基于BIM的污水處理廠異型二次結構施工技術研究

婁中華 拓峰鵬 靳壯壯.

1.中鐵五局集團建筑工程有限責任公司 貴州 貴陽 550081

2.貴州大學機械工程學院 貴州 貴陽 550025

0 引言

BIM技術集成了項目建設生命周期中所有相關詳細信息，可為施工建設提供直觀展示，已廣泛應用于復雜建筑結構領域，可以顯著的提高施工質量和施工效率，縮短工期，大大降低成本[1]。

污水處理作為市政工程中的重要組成部分，施工過程涉及多個單體，包含復雜的異性二次結構、管道、設備安裝等工程[2-4]。由于污水處理廠中的異型二次結構尺寸多變形狀各異，精度要求高，施工難度極大，再加上施工人員對圖紙的理解存在偏差導致施工錯誤或遺漏，嚴重影響施工質量。為保證異型二次結構具有更好的施工效果，需對模板進行選型和受力驗算，使模板產生最小的應力和變形量，保證模板具有足夠的強度，避免應力集中[5-8]。

本文以清鎮市東門河三年變清水環境綜合項目一期工程，包括娃娃橋污水處理廠為例，針對異型二次結構施工存在的問題，提出了異型二次結構施工關鍵技術及工藝，同時，為驗證鋼結構模板的強度，對該結構進行有限元靜應力數值模擬計算。

1 工程概況

清鎮市東門河三年變清水環境綜合項目一期工程，包括娃娃橋污水處理廠，日處理污水2萬噸、爭旗沖污水處理，日處理污水1萬噸廠，污水處理工藝為FBBR生化池+高效沉淀池+活性砂濾池工藝為主體的三級生化處理工藝。

圖1 高效沉淀池三維模型Fig.1 three dimensional model of high efficiency sedimentation tank

本工程主要應用Revit進行結構專業、安裝專業模型建立及深化，利用SketchUp對異型二次結構進行單獨建模拆分組合指導施工[5]。這種將常規CAD二維圖紙信息轉化為三維模型避免了因理解的偏差造成錯誤導致問題擴大，顯著提高施工效率。

2 異型二次結構特點及BIM建模

2.1 異型二次結構特點 在污水處理廠土建施工中，在主體結構施工完畢達到工藝要求后，開始對復雜的異型結構進行二次混凝土澆筑。整個施工結構包含高效沉淀池中的球面二次結構、砂濾池中的多個椎體組合，結構復雜，施工難度極大。因此，需對關鍵承載部件進行受力分析，驗證結構強度，保證施工質量。

圖2 高效沉淀池、活性砂濾池二次結構模型Fig.2 secondary structure model of high efficiency sedimentation tank and active sand filter

2.2 異型二次結構建模 由于異型構建一次性施工難度較大，為了便于模板的組裝加固、拆模、混凝土澆筑施工，采用先拆分后組合的方式進行施工。本研究中將兩個砂濾池的共計12個正八邊形倒錐拆分為8個面進行放樣加固，沉淀池中的8個球面拆分為三個面再組合放樣施工。

本工程應用SU軟件進行異型二次結構的二次建模，由于FBBR污水處理工藝中對二次結構精度要求極高且避免施工過程中對圖紙理解差異導致返工，建模過程中充分理解工藝原理及設計意圖將二次結構拆分為若干單元，保證砂濾池中的倒八角錐在標高尺寸以及預埋件位置精準，將沉淀池中的球面設計為矩形體與球體的組合體，保證在刮泥機的作用下不堆積污泥，其結構如圖3所示。

圖3 a.砂濾池倒八角錐模型 b.沉淀池球面二次結構模型Fig.3 a.inverted octagonal cone model of sand filter b.secondary structure model of ball surface of sedimentation tank

3 異型二次結構施工關鍵技術及工藝

3.1 異型構件施工技術要點

(1)異型構件分析、模板選用及加固方式的選取。施工過程中必須保證異型構建放樣精確、施工精度高，工藝誤差控制在±2mm以內，否者不利于后期水處理工藝。此外，由于池體深度達6m，池壁光滑，池底幾乎全部為需施工的異型結構，僅剩余約0.01m2的空間，模板加固無著力點，因此需選用模具加工需要專業廠家制作的碳鋼模具，并安裝高強度化學螺栓來固定，防止因模板底部小、上部大使模板與混凝土接觸面積增大而產生鋼模容易上浮，造成施工質量事故。最后，正八邊形倒錐施工完成后，再進行三角錐安裝施工。由于其體積較小，可先進行預制，待達到設計強度后，再進行安裝。

(2)建立模板加固體系。對拆分后的底部正八邊形倒錐加固體系進行建模，用M24*300化學螺栓進行底部固定，碳鋼模具為正八邊形倒錐，邊長1000mm，高度1850mm，利用預埋件加固，鋼管做斜撐，間距1m，如圖4所示。

圖4 a.碳鋼鋼模平面圖 b.碳鋼鋼模立面圖Fig.4 a.plan of carbon steel form work b.elevation of carbon steel form work

(3)受力驗算。由于混凝土澆筑與已建成的構筑物中，剛度、強度、穩定性均應能滿足要求，存在的問題是鋼模自身的穩定和混凝土澆筑時帶來的浮力會托舉鋼模。根據《建筑結構荷載規范》GB50009-2012、《建筑施工模板安全技術規范》JGJ162-2008，《組合鋼模板技術規范》(GBJ214)，單個鋼模排水體積為：

公式中a=1m，高度h=1.8m，可計算出排水體積v=2.897m3

混凝土向上浮力：

由鋼模的重力G=mg，此處m=2000kg，可計算出需要增加的配重重力為：

由上式可計算出需要增加加載質量為4.98t，按照1.2倍系數進行加載為6t。為保證均勻受力，設置砂箱長度按照單個碳鋼鋼模長度2.44*2.44*1m。此計算過程，未考慮底部化學螺栓拉力，鋼管斜撐的作用，用臂架泵進行澆筑，未考慮傾倒混凝土對模板產生的側壓力，在施工過程中切忌集中澆筑，需要對稱均勻布料。

3.2 整體施工工藝及技術要點 污水處理廠異型二次結構施工的基本工藝流程為：測量定位——化學螺栓安裝——安裝錐斗模板——澆筑混凝土——拆模清理池底建筑垃圾，下面將詳細闡述各工藝的技術要點。

(1)測量定位

a.根據工藝設計施工圖計算出鉆孔位置坐標；

b.現場放線，圖5a所示；

c.與現場實際情況對比，校核鉆孔位置圖5b所示。

圖5 a.定位放線b.鉆孔Fig.5a.positioning and setting out b.drilling

鉆孔完成后，對孔洞進行吹掃干凈，然后注入高強度化學螺栓藥劑，藥劑的成分為反應樹脂、固化劑和石英顆粒(玻璃瓶裝)。注入藥劑后，立即將化學螺栓插入鉆孔內，待硬化后再進行下一步工序，裝藥的過程中要注意人身安全保護，防止藥劑濺到身上。注意控制化學螺栓安裝垂直度，確保后續鋼模安裝精度。

藥劑反應的快慢隨溫度的升高而加快，氣溫較低，藥劑反應時間會延長，延誤施工。藥劑反應時間一般為2h，施工過程中可通過在藥劑中加入適量保溫劑來縮短反應時間。藥劑在反應規定時間后，檢查化學螺栓的穩固程度，垂直度。待化學螺栓固定后才可進行下一步工序。反之，則進行整改，直至符合要求為止。

(2)化學螺栓安裝。采用沖擊鉆鉆孔，技術參數為：

鉆孔直徑D=32mm；鉆孔深度h=200mm；

底盤抵抗線W=20cm；化學螺栓型號為M24*300mm。

化學螺栓固定后，先進行底部墊圈安裝，同時對底錐模板混凝土接觸面涂裝脫模劑，然后通過50t吊車吊裝模具至池內進行安裝。待底錐模板安裝完成后，進行模板頂面調平，使得模板在同一標高位置，同時復核模板平面位置及標高，平面位置控制在±5mm以內，誤差控制在-5mm至0mm以內，嚴禁超出設計標高，寧低勿高，如圖6所示。

圖6 a.化學螺栓固定 b.調平Fig.6 a.Chemical bolt fixation b.leveling

(3)安裝錐斗模板

a.底部化學螺栓固定，提供向下的拉力。

b.二次結構模板加固時，無支撐點。考慮在主體結構施工時，池壁上設置預埋件作為受力支撐點進行加固，用φ48*5mm鋼管進行支撐加固。

c.通過受力計算，分析模板浮力，鋼管支撐能抵消的浮力，鋼模上方通過堆載砂箱，增加垂直向下的受力，防止模板上浮，安裝現場如圖7所示。

圖7 A.模板吊裝 B.模板加固Fig.7 a.form work hoisting b.form work reinforcement

(4)底錐混凝土澆筑。在模板加固完成后，進行底錐混凝土澆筑。混凝土等級為C30，48m汽車泵澆筑，混凝土澆筑時，控制模板兩側對稱實現勻速分層澆筑，測量監控點與混凝土的澆筑同時進行，減小施工荷載。切忌每個位置集中放料，隨時檢查混凝土澆筑過程中模板是否出現位移，若遇模板上浮或位移，必須停止施工，檢查情況，糾正后方能繼續施工。

圖8 混凝土澆筑Fig.8 concrete pouring

4 異型二次結構關鍵部件數值模擬

砂濾池椎體結構作為污水處理廠整體結構的關鍵部件，控制碳鋼模板整體變形量可保證較高的施工質量，使砂濾池椎體更光滑、裂縫紋理更小。根據施工要求，用高強度化學螺栓固定碳鋼模板。為保證在灌漿過程中砂濾池椎體結構的整體強度，使其在施工過程中不易損壞，本文采用有限元數值模擬方法模擬灌漿過程至鋼模板拆除整個階段碳鋼模板的整體變形和應力情況，為實際施工提供理論指導。

4.1 有限元建模 將建立的碳鋼模模型導入有限元軟件ANSYS中，對八角錐碳鋼模板采用自動網格劃分，網格尺寸為1mm，網格劃分時忽略部分倒角、圓角和螺栓等對分析結構影響較小的非承載連接件，模型劃分為87508個節點，49577個單元，網格平均質量為0.84，表明網格劃分質量較好。將底部螺栓處選擇為固定約束，根據實際情況，八角錐碳鋼模板受到混凝土施加的橫向均布載荷10k N，載荷及約束情況如圖9所示。

圖9 施加約束及載荷情況Fig.9 Constraints and Loads

4.2 結果及分析 在添加的約束及載荷下，對碳鋼模板進行有彈性應變及靜應力分析，其結果如圖10所示。

圖10 碳鋼模板彈性應變及靜應力分析結果Fig.10 Elastic strain and static stress analysis results of carbon steel template

由圖10可知，碳鋼模板的最大彈性應變為1.3297×10-5mm，彈性應變位置主要集中在開口部位，最大應力δmax=2.5735MPa，最大變形量δmax=0.0656MPa，應力和應變集中區域均分布在鋼板開口位置處。根據機架所選用材料屈服強度為235MPa，由材料力學第四強度理論(式4)可判定鋼模板結構是否滿足強度要求，由式(5)可得其許用應力[9-10]。

式中：δ1、δ2、δ3分別為鋼模板受到的3個法向的應力；[δ]為材料許用應力；[δS]為材料Q235的極限屈服強度，其值為235MPa；nS為材料安全系數，一般靜載下，對于塑性材料可取nS=1.5～2.0，本文取nS=2。

由式(4)和式(5)計算可得，[δ]=117.5MPa，

而δmax=2.5735MPa＜[δ]=130.56MPa，鋼模板受到的最大應力均小于鋼結構的許用應力，且整個鋼模板結構的變形量也較小，由此可以看出鋼模板具有很好的結構強度，對于分析中應變和變形量產生于鋼模板開口處，可通過在開口處增加支撐結構而減小應變和變形量發生。

5 施工效果

在混凝土強度達到設計要求后，進行底錐模板的拆除。模板拆除時，先進行螺栓的拆除，人工配合汽車吊拆除底錐模具，模具拆除后，再拆除墊圈。根據規范對混凝土進行養護，其綜合效果如圖11所示。

圖11 鋼模拆除后外觀效果Fig.11 appearance effect of steel form work after removal

6 結論

由于污水處理工藝及后續安裝施工原因，市政污水處理廠二次具有結構復雜、施工標準高、難度大的特點，造成許多二次結構達不到工藝要求而導致返工，增加了成本投入，影響工期。本文針對異型二次結構施工存在的問題，提出了異型二次結構施工關鍵技術及工藝，同時，為驗證鋼結構模板的強度，對該結構進行有限元靜應力數值模擬計算，得出的主要結論如下：

(1)通過采用BIM技術對污水處理廠中的異型二次結構進行建模，將二維圖紙轉化為三維立體模型，并對二次結構形狀特點進行分析，將難以一次成型的異型構件進行拆分組合，找到合適的施工方式，準確確定空間幾何位置。

(2)通過對異型二次結構進行分析，提出了采用碳鋼模板+化學螺栓固定和利用預埋件加固，鋼管做斜撐的異型模板施工方法，并進行異型構件中由于鋼模自身受到浮力而影響其穩定和混凝土澆筑性能進行受力驗算。

(3)提出了污水處理廠異型二次結構的施工工藝，并詳細闡述各工藝的技術要點。

(4)對砂濾池椎體結構碳鋼模板結構進行有限元數值模擬計算，得出鋼結構模板的最大變形量為0.0655mm，最大應力為2.7535MPa，鋼模板受到的最大應力均小于鋼結構的許用應力，且整個鋼模板結構的變形量也較小，鋼模板具有很好的結構強度，完全滿足施工要求。