小型水工建筑物設(shè)計模數(shù)及拆分裝配初步研究

金忠良，姜海濤，姚懷柱，于子晏

（1.建華建材（中國）有限公司，江蘇 鎮(zhèn)江 212000；2.淮安市水利勘測設(shè)計研究院有限公司，江蘇 淮安 223021；3.江蘇省農(nóng)村水利科技發(fā)展中心，江蘇 南京 210029）

小型水工建筑物主要是指工程規(guī)模相對較小的水電、水利工程建筑［1］，是農(nóng)田水利設(shè)施的主體，水工構(gòu)件由于受到水、土以及建筑物等多種因素的相互作用，設(shè)計與作業(yè)條件十分復(fù)雜，而表現(xiàn)出點(diǎn)多、線長、面廣、構(gòu)件單體小、構(gòu)件數(shù)量多、施工速度慢及施工質(zhì)量難以控制等特征。傳統(tǒng)的小型水工建筑物建設(shè)方式已無法滿足現(xiàn)代農(nóng)業(yè)發(fā)展和管理的需要，對其進(jìn)行以標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計、工廠化生產(chǎn)、裝配化施工和科學(xué)化管理為主要導(dǎo)向的農(nóng)田水利設(shè)施體系化建設(shè)具有重要價值。

從20世紀(jì)60年代至今，我國裝配式水工建筑建設(shè)發(fā)展大約可分為4個階段。第一階段為萌芽階段，主要在60年代中后期，預(yù)制裝配式的內(nèi)容主要為圓涵管、圓弧拱和梯形梁板；第二階段為試點(diǎn)階段，主要在70年代至80年代初，預(yù)制裝配式技術(shù)的主要應(yīng)用為田間洞首、排水盲溝和人便橋等（四首、三橋）；第三階段為規(guī)模示范區(qū)階段，預(yù)制裝配式技術(shù)的主要內(nèi)容有斗渠首、田間進(jìn)排首、隔水渠首和生產(chǎn)橋等（六首、兩橋）；第四階段為推廣發(fā)展階段，預(yù)制裝配式技術(shù)的主要內(nèi)容有自流灌排區(qū)、提水灌排區(qū)、交通類和量水類（三區(qū)、四類）等［2］。盡管我國的裝配式水工建筑體系建設(shè)取得了一定成果，但主要集中于田間工程和部分管、梁、拱、板等結(jié)構(gòu)，水工裝配化體系仍有待突破。

目前，我國小型水工建筑物也在持續(xù)推廣裝配化建設(shè)，盡管單個項目體量不大，但由于涉及水利水文、巖土結(jié)構(gòu)、工程地質(zhì)、建筑材料、水利工程施工等諸多領(lǐng)域，水工結(jié)構(gòu)的拆分裝配設(shè)計具有一定特殊性。傳統(tǒng)的裝配化拆分設(shè)計普遍存在以下不足：①模數(shù)不統(tǒng)一，無系列化預(yù)制構(gòu)件；②以現(xiàn)場預(yù)制為主，沒有實(shí)現(xiàn)預(yù)制構(gòu)件加工工廠化，構(gòu)件質(zhì)量難以控制。因此，有必要對小型水工建筑物的模數(shù)設(shè)計及拆分裝配進(jìn)行研究和探討。

1 小型水工建筑物構(gòu)件模數(shù)設(shè)計

小型水工建筑物裝配化的核心是構(gòu)件設(shè)計和工業(yè)化生產(chǎn)，需建立一套具有適應(yīng)性的構(gòu)件模數(shù)以及模數(shù)協(xié)調(diào)原則，模數(shù)化是建筑設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)化的必由之路。設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)化要求對建筑物進(jìn)行構(gòu)件深化設(shè)計，優(yōu)化各功能模塊的尺寸和種類，使部品構(gòu)件實(shí)現(xiàn)通用性和互換性，以保證建設(shè)過程中，在功能、質(zhì)量、技術(shù)和經(jīng)濟(jì)等方面獲得最優(yōu)的方案，促進(jìn)建造方式從粗放型向集約型轉(zhuǎn)變。

建筑模數(shù)指在建筑設(shè)計中選定的標(biāo)準(zhǔn)尺寸單位，它是建筑設(shè)計、建筑施工、建筑材料與制品、建筑設(shè)備、建筑組合件等各個部門進(jìn)行尺度協(xié)調(diào)的基礎(chǔ)。我國采用的基本模數(shù)為100 mm，同時由于建筑設(shè)計中建筑部位、構(gòu)件尺寸、構(gòu)造節(jié)點(diǎn)以及斷面、縫隙等尺寸的不同要求，還分別采用分模數(shù)和擴(kuò)大模數(shù)。

小型水工建筑物主要包含泵站、涵洞、涵閘、渡槽、擋墻、水渠等（圖1），其主要功能是滿足農(nóng)業(yè)灌溉排水需求，故小型水工建筑物構(gòu)件模數(shù)化設(shè)計的基本原則應(yīng)在傳統(tǒng)建筑基本模數(shù)的基礎(chǔ)上結(jié)合流量、擋土高度等因素，特別是要針對不同功能的建筑物進(jìn)行擬定，如表1所示。

圖1 小型水工建筑物典型樣式

表1 小型水工建筑物設(shè)計模數(shù)建議

2 小型水工建筑物拆分裝配

實(shí)現(xiàn)小型水工建筑物設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)化的具體表現(xiàn)形式為預(yù)制構(gòu)件，因此，如何對組成水工建筑物的預(yù)制構(gòu)件進(jìn)行科學(xué)拆分成為裝配化技術(shù)的關(guān)鍵，它能對建筑物使用功能、平立面形狀、結(jié)構(gòu)受力狀況、預(yù)制構(gòu)件承載能力、工程造價等均產(chǎn)生影響，拆分方式要力求科學(xué)、合理、經(jīng)濟(jì)、可行。

預(yù)制構(gòu)件的拆分優(yōu)化基于多方面因素：建筑功能性和藝術(shù)性、結(jié)構(gòu)合理性、制作運(yùn)輸安裝環(huán)節(jié)的可行性和便利性等［3］。拆分不僅是技術(shù)工作，也包含對約束條件的調(diào)查和經(jīng)濟(jì)分析。拆分應(yīng)當(dāng)由建筑、結(jié)構(gòu)、預(yù)算、工廠、運(yùn)輸和安裝各個環(huán)節(jié)技術(shù)人員協(xié)作完成。

構(gòu)件拆分裝配的基本依據(jù)是構(gòu)件結(jié)構(gòu)功能。根據(jù)功能與受力的不同，構(gòu)件主要分為豎向構(gòu)件、水平構(gòu)件及非受力構(gòu)件。豎向構(gòu)件主要是預(yù)制墻體，水平構(gòu)件主要包括預(yù)制板。預(yù)制構(gòu)件根據(jù)外形可以分為線型構(gòu)件、板式構(gòu)件、L型構(gòu)件、箱型構(gòu)件及異形構(gòu)件等。線形構(gòu)件主要以預(yù)制柱和預(yù)制梁為主，板式構(gòu)件多為平板式水平構(gòu)件，L型構(gòu)件以L型擋土墻為主，箱型構(gòu)件則主要以方涵為主。

小型水工建筑物進(jìn)行拆分裝配時，主要考慮以下7個因素：

（1）受力合理。保證結(jié)構(gòu)傳力路徑的完整性是進(jìn)行拆分設(shè)計的前提，拆分的部位要能夠等效傳遞設(shè)計內(nèi)力，同時連接節(jié)點(diǎn)需有不低于構(gòu)件本身的可靠性，做到“強(qiáng)節(jié)點(diǎn)弱構(gòu)件”。要保證預(yù)制構(gòu)件自身受力的合理性和連接成結(jié)構(gòu)整體的受力合理性。

（2）拆分要注意避開應(yīng)力集中部位和結(jié)構(gòu)受力較大的部位。以預(yù)制L形擋土墻為例，其受力最大位置一般在側(cè)墻底部，若拆分節(jié)點(diǎn)位于側(cè)墻底部而不采取其他的加強(qiáng)措施，則該部位受力容易出現(xiàn)隱患?？煽紤]在墻背和底板部位加腋角，將節(jié)點(diǎn)位置適當(dāng)上移，從而保證節(jié)點(diǎn)強(qiáng)度。

（3）要滿足制作、運(yùn)輸和吊裝的要求。合理的拆分需使得構(gòu)件的外形尺寸、表觀質(zhì)量、脫模及養(yǎng)護(hù)等各方面均能達(dá)到要求，構(gòu)件的生產(chǎn)制作需要有足夠的可控度。另外，拆分后的預(yù)制構(gòu)件也要能夠滿足當(dāng)?shù)氐缆返南迣?、限高、限重等運(yùn)輸要求。同時，也要考慮施工現(xiàn)場的環(huán)境、吊裝機(jī)械設(shè)備的能力、施工現(xiàn)場作業(yè)空間等問題，這在小型水工建筑物中尤為明顯。項目的運(yùn)輸路線一般較為偏僻和狹窄，大型運(yùn)輸車輛及吊裝機(jī)械無法進(jìn)入現(xiàn)場時，需嚴(yán)格限制單體構(gòu)件的質(zhì)量，一般控制小型單體構(gòu)件質(zhì)量不宜超過5 t。

（4）預(yù)制構(gòu)件配筋構(gòu)造的要求。為實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)功能需求，以及保證生產(chǎn)和運(yùn)輸?shù)拳h(huán)節(jié)的順利進(jìn)行，預(yù)制構(gòu)件內(nèi)常會埋設(shè)結(jié)部分管線、構(gòu)造鋼筋、埋配件等，拆分設(shè)計時必須考慮這類材料的合理安裝。

（5）連接和安裝施工的要求。連接和安裝施工是實(shí)現(xiàn)預(yù)制構(gòu)件組裝成結(jié)構(gòu)整體并協(xié)同工作的必要環(huán)節(jié)，合理的拆分方案，應(yīng)在能滿足結(jié)構(gòu)功能的同時，也能方便施工，簡化現(xiàn)場的施工難度是提高結(jié)構(gòu)安全可靠性的重要舉措。此外，與地上構(gòu)筑物不同，小型水工建筑物除了滿足一般結(jié)構(gòu)受力需求之外，對防滲止水有更高的要求，拆分設(shè)計應(yīng)能有效處理構(gòu)件與構(gòu)件之間的防滲。

（6）具有分類化和典型化。小型水工建筑物的拆分不能脫離當(dāng)?shù)氐牡匦螚l件和生產(chǎn)需求，比如丘陵、平原、圩洼等不同地形的拆分重點(diǎn)有所差異，應(yīng)分門別類并做好典型化設(shè)計。

（7）預(yù)制構(gòu)件標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計的要求。預(yù)制構(gòu)件的標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計應(yīng)通過多方面的考慮，最終達(dá)到“少規(guī)格、多組合”［4］的目的?！吧僖?guī)格”指的是，減少預(yù)制構(gòu)件的模具種類，降低模具成本也就是降低工程項目的成本，減小或降低預(yù)制構(gòu)件的尺寸及規(guī)格，同時能簡化現(xiàn)場安裝的復(fù)雜程度，加快安裝施工進(jìn)度?！岸嘟M合”指的是，根據(jù)項目、結(jié)構(gòu)、安裝運(yùn)輸?shù)确矫娴木C合考慮，化整為零，以多個標(biāo)準(zhǔn)化構(gòu)件，通過不同組合形式達(dá)到預(yù)制構(gòu)件拼裝成整體結(jié)構(gòu)的目的。

拆分工作主要包括：①確定現(xiàn)澆與預(yù)制的范圍、邊界；②確定結(jié)構(gòu)構(gòu)件在哪個部位拆分；③確定后澆區(qū)與預(yù)制構(gòu)件之間的關(guān)系，包括相關(guān)預(yù)制構(gòu)件的關(guān)系；④確定構(gòu)件之間的拆分位置，尤其是分縫部位。

3 結(jié)論

本文針對小型水工建筑物的結(jié)構(gòu)及功能特點(diǎn)，提出了適用于不同類型水工構(gòu)件的模數(shù)建議方案，并從結(jié)構(gòu)功能、受力、生產(chǎn)、運(yùn)輸、施工、連接處理和地形特點(diǎn)等方面，分析了此類預(yù)制構(gòu)件實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計而必須考慮的要素，指出“少規(guī)格、多組合”是拆分設(shè)計的最終目的，對國內(nèi)小型水工建筑物的裝配化生產(chǎn)具有一定的借鑒和指導(dǎo)意義。