烏東德水電站K25溶洞集控樓建筑創(chuàng)新設(shè)計(jì)

倪 愛(ài) 民，周 自 清，李 麗 君

(長(zhǎng)江勘測(cè)規(guī)劃設(shè)計(jì)研究有限責(zé)任公司，湖北 武漢 430010)

烏東德水電站是金沙江下游河段(攀枝花市至宜賓市)4個(gè)水電梯級(jí)中的最上游一個(gè)梯級(jí)[1]。工程為Ⅰ等大(1) 型工程，樞紐工程主體建筑物由擋水建筑物、泄水建筑物、引水發(fā)電建筑物等組成[2]。壩址位于干熱河谷地區(qū)，兩岸峽谷陡峻，基巖裸露，巖質(zhì)堅(jiān)硬。緊鄰大壩右壩肩處存在一個(gè)天然巖溶斜井——K25溶洞[3]。該溶洞有“形態(tài)不規(guī)則、大跨度、高邊墻、小夾角”的工程特點(diǎn)[4]。可研階段，擬將大壩集控樓布置在右壩肩988 m平臺(tái)下游側(cè)。

實(shí)施階段，為減少原本狹小的右壩肩施工場(chǎng)地占用和干擾，加快大壩混凝土澆筑施工進(jìn)度，設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)因地制宜，結(jié)合K25溶洞混凝土回填，創(chuàng)造性地提出了將集控樓調(diào)整到K25溶洞的布置方案。通過(guò)設(shè)計(jì)創(chuàng)新，運(yùn)用BIM三維協(xié)同設(shè)計(jì)，在有限空間里，完善了集控樓的功能布置，解決了消防安全疏散、管線綜合、溶洞空間環(huán)境等技術(shù)難題。新穎的“飛流”建筑形體，成為了烏東德水電站壩區(qū)一道美麗的風(fēng)景。

1 設(shè)計(jì)起源

烏東德水電站壩址緊鄰大壩右壩肩處的天然巖溶斜井——K25溶洞(見(jiàn)圖1)，為順層發(fā)育的死亡型巖溶斜井，自上而下向坡外發(fā)育、規(guī)模逐漸減小，在高程910～890 m呈規(guī)模較大的斜井狀[5]。

圖1 K25溶洞區(qū)位關(guān)系示意Fig.1 Location relation map of K25 Karst cave

對(duì)K25巖溶斜井，主要采取開(kāi)挖斜井內(nèi)充填物、回填混凝土的方式進(jìn)行處理。斜井內(nèi)充填物開(kāi)挖前，對(duì)穹頂部位進(jìn)行了修型、錨固處理，以防止下部充填物開(kāi)挖時(shí)頂部掉塊[6]。對(duì)穹頂以下部位，采取隨層開(kāi)挖、隨層支護(hù)方式，對(duì)洞壁溶蝕巖體進(jìn)行固結(jié)灌漿，以確保施工期安全及運(yùn)行期右壩肩抗力巖體狀態(tài)良好。在治理K25巖溶斜井過(guò)程中，分層布置了若干施工支洞。

烏東德水電站壩頂及左右岸壩肩高程為988 m，右壩肩平臺(tái)為上壩交通及施工期大壩混凝土澆筑的卸料平臺(tái)，平臺(tái)寬為20～27 m，建設(shè)完設(shè)備用房后，場(chǎng)地凈寬約為12 m；10-1～10-2洞口之間長(zhǎng)約120 m，10-2洞口至下游邊坡馬道長(zhǎng)約53 m，為不規(guī)則場(chǎng)地。可研階段，大壩集控樓布置在右壩肩988 m平臺(tái)下游側(cè)。

實(shí)施階段，為了減少對(duì)原本狹小的右壩肩施工場(chǎng)地的占用和干擾，加快大壩混凝土澆筑施工進(jìn)度，設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)因地制宜，結(jié)合K25溶洞混凝土回填，創(chuàng)造性地提出將集控樓調(diào)整到K25溶洞內(nèi)的布置方案。

2 空間利用

基于大壩主體水工結(jié)構(gòu)受力及安全需要，K25溶洞下部采用混凝土回填，至標(biāo)高988 m處與大壩壩頂齊平。溶洞內(nèi)部形成一個(gè)長(zhǎng)為62.8 m、寬為32 m、最高點(diǎn)達(dá)24.8 m的空間，單層可建設(shè)面積約為1 100 m2。經(jīng)過(guò)充分研究和論證，最終確定利用K25溶洞988 m高程以下11 m的混凝土回填空間和988 m高程以上空間來(lái)建設(shè)大壩集控樓。由于左、右岸電站均為地下廠房，主變洞內(nèi)副廠房的中控室等室內(nèi)運(yùn)維環(huán)境相對(duì)較差，實(shí)施過(guò)程中，將原設(shè)計(jì)的單一大壩集控功能調(diào)整為整個(gè)樞紐的集中控制中心。在標(biāo)高988 m以上擬建集控樓一層，利用混凝土回填空間來(lái)建設(shè)附屬設(shè)備用房，混凝土回填標(biāo)高最低控制在977 m以上(大壩正常蓄水位為975 m)，這樣就可建地下空間2～3層，減少了混凝土回填量約1萬(wàn)m3。

在壩頂988 m高程上下分布有3條施工支洞。右壩肩988 m高程連接的10-D為集控樓主要出入口；970 m高程連接的10-2施工支洞為第二安全疏散通道；1 006 m洞頂高程連接的10-1施工支洞，為中控室精密空調(diào)平臺(tái)及溶洞空間的排風(fēng)口，可以保證溶洞內(nèi)的自然通風(fēng)。K25溶洞集控樓空間關(guān)系如圖2～4所示。

圖2 集控樓平面示意Fig.2 Location relation map of centralized control building

圖3 集控樓縱剖面示意Fig.3 Vertical section of centralized control building

圖4 集控樓橫剖面示意Fig.4 Cross section of centralized control building

3 選址分析

3.1 同類工程對(duì)比

縱觀國(guó)內(nèi)外水電工程案例和參閱相關(guān)文獻(xiàn)資料，電站廠房布置于地下山體的較為常見(jiàn)，但并無(wú)將集控樓設(shè)置于溶洞或地下山體的案例及研究。在烏東德水電站創(chuàng)新性地利用壩肩的天然溶洞來(lái)布置集控樓，尚屬國(guó)內(nèi)外水電站工程首例。

3.2 優(yōu) 勢(shì)

將集控樓建在K25溶洞內(nèi)具有以下優(yōu)點(diǎn)：

(1) 安全。可以規(guī)避落石危險(xiǎn)，防震、防水霧；半封閉的空間是天然的安全屏障，在安保、防護(hù)上具有優(yōu)勢(shì)。

(2) 集約。有利于大壩混凝土澆筑施工組織，減少右壩肩場(chǎng)地占用和施工干擾，加快主體施工進(jìn)度。

(3) 舒適。利用洞頂拔風(fēng)，增強(qiáng)空氣對(duì)流，改善干熱氣候，可以營(yíng)造舒適的內(nèi)部環(huán)境。

(4) 經(jīng)濟(jì)。利用K25溶洞空間，減少了混凝土回填，可以節(jié)約工程投資。

4 造型方案創(chuàng)作

水工建筑物的造型設(shè)計(jì)，需要融合美學(xué)、水工力學(xué)[7]。K25溶洞集控樓造型設(shè)計(jì)靈感來(lái)源于大壩開(kāi)閘泄洪時(shí)“水流飛泄”的自然形態(tài)，兼具靈動(dòng)與力量的美感。設(shè)計(jì)過(guò)程中，提取了大壩泄洪時(shí)的水流曲線形態(tài)來(lái)塑造集控樓建筑形體，柔美的流線造型與洞中巖壁肌理碰撞，又宛如一顆璀璨的洞中明珠，建筑造型方案的創(chuàng)作過(guò)程如圖5所示。建筑物內(nèi)部采用鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)，外部為鋼結(jié)構(gòu)鋁板玻璃幕墻。

圖5 建筑方案創(chuàng)作過(guò)程Fig.5 Creation process of architectural scheme

5 建筑設(shè)計(jì)

5.1 集控樓功能布局

K25溶洞集控樓是以中控室為中心布置各功能用房，標(biāo)高988 m以上為一層，以下為二層，局部為三層。一層為大廳、中控室、運(yùn)行后臺(tái)間、辦票室、消防控制室、通訊值班室等；負(fù)一層主要為輔助盤(pán)室、計(jì)算機(jī)室、工程師站、會(huì)議室、通訊設(shè)備間、氣體滅火氣瓶間、通風(fēng)機(jī)房、排煙機(jī)房等設(shè)備用房；負(fù)二層主要為配電室、UPS室、EPS室、蓄電池室、維修間等輔助設(shè)備用房；局部負(fù)三層為電纜室及電纜廊道。

建筑一層層高為4.8 m(局部為4.0 m)，負(fù)一層、負(fù)二層層高為4.0 m，局部負(fù)三層層高為3.0 m。室內(nèi)外高差0.1 m，緩坡過(guò)度。

5.2 建筑消防設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)過(guò)程中注重建筑消防設(shè)計(jì)，合理利用基地條件，控制建筑體量。主入口10-D預(yù)留洞口以滿足消防車(chē)道凈空的要求，集控樓周邊形成環(huán)形通道。建筑內(nèi)設(shè)2部樓梯以解決上下交通問(wèn)題，利用970 m高程連接10-2的施工支洞為第二安全疏散通道，以滿足消防疏散的要求。這樣的設(shè)計(jì)既考慮到了集控樓建筑室內(nèi)防排煙要求，又單獨(dú)設(shè)置溶洞內(nèi)集控樓室外空間的防排煙要求。

5.3 洞口一體化設(shè)計(jì)

主入口10-D為施工期預(yù)留的城門(mén)洞型施工洞，寬8 m、拱高約7.5 m、深約2.3 m。在有限的洞口空間內(nèi)，首先需要解決消防通道4 m×4 m的凈空要求，其次需要預(yù)留6 m2的新風(fēng)通道，再次還需預(yù)留進(jìn)出管線通道和檢修空間。建筑設(shè)計(jì)統(tǒng)籌協(xié)調(diào)，洞內(nèi)、洞外一體化設(shè)計(jì)，布置上先主后次、上下聯(lián)動(dòng)、左右兼顧。利用視覺(jué)分析，擴(kuò)大集控樓前空間場(chǎng)地，突顯集控樓“飛流”造型的視覺(jué)效果。

5.4 溶洞空間環(huán)境設(shè)計(jì)

溶洞內(nèi)集控樓室外地面采用毛面花崗巖石材鋪裝。集控樓前場(chǎng)地滲漏滴水點(diǎn)采用張拉膜裝飾防水：通過(guò)不規(guī)則張拉膜覆蓋頂棚空間，防止洞頂滲水滴落，張拉膜低處通過(guò)導(dǎo)管集中收集滲水，引排至洞壁邊緣截水溝，如圖6所示。

圖6 K25溶洞空間環(huán)境效果Fig.6 Space environment effect of K25 Karst cave

6 BIM三維設(shè)計(jì)運(yùn)用

對(duì)項(xiàng)目全過(guò)程采用三維協(xié)同設(shè)計(jì)[8]。設(shè)計(jì)過(guò)程中，將溶洞內(nèi)部地形實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)同步導(dǎo)入三維模型。充分結(jié)合地形，動(dòng)態(tài)調(diào)整建筑物高度和寬度，對(duì)局部突出的巖石進(jìn)行避讓，以避免建筑物與溶洞內(nèi)部局部山體碰撞。

在從概念方案向施工圖設(shè)計(jì)方案轉(zhuǎn)換的過(guò)程中，通過(guò)三維設(shè)計(jì)能更加準(zhǔn)確地還原概念方案“水流飛瀉”的造型，直觀反映三維參數(shù)變化帶來(lái)的建筑物形態(tài)調(diào)整。結(jié)合調(diào)整效果反向定位建筑物外輪廓曲線控制點(diǎn)坐標(biāo)，將抽象的造型有理化，從而為后期幕墻的二次設(shè)計(jì)與現(xiàn)場(chǎng)施工提供了較為精確的數(shù)據(jù)及參照。

由于k25集控樓中各專業(yè)管線繁多，相較于傳統(tǒng)的二維設(shè)計(jì)，BIM三維設(shè)計(jì)體現(xiàn)了協(xié)同性的優(yōu)勢(shì)，能夠直觀表達(dá)管線的走向，更好地避免專業(yè)間的碰撞沖突。設(shè)備專業(yè)進(jìn)行管線設(shè)計(jì)均基于建筑模型的開(kāi)展，將多專業(yè)的管線布置協(xié)同進(jìn)同一個(gè)三維模型。通過(guò)三維碰撞檢查，將大部分碰撞問(wèn)題在施工圖設(shè)計(jì)過(guò)程中予以解決，為后期施工節(jié)約了工期與成本[9](見(jiàn)圖7)。施工圖設(shè)計(jì)成果采用BIM三維正向出圖(見(jiàn)圖8)。

圖7 多專業(yè)協(xié)同設(shè)計(jì)Fig.7 Multi discipline collaborative design

圖8 BIM三維正向出圖Fig.8 BIM 3D forward plotting

7 室內(nèi)裝修設(shè)計(jì)

對(duì)于集控樓的室內(nèi)裝修設(shè)計(jì)，采用重點(diǎn)部位高檔裝修與一般部位中檔裝修相結(jié)合的標(biāo)準(zhǔn)。重點(diǎn)裝修部位為門(mén)廳(見(jiàn)圖9)、中控室(見(jiàn)圖10)以及會(huì)議室等，采用干掛石材(烤漆玻璃背景墻)、地面石材鋪裝、輕鋼龍骨整體式石膏板吊頂結(jié)合透光軟膜的裝修方案，簡(jiǎn)潔實(shí)用。對(duì)于一般部位，采用玻化磚鋪地、涂料內(nèi)墻面，鋁合金板吊頂或涂料頂棚。總體設(shè)計(jì)方案使用新材料，采用新工藝，創(chuàng)造了室內(nèi)新的界面造型和空間形態(tài)[10]。

圖9 集控樓大廳裝修效果圖Fig.9 Decoration effect drawing of centralized control building hall

圖10 集控樓中控室裝修效果圖Fig.10 Decoration effect drawing of central control room of centralized control building

8 集控樓試運(yùn)行效用

集控樓于烏東德水電站首批機(jī)組投產(chǎn)發(fā)電之日同步交付給了長(zhǎng)江電力股份有限公司，并投入試運(yùn)行使用。利用天然溶洞布置集控樓，避免了集控樓壩肩布置方案因?yàn)闊o(wú)施工作業(yè)面而導(dǎo)致工期延后的情況，為水電站首批機(jī)組提前一個(gè)月發(fā)電創(chuàng)造了有利條件。圖11為k25溶洞集控樓實(shí)景。

圖11 K25溶洞集控樓實(shí)景Fig.11 Live photo of K25 Karst cave centralized control building

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)溫度實(shí)測(cè)，試運(yùn)行期間壩肩溫度為34 ℃時(shí)，洞內(nèi)環(huán)境溫度僅為26 ℃。天然溶洞環(huán)境有效降低了建筑物能耗損失，創(chuàng)造了適宜的工作環(huán)境，體現(xiàn)了綠色生態(tài)設(shè)計(jì)理念。

溶洞內(nèi)部對(duì)圍巖統(tǒng)一支護(hù)，通過(guò)錨索強(qiáng)化洞壁穩(wěn)定性，有效降低了集控樓設(shè)置于壩肩所可能存在的邊坡細(xì)小落石破壞和泄洪霧化風(fēng)險(xiǎn)。

9 結(jié) 論

水利工程建筑設(shè)計(jì)往往注重功能而忽略建筑形象，后期外觀上的缺陷則需采取建筑裝飾手段被動(dòng)彌補(bǔ)，不能從根源上主動(dòng)避免。在該項(xiàng)目建設(shè)過(guò)程中，設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)從設(shè)計(jì)初期便因地制宜、因勢(shì)利導(dǎo)，利用天然的K25溶洞空間布置集控樓，既能有效規(guī)避高邊坡落石風(fēng)險(xiǎn)、創(chuàng)造安全舒適的運(yùn)維環(huán)境，又有利于大壩建設(shè)期施工組織有序施工，減少原本狹小的右壩肩施工場(chǎng)地占用和干擾。

通過(guò)利用K25溶洞988 m高程以下11 m的空間來(lái)布置集控樓，直接減少了溶洞內(nèi)原本需回填的混凝土約1萬(wàn)m3，減少了原壩肩基礎(chǔ)開(kāi)挖量1 000 m3。同時(shí)，該方案可使集控樓建設(shè)與壩肩施工平行作業(yè)，互不干擾，極大縮短工期近6個(gè)月，為保證電站首批機(jī)組如期發(fā)電創(chuàng)造了有利條件。

K25溶洞集控樓實(shí)現(xiàn)了建筑形式、功能與地形環(huán)境的有機(jī)結(jié)合。 “天工開(kāi)物別有洞天”，集控樓“水流飛泄”的自然形態(tài)，兼具靈動(dòng)與力量的美感，成為烏東德水電站壩區(qū)一道美麗的風(fēng)景。通過(guò)創(chuàng)新設(shè)計(jì)，統(tǒng)籌協(xié)調(diào)、內(nèi)外兼修，創(chuàng)造了安全運(yùn)維、環(huán)境舒適的建筑場(chǎng)所。