預制拼裝閥門井在泵站改造工程中的應用

汪洪濤

（上海城投水務工程項目管理有限公司，上海市 200002）

預制拼裝閥門井在泵站改造工程中的應用

汪洪濤

（上海城投水務工程項目管理有限公司，上海市 200002）

針對泵站改造工程中地下構筑物多、管線復雜、工期緊等情況，通過有限元分析后在關鍵節點防汛閥門井上成功應用預制拼裝鋼筋混凝土結構，在提高施工質量的基礎上大大縮短了工期，同時建立了BIM模型并利用模型進行了經濟分析等深度應用，為預制拼裝的推廣和BIM模型的深度應用積累了寶貴經驗。

泵站改造；預制拼裝；閥門井；BIM深度應用

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，建設規模為日供應原水460萬m3，建成后將極大地提高上海市原水的供水安全性，并為應急情況下黃浦江上游與青草沙兩大水源地互聯互通、互為備用創造條件。該工程系統復雜、工期緊張、施工條件差，工程由上海市政工程總院以EPC總承包方式實施。

該工程中的泵站東南側緊鄰黃浦江上游某工地，該標段的車輛和人員進出均通過東西向臨時道路橫穿該工程施工場地。同時，該工程東南側地下管線數量多、管徑大、埋深深，還有個關鍵工作——防汛閥門井（4 450×4 450×4 250深）處在臨時道路上。閥門井南側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連通通水的計劃要求，減少對臨近工地的影響，水投項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冬季施工措施，基坑開挖、墊層、支模、澆筑養護等至少2周時間才能回填基坑，嚴重影響計劃工期。同時，閥門井外邊與南側黃浦江防汛墻僅11 m，如開挖后每天黃浦江漲潮時都會有水返流至基坑內，更有流沙、管涌的危險，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，如何在保證質量的前提下用更短的時間完成該閥門井施工，就是擺在項管公司面前必須解決的難題。

2 預制拼裝閥門井設計和施工

鑒于上述實際情況，項目管理公司提前與EPC總包單位進行溝通協商，充分發揮EPC總承包的優勢，及時組織方案比選和設計優化。經綜合研究，創造性提出采用預制拼裝閥門井，通過有限元分析保證閥門井的質量和安全，并應用BIM模型對用料分析以及正向分析都進行了深度探索。實踐證明，預制閥門井安全可靠，防水性能優良，同時現場施工工期大大縮短，具有推廣的價值。

2.1 預制拼裝閥門井設計

2.1.1 預制拼裝閥門井設計方法

工程所在地抗震設防烈度7度，基本地震加速度0.1 g，設計地震分組為第一組。根據巖土工程勘察報告，防汛閥門井持力層為灰色黏土層，地下水及土堆混凝土結構具微腐蝕性。設計抗浮水位取地面設計標高下0.5 m，閥門井埋深3.85 m。閥門井混凝土強度等級C35，抗滲等級P6，混凝土后澆部分采用C40補償收縮混凝土，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、豎壁均采用工廠預制，其中底板四周、豎壁下端均預留插筋，以便施工現場定位完畢后現澆，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（見圖6～圖12）：施工過程中臨時固定把豎壁與底板、豎壁與豎壁間作為鉸接節點考慮；正常使用狀態豎壁與底板整澆固結后把豎壁與底板作為固結、豎壁與豎壁間滿焊后作為固結節點考慮。通過計算，無論是鉸接還是固結狀態計算，其壁板與底板的應力與變形均滿足規范要求。

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 鉸接狀態受力彎矩圖

圖8 鉸接狀態應力圖

2.1.2 基于BIM技術的參數化設計理念及推廣

建筑信息模型（Building Information Modeling，簡稱BIM）技術是在計算機輔助設計（CAD）等技術基礎上發展起來的多維建筑模型信息集成管理技術，是促進綠色建筑發展、提高建筑產業信息化水平、推進智慧城市建設和實現建筑業轉型升級的基礎性與革命性技術。BIM技術具備可視化、虛擬化、成本控制等優勢，極大提升工程決策、設計、施工的管理水平。

圖9 鉸接狀態變形圖

圖10 固接狀態受力彎矩圖

圖11 固接狀態應力圖

圖12 固接狀態變形圖

模型精細度（LOD，Level of Detail）確定是 BIM設計過程中的難點，圍繞BIM技術實施目標確定合適的模型精細度對BIM設計具有十分重要的意義。該工程BIM實施擬通過參數化、快速設計的方法評估單體的受力狀態，并統計工程量為單體經濟性提供決策依據。根據上述實施目標，確定以下BIM模型實施原則：

（1）模型應準確表達閥門井的總體尺寸、壁厚；

（2）鑒于后澆帶占總體積比例不大，對經濟性影響不大，模型可不包含后澆帶具體設計細節，廠商可根據設計院提供的詳圖對預制閥門井進行深化；

（3）BIM模型應具備參數化變化能力及工程量統計能力（見圖13）；

圖13 典型混凝土用量統計表

（4）BIM模型應能用于結構計算。

該工程BIM實施采用Autodesk Revit軟件，通過參考平面對幾何形體進行“綁定”，從而達到參數化設計的目的。同時，在Revit Structure中（見圖14）進行結構荷載施加后，通過 Revit插件Structural Analysis Toolkit將模型導入到Robot Structural Analysis Professional進行結構計算。在Robot中可根據結構計算（見圖15）調整優化設計模型，并將調整優化結果反饋到BIM模型中，流程如圖16所示。

上述BIM模型與設計模式可進行產品的快速設計與決策，并能成功應用到其他類似項目中。

圖14 Revit Structure分析模型

圖15 利用Revit Structure模型進行結構分析的彎矩分布

圖16 基于BIM技術的優化設計流程

2.2 預制拼裝閥門井施工

因施工現場場地狹小，閥門井施工期又處在冬期施工，為保證施工質量和進度，閥門井的底板、豎壁均采用工廠預制成型后運至施工現場進行拼裝。與預制廠事先就設計圖紙、工藝預埋管道位置、拼接節點卡槽與角鋼大樣、運輸方案、時間節點等事先做充分的溝通，并可利用BIM技術對預埋件、工作管道、閥門等位置做三維檢查，確保每個環節都無問題。在預制過程中，項目管理公司、設計院、施工單位等技術人員多次深入預制廠檢查構件尺寸、鋼筋布置、預埋件位置、節點大樣、成品質量。在構件運至現場拼裝時，預制廠技術人員與施工單位進行構件吊裝、定位、組焊、局部整澆等全過程配合。

經項目管理公司多方協調，按照基坑開挖→底板就位→豎壁定位→貼防水條→豎壁拼裝→節點整澆→基坑回填的施工順序，閥門井基坑于2017年3月11日晚開挖完畢并驗收合格，預制拼裝構件于3月12日早上7點運至施工現場，經單體驗收及按審批核準的吊裝方案做安全技術交底后，施工單位8點開始起吊拼裝（見圖17），經過各專業配合，晚上19點完成拼裝（見圖18）。

圖17 預制構件現場吊裝

圖18 預制構件完成拼裝

事實證明，經過精心組織，采用預制拼裝大大節省了施工時間，減少了臨時通道的占用時間，基本上對鄰近工地施工現場無影響，滿足了各方的進度要求，成品質量經檢測也完全符合設計圖紙、相關規范規程要求。預制拼裝與現場現澆對比見表1。

表1 預制拼裝與現場現澆對比

3 經濟分析

根據施工圖預算，防汛閥門井采用現澆鋼筋混凝土結構造價約7萬元，采用預制拼裝結構造價約8萬元。預制拼裝造價稍高的主要原因就是因防汛閥門井是單體，沒有達到規?；瘧?，模具造價就有約1萬元，模具利用率低、攤銷大，如閥門井大規模采用預制拼裝結構可顯著降低成本。

從工期上分析，防汛閥門井是關鍵節點工程，采用現澆混凝土結構現場工期需要15 d（含基坑開挖），采用預制拼裝現場工期僅需要2 d（含基坑開挖），可以節約13 d。同時，可以大大減少基坑開敞時間，減少風險因素，綜合經濟效益、環境效益十分明顯。

4 結語

閥門井僅是泵站改造中一個很小的單體，但因該工程的特殊性給了我們一次很好的應用預制拼裝結構的機會，經實踐驗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制拼裝可大大攤銷預制拼裝模具的成本，從而提高預制拼裝的性價比。通過這次成功實例，說明在給排水項目中大力推行預制拼裝是完全可行的。同時，通過對預制拼裝的拓展，如圍墻采用預制拼裝可以做到永臨結合，對地下構筑物墻板也可采用通用尺寸進行預制拼裝；圍墻或墻板等預制構件還可以作為臨建或臨時施工道路硬化或保護使用；大批采用工廠預制拼裝可以提高施工場地的利用率，保證單體的施工質量。

綜上，預制拼裝結構可以在類似給排水工程中有更廣泛的應用空間。

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，項目經理，高級工程師，從事給排水工程建設管理工作。

圖1 防汛閥門井平面布置

圖2 預制拼裝平面布置（單位：mm）

圖3 預制底板（單位：mm）

圖4 閥門井1-1剖面（單位：mm）