要有宽度变化的平面,走道上方不能有妨碍安全疏散的突出物,下面不能有突然改变地面标高的踏步。
6)在建筑物内任何部位同时有两个或两个以上的疏散方向可供疏散。避免把疏散走道布置成袋形,因为袋形走道的致命弱点是只有一个疏散方向,火灾时一旦出口被烟火堵住,其走道内的人员就很难安全脱险。
7)合理设置各种安全疏散设施,做好构造设计,如疏散楼梯,要确定其数量、位置形式等,其防火分隔、楼梯宽度以及其他构造都要满足规范的有关要求,确保在发生火灾时能充分发挥作用,保证人员疏散安全。

3.气密要求
洁净室的围护结构有很多构造上的缝隙,例如,墙壁或顶棚部位的板材安装缝、高效过滤器送风口、灯具的安装缝;门、窗、回风口的安装缝以及管线穿孔等。缝隙所在的部位不同,泄漏所造成的风量损失或污染影响也会随之变化,如墙壁的内、外墙之分,顶棚以上是技术夹层还是一般房间等。随着缝隙两侧空气压力的变化,会形成外界对室内的污染或者洁净空气地向外泄漏,又或者在不同时间内两者交替进行。
认为仅采取正压措施就能够防止污染或交叉污染的想法是不对的,因为某些产品生产用洁净室还要求与邻室保持负压,而且并非只采取正压措施便能防止污染或交叉污染。需要积极采取措施,从减少构造缝隙和加强缝隙构造的气密性着手,把空气泄漏或污染降至限度。从这个意义上说,洁净室围护结构与门窗等的气密性是洁净室设计、建造的必要考虑条件,没有这样的条件,想保持洁净操作环境,不仅在多数情况下会造成运行费用增加,有时甚至还无法实现洁净要求。
洁净室外围护结构的设计对洁净室的造价和净化空调系统运转费用的经济性起着重要的作用,洁净厂房围护结构的材料选型应满足保温、隔热、防火、防潮、少产尘或不产尘等要求。
外围护结构的保温隔热设计要点是选择合适的保温材料,以及合理地确定 K(传热系数)、D(热惰性指标)值。围护结构的隔气防潮设计是为了避免围护结构及其保温材料受潮后增加材料的导热性,从而降低保温性能。围护结构受潮后,易使材料变质、腐烂,或由于冬季冻结而破坏,以致影响周护结构的耐久性和保温性能。保温材料应选用表观密度、导热系数、吸水性能均较小,以及不易腐蚀的保温材料,且应选用不燃烧体;另外,还需考虑施工方便和就地取材等问题。一般来说,无机保温材料较有机保温材料耐酸、抗湿、耐腐蚀等性能更好,故采用较广泛。
防止内表面产生凝结水的主要措施是提高内表面温度,降低室内空气湿度。对洁净室来说,室内的湿度是根据产品生产工艺确定的,一般不能随意改变,所以应增加外围护结构的热稳定性和增强保温措施。若在室内空气温度正常情况下仍出现凝结水,则说明围护结构的保温性能不良,此时应设法增加围护结构总热阻,提高围护结构内表面的温度。
由建筑物理可知,当水蒸气从气温高的一侧通过围护结构向气温低的一侧渗透时,由于围护结构各层材料的蒸汽渗透阻、水蒸气压力从围护结构外表面向内部逐渐减少,受围护结构各层材料热阻的影响,温度也从围护结构表面向内部逐渐降低,如果围护结构内某截面处温度降到使该处实际水蒸气分压力为该处饱和水蒸气分压力时,则该截面处开始产生凝结水。
围护结构内部出现了凝结水,会使该部分材料的湿度增大,从而提高了它的导热性,这样在冬季就会降低围护结构内部的温度,又会促使凝结水再出现,使凝结水逐渐增加。当凝结水超过一定数量时,将影响围护结构的保温性能和耐久性。围护结构设计时,还应注意避免“冷桥”现象的发生。
防止围护结构内部产生凝结水的主要措施如下
1)合理布置外部结构层次。
将保温层布置在空气温度低的一侧,使围护结构内部各层保持较高的温度,其水蒸气饱和分压力也相应提高,从而减少冷凝的可能。将蒸汽渗透系数小的材料布置在空气温度较高的一侧,蒸汽渗透系数大的材料布置在空气温度较低的一侧,使水蒸气进入围护结构中所遇到的阻力增大,从而使水蒸气进入量减小,而水蒸气渗出围护结构时所遇到的阻力小,扩散出去的速度快。这样,就降低了围护结构内各层的水蒸气分压力,使其不易达到饱和值,从而确保不产生凝结水。
2)合理设置隔气层。
洁净室的特点是冬季室内气温高于室外气温,夏季室内气温低于室外气温,冬夏两季水蒸气扩散渗透的方向相反。因此,应根据不同地区的气候特征,比较冬夏两季中哪一季室内外温差大,哪一季室内外水蒸气压力的压差大,按温差大、压差大季节设置外围护结构的隔气层。
3)一般不宜在保温层的两侧均设隔汽层。
如果设两层隔汽层,水蒸气渗入保温层后不易渗出,反而使凝结水越积越多。在个别地区,冬夏两季围护结构内部都可能产生凝结水,为此可按室内外温差较小的季节来考虑在保温层两侧设置隔汽层,此时两侧隔汽层的蒸汽透阻应不相同。当保温材料本身为隔汽性能良好的材料时,可不设隔汽层。
4.无尘设计要求
洁净室的构造处理和材料选择应按不同的洁净度等级、结构形式和室内建筑设计的要求进行。除要满足保温隔热、隔声防震等一般要求外,最关键是要保证其气密性和建筑材料表面不产尘、不滞留微粒、不积尘。另外,还要注意装修及人体产生的静电效应。所有的构造设计要力求简洁,尽量减少凹凸和不必要的装饰,表面要具有光滑、不产尘、不聚尘和易清扫的特点。因此,对洁净建筑来说,建筑构造、室内装修比之其他类型的生产厂房更具有重要意义。其装饰表面质量要求见表下表

建筑材料的发尘是一种不可忽视的污染源。实验证明,即使在无碰撞的情况下,建筑材料表面也在不断地向周围空间散发微粒,而这些都是和材料的使用状态、质量、老化程度等有关。由于洁净室内的装修用料一般均含有一定的高分子合成材料,而各种合成纤维织物和绝缘材料制成的工作服、工作鞋在动摩擦下均会产生静电,因而对于洁净室的室内装修设计,特别是地面设计的防静电措施及去静电无尘工作服的研究等,都应加以极大重视。

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