預(yù)制拼裝閥門井在泵站改造工程中的應(yīng)用

汪洪濤

（上海城投水務(wù)工程項(xiàng)目管理有限公司，上海市 200002）

預(yù)制拼裝閥門井在泵站改造工程中的應(yīng)用

汪洪濤

（上海城投水務(wù)工程項(xiàng)目管理有限公司，上海市 200002）

針對泵站改造工程中地下構(gòu)筑物多、管線復(fù)雜、工期緊等情況，通過有限元分析后在關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)防汛閥門井上成功應(yīng)用預(yù)制拼裝鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，在提高施工質(zhì)量的基礎(chǔ)上大大縮短了工期，同時(shí)建立了BIM模型并利用模型進(jìn)行了經(jīng)濟(jì)分析等深度應(yīng)用，為預(yù)制拼裝的推廣和BIM模型的深度應(yīng)用積累了寶貴經(jīng)驗(yàn)。

泵站改造；預(yù)制拼裝；閥門井；BIM深度應(yīng)用

1 工程背景

上海某泵站改造工程是上海市“十三五”重大工程，建設(shè)規(guī)模為日供應(yīng)原水460萬m3，建成后將極大地提高上海市原水的供水安全性，并為應(yīng)急情況下黃浦江上游與青草沙兩大水源地互聯(lián)互通、互為備用創(chuàng)造條件。該工程系統(tǒng)復(fù)雜、工期緊張、施工條件差，工程由上海市政工程總院以EPC總承包方式實(shí)施。

該工程中的泵站東南側(cè)緊鄰黃浦江上游某工地，該標(biāo)段的車輛和人員進(jìn)出均通過東西向臨時(shí)道路橫穿該工程施工場地。同時(shí)，該工程東南側(cè)地下管線數(shù)量多、管徑大、埋深深，還有個(gè)關(guān)鍵工作——防汛閥門井（4 450×4 450×4 250深）處在臨時(shí)道路上。閥門井南側(cè)距離黃浦江防汛墻最近處僅11 m，具體位置見圖1。

為了保證總體工程按時(shí)連通通水的計(jì)劃要求，減少對臨近工地的影響，水投項(xiàng)目管理公司不得不一再推遲該工程東南角地下管線、防汛閥門井和圍墻等施工安排。防汛閥門井如果按常規(guī)冬季施工措施，基坑開挖、墊層、支模、澆筑養(yǎng)護(hù)等至少2周時(shí)間才能回填基坑，嚴(yán)重影響計(jì)劃工期。同時(shí)，閥門井外邊與南側(cè)黃浦江防汛墻僅11 m，如開挖后每天黃浦江漲潮時(shí)都會有水返流至基坑內(nèi)，更有流沙、管涌的危險(xiǎn)，對基坑和防汛墻安全都有很大影響，對臨近工地的施工也會造成不利條件。因此，如何在保證質(zhì)量的前提下用更短的時(shí)間完成該閥門井施工，就是擺在項(xiàng)管公司面前必須解決的難題。

2 預(yù)制拼裝閥門井設(shè)計(jì)和施工

鑒于上述實(shí)際情況，項(xiàng)目管理公司提前與EPC總包單位進(jìn)行溝通協(xié)商，充分發(fā)揮EPC總承包的優(yōu)勢，及時(shí)組織方案比選和設(shè)計(jì)優(yōu)化。經(jīng)綜合研究，創(chuàng)造性提出采用預(yù)制拼裝閥門井，通過有限元分析保證閥門井的質(zhì)量和安全，并應(yīng)用BIM模型對用料分析以及正向分析都進(jìn)行了深度探索。實(shí)踐證明，預(yù)制閥門井安全可靠，防水性能優(yōu)良，同時(shí)現(xiàn)場施工工期大大縮短，具有推廣的價(jià)值。

2.1 預(yù)制拼裝閥門井設(shè)計(jì)

2.1.1 預(yù)制拼裝閥門井設(shè)計(jì)方法

工程所在地抗震設(shè)防烈度7度，基本地震加速度0.1 g，設(shè)計(jì)地震分組為第一組。根據(jù)巖土工程勘察報(bào)告，防汛閥門井持力層為灰色黏土層，地下水及土堆混凝土結(jié)構(gòu)具微腐蝕性。設(shè)計(jì)抗浮水位取地面設(shè)計(jì)標(biāo)高下0.5 m，閥門井埋深3.85 m。閥門井混凝土強(qiáng)度等級C35，抗?jié)B等級P6，混凝土后澆部分采用C40補(bǔ)償收縮混凝土，鋼筋為HRB400。井蓋活載 2.0 kN/m2，地面堆載 10 kN/m2，閥門重80 kN。

防汛閥門井底板、豎壁均采用工廠預(yù)制，其中底板四周、豎壁下端均預(yù)留插筋，以便施工現(xiàn)場定位完畢后現(xiàn)澆，提高嵌固部位的整體性和防水效果。閥門井的平面圖與剖面如圖2～圖5所示。

采用ANSYS有限元軟件分析施工全過程的受力狀態(tài)（見圖6～圖12）：施工過程中臨時(shí)固定把豎壁與底板、豎壁與豎壁間作為鉸接節(jié)點(diǎn)考慮；正常使用狀態(tài)豎壁與底板整澆固結(jié)后把豎壁與底板作為固結(jié)、豎壁與豎壁間滿焊后作為固結(jié)節(jié)點(diǎn)考慮。通過計(jì)算，無論是鉸接還是固結(jié)狀態(tài)計(jì)算，其壁板與底板的應(yīng)力與變形均滿足規(guī)范要求。

圖5 閥門井2-2剖面（單位：mm）

圖6 豎壁與底板整澆大樣

圖7 鉸接狀態(tài)受力彎矩圖

圖8 鉸接狀態(tài)應(yīng)力圖

2.1.2 基于BIM技術(shù)的參數(shù)化設(shè)計(jì)理念及推廣

建筑信息模型（Building Information Modeling，簡稱BIM）技術(shù)是在計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)（CAD）等技術(shù)基礎(chǔ)上發(fā)展起來的多維建筑模型信息集成管理技術(shù)，是促進(jìn)綠色建筑發(fā)展、提高建筑產(chǎn)業(yè)信息化水平、推進(jìn)智慧城市建設(shè)和實(shí)現(xiàn)建筑業(yè)轉(zhuǎn)型升級的基礎(chǔ)性與革命性技術(shù)。BIM技術(shù)具備可視化、虛擬化、成本控制等優(yōu)勢，極大提升工程決策、設(shè)計(jì)、施工的管理水平。

圖9 鉸接狀態(tài)變形圖

圖10 固接狀態(tài)受力彎矩圖

圖11 固接狀態(tài)應(yīng)力圖

圖12 固接狀態(tài)變形圖

模型精細(xì)度（LOD，Level of Detail）確定是 BIM設(shè)計(jì)過程中的難點(diǎn)，圍繞BIM技術(shù)實(shí)施目標(biāo)確定合適的模型精細(xì)度對BIM設(shè)計(jì)具有十分重要的意義。該工程BIM實(shí)施擬通過參數(shù)化、快速設(shè)計(jì)的方法評估單體的受力狀態(tài)，并統(tǒng)計(jì)工程量為單體經(jīng)濟(jì)性提供決策依據(jù)。根據(jù)上述實(shí)施目標(biāo)，確定以下BIM模型實(shí)施原則：

（1）模型應(yīng)準(zhǔn)確表達(dá)閥門井的總體尺寸、壁厚；

（2）鑒于后澆帶占總體積比例不大，對經(jīng)濟(jì)性影響不大，模型可不包含后澆帶具體設(shè)計(jì)細(xì)節(jié)，廠商可根據(jù)設(shè)計(jì)院提供的詳圖對預(yù)制閥門井進(jìn)行深化；

（3）BIM模型應(yīng)具備參數(shù)化變化能力及工程量統(tǒng)計(jì)能力（見圖13）；

圖13 典型混凝土用量統(tǒng)計(jì)表

（4）BIM模型應(yīng)能用于結(jié)構(gòu)計(jì)算。

該工程BIM實(shí)施采用Autodesk Revit軟件，通過參考平面對幾何形體進(jìn)行“綁定”，從而達(dá)到參數(shù)化設(shè)計(jì)的目的。同時(shí)，在Revit Structure中（見圖14）進(jìn)行結(jié)構(gòu)荷載施加后，通過 Revit插件Structural Analysis Toolkit將模型導(dǎo)入到Robot Structural Analysis Professional進(jìn)行結(jié)構(gòu)計(jì)算。在Robot中可根據(jù)結(jié)構(gòu)計(jì)算（見圖15）調(diào)整優(yōu)化設(shè)計(jì)模型，并將調(diào)整優(yōu)化結(jié)果反饋到BIM模型中，流程如圖16所示。

上述BIM模型與設(shè)計(jì)模式可進(jìn)行產(chǎn)品的快速設(shè)計(jì)與決策，并能成功應(yīng)用到其他類似項(xiàng)目中。

圖14 Revit Structure分析模型

圖15 利用Revit Structure模型進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析的彎矩分布

圖16 基于BIM技術(shù)的優(yōu)化設(shè)計(jì)流程

2.2 預(yù)制拼裝閥門井施工

因施工現(xiàn)場場地狹小，閥門井施工期又處在冬期施工，為保證施工質(zhì)量和進(jìn)度，閥門井的底板、豎壁均采用工廠預(yù)制成型后運(yùn)至施工現(xiàn)場進(jìn)行拼裝。與預(yù)制廠事先就設(shè)計(jì)圖紙、工藝預(yù)埋管道位置、拼接節(jié)點(diǎn)卡槽與角鋼大樣、運(yùn)輸方案、時(shí)間節(jié)點(diǎn)等事先做充分的溝通，并可利用BIM技術(shù)對預(yù)埋件、工作管道、閥門等位置做三維檢查，確保每個(gè)環(huán)節(jié)都無問題。在預(yù)制過程中，項(xiàng)目管理公司、設(shè)計(jì)院、施工單位等技術(shù)人員多次深入預(yù)制廠檢查構(gòu)件尺寸、鋼筋布置、預(yù)埋件位置、節(jié)點(diǎn)大樣、成品質(zhì)量。在構(gòu)件運(yùn)至現(xiàn)場拼裝時(shí)，預(yù)制廠技術(shù)人員與施工單位進(jìn)行構(gòu)件吊裝、定位、組焊、局部整澆等全過程配合。

經(jīng)項(xiàng)目管理公司多方協(xié)調(diào)，按照基坑開挖→底板就位→豎壁定位→貼防水條→豎壁拼裝→節(jié)點(diǎn)整澆→基坑回填的施工順序，閥門井基坑于2017年3月11日晚開挖完畢并驗(yàn)收合格，預(yù)制拼裝構(gòu)件于3月12日早上7點(diǎn)運(yùn)至施工現(xiàn)場，經(jīng)單體驗(yàn)收及按審批核準(zhǔn)的吊裝方案做安全技術(shù)交底后，施工單位8點(diǎn)開始起吊拼裝（見圖17），經(jīng)過各專業(yè)配合，晚上19點(diǎn)完成拼裝（見圖18）。

圖17 預(yù)制構(gòu)件現(xiàn)場吊裝

圖18 預(yù)制構(gòu)件完成拼裝

事實(shí)證明，經(jīng)過精心組織，采用預(yù)制拼裝大大節(jié)省了施工時(shí)間，減少了臨時(shí)通道的占用時(shí)間，基本上對鄰近工地施工現(xiàn)場無影響，滿足了各方的進(jìn)度要求，成品質(zhì)量經(jīng)檢測也完全符合設(shè)計(jì)圖紙、相關(guān)規(guī)范規(guī)程要求。預(yù)制拼裝與現(xiàn)場現(xiàn)澆對比見表1。

表1 預(yù)制拼裝與現(xiàn)場現(xiàn)澆對比

3 經(jīng)濟(jì)分析

根據(jù)施工圖預(yù)算，防汛閥門井采用現(xiàn)澆鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)造價(jià)約7萬元，采用預(yù)制拼裝結(jié)構(gòu)造價(jià)約8萬元。預(yù)制拼裝造價(jià)稍高的主要原因就是因防汛閥門井是單體，沒有達(dá)到規(guī)?；瘧?yīng)用，模具造價(jià)就有約1萬元，模具利用率低、攤銷大，如閥門井大規(guī)模采用預(yù)制拼裝結(jié)構(gòu)可顯著降低成本。

從工期上分析，防汛閥門井是關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)工程，采用現(xiàn)澆混凝土結(jié)構(gòu)現(xiàn)場工期需要15 d（含基坑開挖），采用預(yù)制拼裝現(xiàn)場工期僅需要2 d（含基坑開挖），可以節(jié)約13 d。同時(shí)，可以大大減少基坑開敞時(shí)間，減少風(fēng)險(xiǎn)因素，綜合經(jīng)濟(jì)效益、環(huán)境效益十分明顯。

4 結(jié)語

閥門井僅是泵站改造中一個(gè)很小的單體，但因該工程的特殊性給了我們一次很好的應(yīng)用預(yù)制拼裝結(jié)構(gòu)的機(jī)會，經(jīng)實(shí)踐驗(yàn)證也取得了非常好的綜合效果。在今后工程中，如對類似的閥門井采用預(yù)制拼裝可大大攤銷預(yù)制拼裝模具的成本，從而提高預(yù)制拼裝的性價(jià)比。通過這次成功實(shí)例，說明在給排水項(xiàng)目中大力推行預(yù)制拼裝是完全可行的。同時(shí)，通過對預(yù)制拼裝的拓展，如圍墻采用預(yù)制拼裝可以做到永臨結(jié)合，對地下構(gòu)筑物墻板也可采用通用尺寸進(jìn)行預(yù)制拼裝；圍墻或墻板等預(yù)制構(gòu)件還可以作為臨建或臨時(shí)施工道路硬化或保護(hù)使用；大批采用工廠預(yù)制拼裝可以提高施工場地的利用率，保證單體的施工質(zhì)量。

綜上，預(yù)制拼裝結(jié)構(gòu)可以在類似給排水工程中有更廣泛的應(yīng)用空間。

TU992.25

B

1009-7716（2017）12-0090-05

10.16799/j.cnki.csdqyfh.2017.12.026

2017-09-12

汪洪濤（1960-），男 ，浙江余姚人，項(xiàng)目經(jīng)理，高級工程師，從事給排水工程建設(shè)管理工作。

圖1 防汛閥門井平面布置

圖2 預(yù)制拼裝平面布置（單位：mm）

圖3 預(yù)制底板（單位：mm）

圖4 閥門井1-1剖面（單位：mm）