水利工程裝配式建筑的應(yīng)用與展望

黃桂林 黃若堅(jiān)

(湖北省水利水電規(guī)劃勘測(cè)設(shè)計(jì)院，湖北 武漢 430070)

1 裝配式建筑應(yīng)用背景

裝配式建造就是采用工業(yè)化生產(chǎn)方法將建筑整體拆分，建筑物的部分或全部構(gòu)件以工廠預(yù)制代替現(xiàn)場(chǎng)澆筑，在施工現(xiàn)場(chǎng)通過(guò)機(jī)械化、信息化的工程技術(shù)手段，按不同要求進(jìn)行組合和安裝，建成特定建筑部品的建造方式。

2016年，國(guó)務(wù)院辦公廳《關(guān)于大力發(fā)展裝配式建筑的指導(dǎo)意見(jiàn)》(國(guó)辦發(fā)〔2016〕71號(hào))指出發(fā)展裝配式建筑是建造方式的重大變革，是推進(jìn)供給側(cè)結(jié)構(gòu)性改革和新型城鎮(zhèn)化發(fā)展的重要舉措；并從總體要求、重點(diǎn)任務(wù)和保障措施三個(gè)方面給予指導(dǎo)。工程建設(shè)行業(yè)掀起了裝配式建筑的熱潮。

2017年，河北省、山西省、廣東省、湖北省、遼寧省人民政府等均發(fā)布了關(guān)于大力發(fā)展裝配式建筑的實(shí)施意見(jiàn)。

2020年2月，人力資源和社會(huì)保障部等部門(mén)發(fā)布通知，將裝配式建筑施工員納入智能制造工程技術(shù)人員新職業(yè)，定義為在裝配式建筑施工過(guò)程中從事構(gòu)件安裝、進(jìn)度控制和項(xiàng)目現(xiàn)場(chǎng)協(xié)調(diào)的人員。

2021年4月，國(guó)家“十四五”規(guī)劃綱要在推進(jìn)新型城市建設(shè)中提出推廣綠色建材、裝配式建筑和鋼結(jié)構(gòu)住宅，建設(shè)低碳城市。2022年1月，住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部在“十四五”建筑業(yè)發(fā)展規(guī)劃的通知中提出，開(kāi)展綠色建造示范工程創(chuàng)建行動(dòng)，提升工程建設(shè)精細(xì)化設(shè)計(jì)和施工水平。通過(guò)創(chuàng)新中心，開(kāi)展關(guān)鍵核心技術(shù)攻關(guān)，研究制定標(biāo)準(zhǔn)體系與計(jì)價(jià)依據(jù)。

2 水利工程裝配式建筑應(yīng)用狀況

張力鵬對(duì)水利工程裝配式結(jié)構(gòu)從1955年到2011年的應(yīng)用研究歷程進(jìn)行了回顧。高國(guó)明從材料和結(jié)構(gòu)型式方面對(duì)寒冷地區(qū)裝配式渠道進(jìn)行了總結(jié)闡述，認(rèn)為聚丙纖維混凝土具有更大的抗壓、抗折強(qiáng)度，竹塑渠道比混凝土渠道能更好地適應(yīng)季節(jié)性?xún)鐾恋貐^(qū)渠道凍脹過(guò)程。

2016年以來(lái)，BIM技術(shù)得到快速發(fā)展，工程全生命周期正在逐步實(shí)現(xiàn)數(shù)字化，依托數(shù)字化和信息技術(shù)，加之先進(jìn)的施工建造技術(shù)，水利裝配式建筑建設(shè)水平上了一個(gè)新臺(tái)階。湖北省鄂北水資源配置工程為其中的典型案例。

該工程全長(zhǎng)約270km，2021年1月全線通水，其中孟樓渡槽全長(zhǎng)4.99km，由于防滲抗裂要求嚴(yán)格，槽身采用三向預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)。為了加快施工進(jìn)度、確保質(zhì)量安全，經(jīng)多方比較采用預(yù)制場(chǎng)制作、運(yùn)槽車(chē)+架槽機(jī)運(yùn)輸?shù)跹b方式施工。施工現(xiàn)場(chǎng)見(jiàn)圖1。

圖1 孟樓渡槽施工現(xiàn)場(chǎng)

設(shè)計(jì)階段對(duì)渡槽在不同荷載組合下的受力進(jìn)行三維有限元分析，保證各項(xiàng)指標(biāo)滿(mǎn)足規(guī)范要求，并對(duì)在預(yù)制控制臺(tái)上實(shí)施分級(jí)張拉，進(jìn)行施工過(guò)程仿真分析，對(duì)張拉順序進(jìn)行了優(yōu)化，在此基礎(chǔ)上提出了施工技術(shù)要求。預(yù)制場(chǎng)設(shè)澆筑臺(tái)，將預(yù)應(yīng)力錨索(錨筋)、鋼筋綁扎就位于模筑混凝土，待混凝土達(dá)到需要的齡期后分級(jí)張拉錨索(錨筋)最后鎖定。張拉好的槽身運(yùn)至蒸養(yǎng)室，控制好溫度和濕度，養(yǎng)護(hù)好的槽身送至堆放場(chǎng)儲(chǔ)存，施工用槽時(shí)從堆放場(chǎng)提取，構(gòu)成了順暢的作業(yè)流程。張拉模擬應(yīng)力見(jiàn)圖2。

圖2 張拉模擬應(yīng)力(單位：Pa)

由于采用了裝配式施工，工期提前，槽身光面整潔，沒(méi)有發(fā)生任何裂縫?，F(xiàn)在渡槽已通水運(yùn)行，各項(xiàng)指標(biāo)良好。孟樓渡槽的建設(shè)，一方面也得益于采用了三維設(shè)計(jì)、仿真模擬等BIM新手段，對(duì)結(jié)構(gòu)受力、施工過(guò)程事先做到精準(zhǔn)模擬和優(yōu)化；另一方面由于施工方法、施工機(jī)械和施工工藝進(jìn)步使得大型裝配件加工、運(yùn)輸、吊裝和組裝易于操控。

總體來(lái)看，水利工程裝配式建筑多用在農(nóng)田水利和少數(shù)中小型工程，以線狀建筑居多，交通橋、重力壩、拱壩也有部分采用條石或混凝土預(yù)制塊砌筑；近年來(lái)受BIM技術(shù)應(yīng)用、大型施工機(jī)械出現(xiàn)和施工工藝水平提升的推動(dòng)，出現(xiàn)了類(lèi)似裝配式預(yù)應(yīng)力渡槽的水工建筑物，隨著水利裝配式建筑應(yīng)用研究的深入，結(jié)合智能化管理要求還將有更多形式的水利裝配式建筑呈現(xiàn)。

3 應(yīng)用推廣對(duì)策

與其他行業(yè)尤其是工業(yè)與民用建筑行業(yè)相比，水利工程裝配式建筑在規(guī)模、材料工藝、數(shù)字化、信息化等方面還存在一定差距。20世紀(jì)90年代后，水利工程裝配式建筑應(yīng)用研究主要集中在渠道襯砌、小型涵管等渠系建筑物，在大壩、水閘等關(guān)鍵擋水建筑物方面研究相對(duì)較少。在總結(jié)前人經(jīng)驗(yàn)結(jié)合工作體驗(yàn)基礎(chǔ)上，對(duì)水利工程裝配式建筑的推廣提出以下對(duì)策建議。

a.大型水利工程需慎重采用裝配式。水工建筑物種類(lèi)多、結(jié)構(gòu)異形，且體積大，承受的荷載大，對(duì)整體性要求高，無(wú)論是設(shè)計(jì)還是施工，采用裝配式建筑都是一種新的挑戰(zhàn)。大江大河水工建筑物地理位置重要，防滲、穩(wěn)定和應(yīng)力等安全性要求高，加上體積大，無(wú)論拆分還是運(yùn)輸都十分困難，過(guò)多灌漿縫會(huì)導(dǎo)致安全隱患，施工工藝也難以跟上，不適合裝配式，可以考慮在交通洞、板、梁、柱等支撐結(jié)構(gòu)局部采用預(yù)制裝配。

b.對(duì)適合做裝配式的水利建筑合理分類(lèi)。中小型工程裝配式要形成規(guī)?；图s化生產(chǎn)，建筑物要易于拆分為各類(lèi)構(gòu)件，構(gòu)件的形狀、尺寸和其他信息盡量標(biāo)準(zhǔn)化，同時(shí)安全可靠、易于施工。目前來(lái)看適用范圍首先是渠道襯砌、生態(tài)護(hù)坡、河道景觀蓄水(如翻板閘門(mén)、小型堰閘、橡膠壩支撐結(jié)構(gòu)等)或受施工條件限制的樁、墩臺(tái)；其次是地質(zhì)條件相似，適宜定型設(shè)計(jì)的隧洞二襯、小型農(nóng)橋、渡槽、水閘、箱涵、中小型泵站等。規(guī)?；蝮w量較大的泵站、水閘、重力壩,可以借鑒建筑業(yè)做法，考慮裝配式與現(xiàn)澆相結(jié)合的方式來(lái)滿(mǎn)足各項(xiàng)要求。

c.BIM+水利裝配式是創(chuàng)新設(shè)計(jì)的最佳融合。對(duì)結(jié)構(gòu)的理解認(rèn)識(shí)需要從空間入手，結(jié)合各種可能出現(xiàn)的工況，才能構(gòu)思出不同的拆分方法。需要從穩(wěn)定性、安全性、施工工藝等方面模擬，必要時(shí)結(jié)合物模試驗(yàn)加以驗(yàn)證。模型拆分還要結(jié)合信息化管理要求，在施工階段配合做好構(gòu)件編碼并實(shí)現(xiàn)關(guān)鍵信息聯(lián)動(dòng)、可視化查詢(xún)和質(zhì)量追溯等。

d.進(jìn)一步加強(qiáng)施工企業(yè)人才培養(yǎng)和關(guān)鍵技術(shù)研究。裝配式建筑施工工藝要求較高，對(duì)位要精準(zhǔn)，連接、灌漿要細(xì)致，需要專(zhuān)業(yè)熟練工來(lái)操作，要加強(qiáng)培訓(xùn)，落實(shí)裝配式建筑施工員職業(yè)資格制度，做到持證上崗。要以企業(yè)自主或校企聯(lián)合的方式進(jìn)一步開(kāi)展連接鍵方式、止水型式和材料性能，灌漿材料、錨固件和鋼筋連接強(qiáng)度、耐久性等關(guān)鍵技術(shù)的研究。

e.盡早出臺(tái)水利工程裝配式建筑的規(guī)程規(guī)范，確保建筑質(zhì)量有據(jù)可依。從政策、資金等方面鼓勵(lì)地方在研究應(yīng)用的基礎(chǔ)上，參考其他行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)、體現(xiàn)時(shí)代要求，出臺(tái)適合水利工程裝配式建筑特點(diǎn)的設(shè)計(jì)、施工和驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)及技術(shù)要求，加強(qiáng)專(zhuān)利、新型實(shí)用性技術(shù)的轉(zhuǎn)化力度。

4 展 望

隨著“十四五”期間國(guó)家水網(wǎng)重大工程實(shí)施，各地將有序開(kāi)展水網(wǎng)建設(shè)，會(huì)有大批補(bǔ)短板工程落地實(shí)施，水利工程裝配式建筑在加快工程建設(shè)進(jìn)度、促進(jìn)低碳環(huán)保及精細(xì)化、智能化建設(shè)方面發(fā)揮著獨(dú)特作用，也必將促進(jìn)該技術(shù)的創(chuàng)新進(jìn)步和推廣。