大型水工建筑設計與相關(guān)專業(yè)技術(shù)對接研究

張文欽，孫 潔

(1.山東省水利勘測設計院，山東 濟南 250013；2.煙臺大學，山東 煙臺 264000)

大型水工建筑設計的主要任務是在滿足水工建筑物所具有的功能屬性和安全運行的基礎上，盡可能地實現(xiàn)水工建筑的外形美觀，從而達到功能與形式、外表與內(nèi)里的高度統(tǒng)一。隨著此類工程的增多，從業(yè)人數(shù)不斷增加，專業(yè)技術(shù)水平難免參差不齊。一項大型的水利工程常常綜合了水保環(huán)評、水利規(guī)劃、水工結(jié)構(gòu)、地質(zhì)勘探、建筑結(jié)構(gòu)、給排水、金屬電氣等多個專業(yè)。本文根據(jù)多年的設計經(jīng)驗，總結(jié)出大型水工建筑設計流程和特點，以及與主要相關(guān)專業(yè)的對接要點，對水工建筑設計有一定的幫助意義。

1 水工建筑物概念

水工建筑物是指為合理開發(fā)、利用和保護水資源，減免水患災害而修建的承受水作用的建筑物、構(gòu)筑物。水工建筑物按照功能可分為兩大類：一般性水工建筑物和專門性水工建筑物。一般水工建筑物主要有五類：擋水建筑物、泄水建筑物、輸水建筑物、取水建筑物、整治建筑物。專門水工建筑物又分為四類：水電建筑物、通航建筑物、給排水建筑物、過壩建筑物。本文所指的水工建筑物是指與一般性、專門性水工建筑物密切關(guān)聯(lián)的具有開間進深等內(nèi)部空間，有人進入內(nèi)部空間操控，具有房屋建筑屬性的水工房屋建筑物(以下簡稱水工建筑)。大型水工建筑物涉及專業(yè)廣、結(jié)構(gòu)復雜、各專業(yè)間相互影響因素多，以大型水工建筑物設計為例進行討論具有廣泛的代表意義。下面以大型攔河閘(溢洪閘)、大型泵站和大型水電廠房3類常用的大型水工建筑物設計為例闡述設計對接要點。

2 水工建筑物設計前期準備

在設計之前要全面掌握設計依據(jù)，包括文件依據(jù)、法規(guī)依據(jù)和已知資料依據(jù)等。

文件依據(jù)包括上級主管部門對該項工程的立項、階段工程建設的許可批復等。

規(guī)范依據(jù)包括執(zhí)行的法律規(guī)范文件名稱、文號、規(guī)范編碼等。水工建筑物設計常用的規(guī)范包括GB 50352—2005《建筑設計通則》、GB 50016—2016《建筑設計防火規(guī)范》、SL 253—2000《溢洪道設計規(guī)范》和GB/T 50265—2010《泵站設計規(guī)范》等。

相關(guān)專業(yè)資料依據(jù)包括水文氣象、地質(zhì)勘探、人文環(huán)境、水源水質(zhì)、電源負荷等及附近相關(guān)環(huán)境、水陸交通狀況等。

3 設計原則

設計過程中應遵循堅固、適用、美觀、經(jīng)濟原則。

(1)堅固第一的原則。從結(jié)構(gòu)形式方面，水工建筑物一般采用鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)或磚混結(jié)構(gòu)，而很少采用輕型鋼結(jié)構(gòu)、輕型木結(jié)構(gòu)或鋼木結(jié)構(gòu)。鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)建筑的合理使用年限一般為50～70年，可充分滿足水工建筑物堅固性能要求。從選材方面，應選用材質(zhì)特性穩(wěn)定、造價經(jīng)濟、合理、適用的材料。要盡可能多地了解各種建材的性能特點，如墻體材料的硬度、抗壓力、耐風化力等；防水材料的耐水性、耐腐蝕性、抗拉力性；保溫材料的耐火性、耐酸堿性等；飾面材料的硬度、表面光潔度、耐磨性。

(2)功能優(yōu)先的原則。與水工相結(jié)合的功能性建筑，應首先滿足功能屬性。圍繞功能屬性展開各種設備功能布局，進而優(yōu)化布局的合理性，使綜合布線經(jīng)濟有序，自動化設備控制系統(tǒng)簡潔、自如，合理使用期內(nèi)的運行性能持久可靠，檢修備用系統(tǒng)正?？煽?。

(3)造型美觀的原則。水工建筑物對美觀的要求同樣是越來越高，藝術(shù)設計中造型美的法則，對水工建筑物同樣適用。運用諸如對稱、反復、疊加、削減、流線等常用手法，以及復古、浪漫、仿生等藝術(shù)設計理念，可使水工建筑物在滿足使用功能的前提下充滿個性和時代氣息。

(4)做到投資效益最大化。在保證使用功能的前提下節(jié)約投資，是水工建筑設計師的一項重要工作。節(jié)省投資的方法，一是綜合平衡各種可用材料的特性和利弊，選用最佳替代材料；二是造型合理，繁簡得當；三是合理選擇建筑做法，避免工序和材料的重復浪費。

4 與各專業(yè)關(guān)鍵技術(shù)對接

一般情況下水工建筑設計應遵循以下設計流程。

(1)依據(jù)政策法規(guī)、上級立項批復文件、相關(guān)規(guī)程規(guī)范、已有地理地質(zhì)資料，確定水工基礎平面布置。

(2)水工專業(yè)提交資料給建筑、電氣、金屬結(jié)構(gòu)專業(yè)并接收其反饋，多方協(xié)同推進。

(3)建筑專業(yè)經(jīng)方案比選確定建筑方案，繪制建筑設計圖紙，并將設計成果提交水工、建筑結(jié)構(gòu)、給排水、電氣、水保環(huán)評、概預算、施工組織設計等專業(yè)。

(4)編寫水工建筑章節(jié)設計說明書。

(5)匯總提交階段設計成果。

設計流程如圖1所示。

圖1 水工建筑設計流程圖

由圖1可以看出大型水利工程設計的流程特點為：下游環(huán)節(jié)以上游環(huán)節(jié)為基礎和依據(jù)，下游環(huán)節(jié)將成果反饋上游環(huán)節(jié)，同時提交給其下游專業(yè)。層層相扣，密不可分。而建筑設計專業(yè)處于中游關(guān)鍵位置，起到承上啟下的重要作用。建筑專業(yè)應以各相關(guān)專業(yè)所提資料為依據(jù)，設計出與這些專業(yè)相符合的建筑空間，并將設計成果向下游專業(yè)傳遞。

4.1 大型攔河閘、溢洪閘

各類水閘的工程規(guī)模應按現(xiàn)行的GBSL 265—2016《水閘設計規(guī)范》規(guī)定劃定工程等級。水利樞紐工程中的中小規(guī)模水閘也應按大型水利工程規(guī)范規(guī)程要求來設計。

大型水閘按閘門啟閉形式劃分可分為吊裝閘門開啟式、閘門翻板式、電動伸縮式，其中電動伸縮式閘門無啟閉機房，只有橋頭堡和電氣設備間。

近年來，新技術(shù)不斷涌現(xiàn)，大跨度閘門的技術(shù)形式推陳出新，目前最常用的還是機電啟動吊裝式閘門。由于吊裝式閘門帶有機房，可方便工作人員操作、運行、檢修，雖略顯傳統(tǒng)，但在當前和今后相當長的時間內(nèi)仍會被使用。下面以吊裝式閘門為例論述水閘與各主要專業(yè)的技術(shù)接口。

(1)依據(jù)水工專業(yè)所提的地面以下基礎，來布置與之相對應的機架橋、機房軸網(wǎng)。普通建筑物一般布置軸網(wǎng)是由一層開始，而布置帶有機架橋的水閘可先從機架橋?qū)娱_始布置，在布置啟閉機房軸網(wǎng)時，最常用的就是“三段八柱式”，即采用每跨3個開間的形式。因為大型水工基礎常采用每跨6～18m，分成每跨3段，這樣既符合模數(shù)，又可以做到由中間推出兩側(cè)橋頭堡的平面定位。在布置機房每跨中間的框架柱時，應注意盡量與水工專業(yè)溝通，盡量使中間的框架柱與水工專業(yè)所提的機架橋板主次梁相對應，以增強機房每跨的整體性和穩(wěn)定性，提高抗震強度。

(2)依據(jù)電氣專業(yè)所提機架橋標高確定配電室、控制室所在層的軸網(wǎng)和標高。在滿足電氣設備所需虛實空間的前提下，綜合考慮通過橋頭堡進入機房的人流、綜合布線的合理性，一般情況下將啟閉機離邊緣較寬的一側(cè)定為人行通道，樓梯間所在的一側(cè)為橋頭堡遠機房側(cè)。進而以三層為基準向一二層推進。

(3)依據(jù)金屬結(jié)構(gòu)專業(yè)所提資料確定機架橋和控制層標高。一般情況下，若機架橋相對標高超過6m則可以將橋頭堡的機架橋以下部分設兩層，若機架橋相對標高小于6m，則只能安排一層。同時依據(jù)機架橋標高和電氣專業(yè)所提設備間資料確定橋頭堡軸網(wǎng)、層數(shù)和層高。合理布置柴油發(fā)電機室、10KV配電室等設備間，一般柴油發(fā)電機室和10KV配電室布置在一層。

這是家知名的小咖啡館，店主是名畫家，墻上掛著不少文藝復興時期的仿制品。進門的墻邊放著一架老式鋼琴，一個十來歲的小男孩坐在鋼琴前正全神貫注地彈奏一支肖邦的練習曲。

(4)在確定平面軸網(wǎng)的基礎上確定立面造型。

(5)橋頭堡與機房的連接形式。橋頭堡與機房的連接形式一般有兩種：一種是機架橋懸挑與橋頭堡連接，另一種采用連廊搭接的形式與橋頭堡連接。機架橋懸挑結(jié)構(gòu)適用于基礎較小，橋頭堡機房距離較近的建筑物，懸挑長度一般在4m以內(nèi)。連廊式的搭接一般用于橋頭堡、機房邊墩基礎較大的建筑物，搭接連廊長度可達8～10m。特別注意在考慮橋頭堡與機房的連接形式之前，應了解水工基礎邊墩伸出垂直邊墩的長度，用以確定橋頭堡的平面定位和懸挑長度(或連廊長度)，以避免底部基礎沖突的問題。應盡量采取邊墩立柱懸挑機架橋板，或增加邊墩以外的立柱懸挑機架橋板的方式，盡量不在橋頭堡上設牛腿，以提高橋頭堡的穩(wěn)定性和獨立性。

(6)變形縫的處理。變形縫可分為樓地面、內(nèi)墻、外墻、頂棚和屋頂變形縫等，寬度一般為80～100mm。應分別注明建筑做法。變形縫的處理也是水工建筑物應特別注意的重要環(huán)節(jié)，在設計帶有屋面變形縫的水工建筑物時，應盡量避免坡屋面雨水放坡至沉降縫方向及屋面變形縫處雨水長期留存。設計人員應注意盡量使變形縫及其周圍的屋面雨水迅速排走，以免因長期浸泡屋面而造成滲漏，影響工程質(zhì)量。

(7)功能與形式是建筑設計中的兩個不可分割的主題。建筑設計中的一般要求是形式服從于使用功能，但又不局限于使用功能。對稱式造型是大型溢洪閘常用的建筑造型形式。為達到對稱(或不完全對稱)，常常需要增加一些面積，以滿足造型審美的需要。單從功能要求出發(fā)，通常情況下可能一側(cè)橋頭堡中的面積就可滿足使用要求，但為對稱可增加另一側(cè)橋頭堡或樓梯間，以滿足疏散人員和視覺上的要求。

4.2 大型泵站建筑

按照GB 50265—2010《泵站設計規(guī)范》第2.1條泵站等級指標規(guī)定，設計流量為50～200m3/s、裝機功率為10MW以上的泵站為大型泵站。由于大型泵站機組數(shù)量多、主副廠房規(guī)模大，涉及巖土、水工、建筑、電氣、自動化、金屬結(jié)構(gòu)、概預算等專業(yè)，各專業(yè)順利對接非常重要。

大型泵站一般應有主副廠房組成，建筑專業(yè)設計與其他專業(yè)的對接順序一般應遵循：

(1)依據(jù)水工專業(yè)所布置的基礎和機組數(shù)量確定主廠房朝向、軸網(wǎng)。主廠房軸網(wǎng)的布置，應注意機組數(shù)量、主廠房縱向長度、水工基礎布置情況、立面造型效果4個方面因素。

(2)依據(jù)水工機械專業(yè)所提吊車梁型號及吊車梁頂高程、梁底高程確定主廠房層高。

(4)依據(jù)水工總平面給出的主次干道及場地環(huán)境情況，綜合考慮主副廠房主、次入口、副廠房門廳、主副廠房組合關(guān)系和行人通道、消防設備間、消防疏散，還應充分考慮電纜溝走向的合理性以及與設備間的連通等。合理布置以門廳為中心，以走廊為紐帶的關(guān)聯(lián)主副廠房、設備間、輔助房間的綜合整體，并合理配置輔助房間，如值班室、衛(wèi)生間等。衛(wèi)生間應盡量避免與配電室相鄰，如不能避免，墻面處理應采取防水、防火、防潮處理。

門廳和通往主廠房的室內(nèi)通道是副廠房布置的關(guān)鍵一環(huán)。副廠房的門廳布置應注意以下因素：①靠近主干道或?qū)掗煹耐ピ?；②明顯易找；③采光充足；④直接通向主廠房并成為連接各功能設備間的紐帶。

(5)大型泵站主副廠房的沉降縫。與溢洪閘、攔河閘一樣，變形縫的處理也是泵站建筑應特別注意的重要環(huán)節(jié)。在設計帶有屋面變形縫的泵站時，也應盡量避免坡屋面雨水放坡至沉降縫方向，或屋面變形縫處雨水長期留存。應設置較大的排水坡度，盡量使變形縫及其周圍的屋面雨水迅速排走，以免因雨水長期留存造成屋面侵蝕或滲漏。

(6)在平面軸網(wǎng)和功能分區(qū)確定的前提下確定立面造型。根據(jù)軸網(wǎng)和藝術(shù)設計理念推出水工建筑立面，應綜合考慮以下因素：

①立面造型的虛實關(guān)系。立面虛實關(guān)系是建筑外形的生命線，而窗墻比常是立面虛實關(guān)系的重要因素。

②立面高度與圈梁的布置。一般情況下，層高超過4.2m的主廠房，應考慮增加一道圈梁，并且為采光更好，可采用立面上的雙層窗。

③兼顧主副廠房體量關(guān)系確定立面造型的虛實松緊。主副廠房的體量關(guān)系常是建筑物立面造型虛實的控制因素，組合關(guān)系中體量大的廠房部分立面造型應放松、舒朗，而體量小的應緊密、精致。

④突出主次入口。主入口以出入行人為主，次入口以進出設備為主。兩入口立面造型應兼顧統(tǒng)一。

設計主入口應兼顧門廳進行立面設計，應設置不少于300mm的一層室內(nèi)外高差，以防止汛期或豐水季雨水倒灌入室內(nèi)。主入口雨蓬造型應大方美觀，突顯主入口立面效果。

次入口一般為主廠房大門，一般用于進出設備，完成重型設備的運輸、吊裝、調(diào)試、檢修，以保證正常調(diào)度運行。為保證運輸設備的貨車順利出入安裝間，安裝間外的室內(nèi)外高差常設坡道解決。坡道表面宜設置防滑層，坡度比值應遵循現(xiàn)行相關(guān)規(guī)范要求。

4.3 功能性廠房

包括水廠車間、機修間、防汛倉庫等，下面以水處理車間為例，說明該類建筑物設計的要點：

(1)確定功能性廠房的用途，了解上級批復的建設規(guī)模和建筑物等級。

(2)根據(jù)給定的用地紅線分配各個建筑物之間的位置、組合關(guān)系、朝向、大致面積、廠區(qū)大門道路寬度、主次干道、建筑物退讓圍墻、建筑物之間的采光、通風、綠化、廠區(qū)排水等因素，綜合分析確定廠區(qū)總平面布置圖。

(3)專業(yè)廠房基于相關(guān)專業(yè)所提資料確定軸網(wǎng)，布置功能分區(qū)。水廠常用的功能分區(qū)大致為兩個大區(qū)，即配電區(qū)和水處理車間。配電區(qū)又分為：中控室、配電室、柴油發(fā)電機室、消防控制室等。水處理車間又分為：實驗室、消毒室、加氯加藥間等。兩個大的功能分區(qū)一般應設防火門。大的配電區(qū)應設置輔助房間，如更衣室、值班室、衛(wèi)生間等，門廳和走廊是通往各個功能間的通道和紐帶。門廳的前側(cè)應有廣場或開闊的庭院，或靠近主干道，以方便行人或車輛通行。

(4)設置變形縫的功能性廠房，屋面設計應同樣注意變形縫的處理。

(5)依據(jù)當?shù)厝宋沫h(huán)境以及廠房功能和地域特點確定立面造型。

(6)綜合布置水廠庭院。合理規(guī)劃庭院交通，適當設置庭院綠化植被。

以上各種水工建筑物在確定基本方案后，在設計立面造型時應以草圖方式做出多個與平面布置相對應的造型方案進行比較，并以較快速度確定。因為優(yōu)秀方案的第一印象特別重要，時間久了反倒對形象的感悟會更遲鈍，影響判斷。

5 結(jié)語

本文從水工建筑專業(yè)設計的視角，創(chuàng)造性地提出了一般水工建筑物應遵循的設計流程，論述了水工建筑物的設計要點、與各相關(guān)專業(yè)的技術(shù)對接，以及關(guān)鍵環(huán)節(jié)應注意的問題，總結(jié)了大型水工建筑物立面造型的規(guī)律，闡述了水工建筑物與環(huán)境的對立統(tǒng)一規(guī)律，對初步從事水工建筑設計的人員具有一定的指導意義，對于從事該項工程設計管理人員有一定的借鑒意義。